导读：飞机系统的复杂性不断的增加，已经成为常态，而不是例外。未来焦点必然是复杂性管理，而不是简单地减少复杂性。
作者简介：
李建军：西门子工业软件（上海）有限公司 PLM资深顾问
韩庆：西北工业大学 飞机设计 副教授
【英文条目】System Driven Product Development
【中文条目】飞机系统的复杂性不断的增加，已经成为常态，而不是例外。未来焦点必然是复杂性管理，而不是简单地减少复杂性。而系统工程方法是一个管理复杂性的流程和方法。基于文件的的系统工程自20世纪40年代提出以来，对复杂产品系统的设计做出了重要贡献，有力地支持了复杂产品的系统设计。然而，随着产品系统复杂性的不断增加，尤其是异地分布式设计，基于文件的系统开发越来越无法满足要求，基于模型的系统工程（Model Based System Engineer）或基于模型的系统驱动的产品开发（Systems-Driven Product Develop，简称SDPD），正成为复杂产品系统设计的基础。
概念设计是飞机设计的初始阶段，该过程涉及气动、结构、电子、控制等众多学科，同时包含大量的设计变量、状态变量和关联约束，是一个需要反复迭代、高度综合的创造过程。该过程占用约8%的研制时间和不到10%的成本投入，但其作出的具有全局性影响的重大决策，却确定了飞机约80%的全寿命周期成本。然而，当前飞机设计师利用目前经验、文档的传统方法，设计现代高度复杂飞机显得力不从心。美国AIAA将传统飞机概念设计的问题归纳为：概念设计的综合程度低，不能充分利用概念设计的自由度来提高设计整体水平，也不能集成多学科，实现最优化，更不能达到新增需求情况下的平衡设计。基于模型的系统驱动的产品开发，正是为了解决概念设计中的这些问题应用而生。
图1 MBSE是实现一个成功系统的跨学科方法和手段
2007年INCOSE（The International Council on Systems Engineering，国际系统工程学会）正式认同了在系统工程活动中应用建模方法:核心是建立关键的“系统架构模型”，并以系统架构模型为中心将研制过程中的各种模型相关联；各部门、各专业工程技术人员针对统一的系统架构模型进行分析和优化。INCOSE在2008年明确给出了MBSE（Model-Based Systems Engineering，基于模型的系统工程）的发展路线图。
MBSE通过应用模型来支持系统的需求定义、设计、分析、校核和验证。SysML是INCOSE和OMG（对象管理组织）在UML 2.0的基础上进行重用和面向系统工程的扩展而定义的新的系统建模语言，如图2所示。SysML对系统的定义主要通过其结构模型、行为模型、需求模型和参数模型来完成。结构模型侧重对系统的层次以及系统间不同对象的相互关联关系进行建模；行为模型主要针对基于功能和状态的行为进行建模；需求模型强调用户需求的层次关系、需求间的追溯关系及设计对需求的满足情况等；参数模型主要强调系统或系统内部部件间的约束关系。
图2 基于SysML的面向对象的产品系统模型定义
为了更好地为客户提供基于系统工程的“V”模型的产品开发的支持，很多软件供应商都通过开发和收购的方式不断满足客户在MBSE方面的需求，如西门子收购了业内著名的LMS软件，以完善自己对MBSE的支持。通过Teamcenter（PLM系统）的系统工程模块实现对复杂系统的RFLP（Requirement、Function、Logical、Physical）的支持。通过LMS提供复杂系统建模，包括一维和三维模型，实现产品在概念设计阶段的仿真和实验验证，从而实现指标、建模、验证的闭环化管理。
根据系统工程“V”字型模型的系统架构定义，如图3。在飞机的概念设计阶段，可以把物理系统的模型和控制系统的模型耦合起来，建立机、电、液、软一体化模型，在系统模型上利用LMS的一维、三维仿真，进行整体方案的分析和优化，并完成对各个子系统的性能指标设定。随后在系统的开发阶段中，通过建立子系统进一步细化模型，一方面可以审核子系统的性能是否满足系统设计阶段定义的性能指标；另一方面该子系统模型可以替代系统模型中的功能模型，从而可以在整个系统模型中对子系统进行优化。由于不同的部门和专业都是在统一的架构下进行系统的开发，因此各个子系统非常容易集成和虚拟验证。并且设计后期，随着不同部件或者子系统物理样机的出现，又可以将这些物理样机和虚拟的模型结合起来进行仿真，加速物理验证的进程和准确性。
图3 SDPD采用机械、电子、软件、液压、控制全集成“V”字型模型
下面我们将从五个维度呈现西门子工业软件在SDPD方面的解决方案。
1.基于PLM平台集成化的系统工程环境
集成化的系统工程环境为系统工程和需求管理提供了完全整合的方法，如图4所示。在统一的平台实现需求的分解和确定、功能结构、逻辑设计、物理设计、系统验证，实现系统驱动的产品开发，使企业可以从整体上把握价值链的上下游系统，在PLM实现研发过程完整价值链的管理，帮助避免因需求与物理实现不符所导致的成本昂贵。
图4 集成化的系统工程环境
基于IT支撑的集成化系统工程平台将产品的系统工程和全生命周期管理有机结合在一起。通过在设计流程的早期全面理解产品或系统，使生命周期中所涉及的各个部门都能对整个系统有个全面的了解，企业就可以利用所掌握的知识来更好地权衡影响具体设计、制造、销售、采购和服务决策的各种因素；同时将系统工程与执行联系起来，使参与生命周期流程中的每个人都能够在需要做出决定时从系统层面出发，做出符合初始战略意图的选择。
结构化、集成化的需求管理为企业提供了统一、安全收集和管理客户之声的平台，这里的客户之声包括客户、合同、法规和企业自身标准等方面的要求。通常的用户使用的熟悉Microsoft Office工具创建、编辑和维护需求，通过Live Integration结构化需求到PLM系统中管理。
集成的、结构化的需求管理环境可在整个生命周期内传达需求，将需求、功能、逻辑和物理实现相关联，将需求与项目管理、变更管理相关联，需求管理将随着PLM应用的扩展而扩展，借助PLM对需求进行全生命周期的跟踪。
图5 飞机需求管理结构化
基于PLM平台集成的系统工程环境的另一个关键领域是功能指标、逻辑建模、验证的支撑。从需求、安全性、适航等多个方面进行系统功能指标、分系统功能指标的定义，形成功能结构树。
图6 飞机功能定义
MBSE的闭环环境还需要支持基于SysML的标准建模，通过Live integration与SysML工具的集成，建立图形构件与PLM中模型元素的映射管理，系统设计团队可以在图形构件中从电气、电子、软件、机械多专业领域快速的图形化描述复杂的产品，建立构件间的接口及联结，系统中会生成产品的逻辑结构树。
图7 系统逻辑定义
基于PLM，结构化方式管理的序曲被分配到同样结构化的功能结构，实现特定需求与特定功能分解的关联，在此基础上对产品整体的设计任务进行评估和决策。功能结构通过逻辑结构的定义进行实现，通常需要在功能分解的各个层面定义对应的逻辑模型，同时定义各个子系统间的关联关系。基于PLM可以实现需求模型、功能模型、逻辑模型的关联管理，建立产品的集成化架构。
2.Simcenter AMESim多学科领域系统级建模与仿真
通过PLM的集成化的系统工程环境，可以创建和运行多物理场（机、电、液、热、控等）仿真模型，分析复杂的系统特性。虚拟的系统仿真和分析使产品团队可利用模型进行系统的优化设计，评估范围更广的设计方案，减少对物理原型的依赖，减少后期返工的时间和成本损失。通过PLM与仿真环境AMESim的集成，帮助客户在概念设计验证方案，在虚拟的世界中尽早进行产品验证，进行多物理场的综合仿真模拟，优化设计方案。基于模型驱动的研发手段，帮助研发团队充分理解产品的复杂性，复杂需求是如何影响不同系统、子系统的，以及相互依存的关系在系统、子系统是如何演绎的。
Simcenter AMESim仿真平台通过丰富的专用库，避免繁琐的数学建模工作，系统工程师可以对多领域系统设计进行建模和分析，评测多物理领域系统中的各种系统特性。通过这种方法，总体设计部门能够根据需要的关键品牌属性来综合平衡产品各方面的性能，从而在进行昂贵且耗时的物理样机测试之前找到最佳的设计方案。由于Simcenter AMESim能够在早期的开发中切实地进行前期的系统仿真，它真正能够通过关键的设计功能来驱动新产品的开发。
图8 虚拟集成飞机仿真分析
Simcenter AMESim拥有一套标准并经过优化的应用库，见图9，这些库中包含了4500多个来自不同物理领域预先定义好并经过验证的部件模型。库中的模型和子模型是基于物理现象的数学表达式，描述了系统的液压、气动、电子、机械性能，用户只需把来自各个经过验证的应用库中预定义好的元件模型组装起来，即可创建基于物理学的系统模型。进行飞机的整体的虚拟仿真。
图9 Simcenter ASMESim应用库
3.Simcenter AMESim分系统级建模与仿真
Simcenter AMESim为航空航天子系统和元件设计提供了专用的航空航天解决方案：航空发动机、航空燃油、航空电气、环境控制系统、飞控系统、地面载荷、机电元件以及多电系统等，如图10所示。每一个解决方案都包含一套专用应用库，提供各种仿真能力以评估特定子系统的性能。应用库帮助用户快速起步并调整设计以达到在性能、安全性、舒适性、可靠性、油耗、最小排放和优化成本方面的特定要求。
针对发动机装置，提供燃油系统、润滑系统、换热器、推理反向器和设备箱方面的解决方案。
针对环境控制系统，提供引气、防冰、通风回路和氧气与救生系统的解决方案。
针对起落架，提供制动系统、刹车系统、转向系统和减振器方面的解决方案。
针对能量分配网络，提供液压系统、气动系统、电气系统和电缆线束方面的解决方案。
针对飞控系统，提供主飞行控制和次飞行控制（EHA、EMA），以及增升装置，扰流板和空气制动方面的解决方案。
图10 Simcenter ASMESim在飞机系统上1D仿真解决方案
Simcenter AMESim开放且高效的开发环境，可与第三软件进行有效集成，用于软件在环、模型在环、硬件在环。通过仿真接口，可以耦合动态三维模型，进行3D的仿真和优化。
图11 Simcenter ASMESim在飞机系统上3D仿真
4.Simcenter Synthsis 配置管理、系统集成和架构管理的专用工具
系统工程是自上而下的方法，根据产品需求定义功能，这些功能通过具体的机械和控制子系统实现。机械和控制子系统可以通过仿真来验证所选架构是否符合最初的需求。Simcenter System synthesis为这种自顶向下的开发流程提供了一个平台，通过该平台可以在一个完整的系统逻辑视图中对模型和控制进行配置和集成。系统集成设计工程师可以编著最符合逻辑的视图，然后进行配置并把所需的不同模型集成进去进行系统仿真。
通过Simcenter System Synthesis，系统工程师和架构工程师可以使用多个不同的模型编著工具，如Simcenter AMESim、Simulink和Modelica的数据和模型，无缝的结合在一起进行概念设计和系统架构设计、集成和验证。它支持系统装配的工作，最终生成一个可执行的系统模型，用于不同工况的验证以及完整系统方案的优化。
System Synthesis是一个支持机电系统架构驱动开发的开放“中立工具”环境，架构驱动开发流程是一个自上而下的设计方法，从创建或输入来自中立工具的架构模型、物理模型、控制模型或库进行配置，到在目标求解平台中进行仿真。支持各种类型的“自上而下”的仿真流程建模。
5.Simcenter TestLab 铁鸟验证
Simcenter TestLab是基于实验的完整解决方案，具体涉及疲劳耐久性实验、旋转机械实验、结构和声学实验、环境实验等。此外，Simcenter TestLab解决方案在单个软硬件系统中便可以处理包括标准的、重复的，以及更为复杂的故障诊断实验。
Simcenter TestLab提供专业的航空航天解决方案：地面共振是按（GVT）确保飞机或宇宙飞船和其他关键部件的结构完整性；工作模态分析及飞行颤振实验用于评估运行工况下飞行器结构的性能；喷气发动机的动力性能实验与验证；飞船、卫星及航空航天大型模态验证实验（作为认证和验收实验）。
图12 TestLab实物、半实物验证
需求、设计、仿真、验证，基于模型的系统驱动的产品开发方式，为复杂产品的开发提供了“自顶向下”的设计手段，必将提升产品设计的创新能力。在早期的概念设计阶段，通过需求建模和结构化管理，把需求分解到各个部件、分系统的性能指标上去；通过系统的逻辑建模和仿真分析，不断优化复杂产品的设计方案，在设计初期尽可能的通过虚拟的手段分析方案的可行、分系统的设计约束，发现不合理的设计方案和缺陷，在产品开发的“V”型体系中，实现需求验证、架构验证、性能验证、物理样机的验证，同时模型也为各个部门提供了一个公共通用的、无二义的设计交流工具，进行全局、局部的系统分析。PLM系统实现了需求、功能、逻辑、物理模型的完整管理，MBSE是将系统工程的思想与PLM全生命周期管理的有机结合，通过结构化的过程知识管理，来提高成功交付产品的创新设计能力，应对复杂系统结果的不确定性。
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