NASA处理航天飞行任务中所采用的MBSE技术

复杂系统工程涉及统管多个学科,而各个学科通常各自为政并使用各种各样不兼容的工具。物联网(IOT)工程开发需要更强大的互联性。采用所有系统合作的综合 3D 数字模拟——一个基于模型的系统工程(MBSE)方式的虚拟样机技术有望降低工程难度。

作者:Lindsay James

有效地开展一个复杂系统工程是一项宏大的事业。系统工程国际委员会(INCOSE)研究员、特许工程师、作家,来自苏格兰的 Hillary Sillitto 说:“传统方法重点关注结构(部件与部件之间的互联),并且认为可以通过将互联部分适当地组装起来获得所需的性能”。

显然,这种“结构第一”的设计方法让系统本身直面子系统之间的冲突,但是,Sillitto 说:“因为相互潜在的互动过于繁杂,这一方法不能够保证不会产生不良或无法接受的特性或行为。”

更重要的是,物联网(IOT)的兴起导致这一挑战难度倍增。美国Booz Allen Hamilton 咨询公司总工程师兼研究院、INCOSE 系统工程转型助理主任、福特汽车公司前总工程师 Troy Peterson 说:“成倍增长的互联现象加剧了系统复杂性、系统交互传播以及频率。”

物联网产品开发的领导者,德国家电制造商美诺公司( Miele)十分了解这些挑战。“产品功能越来越趋于硬件和软件复杂结合的结果,”美诺公司虚拟产品开发的带头人 Matthias Knoke 说,“许多传统机械功能已被电子组件所取代,这大大增加了功能的多样性。同时,越来越多的学科,必须接受咨询并参与进来。传统开发和测试方法已经不再能够满足需求。”

基于模型的系统工程

越来越多的组织开始探索基于模型的系统工程(MBSE)方法的潜在应用能力,利用虚拟仿真技术降低由该方法产生的工程复杂性。INCOSE 将其定义为“正式利用模型来支持系统的需求、分析、设计、验证和确认,起始于概念设计阶段,并将持续应用于整个开发阶段及后期的生命周期阶段。” MBSE 有望降低目前许多工业设备(IE)公司面临的挑战。

美诺已经开始获得丰厚的回报。“利用 MBSE 将系统化的方法应用于产品的复杂性,使得产品更易于管理,”Knoke说,“因此,开发周期得到缩短,同时,在研发方面的相应指出减少。更重要的是,各学科之间的合作与交流得到了改善。”

德国的高端家电制造商美诺公司,以这款物联网功能洗衣机为代表,采用基于模型的技术来解决不同的工程学科的优先次序竞争的问题,以对设备的整体结果进行优化。(图片来自美诺)

总部位于Fairfield,业务范围涵盖了从发电涡轮机组到飞机发动机的IE 系统全球供应商,通用电气,同样利用MBSE 获得了不少好处。“这种方法之所以至关重要,有以下一些基本原因,”通用电气数字部门制造行业负责人Paul Boris 说,“通过构建数字模型,我们能够将机械耐受的不同工作条件和压力纳入考量。例如,我们在一些飞机发动机上发现了一种超乎我们预期的磨损情况。我们利用该数字模型对这些特定设备的使用模式进行映射,而不是把这些发动机全部召回以期发现问题。我们认为是它们的使用方式导致发动机性能下降;问题还是来源于发动机本身。于是,我们开发了一种洗流系统来对其进行整流。利用该系统,这个问题得以定位到特定发动机的特定区域。就这样,我们为客户省去了用以修理一些实质上并未破损部件的支出及浪费,同时延长了发动机的运行时间并使其拥有更好的性能。”

同样,美国航空航天局(NASA)也已采用 MBSE 技术来处理复杂性日益增加的航天飞行任务。“MBSE 帮助我们在单一可信来源数据库中捕捉项目信息,并通过这些信息与广大用户群体进行有效的沟通,”加利福尼亚州 Pasadena 喷气推进实验室的系统工程师,Brian Cooke 说。

Cooke 效力的 NASA 欧洲项目预计将在本世纪20年代探索木卫二卫星。

加快 MBSE 普及应用

然而,采用 MBSE 实践的例子目前仍屈指可数。战略与“it’s OWL”(智能技术系统OST Westfalen Lippe )技术网络研发总经理,机电一体化系统设计德国 Fraunhofer 项目组的 SE 部门负责人,Roman Dumitrescu 说,一些因素正在限制 MBSE 技术的普及。“MBSE 技术标准缺失,其中包括关于如何实现 MBSE 和具体配置复杂技术系统建模的明确流程,”杜米特雷斯库说,“此外,目前能够使用 MBSE 的工程师不足,并且几乎没有关于MBSE 的专业教育项目。”

为了使 MBSE 获得广泛应用,杜米特雷斯库说,IE 企业必须基于真实工程挑战来定义其 MBSE 方法。“他们应该从复杂度较低的系统开始,同时着力于工作流程和语言配置文件,”他说。“IE公司需要让他们所有的工程师熟悉 MBSE ,成立小型 MBSE 大师团队。”

彼得森对比表示同意:“一个规模合理、目的明确且资源富足的试点项目,即使再小,也能清楚地显示MBSE 技术的价值,”他说。“但它不是一种灵丹妙药。如果要将其作为一项持久的能力或用以提供竞争优势,其仍然需要进一步的投资与承诺,需要具有领导力和专业知识的人员参与进来,以将其转变成一种基于模型且能将不同学科和领域的模型连接起来的方法。”

汉德天下拥有10多年聚焦以UML、SysML建模规范的模型驱动MBSE实施经验,熟悉业内各类工具,拥有航天、机械、工业、汽车、船舶、军工、软件等领域实施经验,可结合实际业务进行MBSE具体实施方案咨询和培训、可根据不同业务进行工具链的定制研发。欢迎联系了解

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