装备通用质量特性MBSE集成技术研究及应用实践

装备通用质量特性与MBSE集成技术研究及应用实践2017年9月王如平高工技术研究背景1技术实施方案2应用实践及效果3技术思考与展望41.1MBSE正在成为下一代装备的主流研发模式基于模型的系统工程（MBSE）：对模型的形式化应用，支持系统需求、设计、分析、验证和确认活动，这些活动从概念设计阶段开始，持续至研制阶段及后续的生命周期阶段（INCOSE2020年愿景）。装备需求升级装备设计复杂化研发手段持续革新使用环境复杂化；功能、性能、安全性可靠性要求不断提高；研发时间缩短，进度压力大；研发成本的合理控制。性能、可靠性、进度、成本等全特性综合设计，集成难度增大；大量数字化、信息化、网络化、智能化技术的应用使得装备系统软件高度密集，不确定增加；系统架构设计向综合化发展，功能耦合性增强。数字化研制工作所占比例逐渐提高；数字化研制技术从产品级逐渐向系统级、体系延伸。1.1MBSE正在成为下一代装备的主流研发模式MBSE对传统系统工程的提升“基于文档”or”基于模型”不是MBSE与传统系统工程的本质区别。对模型表达及其形式化应用的标准化、规范化是MBSE的主要目标。技术过程模型类别建模语言软件工具…….系统工程MBSE1.1MBSE正在成为下一代装备的主流研发模式MBSE的研究现状在架构框架、方法论、建模语言、模型互操作等方向成果涌现。系统模型与软硬件模型的集成、架构模型与仿真、分析、可视化技术的集成等关键技术是MBSE下一步重点突破的方向。1.2航空装备通用质量特性技术现状2345可靠性（耐久性）维修性测试性保障性和综合保障40年代60年代80年代21世纪环境适应性1GJB4239-2001装备环境工程通用要求GJB450A-2004装备可靠性工作通用要求GJB368B-2012装备维修性工作通用要求GJB2547A-2012装备测试性工作通用要求GJB3872-1999装备综合保障通用要求装备的通用质量特性主要指：环境适应性、可靠性、维修性、测试性、保障性等质量特性。装备的通用质量特性是影响装备效能的关键因素，对装备的作战能力、生存能力、部署机动性和全生命周期费用等具有重要影响。1.2航空装备通用质量特性技术现状以概率统计技术为基础，以大纲为指导开展通用质量特性工作。提出故障物理及配套工程技术方法，形成对已有大纲的补充。进一步普及建模仿真技术的应用，研究并推动通用质量特性工作与基于模型的系统工程（MBSE）集成。逐渐形成可靠性、维修性、保障性、测试性等通用质量特性相关的大纲和标准。从完整性角度出发，将可靠性、安全性、耐久性、测试性、维修性等通用质量特性进行统筹考虑。强调与装备系统工程过程集成，保证装备的任务成功。国外发展历程上世纪50、60年上世纪80年代上世纪90年代末1.2航空装备通用质量特性技术现状国外标准的引进和转化依据顶层标准开展通用质量特性工作项目基于概率统计技术的设计与验证做实FMEA、可靠性预计、分配等传统技术引入了基于故障物理的可靠性仿真、测试性验证等先进的理念和技术将通用质量特性工作前移至研制过程。探索新技术、新方法重点解决了研制过程中对产品的通用质量特性的改进提升问题。国内发展历程重点解决了对产品的通用质量特性的验证考核的问题。解决装备、系统的正向设计、性能与通用质量特性一体化设计问题“九五”“十五”期间“十一五”“十二五”期间“十三五”及以后1.2航空装备通用质量特性技术现状实现通用质量特性正向集成设计的关键通用质量特性一体化设计与验证集成框架菜单式工作项目VS逻辑流程通用质量特性定性、定量需求的可设计概率统计指标VS功能、架构、物理设计相关的要求系统设计模型与通用质量特性模型的集成分散独立模型VS以系统设计模型为核心的集成化模型基于场景的系统通用质量特性验证环境应力VS任务场景与环境应力综合1.3MBSE对于通用质量特性工作的支持作用

基于MBSE的通用质量特性设计与验证MBSE系统工程过程框架系统功能需求识别系统架构建模系统验证场景通用质量特性工作故障控制与功能保持集成设计流程功能故障、硬件故障识别与设计故障逻辑建模与分析评价故障场景分析与验证评估系统设计模型通用质量特性设计评价结果通用质量特性需求的可设计、可验证通用质量特性设计过程与系统设计过程同步集成技术研究背景1技术实施方案2应用实践及效果3技术思考与展望42.1通用质量特性正向设计模型的构成效能仿真模型故障逻辑模型故障预计模型故障仿真验证模型各专业分析与评价模型各专业仿真评估模型装备系统级使用、保障场景模型装备、系统、设备的需求与架构设计模型装备、系统、设备的物理设计与仿真模型指标论证效能评估设计需求定义架构分析评估设计一致性的验证特性评估MBSE模型输入通用质量特性模型支持工作2.2国外通用质量特性与MBSE集成技术的研究概述集成设计流程在系统需求定义、功能架构设计、物理架构设计等过程中集成初步危险分析PHA、功能FMEA、组件FMEA、故障树分析评估、性能可靠性分析、组件故障行为验证等通用质量特性工作。2.2国外通用质量特性与MBSE集成技术的研究概述集成设计的实现——模型集成以系统建模语言SYSML为核心，通过定义功能和组件故障模式的元模型，在MBSE设计过程中同步进行故障建模。对基于SYSML模型的自动化FMEA生成方法、故障树生成方法、SYSML模型与Altarica模型、AADL模型、Simulink模型等专业工程模型的映射方法，实现系统架构模型与专业工程模型的关联。2.3通用质量特性与MBSE集成技术实施思路技术流程集成分类、分层次识别关键故障模式，提出控制措施，形成设计控制方案。多维度评价系统设计架构合理性，包括控制措施是否落实、危险状态是否得到控制、定量水平是否满足要求。2.3通用质量特性与MBSE集成技术实施思路模型集成MBSE（SYSML）通用质量特性（Altarica为基础）技术研究背景1技术实施方案2应用实践及效果3技术思考与展望42.1某机电管理系统应用实践需求分析阶段工作使用需求系统需求FHA生成衍生需求2.1某机电管理系统应用实践架构设计阶段工作功能架构物理架构功能FMEA生成衍生需求和控制方案2.1某机电管理系统应用实践架构分析评估工作架构模型导入故障逻辑建模2.1某机电管理系统应用实践架构分析评估工作任务可靠性模型生成指标分配、评估2.1某机电管理系统应用实践原理模型验证工作原理机半实物仿真验证2.2某飞控系统应用实践系统架构设计工作需求分析->架构设计->FHA分析2.2某飞控系统应用实践系统一体化建模与分析评估工作可靠性模型测试性模型安全性模型综合故障逻辑模型2.2某飞控系统应用实践原理模型验证工作Dymola模型管理定义Dymola模型名称与端口Dymola模型匹配匹配模型名称与端口导出导出Dymola模型文本自动生成Dymola模型多物理域仿真模型映射2.2某飞控系统应用实践原理模型验证工作主飞控舵面控制分系统模型操纵杆模型位置传感器模型PFCC模型液压作动器模型仿真结果故障仿真验证与设计优化2.3实践效果总结收获在两个比较复杂的机载系统中开展了通用质量特性与MBSE集成技术应用实践，初步证实了技术思路的可行性。开展了多种模型之间的集成、映射和转化关系研究，为工程实施提供了一定的技术基础。减少了部分通用质量特性重复建模工作，降低了设计人员的负担。不足限于技术研究深度，部分模型的转化过程中人工参与程度仍然较高，尚未完全体现模型的效率优势。技术研究背景1技术实施方案2应用实践及效果3技术思考与展望4装备通用质量特性与MBSE集成技术思考与展望随着装备系统复杂程度的提高，基于模型的设计成为不可逆转的趋势。MBSE为实现新一代装备通用质量特性的正向设计