复杂系统数字孪生：基于模型的工程（MBE）概论.docx

基于模型的工程（MBE）概论 MBE定义 MBE是Model Based Engineering的简称，MBE的中文是基于模型的工程，是基于模型的方法在工程领域的一种应用。美国国防工业协会(NDIA)在2011年Model-Based Engineering Subcommittee最终报告中对MBE的定义如下： 基于模型的工程（MBE）是一种新兴的工程方法，主要解决系统和系统之系统（SoS）复杂性增加带来的问题，同时致力于减少开发、交付和改进这些系统的周期、成本和风险。MBE的核心是基于模型的方法在工程中的应用，其中模型是技术基线的组成部分，模型贯穿整个采办生命周期，并集成项目中所有的学科（如系统工程、运行分析、软件工程、硬件工程，制造和后勤等）。模型能够在跨采办项目间共享和/或重用，包括政府和工业利益攸关者间的共享和/或重用。简单来说，MBE是一种应用模型作为技术基线的组成部分的工程方法，包括整个采办生命周期中能力、系统和/或产品的需求、分析、设计、实现和验证阶段 REF _Re\r \h [2]。MBE涉及范围比较广，需要使用多种类型的模型来解决产品或能力的不同方面，包括基于模型的系统工程、物理行为建模与仿真、基于模型的RAMS分析、基于模型的机械工程、基于模型的电气工程和基于模型的软件工程等，如 REF _Re\h 图3- 1所示。 图3- SEQ 图3- \* ARABIC 1基于模型的工程（MBE） 在MBE中，需要使用什么类型的模型，首先取决于建模领域；建模领域可能包括产品的系统、机械、电气或软件方面，或产品的不同阶段如需求、设计、分析、测试、制造或维护阶段；模型类型还可能取决于应用领域，如通信、飞行器设计和汽车设计。不同的建模领域（系统、机械、电气、软件学科；需求、设计、分析、测试、制造和维护阶段）、不同的应用领域（航空、航天、汽车、船舶、兵器、工程机械领域）可能需要不同的模型，特定的模型只适用于解决特定领域的问题。 模型是MBE的核心。从大的类别来分，模型类型可分为计算分析模型和描述性模型。计算分析模型主要是在计算机建立的仿真模型。这些仿真分析模型可能是定量分析模型，如用于飞机动力学分析（Simulink模型）、飞控伺服作动系统的阶跃响应分析（Amesim模型）、电气系统散热的热分析（CFD模型）等的动态分析模型；这些仿真分析模型可能是静态分析模型，如可靠性预测分析模型、故障树分析模型。这些仿真模型可能是参数确定性分析，也可能是参数不确定的分析，如monte-carlo性能仿真分析。有的时候，这些模型也可能与硬件、人员集成，形成硬件在环或人员在环仿真。 与计算分析模型对应的是描述性模型，用于描述系统和设计特征。这种描述性模型通常用图形化建模语言来表达，并由相应的建模工具完成描述性模型的建立。典型的描述性模型包括机械设计中的三维几何模型、电气设计中电气原理图、软件架构模型（如UML、AADL模型）以及系统架构设计模型（如SysML、Capella、UPDM模型）等。 基于模型的方法 模型是基于模型的方法实现的基础，如果没有模型做支撑，MBE就变成空谈。模型的定义是对系统、实体、现象或流程的抽象或表达 REF _Re\r \h [1]，这种抽象或表达的目的有两个：1）模型能让人们表达想法或概念时更清晰，无歧义，增强人们之间的沟通能力；2）在实际产品构造出来之前，通过执行模型验证想法，确认系统的功能、行为和行为是否符合预期。基于模型的工程强调要采用正式模型来支持整个工程采办生命周期流程活动，基于模型连续传递数据，以模型为中心，做到工程中的所有利益攸关者以模型为主线协同工作。 正式模型 基于模型的工程要求模型一定要是正式模型，而不是像图片或文本等非正式抽象描述模型。正式模型是可以用数学形式来表达的模型，分为几何模型、定量模型和逻辑模型。几何模型代表产品的几何或空间关系，如NX CAD模型；定量模型代表产生数值结果的产品定量关系，如Amesim模型；逻辑模型代表系统和部件、部件之间的逻辑关系，SysML模型。 图3- SEQ 图3- \* ARABIC 2正式模型分类 在系统生命周期中制定正规的模型开发和使用计划，并按照企业或项目流程规范正式地开发、集成和展示模型，确保模型是精确的、完整的、可信的和可重用的。模型作为主要的技术基线，通过使用模型支持跨生命周期的工程活动决策权衡。 以模型为中心 MBE要求建立跨生命周期阶段模型和数据的追溯关系，能够基于这些正式模型连续传递数据，如 REF _Re\h 图3- 3所示。首先要做的是建立各生命周期阶段的需求分解或衍生的追溯关系，实现需求驱动的正向设计。然后建立各阶段模型和数据的