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支持MBSE的企业信息管理系统发展与启示

来源:版本控制 时间:2022/6/28

导读:本文介绍了模型管理与MBSE、产品生命周期管理(PLM)的概念及其之间的关系,分析了不同行业的模型管理现状,提出了模型管理的解决方案与技术方向,最后给出了建设企业信息管理系统的建议,以期为企业信息管理系统支持MBSE及后续发展提供思路。

作者:周兵

来源:电讯技术

1.引言

当前,大多MBSE最佳实践活动都基于系统开发早期(即概念设计阶段)开展,且对象管理组织(ObjectManagementGroup,OMG)的系统建模语言SysML已成为事实上的架构模型描述标准被广泛采用。但详细设计阶段,各专业领域所用的具体工具不尽相同,有产品生命周期管理、应用生命周期管理(ApplicationLifecycleManagement,ALM)、需求管理、仿真环境、项目管理、计算机辅助设计(ComputerAidedDesign,CAD)、计算机辅助工程(ComputerAidedEngineering,CAE)、电子自动化设计(ElectronicsDesignAutomation,EDA)等。

本文介绍了支持MBSE的模型生命周期管理(ModelLifecycleManagement,MLM)的相关概念与关系,分析了3类典型企业信息管理系统现状并提出了解决方案,通过分析给出了几点启示与建议,可为企业信息管理系统更好地支持MBSE提供思路。

2.模型管理与MBSE、PLM的关系

2.1模型与模型管理的概念

“模型”是指对某个实际问题或客观事物、规律进行抽象后的一种形式化表达方式。在系统工程领域,“模型”就是使用可以被模型创建者及模型使用者充分理解的建模语言所表达的某一“事物”。

每个模型可以表达系统不同方面(如系统架构、结构设计以及性能分析等)的信息。用同样的建模语言来表达某一对象的过程就称为建模。模型生命周期管理指在整个系统开发生命周期内,对建模支持工具和模型库内的异构模型的创建、读取、更新和删除(Create,Retrieve,Update,Delete,CRUD)操作保持同步的管理过程,通过对模型配置项的管理来实现,具体包括模型版本、变体(variant)、配置和基线、仿真分析结果以及分布在不同地理位置的多个用户所使用的工具。

此外,MLM还包括对与模型、工具和分析结果(包括谁更改了模型、更改的内容、时间和原因)相关的所有元数据以及与模型应用情况有关的信息进行管理。模型生命周期管理系统(ModelLifecycleManagementSystem,MLMS)是实施模型生命周期管理过程的一组要素,包括人员、硬件、软件、数据和过程。

2.2模型管理与MBSE、PLM的关系

MLM要解决的问题是建模信息随时间的同步,以确保被建模系统全生命周期内的模型一致性。

首先,MLM必须支持不同用户开发的不同类型模型,这些模型通常分布在不同地方,并且使用不同的开发工具。

其次,从模型得出的其他信息(例如分析结果和模型查询结果)必须与生成这些信息的模型保持同步。

最后,必须考虑到对产品簇和系统变体的模型管理,这些模型之间有大量共性的方面,只需要增加一些特定功能就可以满足不同客户的不同需求。

作为模型管理系统所要管理的对象,模型的概念和基于模型的设计方法实际上在嵌入式软件、电子、机械与测试工程领域已应用多年,只是各自独立设计、单独管理,相互之间很少产生信息交互关系。

而随着现代信息物理系统越来越呈现高度集成、融合的多学科特点,其复杂度和性能要求越来越高。与此同时,企业所面对的业务挑战越来越严峻,如更短的上市时间、严格的安全性要求、更高的质量要求以及更加严苛的合规性等。这些因素驱使工程领域的创新者们开始考虑在系统设计中使用建模、抽象和多学科分析技术,构建对系统定义的共同理解并利用模型代替传统系统工程中的文档作为系统设计依据和主要工件,实现系统级的多学科协同设计,于是便出现了MBSE概念。

“模型”是MBSE的核心所在,每个模型可以表达系统不同方面(如系统架构、结构设计以及性能分析等)的信息。如今,随着系统复杂性的不断提高以及全球市场需求的多样性,人们越来越认识到MBSE在系统全生命周期中的应用潜力。

为了充分发挥MBSE的作用与潜力,需要将系统建模和MBSE作为基于模型的大型工程项目的必要组成部分,并与系统生命周期中其他工程学科模型和建模活动有机结合。这就对模型生命周期管理提出了迫切的需求。

在整个产品生命周期中,将概念设计直到产品回收期间所产生的信息都在一个通用环境中进行管理是基本的要求,但是,MBSE方法和工具本身并不具备模型管理能力。就现今的PLM系统而言也,没有实现这样的要求,它只是对来自于机械、电气和软件工程领域的不同工作成果进行管理,并且这些成果在逻辑上也没有建立任何依存关系。

尽管PLM系统声称是现代跨学科虚拟产品开发的支柱,但事实上它对非机械领域或跨学科开发的支持力度仍然较弱。于是业界提出,需要PLM系统能够将产品整体视为一个多学科系统,提供对MBSE结构和工件(artifact)的管理。今后,PLM系统也要从以文档为中心向逻辑上互连的工件转变。MBSE与PLM的关系如图1所示。

3当前企业信息管理系统现状

根据目前大型工业企业MBSE实践的经验,为了实现贯穿系统全生命周期的多学科无缝追踪追溯,最关键也最有挑战的就是对各类、各种模型的全生命周期管理。

多年的实践表明,尽管目前的MBSE实践可以通过具有含义的模型来表达系统或产品的功能架构,实现基于模型的系统架构设计,但缺乏对整个系统生命周期各类模型进行管理的能力和手段。这也是MBSE当前实践大多停留在系统概念阶段且仅在部分大型工业企业展开而没有被大规模采用的主要原因之一。

MLM涵盖广泛的模型和工件,需要解决管理、业务、可用性、功能性和性能各方面的问题,而各企业的现状及部署MLMS时所面临的挑战和需要解决的重点也各不相同。本节将对产品开发生命周期中采用了MBSE技术的3类企业的信息管理系统现状进行总结。

3.1大型复杂消费品产品线制造商

这类企业的特点是有大量可选的产品变体和软件驱动的特征(如“大规模可定制”机电一体化产品),在设计和构建这类复杂产品线中模型发挥着越来越重要的作用。系统级模型正成为将软件和硬件设计工件结合在一起的“粘合剂”,为产品线定义奠定基础。在产品线工程中,通过将模型元素与支持各种变体配置的模型连接关系进行组合,可快速实现满足一系列要求的设计与制造。

这类产品的实现中,越来越多地通过自动代码生成或模型驱动的制造系统将模型直接转化为实际的软件或硬件组件。因此,要求模型必须能体现产品可变性的多个维度,而模型管理系统需要提供相应的支持。

在这类企业中,现有的信息管理系统的支持能力如下:

首先,目前所用的大多数PLM系统具备对产品变体的管理能力,但它们与建模工具的集成度有限,这主要是由于缺乏支持这种集成的标准以及明确的建模语言;

其次,从产品变体的角度看,由于PLM系统的前身是擅长处理复杂CAD数据的产品数据管理(ProductDataManagement,PDM)系统,因此PLM系统对软件和系统级模型的支持度比对CAD模型的支持要弱;

最后,尽管ALM系统也开始具备产品线能力,但ALM系统采取以软件为中心的视角解决问题,一直无法与硬件或系统设计方法相匹配。

综上所述,目前,这类企业的信息管理系统对系统级模型的管理缺乏有效的工具来支持。在这种复杂产品线工程中,手动方式和其他有效的模型变体配置方法已达到其应用极限,如果不具备强大的模型管理能力,则难以在整个产品线生命周期内的任意时刻快速获取所有模型的正确配置,来执行某个产品变体的大规模设计、仿真与制造。

3.2大型复杂防务系统集成商

这类企业的特点是

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