MBSE技术在船舶行业的应用与标准化工作探索

发布日期:2021-04-15 11:14:28
 

引言

随着科技发展和进步,船舶产品性能指标要求不断提升,结构和功能复杂程度日益提高,基于文档的传统系统工程方法处理复杂系统问题能力的增速已无法有效满足船舶产品复杂性的增长需求,新的系统工程工作模式研发迫在眉睫。

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MBSE技术


基于模型的系统工程(Model Based Systems Engineering,MBSE)使用建模方法完成系统的需求分析、设计分析、验证和确认等产品全寿命周期活动,数字模型替代文档成为信息的载体,模拟、仿真等虚拟验证方法替代实物试验手段,物理样机在研发过程中使用次数减少,可缩短产品生产周期、降低产品成本、提高产品质量,成为复杂工程领域的重要发展趋势。

MBSE的核心是数字化模型。通过采用基于模型的架构设计、系统动静态仿真、需求指标的关联管理等,MBSE增强了系统功能性能的先期验证和多学科协同优化设计能力,提升了信息获取、转换与再利用能力,提高了协同效率,促进了设计变更风险识别。

MBSE是新一代信息技术与系统工程过程融合发展的产物,是应对系统复杂性和创新设计需求的利器,推进MBSE的应用将是实现船舶行业高质量发展的重要抓手,成为近年来广受关注的研究与实践热点。

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船舶行业应用现状


船舶产品研制是涉及多学科、多专业的复杂系统工程。不同于常规批量化生产的产品,船舶产品多为单件小批量产品,且部分产品研制模式不存在实物样品环节,需要首制即交付,这对MBSE的应用提出了极高要求。

MBSE在国外造船强国应用较早,取得了良好的实践效果,极大地推动了船舶产品研制水平的提升。美国洛马公司潜艇设计团队在进行全新潜艇电子系统设计过程中花费1年时间将原来的文档全部转换为系统模型,建模对象包括来自20个项目办的35套分系统、3500条接口需求、500项服务、5000个接口实体模型、15000条模型元素之间的关系,通过模型化描述的方式解决了过去复杂系统工程过程中变更管理不易开展的问题。同时,美国国防部对系统工程研制模式的革新也格外关注。2013年,美国国防部“负责系统工程的助理部长帮办”和“海军航空系统司令部”,联合支持美国国防部系统工程研究中心开展“通过MBSE实现系统工程转型”研究,旨在通过MBSE对现行研制模式进行全面梳理与重新组织,实现转型升级[1]

当前我国船舶产品生产企业大多通过文档为主、模型为辅的协同研制模式开展工程实施,MBSE应用水平与国外相比存在一定差距:尚未建立统一的多学科综合优化的仿真设计平台,围绕任务系统的仿真设计手段还比较单一,没有形成较为成熟的设计评估理论和方法,基于专家知识的船型开发知识库有待完善,快速设计手段较为缺乏。

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标准化工作重点


长期以来,ISO、IEC、ANSI等标准化组织以及IEEE、EIA等技术组织在系统工程领域开展了大量标准化研究工作,形成了系列标准规范,对MBSE的应用起到了重要推动作用。

MBSE涉及领域较广,标准规范众多,国际和国外标准中具有典型代表性的标准主要包括ISO/IEC/IEEE 15288-2015《系统和软件工程.系统生命周期过程》、ANSI/IEEE 1220-2005《系统工程进程的应用和管理标准》、ANSI/IEEE 26512-2018《系统和软件工程 供需双方的用户文档要求》、ANSI/EIA 632《系统工程规程》等,这些标准对系统工程的步骤及信息格式要求等进行了规定。

我国在MBSE应用领域起步较晚,在标准建设方面存在一定滞后,且系统工程相关标准围绕基于文档的传统系统工程编制而成,后续需结合MBSE应用需求对相关标准进行修订。结合船舶产品研制中MBSE应用现状,为更好地规范和引导MBSE在船舶产品研制中的应用,建议重点从以下几方面开展标准化研究,编制核心急需标准,促进MBSE应用落地。

3.1 基于模型的设计、分析、验证平台标准

结合船舶产品特点,立足船舶行业实际,分析基于模型的设计、分析、验证的特殊需求,研制相关标准,支撑平台的构建,提供适合MBSE应用的软硬件环境,保证产品全周期信息流的通畅。

3.2 文本结构化、参数化、模型化表达标准

通过相关标准的研制,将自然语言、文档式的用户需求转化为条目化、表格式的需求,为后续模型构建奠定基础,促进模型的轻量化处理。

3.3 异构知识统一标准

MBSE应用中会涉及不同学科领域的概念、术语,这些知识存在一定差异,需制定相关标准对不同领域的概念、术语的异构表示进行约束,实现统一理解,防止模型转换过程中的信息丢失,提升信息转换效率。

3.4 仿真技术标准

船舶产品研制中利用仿真技术进行制造工艺仿真、工装仿真、分段制造仿真、舾装搭载仿真等,相关标准的编制可为仿真工作的实现提供支撑,促进产品质量的提升。

标准在协同复杂要素、规范工作开展流程中具有重要作用,是MBSE实现的有力保障,对提升MBSE应用水平具有重要作用。通过标准的制定和实施,可规范模型信息的表述方式、试验验证手段以及各学科知识融合方法,提升产品论证过程与结果的耦合度,是船舶产品研制中MBSE应用的坚实基础。

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结语


MBSE技术是系统工程领域的重大转型,需要从技术、管理、标准等诸多方面进行综合推进。船舶行业在后续的应用和标准化工作开展中,建议结合船舶产品自身特点,并在总结提炼成熟经验的基础上,优先制定一批基于模型的定义、制造、检验、管理方法等方面的急需标准,有效提高MBSE技术的应用,加速MBSE的落地实施,促进船舶行业高质量发展。


参考文献

[1]邓昱晨,毛寅轩,卢志昂,夏倩雯. 基于模型的系统工程的应用及发展[J]. 科技导报,2019,37(07):49-54.

作者 | 马   强




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