MBSE中国高端制造创新设计的使能技术

v.brake.rotor. BrakingForce:
v.Weight:
tf: tl:
bf:
:BrakingForce
f:
Equation
[f = (tf*bf)*(1-tl)]
v: :DistanceEquation
[v = dx/dt]
x:
v.Position:
m:
:Accelleration
2010
2020
2025
INCOSE两个促进MBSE发展的团队
行动团队（Activity Team） — 基础研究
行动团队 MBSE Usability （MBSE的可用性） Methodology and Metrics（方法学和测量） Model Management（模型管理） Modeling Standards （建模标准） Ontology（本体） System of Systems/Enterprise Modeling（SOS/企业建模） Model Based Test（基于模型的测试）
创新设计对企业的重要性
据美国政府统计：在企业产品设计上投入1美元，则其产出就会增 加2500美元
日本日立公司：每增加1000亿日元的销售收入，设计创新所占的作 用占51%。
（摘自：西北大学，张治：“论设计创新在西部经济发展中的重要性”，2009.10）
背景
我国创新设计现状与问题
系统层面的创新能力远弱于底层构件的创新能力 整体产品创新能力远弱于局部零部件的创新能力
不完全遵循SysML 二次开发的功能无法
集成于其原平台
国际MBSE研究与应用—LM公司
国际MBSE研究与应用—AirBus
国际MBSE研究与应用—NASA MISSE-X项目
国际MBSE研究与应用—NASA - CubeSat
国内研究现状
应用：航天科工/科技集团、中航工业、中电、…… 平台工具：M-Design（浙江大学CAD&CG国家重点实验室）
工程管理
软件
文档间隐含的 关联依赖关系
分析
传统基于文 本的方式
制造
设计
• 动力系统 • 传动系统
• 刹车 • 底盘 • …….
MBSE使能作用—建模组织管理技术方面
管理
市场
沟通
文档/语 言/邮件 /模型
工程管理 粗略描述 隐含依赖
文本传递
软件
清晰刻画
系显统式关联
模型查看
模型
建模组织管理的颠覆性转变
以模型的方式，通过对跨学科的专业知识统一表示来控制
M复B杂S系E统于的研系发统过设程。计类似CAD于详细设计
其强调的是系统工程过程中信息传递的模型化
MBSE特点
模型化：系统设计全过程、全对象、全参数
需求分析 功能分析 架构设计 系统验证
需求 行为 结构 参数 约束 ……
软/硬件 设备 工序 人员 数据 ……
成熟度
扩展成熟度和兼容性
分布式和安全模型库贯穿多个领域
定义MBSE理论, 本体,和形式
架构模型与仿真、分析和可视化集成
MBSE方法和测量成熟, 集成系统System/HW/SW模型
形成MBSE 标准
引用到下面领域的活动：
•计划和支持 •研究 •标准开发 •过程，时间和方法 •工具和技术增强 •宣传，培训和教育
Vehicle System Specification
玶eq u irem en t? StoppingDistance
id=“102” text=擳he vehicle shallstop from 60 mph within 150 ft on a clean dry surface.”
VerifiedBy 玦nteraction籑 inim um S topp ingDistance
基于模型的 方法
制造
设计
分析
• 动力系统 • 传动系统
• 刹车 • 底盘 • …….
MBSE使能作用—系统建模技术方面（1）
系统设计表达由单一分散文档向多学科统一模型转变
需求
结构/ 物理架构
发动机 传动系统 驱动
控制
动态性能
动力 汽车 方程 动力学
集成系统模型必须 包含系统的多个方面
系统 模型
原因
引进、吸收再创新
— 限制了创新能力
缺乏系统级创新设计方法与工具 — 创新效率不高
— 创新成本太高
？？
？？电子
机械 系统设计师
？？
软件
？？
控制
汇报提纲
背景—中国制造现状 MBSE介绍 国内外MBSE研究与应用 MBSE的使能作用分析 MBSE的使能技术 总结与展望
SatisfiedBy 玝lock籄 nti-LockController
玠eriveR eqt?
par [constraintBlock] StraightLineVehicleDynamics [Parametric Diagram]
v.chassis.tire. Friction:
v.brake.abs.m1. DutyCycle:
Patterns （基于模式）
商机团队领导
Russell Peak David Kaslow Robert Karban Ajay Thukral Lawrence McGovern Bill Schindel
语言
使用
方法
描述 生成
模型
应用
促进
管理
国际MBSE研究与应用—建模语言SysML 工具
2007年，INCOSE和OMG组织在统一建模语言UML的基 础上，提出标准系统建模语言SysML
语言
使用
方法
描述 生成
模型
应用
促进
管理
国际MBSE研究与应用—MBSE工具 工具
IBM(Rhaphsody) NoMagic(MagicDraw) 3SL(Cradle)
国际MBSE建模工具分析
已比较成熟，具有了需求、功能、行为、结构、参数等建模功能。 本质均是面向软件工程、而非面向系统工程 未经知识封装的MBSE平台使用复杂、上手难；大量的领域知识
MBSE：中国高端制造创新设计的使能技术
刘玉生 浙江大学CAD&CG国家重点实验室
2016年11月11日
汇报提纲
背景 MBSE介绍 国内外MBSE研究与应用 MBSE的使能作用分析 MBSE的使能技术 总结与展望
背景
制造业是国民经济的主体
立国之本、兴国之器、强国之基
行为/ 功能架构
开始 换向 加速 刹车
质量 成本 制造性 可靠性
交流方便 歧义消除 知识重用 推理自动 及早验证
系统设计表达方面—多学科异构系统设计知识全统一
MBSE使能作用—系统建模技术方面（2）
系统设计关联由隐式向显式转变
1. 需求
req [package] VehicleSpecifications [Requirements Diagram - Braking Requirements]
MBSE特点
复杂系统设计的自动化（模型驱动）
在不同建模部分实现模型驱动与映射，即要实现上一 层次的建模能驱动下一层次建模的自动生成（虽然这 并不容易）： 需求模型
功能模型
架构模型
验证模型
MBSE可成为中国高端制造创新设计的使能技术
汇报提纲
背景—中国制造现状 MBSE介绍 国内外MBSE研究与应用 MBSE的使能作用分析 MBSE的使能技术 总结与展望
m1:BrakeModulator
allocatedFrom 玜ctivity籑 odulate BrakingForce
values DutyCycle: Percentage
仍需用户建设与维护 缺乏与详细设计、系统仿真、系统优化等的集成 缺乏智能性支持 无法支持离散/连续混合行为建模 汉化能力有限 ……
Rhaphsody
需求建模功能单一 需求与架构关联性低 约束多，建模不方便
MagicDraw
S百度文库sML是外接插件 API支持不好，调试
难度大
Cradle
DetectLossOf Traction
TractionLoss:
Modulate BrakingForce
allocatedTo 玞onnector籧 1:modulatorInterface
allocate
ibd [block] Anti-LockController [Internal Block Diagram]
Equation
F:
[F = ma]
a: a:
:VelocityEquation
v:
[a = dv/dt]
4. 参数
satisfy
2. 行为
act PreventLockup [Swimlane Diagram]
玜llocate? :TractionDetector
玜llocate? :BrakeModulator
我国制造业总体情况：多个行业规模第一，但大 而不强
低端混战、高端失守
高科技产品增加值占制造业增加值的比重
14.2～12.37%
盈利水平（中国企业500强与世界500强同类企业相比）
汽车制造业：
27.8%
航空航天制造业： 11.1%
背景
中国制造2025
创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本
语言
应用
国际MBSE研究与应用—建模方法
使用 描述 生成
模型
管理 工具
方法 促进
研究单位 MIT、GaTech、CalTech、慕尼黑工业大学、…….. NASA、美国国防部、欧空局、IBM、……..
目前提出的方法论 INCOSE OOSEM（面向对象系统工程方法） IBM Rational Harmony-SE IBM Rational (RUP-SE) Vitech MBSE Methodology JPL State Analysis （状态分析法） OPM（以色列Dori教授的对象-过程方法） ……
国内外MBSE研究与应用
INCOSE：在2015~2025年之间将MBSE方法逐步定义成熟。 目前的MBSE方法依然处于快速演进的状态
MBSE 功能
减少循环时间
SOS互操作性
设计优化贯穿权衡空间，贯穿基于分析的受影响领域
制度化 MBSE 跨 学术/工业
良好定义 的MBSE
Ad Hoc MBSE 以文档为中心
Braking Subsystem Specification
玶eq u irem en t? Anti-LockPerformance
id=”337" text=擝raking subsystem shall prevent wheel lockup under all braking conditions.”
satisfies
玶equirem ent? Anti-Lock Performance
c1:modulator Interface
d1:TractionDetector
allocatedFrom 玜ctivity籇 etectLos Of Traction
allocatedFrom 玂bjectN ode? TractionLoss:
行动团队领导
Bjorn Cole John Watson Lonnie VanZandt Roger Burkhart Henson Graves Ron Williamson/Matthew Hause Frank Alvidrez
商业机会团队（Challenge Team） — 应用研究
商机团队 Modeling and Simulation Interoperability（建模和仿真互操作） Space Systems（空间系统） Telescope Modeling（望远镜建模） Biomedical Device Modeling（生物医学设备建模） GEOSS Modeling（GEOSS建模）
Ｍ－Ｄｅｓｉｇｎ 主界面
系统设计与系统仿 真集成
目前还缺乏系统的理论、方法论等基础研究
汇报提纲
背景—中国制造现状 MBSE介绍 国内外MBSE研究与应用 MBSE的使能作用分析 MBSE的使能技术 总结与展望
MBSE使能作用—建模组织管理技术方面
市场
管理
沟通
文档/语 言/邮件 /模型
MBSE（基于模型的系统工程）定义
定义（国际系统工程学会INCOSE）
MBSE是一种应用建模方法的正式方式，用于支持系统需 求、分析、设计、检验与确认活动，这些活动从概念设 计阶段开始，贯穿整个开发过程及后续的生命周期阶段。
MBSE是系统工程领域发展的一种基于模型表达和驱动的 方法，它可以看成是模型驱动原则、方法、工具、语言 的指导规范，是对学科交叉和规模化的复杂系统的实施