中航工业一飞院：推进基于模型的系统工程 实现设计能力跨代升级

为加快信息化最佳实践的推广与应用，集团公司于近期开展了2013-2015年度信息化最佳实践申报与评审工作。经过业内外专家的评审，中航工业一飞院的信息化实践项目“基于模型的系统工程(MBSE)技术研究与应用”，被评为中航工业信息化最佳实践。加上不久前在集团公司2016年“基于模型的系统工程技术交流评估会”上，该项目获得集团公司同期评估的最高分8分(满分10分)，“基于模型的系统工程”这一原本陌生的名称一步步走进大家的视野，引起业内外的关注。

　　“基于模型的系统工程”(简称MBSE)是目前国际航空界正在努力探索的一套解决大型复杂航空系统设计研发问题的科学方法。

　　大型复杂航空系统的设计研发过程，可以用一幅V型图进行宏观描述。在V形图的左侧，自上向下，是产品的设计过程，包括需求定义、功能分析、逻辑设计、物理设计，主要是将复杂系统(飞机)分解成分系统、子系统、部件、组件、零件，分别完成对应的架构及解决方案;在V形图的右侧，则自下向上，是一个集成验证过程，是把产品从零件、组件、部件、子系统、分系统到系统进行集成、测试、验证的过程，以检验各层级需求是否全面满足。而MBSE就是全面采用数字化模型在整个研发过程中开展工作的新型系统工程框架，它的终极目标是以更小的经济成本和时间代价，确保最终交付的复杂系统尽可能更好地满足客户的复杂要求。

　　对终极目标的追求永无止境，只有更好，没有最好。MBSE就是为了追求终极目标，而对设计、研发、流程、方法、工具的一次全面升级。

　　现行的研发体系属于基于文档的系统工程(TBSE)，产品设计以文档为主(模型为辅)，产品验证主要是基于物理试验的事后验证。随着信息化技术与工业技术的融合发展，建模与仿真全面融入系统工程体系，催生出基于模型的新型系统工程框架(MBSE)。未来MBSE还将与知识工程、认知计算等深度融合，形成具备自感知、自分析、自决策、自适应的智慧模型体系，发展到基于模型的智慧研发。

　　与现行的研发体系相比，MBSE有三大特点：第一，传统的、基于文档的研发信息传递方式容易导致专业之间的理解歧义，而基于全息多维模型的MBSE，则有效避免了这一问题。第二，与现阶段的单专业、单物理域仿真相比，MBSE是基于模型的多物理域(机、电、液、热、磁)联合建模仿真，工作平台从传统的几何样机升级到覆盖全机、全系统的性能样机。第三，从传统的基于实物的“事后”验证，转变到基于模型的“事前”多专业联合仿真验证，加快了设计进程，保证了设计质量。

　　三大特点还带来了三大优势：第一是“快”，位于V形图左侧的基于模型的小循环迭代，最大程度上加速了各阶段需求的确认和系统方案的完善。第二是“省”，与制造周期长、成本消耗大的传统物理样机不同，模型可重复使用，时间代价大大缩减，方案修改、完善、优化的经济成本接近为零。第三是“好”，基于模型的多专业联合仿真验证，保证了设计的各个阶段能够不断的联合仿真评估，避免“过设计”和“欠设计”;这个设计过程就像精确制导导弹一样，可以在不断的修正中一步步命中目标。由此可见，MBSE带来的“快、省、好”，是解决航空装备长期以来进度、成本、质量等问题的有效手段。因此，在当前航空领域，MBSE推进的水平一定程度上代表了一个航空企业是否具备“快、好、省”地研发复杂航空产品的能力。

　　打个形象的比喻，如果把铅笔、三角板画图的时代比作“刀耕火种的原始时代”，那么，计算机三维设计技术的应用，就相当于进入了“铁器时代”，用上了铁制的“镰刀”;之后，我们虽然开发、应用了一系列功能更强、效率更高的软件和平台，那也只是对“镰刀”的不断改进和完善，使其更加锋利、更加好用。而MBSE则相当于一台大型“联合收割机”，将收割、脱粒、分类、包装等一系列工作纳入到一台机器内，以自动化的方式高效完成。因此，MBSE的研究和应用，无疑是一次飞机设计技术的革命，将有力地推动我国航空研发能力的跨代升级。

　　为此，集团公司将MBSE的研究和应用列为能力建设的重要项目，在全集团强力推进。中航工业一飞院因为在数字化、信息化建设中成绩突出，具有雄厚的基础，被列为集团公司推进MBSE的领先试点单位。

　中航工业一飞院在MBSE技术研究及应用推进过程中，按照“分步实施、项目驱动”的总体思路，从系统工程体系的需求层、功能层和逻辑层入手，分别选择了“工程需求管理”、“基于模型的航电系统功能分析与架构设计”、“基于模型的机电系统综合设计仿真”三个试点项目，组建了项目攻关团队，先期在MA700等型号上进行探索应用和技术攻关，力图通过试点项目进行探索和突破，再将试点成果推广开来，贯通飞机设计全流程，最终构建整个系统工程研发体系。

　　攻关团队工作的基本路径是：运用基于模型的系统工程思想，将原先分散的设计过程和仿真分析，综合到一个统一的平台，通过综合设计、分析手段和多学科优化技术，实现各专业学科要求的综合权衡，并使设计人员能迅速了解设计方案变更对相关系统和飞机性能的影响，减少设计中的错误和不必要的反复，获得全系统的整体最优或次优解。其目标是通过构建‘虚拟飞机’，实现对方案、设计的快速迭代验证、优化，尽早发现设计缺陷，提高设计质量。

　　目前，三个试点项目均已取得突破，部分成果实现了在型号中的应用。在“工程需求管理”项目中，初步完成了关键技术研究，并以MA700型号为背景，制定了需求层次划分和数据组织管理的规范，建立了相应的需求管理流程，梳理出MA700型号的各类需求上万条，其中飞机级需求1300多条;随着型号进入详细初步设计阶段，飞机级需求将分解、分配到系统和子系统，为下游系统功能分析和架构设计提供输入。“基于模型的航电系统功能分析与架构设计”项目也是集团公司的试点项目之一，攻关团队开展了基于模型的航电系统需求分析、功能分析、功能验证和架构综合设计，并以某型号航电系统设计为背景进行应用验证，取得了良好效果。“基于模型的机电系统综合设计仿真”项目则通过电气系统、液压系统、环控系统、燃油系统、动力系统、控制通讯系统等多系统和机、电、液、控、热等多领域的建模与仿真，进行机电系统综合集成仿真和综合优化设计，并同样在某型号机电系统设计中得以应用。

　　在今年6月底召开的“2016年MBSE技术交流评估会”上，中航工业一飞院在试点项目中取得的成果获得了MBSE国际资深专家的高度评价，并以集团公司MBSE项目同期评估最高分的优异成绩跻身国内第一梯队。但同时也应看到，与国际前沿水平相比，我们还有很大差距。因此，中航工业一飞院仍在持续推进三个试点项目的深入实施，进一步开展技术攻关和验证，不断提升系统工程关键技术的技术成熟度;同时着手制定面向型号应用的系统工程标准规范，努力推动基于模型的系统工程技术在型号研制中的全面应用，实现我国飞机研制能力的跨代升级。

编辑：秦一乔