李勝忠，梁川，趙鋒

(中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082)

0 引言

從20 世紀(jì)開始，國外國防領(lǐng)域一直將系統(tǒng)工程作為項目的研制/管理方法。近年來，隨著系統(tǒng)規(guī)模及復(fù)雜度急劇增長，以文檔和實物產(chǎn)品為依托的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程已經(jīng)無法有效滿足這一研制需求。而信息技術(shù)在工程系統(tǒng)研制中的深度融合，促使數(shù)字模型逐漸替代文檔成為信息的載體，數(shù)值仿真等虛擬驗證方法逐漸替代實物試驗手段。此外，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及正在興起的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更是為系統(tǒng)工程各環(huán)節(jié)的無縫數(shù)字化集成和人員間的高效協(xié)同提供了強有力的支撐[1]。在這一時代背景下，基于模型的系統(tǒng)工程（Model Based Systems Engineering，MBSE）[2]成為當(dāng)前研究熱點。MBSE 主張以模型的形式支撐并持續(xù)貫穿系統(tǒng)研制全過程，它從需求階段開始通過模型（而非文檔）的不斷演化、迭代遞增而實現(xiàn)產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計。通過模型的形式化定義可以清晰地刻畫產(chǎn)品設(shè)計初期結(jié)構(gòu)、功能與行為等各方面的需求；基于模型可以盡早通過模擬分析發(fā)現(xiàn)大量不合理的設(shè)計方案；同時模型還為各方提供了一個公共通用的、無二義性的設(shè)計信息交流工具，為復(fù)雜產(chǎn)品/項目異地分布的系統(tǒng)設(shè)計提供了解決方案[3]。因此，近年來模型驅(qū)動的復(fù)雜產(chǎn)品/設(shè)計對象的系統(tǒng)建模與系統(tǒng)設(shè)計成為學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的研究重點。

目前，國外許多科研機構(gòu)及工業(yè)企業(yè)從不同角度對MBSE 進行了系統(tǒng)的研究與實踐。NASA 開發(fā)了MBSE的基礎(chǔ)架構(gòu)，其噴氣推進實驗室制定了基于模型的系統(tǒng)工程應(yīng)用發(fā)展戰(zhàn)略，已將MBSE 在多個研發(fā)任務(wù)的全生命周期中應(yīng)用[4–5]。歐洲航天局開展了系統(tǒng)全生命周期數(shù)據(jù)一致性和基于模型的驗證等工作，將MBSE 應(yīng)用于虛擬航天器設(shè)計、空間系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)映射編輯器等項目?？湛凸纠肕BSE 方法將A350 項目中的電源試驗提前進行[6]。美國國防工業(yè)協(xié)會、美國國防部先進研究項目局、洛克希德·馬丁公司等在MBSE 研究、應(yīng)用與推廣方面都做出了積極努力[1]。波音公司采用基于模型的系統(tǒng)工程方法，大大縮短了777 飛機航電系統(tǒng)的研發(fā)時間[7]。

在國內(nèi)中航工業(yè)作為試點單位正在推進MBSE 這種新研發(fā)模式的研究與應(yīng)用。張紹杰[8]提出一種采用基于模型的系統(tǒng)工程對飛機安全關(guān)鍵系統(tǒng)進行分析和設(shè)計的方法，完成飛機剎車系統(tǒng)設(shè)計的需求分析和功能分析，建立了系統(tǒng)用例模型、功能流程和驗證狀態(tài)機模型，構(gòu)建了保證功能可用、安全的系統(tǒng)架構(gòu)。張有山[9]將MBSE 方法應(yīng)用于載人飛船交會對接任務(wù)中，結(jié)果表明能夠改善人員溝通，提高設(shè)計效率，降低設(shè)計風(fēng)險。羅松[10]針對目前飛機概念設(shè)計中存在的問題和設(shè)計需求，引入MBSE 方法，梳理了MBSE的流程、實現(xiàn)方法和應(yīng)用特點，分析了MBSE解決飛機概念設(shè)計問題的技術(shù)可行性。張世聰[11]采用基于模型的系統(tǒng)工程研究適用于動車組的設(shè)計方法，并以某型動車組車門控制系統(tǒng)為例進行適用性分析。

從國內(nèi)外已發(fā)表的研究成果看，MBSE的研究成果主要集中在對MBSE 流程的解析及初步工程應(yīng)用上，用于產(chǎn)品研發(fā)的嘗試不多。而在船舶設(shè)計領(lǐng)域?qū)BSE 方法的研究還處于起步階段。本文針對當(dāng)前船型與性能設(shè)計過程中依賴經(jīng)驗缺乏創(chuàng)新能力、知識轉(zhuǎn)化與重用程度不高、性能綜合優(yōu)化能力不足等問題，探討和分析MBSE 在船型與水動力性能設(shè)計中應(yīng)用的可行性與關(guān)鍵技術(shù)。首先簡要介紹傳統(tǒng)船型設(shè)計流程，并從技術(shù)層面和設(shè)計模式兩方面分析目前存在的局限性；之后，簡要介紹基于模型的系統(tǒng)工程的基本內(nèi)涵和特點。最后，給出了模型驅(qū)動的船型與水動力性能研究模式的涉及的關(guān)鍵技術(shù)和初步解決策略。

1 傳統(tǒng)船型設(shè)計模式及其局限性

船舶水動力構(gòu)型決定船舶總體性能，制約船舶系統(tǒng)形態(tài)，貫穿了總體設(shè)計的主要過程，是船舶總體設(shè)計的核心技術(shù)基礎(chǔ)?；谀感痛儞Q和模型試驗驗證的設(shè)計方法是目前普遍采用的經(jīng)典方法（見圖1），毋庸置疑，它在船舶創(chuàng)新設(shè)計中發(fā)揮了積極的推動作用，并仍在發(fā)生作用。這種傳統(tǒng)的方法根據(jù)研究人員的經(jīng)驗和水平，采用母型船、系列水池模型試驗以及部分實船航行試驗資料等，開展目標(biāo)對象的總體性預(yù)報、評價以及優(yōu)化等研究工作；在研究手段和方法上，隨著計算機信息技術(shù)以及CFD 計算流體力學(xué)的發(fā)展，從傳統(tǒng)的依靠水池模型試驗為主的實物型研究，發(fā)展到基于CFD的虛擬仿真試驗研究，應(yīng)該說在研究成本和效率上有了明顯的改善和提升。

圖1 傳統(tǒng)船型設(shè)計流程Fig.1 The traditional hullform design process

但是傳統(tǒng)的設(shè)計模式也存在著一些局限性和不足。從技術(shù)角度看：線型基于母型變換、有限方案選優(yōu)，失去創(chuàng)造性；依賴設(shè)計者經(jīng)驗，認知存在局限，淺層挖掘，結(jié)果僅為可行設(shè)計；學(xué)科串行設(shè)計，忽略耦合影響。這些問題嚴(yán)重制約了船舶構(gòu)型設(shè)計效率與創(chuàng)新設(shè)計能力的提升。近年來，目標(biāo)驅(qū)動的船型優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，為船舶性能提升提供新的技術(shù)手段，取得了很好的應(yīng)用效果。這類方法主要借助商用或者自研的優(yōu)化設(shè)計平臺，以水動力性能為優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)，采用勢流和粘流等評估工具，融合最優(yōu)化技術(shù)和幾何重構(gòu)技術(shù)開展船型優(yōu)化設(shè)計[12]。但該技術(shù)專業(yè)性強，應(yīng)用流程復(fù)雜，使用者需系統(tǒng)地掌握數(shù)值模擬、優(yōu)化理論、形狀重構(gòu)等方面的專業(yè)知識，因此目前還難以推廣應(yīng)用。

從研究流程與模式來看：當(dāng)前的研究過程以文檔作為傳遞信息的媒介，信息的傳導(dǎo)可能出現(xiàn)失真；形成的專家經(jīng)驗和知識難以進行傳承和共享；設(shè)計變更和設(shè)計過程追溯困難。此外，研究工具的通用性和易用性差，對使用者的要求高，且會出現(xiàn)因人因事帶來的結(jié)果偏差。

從上面分析可以看出，傳統(tǒng)的研究模式嚴(yán)重制約船舶設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率的進一步提升，亟需新方法和新的研究模式。隨著數(shù)字化建模與仿真技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜工程設(shè)計領(lǐng)域出現(xiàn)了一種基于模型的系統(tǒng)工程研發(fā)模式，為上述問題的解決提供了一種新的思路。

2 MBSE 基本內(nèi)涵與特點

基于模型的系統(tǒng)工程是現(xiàn)代系統(tǒng)工程的最新發(fā)展，是一種用以表達系統(tǒng)及其運行方式的科學(xué)和完備的全新方法。其內(nèi)涵是：采用MBSE 方法建立系統(tǒng)/平臺開發(fā)體系，利用需求模型、行為模型及結(jié)構(gòu)模型，對系統(tǒng)的需求、功能、物理和參數(shù)進行全面表達，將頂層系統(tǒng)模型逐層分解成可被硬件、軟件表達的各個子模型，將子模型逐層集成整合為全系統(tǒng)模型。在這個過程中，模型可以進行系統(tǒng)仿真，對系統(tǒng)的各個層次進行透視、驗證、確認與優(yōu)化。

MBSE的核心是模型。模型是對現(xiàn)實的抽象，旨在回答有關(guān)現(xiàn)實世界中的具體問題，是模擬或表達一個真實世界的過程或結(jié)構(gòu)。MBSE 傳遞的模型包括需求、結(jié)構(gòu)、行為和參數(shù)在內(nèi)的動態(tài)信息。模型使整個組織中各專業(yè)領(lǐng)域人員更加直觀的理解和表達系統(tǒng)，確保全程信息傳遞的一致性。MBSE 方法將模型作為系統(tǒng)描述的基礎(chǔ)，以形象化的模型實現(xiàn)從概念設(shè)計、方案設(shè)計、試驗驗證到工程實施的全過程，相比于以文檔為中心的系統(tǒng)工程方法具有如下優(yōu)點[9,13]：

1）理解、溝通效率提高。可視化的模型比文字更容易被接受，圖形化的符號配以文字描述，既直觀、形象，又保證了信息的完整性，使不同人員對同一模型的理解更容易達成一致，且便于進行異地、多層面和多專業(yè)間的交流、溝通與協(xié)同設(shè)計。

2）數(shù)據(jù)獲取容易?；谖臋n的系統(tǒng)工程方法處理的最小對象是文檔，用戶所需的信息散布在大量的文檔之中，因此查找起來要耗費巨大的工作量。而MBSE 方法處理的最小對象是數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫管理方法，用戶能直接獲得所需的指標(biāo)參數(shù)，可大幅減少設(shè)計人員的工作量。

3）技術(shù)狀態(tài)可追蹤性好。MBSE 方法在工作過程中會不斷建立模型之間的關(guān)系，通過這些關(guān)系實現(xiàn)技術(shù)狀態(tài)的追蹤性和關(guān)聯(lián)性分析，完成對技術(shù)狀態(tài)的全面分析和控制。

MBSE 包括系統(tǒng)建模方法、系統(tǒng)建模語言、模型組件庫構(gòu)建三大支柱，具體如下：

1）系統(tǒng)建模方法（應(yīng)用流程建模）

復(fù)雜產(chǎn)品的通用系統(tǒng)建模方法是將面向?qū)ο蠹夹g(shù)與傳統(tǒng)自頂向下系統(tǒng)建模方法有機結(jié)合，從而形成具有模型驅(qū)動能力的復(fù)雜產(chǎn)品通用的系統(tǒng)建模方法，目的是構(gòu)建更具柔性和具有可擴展性的系統(tǒng)。復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計建模方法分為4 種：通用的系統(tǒng)建模方法、并行建模方法、基于對象-過程的建模方法和基于狀態(tài)分析的建模方法。其實質(zhì)是產(chǎn)品/設(shè)計對象的研發(fā)設(shè)計過程應(yīng)用流程的建模[3]。

2）系統(tǒng)建模語言（建模環(huán)境）

復(fù)雜產(chǎn)品的特點是高度分布性與可重構(gòu)性，為此要求其對應(yīng)的建模語言必須具有支持模型驅(qū)動建模和支持模型驗證與分析的特點。其實質(zhì)是提供用于流程建模和分析的可分布式系統(tǒng)集成環(huán)境。

3）模型組件庫構(gòu)建（物理模型魯棒性/知識重用度）

復(fù)雜產(chǎn)品分析工具的可靠性、魯棒性以及重用度，對開展基于模型的系統(tǒng)工程設(shè)計研發(fā)至關(guān)重要。分析工具應(yīng)該具備應(yīng)用過程自動化、應(yīng)用知識集成化，能夠消除因人因事帶來的應(yīng)用結(jié)果的不確定性，可以供相關(guān)領(lǐng)域的人員重復(fù)使用，如此才能達到模型組件的標(biāo)準(zhǔn)。模型組件對縮短研發(fā)周期、提高研發(fā)效率、降低成本起到至關(guān)重要的作用。模型組件庫實質(zhì)就是MBSE的知識庫。

3 模型驅(qū)動的船型與水動力性能研究設(shè)計模式探討

當(dāng)前艦船船型與性能設(shè)計研發(fā)過程主要通過自然語言，以文檔、圖片、表格等文本作為媒介。這種方式使得信息傳導(dǎo)過程可能出現(xiàn)失真、易產(chǎn)生歧義、難以進行不同系統(tǒng)的綜合、難以實現(xiàn)變更追溯、難以實現(xiàn)需求—設(shè)計以及需求—驗證過程的追蹤等。而MBSE 從基礎(chǔ)層對研發(fā)過程進行改進，它改變復(fù)雜工程系統(tǒng)研制中人們表示知識的方式，改變型號研制中人與人之間技術(shù)溝通、知識交流的方式，再輔以信息化、網(wǎng)絡(luò)化的建模工具，將有效打破傳統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計中人與人之間的溝通瓶頸[14–15]。同時，可以利用優(yōu)化技術(shù)、智能算法等進行單學(xué)科/多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計。因此基于MBSE的船型與水動力性能研究設(shè)計模式將推動以文檔為主的傳統(tǒng)設(shè)計研發(fā)模式向以“模型”為主的設(shè)計研發(fā)模式邁進，大幅提升知識轉(zhuǎn)化與重用度/提高設(shè)計質(zhì)量和創(chuàng)新能力。

將MBSE 理論和思想引入船型與水動力性能研究設(shè)計過程，首先要研究基于模型的虛擬設(shè)計流程，即對不同設(shè)計階段的船型與水動力性能分析設(shè)計過程進行建模，同時提出適用于船型與水動力性能分析特點的系統(tǒng)架構(gòu)；其次要研發(fā)具備流程建模和分析、虛擬試驗仿真、綜合優(yōu)化設(shè)計等功能的系統(tǒng)集成環(huán)境。最后，要有經(jīng)過專家知識封裝、多子樣驗證、I/O 接口標(biāo)準(zhǔn)化的物理模型（型線建模模型、性能預(yù)報模型、優(yōu)化工具模型等）組件庫，這類模型組件，能夠消除因人因事帶來的應(yīng)用結(jié)果的不確定性，具備應(yīng)用流程自動化、應(yīng)用知識封裝化、魯棒性、可靠性高等特征。

基于MBSE的船型與水動力性能研究設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)包括3 個層次：功能模型層?包括設(shè)計需求分析、設(shè)計流程、設(shè)計過程等建模；協(xié)議/集成層?各個模型的I/O 接口標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)及信息的傳輸與存取管理；物理模型層?型線建模、水動力性能分析、優(yōu)化算法等模型組件，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計Fig.2 System function architecture design

涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：船型設(shè)計流程與水動力性能分析過程柔性建模技術(shù)、模型驅(qū)動的船型設(shè)計與性能分析系統(tǒng)建模環(huán)境研發(fā)、封裝應(yīng)用知識的船舶水動力性能評估組件庫構(gòu)建與驗證技術(shù)等。

1）船型設(shè)計流程與水動力性能分析過程柔性建模技術(shù)

船型與性能設(shè)計是一個復(fù)雜的過程，一般而言，可劃分為幾個階段：概念設(shè)計、方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計等，每個設(shè)計環(huán)節(jié)都有各自不同的設(shè)計特點。需對不同設(shè)計階段設(shè)計特點進行分析梳理，結(jié)合MBSE的思想，建立基于模型的船型設(shè)計流程及對應(yīng)的水動力性能分析/優(yōu)化過程模型。同時保證應(yīng)用流程過程的可重復(fù)性、可追溯性和可變性。圖3 給出一個典型的型線建模?性能預(yù)報?性能評價?性能優(yōu)化的可拖拉拽自由組建的應(yīng)用流程。

圖3 可拖拽式典型應(yīng)用流程示意圖Fig.3 Typical application flow chart of drag and drop

2）模型驅(qū)動的船型設(shè)計與性能分析系統(tǒng)建模環(huán)境研發(fā)

MBSE 最終要形成一個具有支持模型驅(qū)動建模和支持模型驗證與分析等特點的設(shè)計服務(wù)系統(tǒng)。而船舶快速性、適航性、操縱性等性能評估模塊數(shù)量眾多而且精度水平適用范圍也各不相同，各個模塊之間的信息難以實現(xiàn)交互，易導(dǎo)致流程的分割和關(guān)聯(lián)性不強，流程層級混淆，邊界不清等問題。因此必須突破異構(gòu)、精度懸殊分析工具集成、協(xié)同優(yōu)化、流程自動化等可柔性搭建技術(shù)，整合不同設(shè)計階段、不同性能、不同評估工具組件，提供一個可拖拽式可自由搭建應(yīng)用流程的建模環(huán)境。基于模型的船型與性能設(shè)計系統(tǒng)支撐環(huán)境如圖4 所示。包括：拖拽式的流程定制環(huán)境、封裝與可視化環(huán)境、優(yōu)化設(shè)計支撐環(huán)境等。

圖4 基于模型的船型與性能設(shè)計系統(tǒng)支撐環(huán)境Fig.4 Support environment of hullform and performance design system based on Model

3）封裝應(yīng)用知識的船舶水動力性能評估組件庫構(gòu)建與驗證技術(shù)

基于模型的船型與性能設(shè)計系統(tǒng)必須構(gòu)建一系列的性能分析工具集（組件庫）作為支撐。這些工具集在系統(tǒng)環(huán)境上可依據(jù)應(yīng)用流程進行柔性組合和自由搭建，能夠準(zhǔn)確地對對象的性能進行分析和預(yù)報，并且具有統(tǒng)一的I/O 接口標(biāo)準(zhǔn)。因此，必須對各個工具模塊進行專家應(yīng)用知識的封裝、多子樣的測試驗證，形成一批成熟可靠的、知識封裝、屬性細分的性能評估組件集，消除性能預(yù)報結(jié)果的“因人因事”差異，大幅提高模型組件應(yīng)用的魯棒性和可靠性，增加模型組件的重用度。船舶性能評估模型研發(fā)與驗證思路如圖5所示。

圖5 封裝應(yīng)用知識的船舶性能評估模型研發(fā)與驗證思路Fig.5 Development and validation of ship performance evaluation model based on encapsulation application knowledge

4 結(jié)語

MBSE 可以實現(xiàn)系統(tǒng)的需求建模、功能分析、應(yīng)用流程自由搭建、性能虛擬試驗和驗證、綜合優(yōu)化設(shè)計等需求—設(shè)計—分析—優(yōu)化—驗證過程的雙向追蹤，與傳統(tǒng)的基于文本的設(shè)計模式相比，MBSE 技術(shù)能夠盡可能減少和消除文本化設(shè)計規(guī)范的歧義、錯誤和缺陷，確保設(shè)計滿足系統(tǒng)的功能、性能要求，從而保證系統(tǒng)的綜合最優(yōu)設(shè)計。同時將大幅提升設(shè)計效率和質(zhì)量，有利于“知識”的應(yīng)用與傳承。本文聚焦船型與水動力性能設(shè)計研究這一方向，針對當(dāng)前船型與水動力性能設(shè)計過程中依賴經(jīng)驗缺乏創(chuàng)新能力、知識轉(zhuǎn)化與重用程度不高、性能綜合優(yōu)化能力不足等問題，探討MBSE 在該方向應(yīng)用的可行性和初步思路，并給出了需要解決和研究的關(guān)鍵技術(shù)問題，將為MBSE的思想在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用和實踐提供有益的參考。