以MBSE为驱动的固体动力系统数字化能力提升探索与实践

数字化能力提升探索与实践刘荣荣、杨敏、刘湘/中国航天科工动力技术研究院情报信息研究中心
固体动力系统型号研制是一项多学科交叉、多专业融合应用的大型系统工程，具有技术研发过程复杂、人工成本高、投入研制资金多、质量与可靠性要求高、跨单位协作工序多、研制过程风险不可控、项目统筹及管理难度大、各个部件专业之间耦合关联相互影响等诸多特点。

传统固体动力系统型号研制模式大多基于文档，数字化应用程度并不深入，存在多人协同研制能力不高、全周期研制过程可追溯性不强等问题，已成为制约军工数字化科研生产能力提升的瓶颈问题之一。

固体动力系统研制过程存在诸多挑战，但在新形势下，新一轮科技、工业和产业革命也同时为固体动力系统研制的发展提供了新思维、新方法、新机遇。

人工智能、物联网、大数据与传统学科的相互结合，使各类学科技术加速向纵深领域挺进，科技创新多元深度融合日益高度复杂。

因此，武器装备系统研制单位必须牢牢把握科技革命带动产业加速变革的新特点，主动适应新形势，在研制过程中建立系统级的仿真模型，并通过形式化的建模手段来实现产品的数字化研制过程，将研制模式从原有的“基于
文档”转变为“基于模型”，用
系统工程的手段提高武器装备系 统的体系贡献度，创新发展理念
和研发模式，进而推动军工数字
能力提升。

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一、MBSE 模式构建内涵 及应用原理
MBSE (Model-Based Systems
Engineering )是基于模型的系
统工程建模方法在系统需求、设
计、分析、验证与确认等活动环
节的形式化应用，是模型驱动 原则、方法、工具、语言的指
导规范，持续贯穿产品研发设
计、生产、制造、试验的全生 命周期。

MBSE 使用系统建模 语言(SysML)描述系统架构模
型，其原理是通过对系统底层 元素进行面向对象的、图形化
的表示，实现在不同层次应用
这一过程建模将底层元素有效
的集成起来，进而逐步构建系 统的其他模型。

基于MBSE 的模式构建旨在
建立一套由需求牵引、在系统工
程规范体系与系统工程应用支撑 框架下开展的基于模型的设计与
持续验证，并将系统工程基础方 法论、流程、技术、方法、工具
与知识同实际业务结合，切实转
化为企业系统工程能力的系统工
程应用环境。

MBSE 以需求作为
最原始的驱动力，并将模型作为 持续验证的基础，从系统一子系
统一部件的纵向维度和需求一功 能分析一系统架构一系统设计一
系统实现—V&V (Verification
and Validation )的横向维度，在
系统整个生命周期中完成多学
科、多领域的持续验证、优化设 计。

系统工程的技术过程和管理
过程如图］所示。

将基于MBSE 的先进理念
应用到武器装备系统研制过程 中，对产品研制的各个阶段、各
个逻辑层次进行系统的效能评
估，同时与武器装备需求紧密
结合，迭代地进行设计、验证,
优化系统设计，尽可能在研制早
项目管理过程
丁千口T 帀曰城当 丁千口甘卡［［矜丁田 人财物的保卩早：
工程项目抓 工程计划管理：商人力资源訓、项目成本 工程沟通管理工程质量管理工程风险管理集成管理 项目氾围、项目进度管理、物资与采购外包管理
确认,技术管理过程
技术规划：系统工程 管理计划、研制程序
技术控制：需求管理、接口 管理、技术风险管理、技术 状态管理、技术资料管理
技术评估：技术性 能度量、技术评审
技术决策：决策分析、 多方案比选技术
用户需求及使用方案♦
分系统和部件设计
验证
验证
验证.
采购、制造、组装零件
系统确认
“系统集成、
验证、试验
图1系统工程的技术过程和管理过程
期发现分析和设计方面的问题、排除系统缺陷和错误，这是提高武器装备数字化研制水平的重要途径。

基于MBSE模式的应用必然会促进研发设计过程的自动化、数字化、智能化，缩减研发时间、降低研制成本，进而提升武器装备的整体质量水平,这也是数字化科研生产体系建设的主要任务之一。

I二、MBSE模式在固体动力系统数字化领域
应用的必要性
1.推动科研生产管理模式创新变革
依托诸如PDM、ERP、MES、TDM、多项目管理系统、质量管理系统、数据中心等信息化系统，应用MBSE模式进行产品设计研发，建立基于虚拟样机的一体化系统模型，并开展系统仿真与虚拟试验验证集成。

同时,对系统需求进行基于模型的定义、设计、分析、优化、校核和验证，并根据物理模型仿真结果改善功能模型，推动科研生产管理模式的创新变革。

传统的产品研制过程以基于文档模式的项目管控为主，全面建立基于MBSE先进理念的数字化科研生产体系，将模型（研发对象、传递信息以及管控对象等）贯穿产品研发的全生命周期，实现模型共享，同步健全智能制造技术、产品、标准体系，并由此带来整个工作模式、设计流程的变革，推动新一代武器装备技术研发及
应用，为实现高效运行的智慧
企业奠定基础。

2.开创固体动力系统全生命
周期数字化管理新篇章
固体动力系统典型研制流
程包括概念设计、方案设计、
工程研制、设计定型，结合武
器装备系统研制特点，通过对
性能指标、设计约束、贮存特
性、运输特性、环境适应性等
相关参数的分析来进行顶层设
计结构化管理；通过基于模型、
流程及参数驱动的总体设计迭
代进行产品研制，对产品进行
功能分析、架构定义、功能分
配及分解。

利用系统设计分析
方法论，综合考虑模型的“六
性”（维修性、可靠性、保障性、
测试性、安全性、环境适应性）
设计进行系统仿真和虚拟试验
验证集成，以使系统架构驱动
仿真架构并对仿真架构进行流
程管理，从而完成需求驱动的
闭环仿真，实现基于MBSE模
式的固体动力系统产品研制过
程全生命周期数字化管理，如
图2所示。

I三、MBSE模式在固体
动力系统数字化领域的
应用探究
1.不断推进，深入研究基于
MBSE需求管理模式的构建方法
探究MBSE的内涵和实现
方法，结合固体动力系统产品
实际研制流程和执行标准，定
义产品技术流程和管理流程的
业务范围，以需求管理为突破
点开展MBSE模式构建方法
研究。

一是开展固体动力系统产品
需求来源分析。

确定利益相关方,
统筹考虑来自各利益相关方的
需求。

二是确定固体动力系统产品
需求流程描述。

基于产品层的需
求按系统层次结构进行分解，基
于学科层的需求按系统各专业
学科进行综合集成分析和需求
提炼，确定顶层需求以及各层级
需求，采用分层方法对需求进行
分解，在产品每一层形成需求捕
获、需求分析、需求确认、需
求分配、需求验证的循环过程,
同时对系统内的需求进行逐级
分解和分配，将需求分解和分
配内容进行迭代，并不断修正
和优化，直至形成完整、系统、
全面的需求设计。

三是构建固体动力系统需
求BOMo根据需求层级的划分
构建形成最终的产品需求管理
BOM,构建初步的关键顶层需
求集，通过模型、样机、仿真或
其他手段进行试验、验证，以及
确认需求与产品的一致性和统
一性。

2全®局，族IVBSE模式
指导固体动力系统研制实践
通过SysML语言针对对象的
定义（结构模型、行为模型、需
求模型和参数模型）构建基于
MBSE的固体动力系统产品研
发模式，根据系统需求定义的
功能来设计整体框架，应用基
于MBD（Model-Based Definition）
需求分析系统设计产品实现产品集成与试验验证
析与系统架构 设计
功能优化
需求迭代优化
需求分靑求分析
武器系统 功能分析’
需求
A
-需求模型卜需求验证与对标
/产品交付A 与验收
功能_►
模^嘛型与能验证
试验
验证
•输出1套系 统模型+系统 规范文档
系统 系统方案 系统详细 详细设计 设计与优
化
•交付武器系 统产品、产品规 范、武器系统产 品BOM
系
统 集
成
系统级性能
样机与系统 级产品的性— 能验证与对标
系统设计 与优化
单机产品
模型f 与 P BOM 分系统模型 与EBOM 系统方案
迭代优化
设计与优化
分系统设
单机产品系统模型f 性能虚拟样机-J 系统集成、测
I 试、试验验证
模拟与 虚拟样机分系统级设 计虚拟样机 设计模拟样机-与分系统级产品的性能
验证与对标工艺样机
工艺虚拟样机-与单机产品
工艺虚拟样阳的性能验证 与对标
丿•输出EBOM 、
PBO M 、三维模 型、质量数据包、 研制规范文档
系统实现
（基于模型定义的产品实现）
-机电产品设计与实现 -液压产品设计与实现 -控制产品设计与实现 -软件产品涉及与实现
以M B D 为核心的产品实现过程
注：输出物系统工程主要阶段关键环节重要节点系统集成、测 试、试验验证丿产品 确认
7
试 验
验 证
与 确 认
•输出产品BOM 、 实物产品、产品技 术文件
模型或虚拟样机研制阶段
图2基于MBSE 模式的固体动力系统产品研制过程
的全三维数字化产品定义，在系统模型的基础上对整体方案进行分析和优化，并完成各分系统的性能指标分解。

在后续分系统设计开发阶段，通过建立分系统进一步细化模型，审核分系统的性能是否满足系统总体设计阶段定义的性能指标，以及分系统的模型是否可以替代系统模型中的功能模型，进而实现优化设计。

一是建立基于MBSE的数字化协同研制体系。

基于MBSE 的活动及其流程是整个型号研制数字化流程体系的中枢内容，根据固体动力系统型号研制任务的要求，逐步梳理、建立和完善数字化协同设计、数字化协同制造、数字化协同试验、数字化协同管理等流程体系，依托先进的信息化技术手段加强信息和数据的表达、传递与共享，为实现固体动力系统研制体系全方位、全级次的数字化应用提供根本性保障。

二是基于MBD的全三维数字化产品定义。

基于MBSE 的数字化协同研制体系的核心思想是将“系统模型”贯穿于型号研制的全生命周期，运用MBD技术将产品的制造、生产信息与产品的设计信息共同定义到产品的三维模型中，再通过一系列规范的模型清晰、准确地表达“设计一制造”一体化的产品设计思想，从而实现产品定义的准确性、完整性和唯一性。

三是制定全型号MBSE的统一技术标准和管理要求。

将跨单
位的模型和数据交付纳入计划管
控，对研制过程各阶段产生的需
求树、系统模型、更改单、BOM
和虚拟样机等进行质量审查并确
定技术状态受控，同时在科研生
产管理体系中开展应用推广，真
正将MBSE模式理念融入研制
流程和质量管理体系。

同时，在
现有信息化标准规范体系上统
一系统建模语言、数据交付要
求，通过开展MBSE标准规范
体系框架设计，构建固体动力系
统MBSE标准规范体系，如图3
所示。

I四、MBSE模式在固体
动力系统数字化领域的
实践应用
构建阶段需求树，开展试点
型号项目需求分解建模，形成模
型表达的阶段基线，实施基于数
据和模型的指标分配、预计和
评估，完成系统虚拟匹配试验、
结构虚拟装配试验、总体性能试
验等设计指标的闭环仿真验证,
图3MBSE标准规范体系
初步形成基于MBSE的技术管
理、核心指标设计及验证和需求
确认管理能力，为整体实现固体
动力系统科研数字化管控提供
有力借鉴。

1.基于PDM/PLM平台的
集成化系统工程环境构建
利用MagicDrawh Creo、Mentor
Graphic、ICIDO、SimulationX等
建模工具进行需求建模、需求
管理、系统建模、三维结构设
计、虚拟装配、虚拟试验验证
等基础环境搭建，为产品开发
提供模型驱动的系统工程环境，
将系统建模、体系架构、系统
仿真和需求管理与产品研制和
流程知识关联起来，以支撑产
品研制需求、分系统设计以及
不同专业学科相结合后交互关
系的建模和分析，实现特定需
求与特定功能分解的关联，并
在此基础上对系统整体进行评
估和决策，形成系统组成形式
的产品研发活动，建立基于
MBSE的研发目标和流程，进
而从整体上把握价值链的上下
游，实现基于系统流程驱动和
模型驱动的产品研制过程。

2. 需求驱动的产品定义、
多学科系统仿真和分析
以PDM 系统为基础应用,
把产品研制需求条目进行定义,
进行需求配置管理和预算分析以
及报表统计、文档生成、验证测 试和决策支持，将建模过程与仿
真环境相结合，实现固体动力系
统总体和分系统多学科协同仿 真。

借助虚 拟的系统仿 真和分析评 估设计，减
少对物理样
机的依赖， 降低因仿真
验证不充分
而导致的设
计更改和成
本管控。

3. 基于模型的工艺设计依托 PDM 、ERP 、MES 、CAPP 、TDM 等系统为基础，构建基于
模型的工艺设计环境，涉及产品
需求确认、产品定义、产品设计、 工艺设计、工装设计、工艺仿真、 工艺卡片和数据报表、MES 与
ERP 集成、知识管理及资源管
理等多个环节，利用设计的三维
数据进行结构化工艺设计，并关 联产品、制造资源和工厂数据,
实现真正意义上的协同设计与 制造。

4. 基于模型的工艺装配
以PDM/PLM 平台为基础,
构建基于模型的工艺装配体系，
涵盖EBOM 、MBOM 、工艺规划、
工艺规程等信息类型，使得工艺 设计与管理成为企业PDM/PLM
平台的有机组成部分，保证全维 度、全场景、全过程统一的可视
化流程管理和文档管理，实现以
PDM 系统为中心的产品全数据
共享、应用工具共享和集成工具
共享。

5.基于模型驱动的试验哋
构建基于TDM 系统的虚拟 试验验证平台，基于模型的验证
构建基于TDM 系统的虛拟试验验证平台，基于模型
的验证业务流程包括总伸需求分解、验证计划的确定、仿
真需求、仿真执行、试验需求管理、试验准备管理、试验＞执行管理以及报告生成等腕程，通过对仿真数据和流程逬《 行统一集中管理，以满足多种型号配置的产品及对应的仿
真或者试验验证活动的业务对象的关联关系，逬而实现基
于模型的试验验证。

业务流程包括总体需求分解、验
证计划的确定、仿真需求、仿真 执行、试验需求管理、试验准备 管理、试验执行管理以及报告生 成等流程，通过对仿真数据和流
程进行统一集中管理，以满足多 种型号配置的产品及对应的仿真
或者试验验证活动的业务对象的 关联关系，进而实现基于模型的
试验鲍。

6.基于模型的全生命周期
质量管理
以质量管理系统为基础，构
建基于模型的产品全生命周期质 量管理体系，贯穿于产品设计、
工艺设计、产品制造装配过程、
测量规划与验证、缺陷分析与反
馈的质量闭环管理，并同步在产
品制造检测过程中，注重检测工
艺规划和检测执行，实现质量信
息的有效传递和与之相适应的合 理测量规划验证，以共同驱动跨
部门协同。

7.基于模型的数字化服务
结合数据中台战略思想，完
善数据仓库、数据集市并预置 若干典型业务场景的算法和模
型，构建基于模型驱动的数字
伽轩系,
包括数据服
务管理、服
获识管理、
服务需求管
理、服务请
求管理、服 务规划、服
务计划和执 行以及服务 报告分析,
实现数字交付。

构建AR 样板间, 开展面向模型的实物可视化展现
与分析研究，实现基于轻量化
模型的产品立体式全方位展示，
完成服务质量或技术问题的关 联分析。

笔者以固体动力系统研制现
状为切入点，开展了整体框架
模型、MBSE 标准规范体系以及
多学科协同仿真分析与设计试
验验证环境构建研究，完成了
分系统任务书及各阶段模型转
化，实现了 MBSE 在固体动力 系统产品研制过程中的初步应 用，有效提升了武器装备系统
数字化科研生产能力，为实现
“数字航天、创享智能”打下坚
实基础。

V （责任编辑张岩）。