MBSE：中国高端制造创新设计的使能技术

刘玉生

浙江大学CAD&CG国家重点实验室

2016年11月11日

汇报提纲

背景

MBSE介绍

国内外MBSE研究与应用

MBSE的使能作用分析

MBSE的使能技术

总结与展望

背景

制造业是国民经济的主体

立国之本、兴国之器、强国之基

我国制造业总体情况：多个行业规模第一，但大而不强

低端混战、高端失守

高科技产品增加值占制造业增加值的比重

14.2～12.37% 盈利水平（中国企业500强与世界500强同类企业相比）

汽车制造业： 27.8% 航空航天制造业： 11.1%

背景

中国制造2025 创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本

创新设计对企业的重要性

据美国政府统计：在企业产品设计上投入1美元，则其产出就会增加2500美元

日本日立公司：每增加1000亿日元的销售收入，设计创新所占的作用占51%。

（摘自：西北大学，张治：“论设计创新在西部经济发展中的重要性”，2009.10）

背景

原因

引进、吸收再创新 — 限制了创新能力

缺乏系统级创新设计方法与工具 — 创新效率不高

— 创新成本太高

软件

控制

系统设计师

？？

？？

？？

？？机械

电子

我国创新设计现状与问题 系统层面的创新能力远弱于底层构件的创新能力 整体产品创新能力远弱于局部零部件的创新能力

汇报提纲

背景—中国制造现状

MBSE介绍

国内外MBSE研究与应用

MBSE的使能作用分析

MBSE的使能技术

总结与展望

MBSE（基于模型的系统工程）定义

定义（国际系统工程学会INCOSE） MBSE是一种应用建模方法的正式方式，用于支持系统需

求、分析、设计、检验与确认活动，这些活动从概念设

计阶段开始，贯穿整个开发过程及后续的生命周期阶段。

MBSE是系统工程领域发展的一种基于模型表达和驱动的

方法，它可以看成是模型驱动原则、方法、工具、语言

的指导规范，是对学科交叉和规模化的复杂系统的实施

以模型的方式，通过对跨学科的专业知识统一表示来控制复杂系统的研发过程。

其强调的是系统工程过程中信息传递的模型化MBSE于系统设计类似CAD于详细设计

MBSE特点

模型化：系统设计全过程、全对象、全参数

系统验证需求分析 功能分析 架构设计

需求

行为

结构

参数

约束

……

软/硬件

设备

工序

人员

数据

……

MBSE特点

复杂系统设计的自动化（模型驱动）

在不同建模部分实现模型驱动与映射，即要实现上一

层次的建模能驱动下一层次建模的自动生成（虽然这

并不容易）：

验证模型

需求模型

功能模型

架构模型

MBSE可成为中国高端制造创新设计的使能技术

汇报提纲

背景—中国制造现状

MBSE介绍

国内外MBSE研究与应用

MBSE的使能作用分析

MBSE的使能技术

总结与展望

国内外MBSE研究与应用

INCOSE：在2015~2025年之间将MBSE方法逐步定义成熟。目前的MBSE方法依然处于快速演进的状态

2020 2025

成熟度

MBSE 功能

Ad Hoc MBSE以文档为中心

2010

良好定义的MBSE

制度化MBSE 跨学术/工业

减少循环时间 设计优化贯穿权衡空间，贯穿基于分析的受影响领域SOS互操作性

扩展成熟度和兼容性

分布式和安全模型库贯穿多个领域

定义MBSE理论, 本体,和形式

形成MBSE 标准

MBSE方法和测量成熟,集成系统System/HW/SW模型

架构模型与仿真、分析和可视化集成

•计划和支持•研究•标准开发•过程，时间和方法•工具和技术增强•宣传，培训和教育

引用到下面领域的活动：

INCOSE两个促进MBSE发展的团队

商业机会团队（Challenge Team） — 应用研究

商机团队 商机团队领导

Modeling and Simulation Interoperability（建模和仿真互操作） Russell Peak

Space Systems（空间系统） David Kaslow

Telescope Modeling（望远镜建模） Robert Karban

Biomedical Device Modeling（生物医学设备建模） Ajay Thukral

GEOSS Modeling（GEOSS建模） Lawrence McGovern

Patterns （基于模式） Bill Schindel

行动团队（Activity Team） — 基础研究

行动团队 行动团队领导

MBSE Usability （MBSE的可用性） Bjorn Cole

Methodology and Metrics（方法学和测量） John Watson

Model Management（模型管理） Lonnie VanZandt

Modeling Standards （建模标准） Roger Burkhart

Ontology（本体） Henson Graves

System of Systems/Enterprise Modeling（SOS/企业建模） Ron Williamson/Matthew Hause

Model Based Test（基于模型的测试） Frank Alvidrez

国际MBSE研究与应用—建模语言SysML管理

生成描述

促进应用

使用语言

工具

模型

方法

2007年，INCOSE和OMG组织在统一建模语言UML的基础上，提出标准系统建模语言SysML

国际MBSE研究与应用—建模方法

研究单位

MIT、GaTech、CalTech、慕尼黑工业大学、…….. NASA、美国国防部、欧空局、IBM、……..

目前提出的方法论

INCOSE OOSEM（面向对象系统工程方法）

IBM Rational Harmony-SE IBM Rational (RUP-SE) Vitech MBSE Methodology JPL State Analysis （状态分析法）

OPM（以色列Dori教授的对象-过程方法）

……

管理

生成描述

促进应用

使用语言

工具

模型

方法

国际MBSE研究与应用—MBSE工具

NoMagic(MagicDraw)

IBM(Rhaphsody)

3SL(Cradle)

管理

生成描述

促进应用

使用语言

工具

模型

方法

国际MBSE建模工具分析

已比较成熟，具有了需求、功能、行为、结构、参数等建模功能。

本质均是面向软件工程、而非面向系统工程

未经知识封装的MBSE平台使用复杂、上手难；大量的领域知识仍需用户建设与维护

缺乏与详细设计、系统仿真、系统优化等的集成

缺乏智能性支持

无法支持离散/连续混合行为建模

汉化能力有限

……

Rhaphsody需求建模功能单一

需求与架构关联性低

约束多，建模不方便

MagicDrawSysML是外接插件

API支持不好，调试难度大

Cradle不完全遵循SysML

二次开发的功能无法集成于其原平台

国际MBSE研究与应用—LM公司

国际MBSE研究与应用—AirBus

国际MBSE研究与应用—NASA MISSE-X项目

国际MBSE研究与应用—NASA - CubeSat

国内研究现状

应用：航天科工/科技集团、中航工业、中电、…… 平台工具：M-Design（浙江大学CAD&CG国家重点实验室）

目前还缺乏系统的理论、方法论等基础研究

系统设计与系统仿真集成

M-Design主界面

汇报提纲

背景—中国制造现状

MBSE介绍

国内外MBSE研究与应用

MBSE的使能作用分析

MBSE的使能技术

总结与展望

MBSE使能作用—建模组织管理技术方面

管理

沟通

文档/语言/邮件/模型

软件

制造

工程管理

市场

分析

设计

• 动力系统• 传动系统

• 刹车• 底盘• …….

传统基于文本的方式

文档间隐含的关联依赖关系

MBSE使能作用—建模组织管理技术方面

管理

沟通软件

制造

工程管理

市场

分析

设计

系统模型

• 动力系统• 传动系统

• 刹车• 底盘• …….

基于模型的方法

文档/语言/邮件/模型

粗略描述

隐含依赖文本传递

清晰刻画

显式关联模型查看

建模组织管理的颠覆性转变

MBSE使能作用—系统建模技术方面（1）

系统设计表达由单一分散文档向多学科统一模型转变

系统设计表达方面—多学科异构系统设计知识全统一

交流方便 歧义消除 知识重用 推理自动 及早验证

集成系统模型必须包含系统的多个方面

需求

发动机 传动系统 驱动

结构/ 物理架构

开始 换向 加速 刹车

行为/ 功能架构

动力方程

控制

动态性能汽车

动力学

系统模型

质量

成本

制造性

可靠性

MBSE使能作用—系统建模技术方面（2）

系统设计关联由隐式向显式转变

系统设计关联方面—跨学科需求/功能/架构全联动

多学科专业自动关联 变动自动传递

req [package] VehicleSpecifications [Requirements Diagram - Braking Requirements]

Braking Subsystem Specification

Vehicle System Specification

id=“102”text=擳he vehicle shall stop from 60 mph within 150 ft on a clean dry surface.”

玶equirem ent?StoppingDistance

SatisfiedBy玝lock籄 nti-LockController

id=”337"text=擝raking subsystem shall prevent wheel lockup under all braking conditions.”

玶equirem ent?Anti-LockPerformance

玠eriveR eqt?

par [constraintBlock] StraightLineVehicleDynamics [Parametric Diagram]

:AccellerationEquation[F = ma]

:VelocityEquation[a = dv/dt]

:DistanceEquation[v = dx/dt]

:BrakingForceEquation

[f = (tf*bf)*(1-tl)]

tf: bf:tl:

f:

F:

m:

a:a:

v:

v:

x:

v.Position:

v.Weight:v.chassis.tire.Friction:

v.brake.abs.m1.DutyCycle:

v.brake.rotor.BrakingForce:

req [package] VehicleSpecifications [Requirements Diagram - Braking Requirements]

Braking Subsystem Specification

Vehicle System Specification

VerifiedBy玦nteraction籑 inim um S toppingDistance

id=“102”text=擳he vehicle shall stop from 60 mph within 150 ft on a clean dry surface.”

玶equirem ent?StoppingDistance

SatisfiedBy玝lock籄 nti-LockController

id=”337"text=擝raking subsystem shall prevent wheel lockup under all braking conditions.”

玶equirem ent?Anti-LockPerformance

2. 行为

act PreventLockup [Swimlane Diagram]

玜llocate?:TractionDetector

玜llocate?:BrakeModulator

allocatedTo玞onnector籧1:modulatorInterface

DetectLossOf Traction

Modulate BrakingForceTractionLoss:

ibd [block] Anti-LockController [Internal Block Diagram]

allocatedFrom玜ctivity籇 etectLosOf Traction

d1:TractionDetector

valuesDutyCycle: Percentage

allocatedFrom 玜ctivity籑 odulate BrakingForce

m1:BrakeModulator

allocatedFrom玂bjectN ode?TractionLoss:

c1:modulatorInterface

satisfies玶equirem ent?Anti-LockPerformance

satisfy

1. 需求

4. 参数 3. 结构

allocate

MBSE使能作用—系统建模技术方面（3）

系统设计方式由需求满足向需求驱动转变

系统设计方式方面—自顶向下、自动创新

流程优化 自主创新

汇报提纲

背景—中国制造现状

MBSE介绍

国内外MBSE研究与应用

MBSE的使能作用分析

若干MBSE使能技术

总结与展望

MBSE使能技术分析

系统架构模型

系统优化模型

系统需求模型

功能指标分解与架构设计

需求验证

系统仿真模型

系统设计与仿真映射

详细设计模型

系统设计与详细设计集成

系统实物

12

3

4

多学科仿真

试验

功能自动分解

架构自动生成

需求自动验证

系统设计与系统仿真集成

系统设计与系统优化集成

系统设计与详细设计集成

……

使能技术1—面向多学科的功能指标分解

问题的提出

用户给出的需求是总体的，难以直接实现

缺乏系统的、自动的创新设计方法

目标

实现面向多学科的功能自动分解

实现系统设计的原始创新

使能技术1—面向多学科的功能指标自动分解

效应分解

原理分解

向后搜索分解

为子功能检索可能物理结构

推理系统

物料形态分解

功能效应 子功能 物理部件

总功能

可行功能组合

工作原理库

基本功能库

语义规则库

流属性库

知识库

物理组件库

物料形状库

“Automated Functional Decomposition based on the Morphological Change of Material Flows”，JED，Online“A Hybrid Approach for the Automation of Functional Decomposition in Conceptual Design”，JED，Online

提出一种自顶向下和自底向上相结合的功能自动分解方法

难点 多学科设计知识的

统一表达 知识语义与语法显

式刻画 自动知识推理

多学科功能指标自动分解—模型库

Flow Property

Domain-independent

Space Time

Length Section

Volume Position

Time

Frequency

Mechanical

MotionForm

Direction

Velocity

Acceleration

Angular Velocity

Mass

Force

Pressure

Mechanical Energy

Mechanical Wave

……

Domain-dependent

Thermal Electro-magnetic

Temperature

Thermal Voltage

Resistance

Current

Electric Field

Inductance

Capacity

Magnetic Field Electromagnetic Wave

多学科功能指标自动分解

效应分解

原理分解

反向分解

重用面向对象 封装

使能技术2—架构自动生成

在广义机械学科，架构设计的研究已有很多

针对控制，IEC 61131 PLC是一个里程牌，但存在一系列不足 模块化

可扩展性

可重用性

互操作性

可重构性

……

IEC 61499 Function Block

难点 基于 SysML的 Function

Block语义的精确表达 推理规则的建立

控制架构自动生成—IEC 61499 FB的封装

控制架构自动生成——基于规则的自动生成

系统状态机图

输入

Function Block图

输出

基于规则

1. 扩展系统状态视图

2.为其建立同名的基础功能块

3.建立相关状态信息

4.事件和状态不属于同一个功能块

5.为功能块添加外部接口

…………

实例—基于规则的架构自动生成

数据输入

数据处理

线材上料

小车送料

旋转角度

线材弯曲

弯曲臂复位

小车复位

线材下料

包含• 26个状态• 26个事件

实例—基于规则的架构自动生成

“Towards Co-design of Mechatronic Systems: Model-Driven Conceptual Design of Control Applications based on Function Block and SysML”，IEEE Trans. on Mechatronics，Under Review

形式化表达与模型转化

用户需求

问题 设计模型太复杂，无法验证所需求是否已全部满足？

目标 自动验证系统设计是否满足要求

使能技术3—系统设计的验证

系统设计模型

基于概念图的需求表示

基于概念图的系统设计

模型转化

模型投影

难点 需求的形式化表达 需求模型与系统设计模

型间的投影操作

使能技术4—系统设计与系统仿真的集成

问题

系统太复杂，无法基于设计给出的静态的结构、行为等模型来评价其系统层设计是否满足要求

只有通过动态、反复的仿真分析才能对众多的设计方案进行评判、对比与优化

目前系统设计与系统仿真是分离的

目标

系统设计模型自动映射为系统仿真行为模型，实现自动的系统仿真验证

系统设计与系统仿真的集成—模型变换

源模型（系统设计）

满足

变换引擎执

行

元模型（SysML）

元模型（Modelica）变换规则

引用 引用

目标模型（系统仿真）

满足

难点 不同系统设计语言与系统仿真语言

元模型的提取 共性与个性化变换规则的建立 增量变换

提出基于三元图文法的模型变换方法

基于三元图文法（ TGG ）将TGG规则抽象为形式化的四元素 (OT, PT, BC, CC)

OT 是要变换的对象

PT 是要变换的属性

BC 是变换条件

CC 是约束条件

系统设计与系统仿真的集成—变换规则

系统设计与系统仿真的集成—模型变换过程

实例—机床

“SysML-based uniform behavior modeling and automated mapping of design and simulation model for complex mechatronics”，Computer-aided Design，2013, 45: 764-776

使能技术5 —系统设计与详细设计集成

源模型（系统设计）

满足

变换引擎执

行

元模型（SysML）

元模型（EXPRESS）变换规范

引用 引用

目标模型（详细设计）

满足

模型变换

难点 几何信息与空间约束的

SysML表示 增量变换 多学科协同设计冲突

系统设计与详细设计集成—粗略几何表达

整体结构基本几何形状

接口

系统设计与详细设计集成—集成过程

“Multi-domain Model Integration for Online Collaborative System Design and Detailed Design of Complex Mechatronic Systems”，IEEE Trans. on Automation Science and Eng.，2016, online

使能技术6 —系统设计与系统优化集成

问题的提出

现有的系统设计工具并不包含系统优化的功能

设计人员针对不同条件的优化问题很难选取合适的优化算法来进行优化

目标

通过对优化问题、优化方法进行形式化的表达与描述，以及对已有设计优化经验的总结与重用，基于语义相似性度量，实现对优化方法自动选取，并将优化结果返回给设计模型

Type Term

Mechanism

kinematics

Motion error；Velocity；Acceleration；

Angular velocity；Angular acceleration

Mechanism

dynamics

Force ；Torque；Power；Energy；

Inertia；Mass；Unbalance

Dynamical

performance

Response speed；Response acceleration；

Overshoot；Steady-state error；Adjustment

time；Rise time

Structural & shape parameterMass；Stress；Stress concentration factor；

Structural parameters

Stereotype Name Semantics

«OptimizationVariable» All the variables to be optimized

«OptimizationObjective» The given optimization objectives

«LinearEqualConstraint» The linear equality conditions

«LinearInEqualConstraint» The linear inequality conditions

«NonLinearEqualConstraint» The nonlinear equality conditions

«NonLinearInEqualConstraint» The nonlinear inequality conditions

«InitialValue»Initial values of the related optimization

variables

系统设计与系统优化集成—优化对象/目标/约束语义分析

Attribute Meaning

isSingleObj 单目标 OR 多目标？

isContinuous 离散优化OR连续优化？

isConstrained 带约束优化？

isND 优化变量是否连续可导？

IsLSQ 是否是线性平方二次规划？

IsLP 是否是线性规划？

IsQP 是否是线性二次规划？

系统设计与系统优化集成—优化问题形式化

系统设计与系统优化集成—优化方法形式化

实例—CVT

实例—CVT

实例—CVT

“Pattern-based integration of system optimization in mechatronic system design”，Advances in Engineering Software，2016, 98: 23-37

汇报提纲

背景—中国制造现状

MBSE介绍

国内外MBSE研究与应用

MBSE的使能作用分析

MBSE的使能技术

总结与展望

总结

MBSE作为复杂产品系统设计的利器，已成国际学术界和工业界共识

MBSE中的模型驱动将有力助推企业自主创新

包含使能技术的自主可控MBSE平台需深入研究与发展

……

展望—方法论突破

研制流程分析（以中国航天为例）

任务与需求分析

概念设计（包括可行方案论证）

可行方案设计

总体方案设计

分系统方案设计

总体的详细设计

分系统的详细设计

循环

往复

要面向行业，研制具有特色的MBSE方法论

展望—研产学合作

建立长期合作团队，优势互补

MBSE应用单位

MBSE研发单位

合作团队

学科专业（前台使用）+ SysML（后台支撑）

展望—其它

知识工程（知识封装）

智能性（大数据）

并行设计（物理-控制）

……

致谢

资助单位

国家自然科学基金委员会

国家科技部

浙江省自然科学基金委员会

……

博士生 曹悦

樊红日

袁文强

袁琳

陈蕊蕊

冯益民

……

硕士生 蒋浴芹

孙忠飞

回简

徐京

徐梓贺

张政

胡杨

王力冰

……

谢 谢