在係統（tǒng）工程初期（qī）階段（duàn），係統產生的（de）信息均以文檔形式描述和記錄（lù）。但（dàn）是隨（suí）著係統規模和複雜程度的不斷提高，基於文檔的係（xì）統工（gōng）程麵（miàn）臨的困難越來越突出，如信息表示不準（zhǔn）確造成歧義、難以從海（hǎi）量文（wén）檔中查找所需信（xìn）息、無法與其他工程領域的設計相銜接（jiē）（如軟件、機械、電子等）。於（yú）是基於模（mó）型（xíng）的係統工程（MBSE）應運而生，這也是未來係統工程發展的必（bì）然趨勢。

MBSE基本概念

國際係統工程學會（International Council of Systems Engineering，INCOSE）在2007 年提出了基於模型的係統工程，它是係統工程領域發展（zhǎn）的一種基於模型表達的方（fāng）法。一方麵（miàn），MBSE 通（tōng）過標準係統建模語言構建需求模型（xíng）、功（gōng）能模型、架構模型，實現需求、功（gōng）能到物理架構的分解和分配；另一（yī）方麵，MBSE通過模型執行實現係（xì）統需求和功（gōng）能邏輯的確認和驗證，並驅動產品設計、實現、測試、綜合、驗證（zhèng）和確認環節。

MBSE的優勢

相對基（jī）於文檔的係統工程方法，MBSE的優勢主要體現在以下 4個方麵：（1）信息表達唯（wéi）一性。係統（tǒng）模型具有直觀、準確（què）唯一、結構化的（de）優點，可以準確（què）統一地描述（shù）係統的各個方麵，對整個係統內（nèi）部的各個細節形成統一的理解。（2）一體化設計（jì）。係統模型提（tí）供了一個覆蓋（gài）全生命周期的完整的、信息一致且可（kě）追溯的（de）係統設計方（fāng）案，避免各組成部分間的設計衝突，降低風險。（3）知識積累和沉澱。成熟型（xíng）號的知識是以係統模型的形（xíng）式表示和存儲的，便於捕獲、查詢、理解和重用，而且重用的級別可以大幅度提高。（4）早期全係統仿真。利用係統建模語言及支持（chí）軟件，可以建立動態（tài）可執行的係（xì）統模型，對係統模型進行全係統仿真、隨時仿真和全周期仿真，及時發現設計的問題並加以修改。

MBSE 過程最終的（de）輸出是一個可重用的係統數據模型。MBSE的落地實施（shī）依賴於3個方麵：建模（mó）語言、建模工具和（hé）方法論。

係統建模語言SysML

為了支持 MBSE，INCOSE 和對象管理組織（Object Management Group，OMG）聯合提（tí）出一（yī）種通用的針對係統工程應用的“標準係統建模語言”SysML（Systems Modeling Language），它（tā）可以支持係統工程應用的多領（lǐng）域係統，包含硬件、軟件、信息等係統的需求分析、係統設計、功能描（miáo）述（shù）及係統驗（yàn）證等。

建模工具

建模（mó）工具是利用SysML實現MBSE的關鍵，業界主流建模工具包括Rhapsody、CORE等，建模工具廠商結合各自對MBSE的不同理解，開發出各具特色的建模工具。

IBM Rational Rhapsody產品係列是一個協作設計和開發環境，以分析需求、在（zài）開發生命周期的早期優化設計決策和（hé）驗證功能（néng）、執行設（shè）計複（fù）審並實現高質量創新產品的自動交付；Modelio是由法國Modeliosesoft公司開發的一款提供分析、設（shè）計和開發環境的建模工具，其開（kāi）發環境可以整合到整個產品（pǐn）開發生（shēng）命周（zhōu）期中並幫助（zhù）管理複雜性；CORE是Vitech公司為實現其係統建模方法論（lùn）的建模工具，以需求分析、功能/行為分析、架構綜合、設計確認和驗證這 4 個係統工程活動為基礎，注重實用性；Enterprise Architect是Sparx Systems公司開發的產品（pǐn），覆蓋了係統開發的整個周期，可以進行用例分析、場景（jǐng）分析、狀態與模式分析，支持雙向工程（RoundTrip-Engineering）。

各（gè）主要建模軟件對比見表1，從工具應用情況可以看出航空航天行（háng）業國內以Rhapsody為主，國外以CORE為主。

表1  主要（yào）建（jiàn）模工具對比  

方法論

MBSE問世之後（hòu），國（guó）內外圍繞（rào）這一（yī）思想核（hé）心（xīn）在不同係統（tǒng）、不同建模背景下進行實踐，總（zǒng）結出諸多具有國際影響的方法論，這些方法論規定了（le）係統開（kāi）發過程所包含的模型構（gòu）建內容，以及各個階段模型所產生的視圖產品和模型視圖的時序（xù）關係，規定了圖形的使用、模型的組織結構等（圖1）。

圖1  MBSE實施的基本方法

麵向對（duì）象的係統工程方法（object-oriented systems engineering, OOSEM）集成使用OMG SysML標準，包（bāo）括分析定義（yì）係統需求、定義邏輯體係（xì）結構、合成候選分（fèn）配架構（gòu）、優化和評估可選（xuǎn）方（fāng）案、驗證和確（què）認係統等開發活動；Harmony-SE采用了“服務請求驅動”的係統（tǒng）建模方法，使用 SysML 建模標準（zhǔn），利用 SysML 結構視（shì）圖中的block作為描述係統結構的基本單元，利用活動圖、狀態圖、序列圖描述係統結構組成部分的行為；Vitech MBSE 方法采用MBSE 的係統定義語言（system definition language，SDL）管理模型產品；state analysis以目標為導向（xiàng）的（de）閉環運轉，是時間區間上狀態變量的約束。

國外在MBSE的方法及應用方（fāng）麵開展了廣泛研（yán）究與（yǔ）實踐：空客公司在A350係列飛機的開發中全麵采用MBSE，在飛機研製中逐層細化需求並進行功能分析和設計（jì）綜合；洛克希德（dé）·馬丁公司采用MBSE統一進（jìn）行需求管理和係統架構模型，並向後延伸（shēn）到機械、電子設（shè）備以及（jí）軟件等的設（shè）計與分析之中；羅·羅公司依（yī）據 INCOSE係統工程手冊製定了其自身的（de）係統工程能力框（kuàng）架，實現（xiàn）了從（cóng）航空（kōng）動力係統到（dào）子係統到部件的係（xì）統工程迭代；波音公（gōng）司構（gòu）建（jiàn）了以任務和需求定義、邏輯和功能（néng）集成、功能和邏輯架構設計（jì）為核心的、覆蓋產品（pǐn）全生命周期的MBSE過程，從運（yùn）行概念到需求到設計到生產。

近年來，中國航空（kōng）航天領域也開展了MBSE的應（yīng）用研究，中航工業西安航空（kōng）計算研究所利（lì）用基於模型的係統工（gōng）程需求分析（xī）、功能分析、架構設計方法在某型動力電（diàn）子控製係（xì）統設（shè）計中得到（dào）了初步應用；中國空間技術研究（jiū）院載人航天總體部將（jiāng） MBSE方法應用於（yú）載人飛船交會對（duì）接任務中，提高了設計效率、改善了人員溝通（tōng）、進一步降低了設計風險；中航工業飛行自動控製研究所對MBSE流程進行了結構化定義，明（míng）確了係統工程活動、輸入輸出及相應的崗位角色，並在飛控、慣導等複（fù）雜係（xì）統開發過程中進行了 MBSE方法論（lùn）與工具的實踐；中航工業第一飛機設計研究院采用 Rational DOORS進行需求管理，並（bìng）按照 Harmony-SE 流程，采用Rhapsody工（gōng）具完成空中交通防撞係統以及航電係統的係（xì）統分析、設計與建模。   

一（yī）般地，航空發動機3個主要用例場景分別為發動機裝配、運行和維護，如圖2所示。其中，裝配場景包（bāo）括發（fā）動機製造組裝、物料清單（BOM）跟蹤（zōng）確認、運輸、接收等子場景；運行場景包括（kuò）發動機起（qǐ）動、運行、停車、在翼運行、試車台運行等（děng）子場景；維護（hù）場（chǎng）景包括（kuò）發（fā）動機健（jiàn）康數據分析、維修和替（tì）換組件、上載全權數字（zì）電子發動機（jī）操給機構（gòu）（FADEC）數據（jù）等子（zǐ）場景。

圖2  航（háng）空（kōng）發（fā）動機全生命周期功能場景分解   

本文主要聚焦航空發動機地（dì）麵（miàn）起動場景，將（jiāng）MBSE應用（yòng）於航空發動機控製設計過程。采用（yòng）SysML語言，在Rhapsody軟件上進行航空發動機控（kòng）製設計的（de）功能分析和係統建模，從而探索適合航空發動（dòng）機功能建模的解（jiě）決方案。

航（háng）空發動機地麵起（qǐ）動過（guò）程包含起動機運轉、點火（huǒ）、供油、關閉點火、進入慢車等主（zhǔ）活動及起動故障處理等其他（tā）活動（dòng）。通過用例圖、活動圖、時序（xù）圖、狀態機圖等模型對地麵起動過程進行建模分析，發現並完善了自然語言在起動控製邏輯描述方麵存在的（de）不足。最後利用狀態機進行了發動機地麵起動模型仿真，對地麵起動控製（zhì）邏輯（jí）進行了驗（yàn）證。

在利用活動圖梳理發動機地（dì）麵（miàn）起動功能流過程中（zhōng），發現使用自然語言描述（shù）複雜係（xì）統（tǒng）時存在以下 2 類問題。

1）文字表述存在二義性。例如，發動機起動時間的描（miáo）述“發動機應在 t時間（jiān）內完成起動”存在歧義。對於“發動機應（yīng）在 t時間內完成起動”的理解，設計方案想要描述的是（shì）“起動機帶轉發動（dòng）機的起（qǐ）動時間最長為t，否則需要（yào）關閉起動機”；設計人員的理（lǐ）解為“若發動機起動時間超過 t，則需要終止發動（dòng）機起動全過程”，兩者存在理解分歧。

2）存在功能邏輯缺失（shī）。例如，方（fāng）案中描述“當高壓相對物理轉速達到一定（dìng）速（sù）度時，開始（shǐ）供油（yóu）”，若高壓相（xiàng）對物理轉速未達到限定速度，發動（dòng）機需要進行的動作和所處狀態未明確。

通常，使用（yòng）類似 Visio的（de）圖形設計工具輔助描述設計信息。然而，由於（yú）缺乏統（tǒng）一（yī）的語義規範和信息關聯機製，無法對活動流程中的並行、引（yǐn）用、延時等特殊狀態進行準確唯一的描述，這類圖形信息就相當於圖形化的自然語言。在描述發動機起動時間控製邏輯中，設（shè）計人（rén）員會（huì）用（yòng）一個框圖表（biǎo）示，如圖3紅框所示。如果想要描述更加詳細的控（kòng）製（zhì）邏輯，隻能用（yòng）更加複雜的活動流圖代替之前的框圖，從而（ér）導致（zhì）整個活動流缺乏層級（jí），邏（luó）輯混亂。如此一來，既不利於設計人員理解設計方案，也會（huì）造成不（bú）同人員（yuán）的理解偏差，帶來信息二義性。   

圖3  航空發動機起動（dòng）時（shí）間控製Visio

在MBSE方法論中，通過SysML中的標準模型元素來準確表達設計信息，得到（dào）如（rú）圖4所示（shì）的發動機起動時間的活動（dòng）圖，其中紅色區（qū）域表示發動機正常起動的活動流，黑色區域表示同時進（jìn）行的（de）發動機（jī）起動（dòng）時間控製活動流。其中黑色區域所表示（shì）的活動流采（cǎi）用子活動圖的方式表（biǎo）達，子活動圖的具體信（xìn）息如圖5所示。   

圖4  航空發動機起動時間控製活動

圖5  航空發動機起動時間控製子活動（dòng）

SysML模型中的時序（xù）圖是根據活動圖所描述的行為（wéi）邏輯，建立多個對象之間的動態協作和行為（wéi）順序關係（xì）以及（jí）不同對象之間的消息傳遞，明確了起動過程中的係統（tǒng）與外部角色之間的交互關係，從而確定係統與（yǔ）外部的接口和端口關係。

狀態機通過分析和確認每個對象所經曆的狀態序列、在（zài）特定狀態下的行為、引起狀態轉移的條（tiáo）件、因狀態轉移（yí）而伴隨的動（dòng）作、以（yǐ）及對異常做出的響（xiǎng）應等內容，確立係統在其生命（mìng）周期內的完整動態行為。發動機地麵起動過（guò）程主要包含以（yǐ）下狀態：等待駕駛艙指令狀（zhuàng）態、起動狀態、故障處理狀態、慢車狀態和關閉起動狀態。根據不同的判斷（duàn）條件和觸發（fā）事件，發動機處於其中某一個狀態，並（bìng）且可以在不同狀態之間進行（háng）切換。

Rhapsody提（tí）供了通過界麵交互方式執（zhí）行狀態機的模式，通過給定的 Web界麵，可以（yǐ）通過參數注（zhù）入（rù）的方式輸入測試用例，實現（xiàn）不同場景、不同（tóng）狀態之間的仿真測試，從而驗證（zhèng）功（gōng）能邏輯完備性和需求滿足性。

通過傳（chuán）遞參數，狀態機圖實現了（le）地（dì）麵正常起動、起動超溫、餘熱超限、滑油壓力低等10餘種測試（shì）用例的仿真（zhēn）測（cè）試。以滑油（yóu）壓力低為例，表2列出發動機地麵（miàn）起動過程發生滑油壓力（lì）低時的參數注入信息，當對狀態機注入以下參數時，發動機進入（rù）地麵起動滑油壓力低（dī）故障處理（lǐ）狀態，驗證了故障處理控製邏輯的正確性，如圖6所（suǒ）示。

表2  航（háng）空發動機（jī）地（dì）麵起（qǐ）動（dòng）滑油壓力低（dī）測試用例參數（shù）

圖6  航空發動機地麵起動（dòng）滑油壓力低狀態機（jī）仿真（zhēn）

由於 SysML 語言來源於 UML 語言，擅長對離散事（shì）件驅動的係統，即發動機（jī）控製功能邏輯描述和仿真，但對於真實連續運行的物理係統的描述仍存在局限（xiàn）性，有待進一（yī）步的（de）研（yán）究。

從係統建模語言、建模工具和方法論 3個（gè）方麵詳（xiáng）細介紹了基於模型（xíng）的係統（tǒng）工程相關理論知識，並（bìng）且通（tōng）過不同角度對不（bú）同方法、工具進行了對比，為尋找適合航（háng）空發動機功能建模的解決方案進行了初步探索。在航空發動機控製設計（jì）起動場景功能建模實踐中，選用Rhapsody 建（jiàn）模工具，基於 Harmony-SE 方法論開展 SysML 建模，詳細描述了利用活動圖、時序圖描述複（fù）雜係統交互活動（dòng）的過程，解決了自然語言無法描述（shù）複雜活動的問題；利用狀態機圖通過（guò）參數注入（rù）方式進行起動功能邏輯的仿真和驗（yàn）證，為後續航空發動（dòng）機全係統建模和（hé）功能邏輯仿真提供了解決思（sī）路。

在未來的研究中，將繼（jì）續在航空發（fā）動機控（kòng）製設計（jì）或者其他（tā）子係統設計開發中探（tàn）索和實踐MBSE方法，製定統一的建模標準與（yǔ）模型管理規範，形成企業自主的MBSE流程和工程手冊。另外，嚐試將（jiāng）MBSE向航空發動機整機建模仿真推廣，從而實現係統級的仿真驗證和綜合優化，為（wéi）早期的設計方案測試和驗證提（tí）供（gòng）技術支持。

MBSE 通過構建以（yǐ）模型為中心的可追溯信息（xī）集成框架，利用（yòng）模型的不斷迭代貫穿整個產品研發（fā）和後續生命周（zhōu）期全過程。然而（ér）現階段 MBSE在建模標準規範統一、建模方法的推廣和應用、上下遊模型的數據傳遞、模型與仿真分析工具的集成等方麵還有待進一步的提升和發展。可以預（yù）見，隨著 MBSE工程成熟度的不斷提升和應用領域的不斷擴大和深入，MBSE將會形（xíng）成一套（tào）體係（xì）完備的開發流程和標準，為複雜產品的（de）正向設計提供強大的平台支撐（chēng）。