基于MBSE的船型與水動力性能研究設計模式探討

李勝忠，梁川，趙鋒

(中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082)

0 引言

從20 世紀開始，國外國防領域一直將系統工程作為項目的研制/管理方法。近年來，隨著系統規模及復雜度急劇增長，以文檔和實物產品為依托的傳統系統工程已經無法有效滿足這一研制需求。而信息技術在工程系統研制中的深度融合，促使數字模型逐漸替代文檔成為信息的載體，數值仿真等虛擬驗證方法逐漸替代實物試驗手段。此外，互聯網技術以及正在興起的物聯網技術更是為系統工程各環節的無縫數字化集成和人員間的高效協同提供了強有力的支撐[1]。在這一時代背景下，基于模型的系統工程（Model Based Systems Engineering，MBSE）[2]成為當前研究熱點。MBSE 主張以模型的形式支撐并持續貫穿系統研制全過程，它從需求階段開始通過模型（而非文檔）的不斷演化、迭代遞增而實現產品的系統設計。通過模型的形式化定義可以清晰地刻畫產品設計初期結構、功能與行為等各方面的需求；基于模型可以盡早通過模擬分析發現大量不合理的設計方案；同時模型還為各方提供了一個公共通用的、無二義性的設計信息交流工具，為復雜產品/項目異地分布的系統設計提供了解決方案[3]。因此，近年來模型驅動的復雜產品/設計對象的系統建模與系統設計成為學術界與工業界的研究重點。

目前，國外許多科研機構及工業企業從不同角度對MBSE 進行了系統的研究與實踐。NASA 開發了MBSE的基礎架構，其噴氣推進實驗室制定了基于模型的系統工程應用發展戰略，已將MBSE 在多個研發任務的全生命周期中應用[4–5]。歐洲航天局開展了系統全生命周期數據一致性和基于模型的驗證等工作，將MBSE 應用于虛擬航天器設計、空間系統數據庫和數據映射編輯器等項目。空客公司利用MBSE 方法將A350 項目中的電源試驗提前進行[6]。美國國防工業協會、美國國防部先進研究項目局、洛克希德·馬丁公司等在MBSE 研究、應用與推廣方面都做出了積極努力[1]。波音公司采用基于模型的系統工程方法，大大縮短了777 飛機航電系統的研發時間[7]。

在國內中航工業作為試點單位正在推進MBSE 這種新研發模式的研究與應用。張紹杰[8]提出一種采用基于模型的系統工程對飛機安全關鍵系統進行分析和設計的方法，完成飛機剎車系統設計的需求分析和功能分析，建立了系統用例模型、功能流程和驗證狀態機模型，構建了保證功能可用、安全的系統架構。張有山[9]將MBSE 方法應用于載人飛船交會對接任務中，結果表明能夠改善人員溝通，提高設計效率，降低設計風險。羅松[10]針對目前飛機概念設計中存在的問題和設計需求，引入MBSE 方法，梳理了MBSE的流程、實現方法和應用特點，分析了MBSE解決飛機概念設計問題的技術可行性。張世聰[11]采用基于模型的系統工程研究適用于動車組的設計方法，并以某型動車組車門控制系統為例進行適用性分析。

從國內外已發表的研究成果看，MBSE的研究成果主要集中在對MBSE 流程的解析及初步工程應用上，用于產品研發的嘗試不多。而在船舶設計領域對MBSE 方法的研究還處于起步階段。本文針對當前船型與性能設計過程中依賴經驗缺乏創新能力、知識轉化與重用程度不高、性能綜合優化能力不足等問題，探討和分析MBSE 在船型與水動力性能設計中應用的可行性與關鍵技術。首先簡要介紹傳統船型設計流程，并從技術層面和設計模式兩方面分析目前存在的局限性；之后，簡要介紹基于模型的系統工程的基本內涵和特點。最后，給出了模型驅動的船型與水動力性能研究模式的涉及的關鍵技術和初步解決策略。

1 傳統船型設計模式及其局限性

船舶水動力構型決定船舶總體性能，制約船舶系統形態，貫穿了總體設計的主要過程，是船舶總體設計的核心技術基礎。基于母型船變換和模型試驗驗證的設計方法是目前普遍采用的經典方法（見圖1），毋庸置疑，它在船舶創新設計中發揮了積極的推動作用，并仍在發生作用。這種傳統的方法根據研究人員的經驗和水平，采用母型船、系列水池模型試驗以及部分實船航行試驗資料等，開展目標對象的總體性預報、評價以及優化等研究工作；在研究手段和方法上，隨著計算機信息技術以及CFD 計算流體力學的發展，從傳統的依靠水池模型試驗為主的實物型研究，發展到基于CFD的虛擬仿真試驗研究，應該說在研究成本和效率上有了明顯的改善和提升。

圖1 傳統船型設計流程Fig.1 The traditional hullform design process

但是傳統的設計模式也存在著一些局限性和不足。從技術角度看：線型基于母型變換、有限方案選優，失去創造性；依賴設計者經驗，認知存在局限，淺層挖掘，結果僅為可行設計；學科串行設計，忽略耦合影響。這些問題嚴重制約了船舶構型設計效率與創新設計能力的提升。近年來，目標驅動的船型優化設計技術，為船舶性能提升提供新的技術手段，取得了很好的應用效果。這類方法主要借助商用或者自研的優化設計平臺，以水動力性能為優化設計目標，采用勢流和粘流等評估工具，融合最優化技術和幾何重構技術開展船型優化設計[12]。但該技術專業性強，應用流程復雜，使用者需系統地掌握數值模擬、優化理論、形狀重構等方面的專業知識，因此目前還難以推廣應用。

從研究流程與模式來看：當前的研究過程以文檔作為傳遞信息的媒介，信息的傳導可能出現失真；形成的專家經驗和知識難以進行傳承和共享；設計變更和設計過程追溯困難。此外，研究工具的通用性和易用性差，對使用者的要求高，且會出現因人因事帶來的結果偏差。

從上面分析可以看出，傳統的研究模式嚴重制約船舶設計質量和設計效率的進一步提升，亟需新方法和新的研究模式。隨著數字化建模與仿真技術的發展，復雜工程設計領域出現了一種基于模型的系統工程研發模式，為上述問題的解決提供了一種新的思路。

2 MBSE 基本內涵與特點

基于模型的系統工程是現代系統工程的最新發展，是一種用以表達系統及其運行方式的科學和完備的全新方法。其內涵是：采用MBSE 方法建立系統/平臺開發體系，利用需求模型、行為模型及結構模型，對系統的需求、功能、物理和參數進行全面表達，將頂層系統模型逐層分解成可被硬件、軟件表達的各個子模型，將子模型逐層集成整合為全系統模型。在這個過程中，模型可以進行系統仿真，對系統的各個層次進行透視、驗證、確認與優化。

MBSE的核心是模型。模型是對現實的抽象，旨在回答有關現實世界中的具體問題，是模擬或表達一個真實世界的過程或結構。MBSE 傳遞的模型包括需求、結構、行為和參數在內的動態信息。模型使整個組織中各專業領域人員更加直觀的理解和表達系統，確保全程信息傳遞的一致性。MBSE 方法將模型作為系統描述的基礎，以形象化的模型實現從概念設計、方案設計、試驗驗證到工程實施的全過程，相比于以文檔為中心的系統工程方法具有如下優點[9,13]：

1）理解、溝通效率提高。可視化的模型比文字更容易被接受，圖形化的符號配以文字描述，既直觀、形象，又保證了信息的完整性，使不同人員對同一模型的理解更容易達成一致，且便于進行異地、多層面和多專業間的交流、溝通與協同設計。

2）數據獲取容易。基于文檔的系統工程方法處理的最小對象是文檔，用戶所需的信息散布在大量的文檔之中，因此查找起來要耗費巨大的工作量。而MBSE 方法處理的最小對象是數據，結合數據庫管理方法，用戶能直接獲得所需的指標參數，可大幅減少設計人員的工作量。

3）技術狀態可追蹤性好。MBSE 方法在工作過程中會不斷建立模型之間的關系，通過這些關系實現技術狀態的追蹤性和關聯性分析，完成對技術狀態的全面分析和控制。

MBSE 包括系統建模方法、系統建模語言、模型組件庫構建三大支柱，具體如下：

1）系統建模方法（應用流程建模）

復雜產品的通用系統建模方法是將面向對象技術與傳統自頂向下系統建模方法有機結合，從而形成具有模型驅動能力的復雜產品通用的系統建模方法，目的是構建更具柔性和具有可擴展性的系統。復雜產品系統設計建模方法分為4 種：通用的系統建模方法、并行建模方法、基于對象-過程的建模方法和基于狀態分析的建模方法。其實質是產品/設計對象的研發設計過程應用流程的建模[3]。

2）系統建模語言（建模環境）

復雜產品的特點是高度分布性與可重構性，為此要求其對應的建模語言必須具有支持模型驅動建模和支持模型驗證與分析的特點。其實質是提供用于流程建模和分析的可分布式系統集成環境。

3）模型組件庫構建（物理模型魯棒性/知識重用度）

復雜產品分析工具的可靠性、魯棒性以及重用度，對開展基于模型的系統工程設計研發至關重要。分析工具應該具備應用過程自動化、應用知識集成化，能夠消除因人因事帶來的應用結果的不確定性，可以供相關領域的人員重復使用，如此才能達到模型組件的標準。模型組件對縮短研發周期、提高研發效率、降低成本起到至關重要的作用。模型組件庫實質就是MBSE的知識庫。

3 模型驅動的船型與水動力性能研究設計模式探討

當前艦船船型與性能設計研發過程主要通過自然語言，以文檔、圖片、表格等文本作為媒介。這種方式使得信息傳導過程可能出現失真、易產生歧義、難以進行不同系統的綜合、難以實現變更追溯、難以實現需求—設計以及需求—驗證過程的追蹤等。而MBSE 從基礎層對研發過程進行改進，它改變復雜工程系統研制中人們表示知識的方式，改變型號研制中人與人之間技術溝通、知識交流的方式，再輔以信息化、網絡化的建模工具，將有效打破傳統產品研發設計中人與人之間的溝通瓶頸[14–15]。同時，可以利用優化技術、智能算法等進行單學科/多學科綜合優化設計。因此基于MBSE的船型與水動力性能研究設計模式將推動以文檔為主的傳統設計研發模式向以“模型”為主的設計研發模式邁進，大幅提升知識轉化與重用度/提高設計質量和創新能力。

將MBSE 理論和思想引入船型與水動力性能研究設計過程，首先要研究基于模型的虛擬設計流程，即對不同設計階段的船型與水動力性能分析設計過程進行建模，同時提出適用于船型與水動力性能分析特點的系統架構；其次要研發具備流程建模和分析、虛擬試驗仿真、綜合優化設計等功能的系統集成環境。最后，要有經過專家知識封裝、多子樣驗證、I/O 接口標準化的物理模型（型線建模模型、性能預報模型、優化工具模型等）組件庫，這類模型組件，能夠消除因人因事帶來的應用結果的不確定性，具備應用流程自動化、應用知識封裝化、魯棒性、可靠性高等特征。

基于MBSE的船型與水動力性能研究設計系統架構包括3 個層次：功能模型層?包括設計需求分析、設計流程、設計過程等建模；協議/集成層?各個模型的I/O 接口標準化、數據及信息的傳輸與存取管理；物理模型層?型線建模、水動力性能分析、優化算法等模型組件，如圖2 所示。

圖2 系統功能架構設計Fig.2 System function architecture design

涉及的關鍵技術主要包括：船型設計流程與水動力性能分析過程柔性建模技術、模型驅動的船型設計與性能分析系統建模環境研發、封裝應用知識的船舶水動力性能評估組件庫構建與驗證技術等。

1）船型設計流程與水動力性能分析過程柔性建模技術

船型與性能設計是一個復雜的過程，一般而言，可劃分為幾個階段：概念設計、方案設計、技術設計等，每個設計環節都有各自不同的設計特點。需對不同設計階段設計特點進行分析梳理，結合MBSE的思想，建立基于模型的船型設計流程及對應的水動力性能分析/優化過程模型。同時保證應用流程過程的可重復性、可追溯性和可變性。圖3 給出一個典型的型線建模?性能預報?性能評價?性能優化的可拖拉拽自由組建的應用流程。

圖3 可拖拽式典型應用流程示意圖Fig.3 Typical application flow chart of drag and drop

2）模型驅動的船型設計與性能分析系統建模環境研發

MBSE 最終要形成一個具有支持模型驅動建模和支持模型驗證與分析等特點的設計服務系統。而船舶快速性、適航性、操縱性等性能評估模塊數量眾多而且精度水平適用范圍也各不相同，各個模塊之間的信息難以實現交互，易導致流程的分割和關聯性不強，流程層級混淆，邊界不清等問題。因此必須突破異構、精度懸殊分析工具集成、協同優化、流程自動化等可柔性搭建技術，整合不同設計階段、不同性能、不同評估工具組件，提供一個可拖拽式可自由搭建應用流程的建模環境。基于模型的船型與性能設計系統支撐環境如圖4 所示。包括：拖拽式的流程定制環境、封裝與可視化環境、優化設計支撐環境等。

圖4 基于模型的船型與性能設計系統支撐環境Fig.4 Support environment of hullform and performance design system based on Model

3）封裝應用知識的船舶水動力性能評估組件庫構建與驗證技術

基于模型的船型與性能設計系統必須構建一系列的性能分析工具集（組件庫）作為支撐。這些工具集在系統環境上可依據應用流程進行柔性組合和自由搭建，能夠準確地對對象的性能進行分析和預報，并且具有統一的I/O 接口標準。因此，必須對各個工具模塊進行專家應用知識的封裝、多子樣的測試驗證，形成一批成熟可靠的、知識封裝、屬性細分的性能評估組件集，消除性能預報結果的“因人因事”差異，大幅提高模型組件應用的魯棒性和可靠性，增加模型組件的重用度。船舶性能評估模型研發與驗證思路如圖5所示。

圖5 封裝應用知識的船舶性能評估模型研發與驗證思路Fig.5 Development and validation of ship performance evaluation model based on encapsulation application knowledge

4 結語

MBSE 可以實現系統的需求建模、功能分析、應用流程自由搭建、性能虛擬試驗和驗證、綜合優化設計等需求—設計—分析—優化—驗證過程的雙向追蹤，與傳統的基于文本的設計模式相比，MBSE 技術能夠盡可能減少和消除文本化設計規范的歧義、錯誤和缺陷，確保設計滿足系統的功能、性能要求，從而保證系統的綜合最優設計。同時將大幅提升設計效率和質量，有利于“知識”的應用與傳承。本文聚焦船型與水動力性能設計研究這一方向，針對當前船型與水動力性能設計過程中依賴經驗缺乏創新能力、知識轉化與重用程度不高、性能綜合優化能力不足等問題，探討MBSE 在該方向應用的可行性和初步思路，并給出了需要解決和研究的關鍵技術問題，將為MBSE的思想在船舶領域的應用和實踐提供有益的參考。