引言传统系统工程过程中，各专业学科独立利用不同粒度模型和仿真工具对系统总体设计方案进行验证。但是对系统工程整体而言，对系统运行逻辑、状态的描述主要采用文本描述方式，无法早期对系统整体方案进行验证。系统整体验证主要依赖系统集成验证阶段的半实物/实物验证，验证迭代周期长。采用MBSE方式，可以早期持续的对需求和设计进行验证，早期发现需求的缺失/不一致以及设计的缺陷。通过对系统架构方案的设计、权衡分析与验证，得到最优系统架构方案，交付软硬件进行开发。
通过SysML语言中需求、行为、结构、参数等4类模型之间元素的关联，构建起动态可执行的任务场景模型。对系统在具体任务中的运行情况进行验证，通过集成系统模型与专业模型以增强模型运算能力。国际系统工程学会与美国国家科学基金会合作开展“曙光探测者号”立方体卫星的论证、设计与研制，集成了部分轨道设计模型(STK)以及专业计算模型(Simulink)，通过调整系统设计参数与任务参数直接观察系统整体运行情况，极大提高了系统先期验证能力。
▲ 图 1. CubeSat Mission Simulation在缺乏系统模型的情况下，机电热液控等学科采用不同仿真工具和数据模型，各学科之间的集成和耦合非常有限，多学科协同设计难以开展。使用SysML创建的系统模型能够描述系统顶层整体的结构、行为、需求和约束信息，并且从技术角度以数据交互、模型转换与封装手段集成多学科的专业模型，从而能够充当系统工程过程中多学科设计的集线器，通过系统模型实现多学科协同优化设计。本文结合DS的Cameo Systems Modeler™介绍FMI（Functional Mock-up Interface）在基于模型系统工程的多学科集成仿真验证中的应用。
▲ 图 2. 系统模型集成
案例分享案例从挖掘机的用户需求出发，设计整体系统架构，根据该架构的定义，在设计的早期把物理系统的模型和控制系统的模型耦合起来建立机电一体化系统的模型，在系统模型的基础上对整体方案进行分析和优化，完成各个子系统的性能指标设定。随后在子系统开发阶段中，通过建立子系统进一步细化的模型，一方面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环境中对子系统进行优化。根据系统定义的物理架构和需求，进行物理部件的3D几何设计，在设计的早期对物理部件的性能进行仿真验证。本文仅关注FMI在多学科联合仿真中的应用场景，见下图。
▲ 图 3. 多学科联合仿真在Cameo Systems Modeler™中创建了挖掘机的整体模型，从需求、结构、行为、和参数等方面图形化描述了挖掘机系统。在Matlab Simulink中创建了ECU模型用于模拟仿真ECU控制模型的特性，同时在AMESIM中创建液压子系统1物理模型用于模拟仿真液压子系统的物理行为特性。通过FMI的Co-Simulation方法连接挖掘机系统模型、ECU模型和液压系统模型，利用CSM自带的Cameo Simulation Toolkit，对系统的功能架构和性能指标进行联合仿真验证。
通过对挖掘机工况的分析，仿真验证ECU和液压子系统设计方案是否满足所有工况下对系统的功能和性能指标要求。图4是挖掘作业下的ECU的控制输出，通过对HMI的人工控制输入信号的处理转换，传输给液压系统，作为液压系统的控制输入。图5是挖掘作业下，液压系统中Boom、Dipper、Bucket液压缸的压力变化。
▲ 图 4. ECU的控制输出
▲ 图 5. 液压缸压力
通过比对最大工作压力同系统工作下液压缸压力，早期仿真验证液压系统设计方案是否满足液压系统最大压力需求。通过FMI方法连接挖掘机系统模型、ECU模型和液压系统模型进行液压系统压力、流量和能耗等系统需求的仿真验证，早期对液压系统设计方案进行验证(选取的液压缸，液压马达等系统元件规格是否能够满足液压系统要求)。
▲图 6. 液压系统工作压力验证展望
本文重点关注案例中通过FMI Co-Simulation方法连接挖掘机系统模型、ECU模型和液压系统模型，联合仿真验证子系统的功能架构和性能指标。FMI是应对工具碎片化、模型重用和知识产权保护问题的一种好的解决方案。但是FMI有它的局限性，FMI侧重于电子、机械和软件模型之间的高效协同仿真接口，主要目标是模拟和分析模型，无法用于集成需求和3D几何(CAD)模型数据。基于3DE平台的MBSE解决方案，在一个开放和协作的业务平台上，统一数据源，实现需求管理、需求分析、架构设计、物理设计、仿真验证和全生命周期的需求追溯，实现需求驱动的产品开发，使企业可以从整体上把握价值链的上下游系统，帮助避免因需求与物理实现不符所导致的成本昂贵的后期系统集成问题。
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供稿来源：技术部
关键词：基于模型系统工程、仿真验证、达索系统
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