基于模型的系统工程（MBSE）及MWORKS实践

基于模型的系统工程（MBSE）是复杂系统数字化研发的基本方法，是系统工程方法与数字化设计、数字化仿真技术融合的先进成果。MWORKS是同元软控公司基于国际知识统一表达与互联标准打造的系统智能设计与验证平台，是MBSE方法落地的使能工具。本书介绍基于模型的系统工程（MBSE）及MWORKS实践，内容包括引论，MBSE语言、工具和方法，MWORKS.Sysbuilder系统设计建模功能，设计与仿真一体化的新一代MBSE方法，使命任务定义与需求分析，系统架构定义与可行性论证，运行方案仿真与综合评估，应用案例，可复用模型管理与协同，MBSE未来发展趋势。附录A介绍了SysML图元。本书结合作者团队多年来在复杂系统领域的MBSE实践经验，面向系统研制的现实需求和发展趋势，向读者介绍基于MWORKS平台的设计与仿真一体化方法，并简明扼要地讲述MBSE方法在不同研制阶段/流程中的应用。本书对行业前沿理论的描述简明扼要，案例的设计与验证过程清晰，便于读者理解和掌握MBSE语言、工具和方法等内容。本书适合作为高等学校本科高年级学生、硕士研究生以及工程师的MBSE入门教材。

第1章 引论 1 1.1 复杂系统的发展趋势 2 1.2 系统工程与基于模型的系统工程（MBSE） 4 1.3 MBSE的概念与内涵 6 1.4 MBSE典型应用场景 8 1.5 MBSE国内外实践情况 10 第2章 MBSE语言、工具和方法 14 2.1 MBSE语言概述 15 2.1.1 SysML 16 2.1.2 Modelica 17 2.2 MBSE工具概述 19 2.2.1 系统设计建模软件 19 2.2.2 系统仿真建模软件 23 2.2.3 MWORKS平台简介 23 2.3 MBSE方法概述 28 2.4 MBSE方法应用实践的关键问题 29 2.4.1 共性问题 29 2.4.2 通用流程与工程行业的结合问题 30 2.4.3 通用语言与专业知识的结合问题 31 2.4.4 通用工具与专业工具的结合问题 31 2.4.5 多阶段与多专业协同的结合问题 32 第3章 MWORKS.Sysbuilder系统设计建模功能 33 3.1 概述 34 3.2 模型组织结构管理 36 3.2.1 包定义 36 3.2.2 包图 37 3.3 模型导入、导出 39 3.4 需求定义 44 3.4.1 需求条目 44 3.4.2 场景分析 44 3.4.3 系统需求分析 48 3.5 系统功能分析 50 3.5.1 序列图 50 3.5.2 活动图 55 3.5.3 状态机图 60 3.6 系统组成设计 65 3.6.1 模块定义 65 3.6.2 模块定义图 66 3.6.3 内部属性定义 66 3.6.4 内部模块图 68 3.7 设计验证 69 3.7.1 约束定义 69 3.7.2 参数图 70 3.7.3 约束设计 72 3.7.4 参数计算 72 3.8 分析评估 73 3.8.1 追溯性分析与需求覆盖 73 3.8.2 架构多方案权衡 74 3.8.3 参数计算 77 3.9 表格视图与关系矩阵 77 3.10 链接Modelica模型 81 3.11 生成Modelica模型 82 3.12 报告生成 84 第4章 设计与仿真一体化的新一代MBSE方法 86 4.1 设计与仿真一体化的MBSE技术体系 87 4.2 新一代MBSE方法的技术特点 89 4.3 MBSE方法的“三阶段六过程” 94 4.3.1 流程模型 94 4.3.2 第一阶段：使命任务定义与需求分析 97 4.3.3 第二阶段：系统架构定义与可行性论证 99 4.3.4 第三阶段：运行方案仿真与综合评估 100 4.4 多领域统一模型体系 102 4.5 设计与仿真一体化的MBSE工具平台 104 4.6 MBSE协同设计论证标准规范体系 105 第5章 使命任务定义与需求分析 107 5.1 概述 108 5.2 使命任务定义 109 5.2.1 使命任务定义的输入和主要活动 109 5.2.2 利益相关方识别与利益相关方期望识别 111 5.2.3 任务场景设计与建模 113 5.2.4 利益相关方需求收集 117 5.3 需求分析 119 5.3.1 功能需求分析 120 5.3.2 功能需求分解与分配 123 5.3.3 资源约束分析 125 第6章 系统架构定义与可行性论证 127 6.1 概述 128 6.2 系统架构定义 128 6.2.1 功能建模 129 6.2.2 架构建模 134 6.2.3 系统接口设计 136 6.3 分系统方案设计 139 6.3.1 分系统方案设计概述 139 6.3.2 分系统专项设计 140 6.3.3 分系统方案评估 142 6.4 可行性论证 143 6.4.1 需求追溯性分析与需求覆盖性分析 143 6.4.2 约束模型验证 144 第7章 运行方案仿真与综合评估 146 7.1 概述 147 7.2 运行方案仿真 147 7.2.1 系统仿真建模 148 7.2.2 SysML与Modelica模型联合仿真 150 7.3 综合评估 151 7.3.1 系统指标分析评估 152 7.3.2 多方案权衡 153 第8章 应用案例 159 8.1 概述 160 8.2 使命任务定义与需求分析 160 8.2.1 使命任务定义 160 8.2.2 需求分析 161 8.3 系统架构定义与可行性论证 163 8.3.1 功能分析 163 8.3.2 系统架构定义 166 8.3.3 功能分配与接口交互定义 166 8.3.4 分系统方案设计 170 8.3.5 可行性论证 172 8.4 运行方案仿真与综合评估 175 8.4.1 设计模型与仿真模型的转换 175 8.4.2 仿真模型集成验证 177 8.4.3 多方案权衡 178 第9章 可复用模型管理与协同 186 9.1 概述 187 9.2 模型库架构设计 187 9.3 模型评估 189 9.4 模型管理 191 9.5 面向多团队协同的数字化模型交付 193 第10章 MBSE未来发展趋势 194 10.1 概述 195 10.2 新一代系统工程的发展趋势 195 10.3 系统建模语言的能力扩展 197 10.4 MBSE新方法与新应用 198 10.5 MBSE与人工智能的结合 199 附录A SysML图元 201 参考资料 235