基于模型的系統工程方法在導彈總體設計中應用

胡京煜

摘要：闡述了傳統導彈設計中存在的問題，將基于模型的系統工程（ MBSE）方法引入導彈設計過程，歸納了MBSE的流程及實現途徑，分析了MBSE應用在導彈總體設計中的可行性，給出了MBSE在導彈設計中實現的方法。實踐應用表明，基于模型的系統工程能解決傳統導彈總體設計中的弊端，可大幅度提升導彈總體設計的水平。

關鍵詞：基于模型的系統工程（ MBSE）;導彈設計;研發體系;多學科

中圖分類號：TJ760.2

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.065

1 概述

伴隨著導彈技術的飛速發展，導彈總體設計經歷了從單一學科到氣動、結構、電子、控制、通信等眾多學科高度綜合的過程。目前，各個導彈研究所主要是利用文檔方式進行管理，設計的綜合程度低，無法實現多學科最優化設計，如何采用更好的方法開展導彈總體設計是導彈設計師需要研究的重要課題。為了解決導彈設計的難題、提高研發效率，中國國內外的工程技術人員開展了很多相關的研究。美國航空航天局（ NASA）積極推進MBSE（ Model-Based SystemsEngineering）在飛機.導彈領域中的應用;中國國內一些單位和研究機構也已經逐步開始應用MBSE方法。

中國航天科工和科技集團大力推進MBSE在航天領域中的應用，都成立了相應的研究機構，各總體單位也相應成立了研究項目組。2010年，國家提出了加強基于信息系統的體系總體能力建設的重要戰略思想后，“頂層設計”和基于系統工程的總體體系建設，成為了中國裝備系統研制的主導思想。而MBSE方法是系統工程的重要組成部分，也是體系設計過程中所運用的必不可少的重要工具。

在過去10年中，基于模型的分析設計方法已經得到了普遍使用，并發展出一門新的學科。基于模型的系統工程（Model-Based Systems Engineering）與過去所說的系統工程不同，MBSE的重點圍繞著中央（頂層）系統模型，要求同時捕捉系統需求和滿足這些需求的設計決策。除了作為系統工程的知識庫之外，還可以通過模擬系統模型來進行功能驗證、性能研究和設計選擇。MBSE流程重點關注的是系統功能分析，即關注如何將功能要求轉換為一致的系統操作描述，然后通過操作系統來進行分配各塊的端口和接口，從而成為了各子系統之間的相互切換的基礎。

2 需求分析

現代工程系統伴隨著技術精細化與管理思想的發展，復雜性迅速增長，其軟件密集的特性越來越突出，單位成本急劇增加，研發組織中幾乎無人理解整個系統。這些特點都對復雜產品設計提出了新的要求。具體表現如下：①導彈的各個系統已從分立式演變為高度綜合式，其參與單位達到幾十甚至上百家;②目前，中國國內的導彈研究設計部門往往都是基于文檔（word、excel、pdf等）進行管理，從而在導彈設計過程中產生了異常紛亂的紙質文或電子文檔，由于這些信息保存在不同文檔中，而且有些單位還分散在不同部門，因此難以保證信息的完整性與連續性;③傳統設計重方案、輕需求，在系統設計開始前無法全面了解需求，無法形成以需求來牽引的研發流程，因而造成不斷反復的嚴重后果，浪費了大量的人力、物力。

3 解決方案

針對當前導彈研發中存在的問題，基于MBSE的系統開發體系提供了非常好的解決方案。伴隨著計算機技術的高速發展，通過建模語言進行模型開發成為可能，因此，基于模型的系統工程MBSE（ Model-Based Systems Engineering）應用而生，MBSE的出現是系統工程領域發展的里程碑。通過建模來支持導彈總體設計分析全過程，包括導彈的總體設計需求、CAD設計、CAE分析、最后的測試以及驗證等。MBSE相對于傳統的系統工程活動，實現了以文檔為中心向以模型為中心的轉變，如圖1所示。

3.1 MBSE的定義

2007年，在國際系統工程學會（INCOSE）的國際研討會上，正式提出了MBSE的定義。MBSE是對建模方法的形式化應用，用建模方法支持系統要求、設計、分析、驗證和確認等活動，這些活動從概念性設計階段開始，持續貫穿到設計開發以及后來的所有壽命周期階段。

從2007年提出定義開始，到目前為止，MBSE的理論逐漸走向成熟，在中國國內外各個領域得到了應用，中國MBSE的應用比發達國家起步較晚，但近年來在航空、航天、汽車方面得到了很大發展。

3.2 圖形化建模語言發展歷程

功能流圖（ FFBDs）是出現最早的建模語言，始于21世紀50年代，在經典的系統工程中得到了廣泛應用。功能流圖按功能分解方式顯示多層級，并根據邏輯和先后順序關系執行。結構化分析與設計（ SADT）始于21世紀60年代，采用由頂向下的分解方法，用于結構化設計、分析和需求定義。架構分析和設計（ AADI）是一種標準化架構語言，主要用于對嵌入式實時系統進行建模，既可以用來進行文檔設計，也可以用于分析和代碼編寫，形成程序。

統一建模語言（Unified Modeling Language，UML）是軟件領域標準建模語言，另外，有些軟件公司開發出了適宜于描述工程系統的系統建模語言（ SysML），軟件提供商也發展了支持SysML的工具系統，除此之外，將建模工具和CAD、CAE、CAM等專業的設計分析工具進行了集成，形成統一的整體解決方案，具備實際應用的可能性。目前，SysML是最重要的建模語言。

3.3 MBSE的特點

基于模型的系統工程的出現和發展，可實現導彈設計水平的大幅度提升，與傳統的系統工程相比，MBSE方法有以下幾大特點。

3.3.1 模型為主的數字化設計

根據導彈總體設計指標要求.導彈設計工程師把這些要求轉化為系統總體架構模型，再將總體模型分解成各個分系統模型，然后分系統模型再分解成子系統模型，從而形成一套優化、互動、統一的模型。通過一個精確模型，可以實現模型的一致性、正確性和完整性，提高產品質量。

3.3.2 仿真驅動的虛擬驗證

目前，導彈設計中虛擬仿真主要是針對單個專業、單個領域的仿真，比如氣動專業，會用國外商用軟件flunet、cfx、fastran、cfd++、國內高校自己研發的程序進行仿真分析，而MBSE以統一模型為基礎，可進行基于該模型的多學科（總體、流體、結構、電器、控制、發動機等）聯合建模仿真，工作平臺從單一的學科覆蓋到整個導彈設計、全系統的仿真驗證。

3.3.3 基于模型的“事前”驗證

基于模型的系統工程方法，在導彈總體設計初期就可以在各個核心技術環節（比如需求分析、系統功能分析和設計綜合等）通過模型實現系統需求及功能邏輯的驗證和確認，以便在導彈總體設計的初期，就將各部分定義正確，并在導彈整個設計和研發過程中不斷驗證各部分功能、需求和模型是否正確。

3.4 MBSE的優勢

基于模型的系統工程的出現和發展，可實現導彈設計水平的跨代升級，與傳統的系統工程相比，MBSE有以下優勢。

3.4.1 可復現，可重用

MBSE將導彈總體設計系統的描述由“基于文檔為中心”轉變為“基于模型為中心”，基于統一建模語言的導彈總體設計模型，可以被總體和各個分系統模型的工程技術人員所掌握，為有效溝通和協同奠定了良好基礎，并將通過軟件工具和集中統一平臺來實現，通過集中設計統一平臺使得整個過程可復現、可重用。

3.4.2 周期短，見效快

目前的導彈總體設計和分系統之間的關系以及分系統內部的關系，通過“樣機試驗找缺陷重新設計新樣機—再試驗”的往復過程，從而導致導彈總體設計設計周期不斷拉長，進度被一拖再拖。MBSE基于模型，在統一平臺進行分析設計，而且在每一個基于模型的小循環迭代、完善，也就是自己的問題自己解決，從而最大程度上加速了各階段需求的確認和整個導彈總體系統方案的完善。

3.4.3 可追溯，可發展

現行的導彈總體設計，憑經驗，靠文檔，先設計，后驗證。伴隨著計算機技術和互聯網的融合發展，統一建模與整個系統仿真全面融人系統工程體系，出現了基于模型的新型系統工程框架（ MBSE）。

在可預見的不久的將來，MBSE還會與知識工程等深度融合，形成具備自感知、自分析、自決策、自適應的智慧模型體系，并發展到更高的層面智慧研發。

3.4.4 早驗證，早糾錯

在導彈總體設計中，MBSE基于模型設計，早期對整個系統進行驗證，可及時發現錯誤并予以糾正，避免糾錯所產生的費用，從而大大提高產品質量并縮短總體設計周期。

3.4.5 協同好，效率高

MBSE建立的系統模型具備一致性與完整性。系統模型貫穿了整個工程全生命周期，包括需求分析、總體設計、計算機輔助分析、實驗驗證與最終確認過程，所有層級之間都可追溯，因而有助于整個研發團隊協同，大大提高工作效率。

4 MBSE應用于導彈總體設計

基于MBSE的導彈總體設計，以模型庫（模型/參數）為基礎，主要包括兩個方面：①產品的設計過程，包括整個總體需求定義、各個部分功能分析、物理設計等，主要是將導彈系統分解成分系統、子系統、部件、組件、零件等;②集成驗證過程，是把導彈系統從零件、組件、部件、子系統、分系統到系統進行分步集成、分析、試驗、驗證的過程，以保證每個層級都滿足需要，MBSE就是全面采用數字化模型在整個研發過程中開展工作的新型系統工程框架。其本質就是將頂層的系統問題逐級分解成可以解決的各種各樣小問題，再研究制訂解決這些小問題的方案，最后將這些分解后的小問題解決方法逐層加入到整個系統中，最后再解決最頂層的問題。

基于MBSE導彈總體系統開發體系具體流程如下：①根據導彈總體設計需求及使用條件，識別需求和驗證策略，遞交結構化的需求，建立整個導彈研制過程的完整體系，輸出需求規范和應用模型;②分析導彈系統靜態結構和動態活動，完成需求和功能邏輯的驗證和確認，輸出系統需要的功能模型;③選擇最好的架構，基于模型進行逐級分解，并執行模型對需求進行驗證;④進行多物理場統一建模與聯合仿真，實現功能（性能）樣機的協同。

5 結語

導彈總體設計正在向復雜化、系統化、智能化的方向發展，基于模型的系統工程（ MBSE）作為國際上先進的思想和理念，成為了導彈設計中提高產品質量、加強創新能力、縮短研制周期的重要工具，目前，MBSE已在航空航天、兵器、船舶以及汽車等多個領域得到了應用，產生了極大的經濟效益，極大促進了企業研制模式的升級及轉型。

參考文獻：

[1]張新國.系統工程手冊：系統生命周期流程和活動指南（中英文對照）[M].北京：機械工業出版社，2013.

[2]羅松，魏榕祥，林資平，等.基于模型的系統工程（MBSE）應用于飛機概念設計探討[J].教練機，2017（2）：55-57.

[3]王崑聲，袁建華，陳紅濤，等.國外基于模型的系統工程方法研究與實踐[J].中國航天，2012（ 11）： 52-57.

[4]葛立敏，劉遠恒，王揚.基于模型的系統工程在航電系統設計中的應用研究[J].航空制造技術，2015（8）： 60-63.