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什么是基于模型的系统工程?

基于模型的系统工程(Model-Based Systems Engineering, MBSE)是一种以模型为核心驱动系统设计、分析、验证和管理的方法论,通过数字化建模取代传统文档驱动的开发模式,提升复杂系统开发的效率与一致性,其核心在于利用标准化建模语言(如SysML、AADL、SMAVE等)构建系统全生命周期模型,支持跨学科协同与动态验证。

传统的基于文本系统工程 VS MBSE方法

传统系统开发严重依赖静态文档进行需求、设计和沟通,导致信息分散、不一致且更新滞后。

复杂产品的设计通常需编写海量文档,在时间与资源上都无法支撑多方案验证与迭代。

传统文档难以直观表达复杂的系统行为和逻辑关系,也无法有效进行早期逻辑验证,导致设计缺陷传递至后期。

MBSE通过构建统一、动态的系统模型,将需求、设计、验证等环节集成于可视化模型中,作为“单一数据源”,确保信息一致性和实时同步。

借助MBSE,工程师能在统一模型中对多种设计方案进行可视化分析与并行验证,从而快速锁定最优架构,满足多场景需求。

MBSE模型能够突破文档描述的限制,通过执行模型模拟复杂的系统行为和交互,从而显著提升系统逻辑的验证覆盖度与设计可靠性。

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应用MBSE的好处

在MBSE的支持下,工程研制工作由过去大量依赖劳动的模式,转变为更加注重创造性和创新的设计过程,极大提升了设计效率和质量。

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早期缺陷检测

通过模型仿真可提前发现需求冲突或设计漏洞。波音787研发中利用MBSE减少了后期设计变更。
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跨团队协作增强

统一模型使机械、软件等团队基于同一数据源工作,避免信息孤岛。汽车行业通过MBSE缩短了ECU开发周期。
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知识资产沉淀

模型库可复用已有组件设计,促进不同项目之间的知识共享与积累,提升模型在新项目中的复用率,从而提高设计效率。
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强制实施合规要求

通过MBSE确保系统研发设计的各个阶段标准要求一致性。模型驱动的一致性可确保系统全流程合规并降低监管风险。

MBSE的关键技术路线

丰蕾科技采用基于系统建模的MBSE和基于模型仿真的MBSE结合的技术路线,通过系统建模和仿真验证技术,深入分析产品设计的各个环节,确保系统从功能、结构到行为的全面优化与一致性。

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丰蕾科技采用基于系统建模的MBSE和基于模型仿真的MBSE结合的技术路线,通过系统建模和仿真验证技术,深入分析产品设计的各个环节,确保系统从功能、结构到行为的全面优化与一致性。

01 基于系统建模的MBSE

采用系统建模语言(如SysML、UML等)对系统进行抽象建模,将系统功能、结构、行为等描述为模型,并进行仿真验证。

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主要用途

  • 系统设计与需求分析
  • 设计验证与仿真
  • 协同设计与系统集成
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适用产品

软件系统、嵌入式系统、通信系统等,特别是需要高安全性和稳定性的系统。

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用户群体

  • 嵌入式系统开发企业
  • 通信设备制造商
  • 高安全性系统开发公司
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技术不足

系统建模语言和工具的学习曲线较陡,模型的复杂度和规模可能导致管理难度增大,尤其在跨学科系统中。

02 基于模型仿真的MBSE

使用仿真工具对系统模型进行验证,模拟系统在不同条件下的行为,确保系统设计的可行性和稳定性。

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主要用途

  • 系统功能与性能验证
  • 故障诊断与可靠性分析
  • 多场景仿真与优化
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适用产品

航空航天、汽车、铁路等复杂系统的设计与集成。大型企业级软件系统,尤其是需要高可扩展性和复用性的产品。

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用户群体

  • 航空航天制造企业
  • 汽车制造企业
  • 轨道交通系统集成商
  • 大型企业级软件开发商
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技术不足

仿真结果依赖于模型的准确性与详细程度,复杂系统仿真可能导致高计算资源消耗。

03 基于需求驱动的MBSE

通过对需求的精确定义与追踪,确保设计方案与需求之间的一致性,并实时反馈需求变更的影响。

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主要用途

  • 需求分析与管理
  • 需求变更管理
  • 设计与需求一致性验证
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适用产品

对行业法规、安全标准和认证有强制要求的复杂产品,如核电站控制系统、高等级医疗设备。

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用户群体

  • 核电设计院
  • 高端医疗器械制造商
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技术不足

需求变更管理和需求追踪可能需要大量的人工干预和持续更新,需求的不明确或不完整可能导致设计偏差。

01 基于系统建模的MBSE

采用系统建模语言(如SysML、UML等)对系统进行抽象建模,将系统功能、结构、行为等描述为模型,并进行仿真验证。

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主要用途

  • 系统设计与需求分析
  • 设计验证与仿真
  • 协同设计与系统集成
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适用产品

软件系统、嵌入式系统、通信系统等,特别是需要高安全性和稳定性的系统。

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用户群体

  • 嵌入式系统开发企业
  • 通信设备制造商
  • 高安全性系统开发公司
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技术不足

系统建模语言和工具的学习曲线较陡,模型的复杂度和规模可能导致管理难度增大,尤其在跨学科系统中。

02 基于模型仿真的MBSE

使用仿真工具对系统模型进行验证,模拟系统在不同条件下的行为,确保系统设计的可行性和稳定性。

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主要用途

  • 系统功能与性能验证
  • 故障诊断与可靠性分析
  • 多场景仿真与优化
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适用产品

航空航天、汽车、铁路等复杂系统的设计与集成。大型企业级软件系统,尤其是需要高可扩展性和复用性的产品。

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用户群体

  • 航空航天制造企业
  • 汽车制造企业
  • 轨道交通系统集成商
  • 大型企业级软件开发商
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技术不足

仿真结果依赖于模型的准确性与详细程度,复杂系统仿真可能导致高计算资源消耗。

03 基于需求驱动的MBSE

通过对需求的精确定义与追踪,确保设计方案与需求之间的一致性,并实时反馈需求变更的影响。

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主要用途

  • 需求分析与管理
  • 需求变更管理
  • 设计与需求一致性验证
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适用产品

对行业法规、安全标准和认证有强制要求的复杂产品,如核电站控制系统、高等级医疗设备。

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用户群体

  • 核电设计院
  • 高端医疗器械制造商
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技术不足

需求变更管理和需求追踪可能需要大量的人工干预和持续更新,需求的不明确或不完整可能导致设计偏差。

应用MBSE的具体实施流程

STEP 1

需求定义与系统分析

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STEP 2

系统架构设计

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STEP 3

软件详细设计

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STEP 4

实现与单元验证

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STEP 5

系统集成与测试

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STEP 6

验证确认与维护

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本阶段通过结构化建模方法完整捕获和分析利益相关方需求,建立系统级功能架构和逻辑边界。具体步骤如下:

收集客户需求,使用需求图进行结构化建模和管理。
开展系统功能分析,通过用例图和活动图描述系统功能场景和事件流。
建立系统领域模型,使用模块定义图和内部块图划分子系统和接口关系。
需求定义与系统分析
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本阶段基于前期分析结果,完成系统级架构设计,明确软硬件划分和接口规范。具体步骤如下:

设计系统硬件架构,通过模块定义图和内部块图定义硬件组成。
划分软件和硬件功能边界,使用内部块图明确软硬件接口。
建立子系统功能架构,确保各子系统接口一致性和完整性。
系统架构设计
1/6

本阶段基于系统架构开展软件层面的详细设计和建模。具体步骤如下:

进行软件功能详细分析,通过用例图和活动图细化软件功能。
设计软件架构,使用包图进行分层,通过内部块图定义模块接口。
完成软件运行过程设计,使用时序图和组件图描述软件动态行为。
软件详细设计
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本阶段将设计模型转化为实际产品,并开展单元级验证。具体步骤如下:

根据设计模型开展软件编码和硬件实现。
进行软件单元测试和硬件部件测试,确保实现符合设计规范。
通过模型与代码的追溯,验证实现与设计的一致性。
实现与单元验证
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本阶段通过逐级集成和测试,验证系统整体功能和性能。具体步骤如下:

开展系统集成测试,验证各组件接口和交互的正确性。
执行系统测试,验证系统是否满足所有需求。
进行验收测试,确保系统达到客户预期目标
系统集成与测试
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本阶段旨在确保系统最终通过验证并建立持续维护机制。具体步骤如下:

完成系统最终验证确认,确保所有需求得到满足。
建立系统维护和更新机制,保持模型与实物的一致性。
收集运行数据,为后续产品迭代优化提供数据支撑。
验证确认与维护
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借助MBSE实现开发转型的案例

基于模型的航天器软件系统<br/>建模与验证</span>
基于模型的航天器软件系统
建模与验证

面向航天器软件系统高可靠、强约束和多接口耦合的研制特点,项目以模型为主线组织需求分析、架构设计、详细设计、实现验证和结果归档。

基于MBSE的机载操作系统环境<br/>建模与仿真</span>
基于MBSE的机载操作系统环境
建模与仿真

基于模型的系统工程开展机载操作系统建模仿真,实现设计、生成、验证与部署全链路贯通,提升复杂场景整体研发效率与可靠性水平。

基于DO-331/DO-332/DO-333标准的<br/>双通道飞行引导系统
基于DO-331/DO-332/DO-333标准的
双通道飞行引导系统

面向双通道飞行引导系统高安全等级和多阶段验证要求,项目建立了模型驱动研发和形式化验证并行展开的双 V 研制路径。

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