达索系统MBSE在核工业的应用与实践探索

寂静回声

核工业多学科复杂性的剧增、系统集成后涌现性的不可预测、产品的生命周期越来越长、新技术的更替周期越来越短、大量信息基于静态文档、变更追溯困难、各专业交互不足等痛点深深阻碍着行业发展。
国外的国防军工企业如：达索航空、雷神、洛克希德·马丁；航空航天企业如：空客、波音、美国国家航空航天局（NASA），都在十几年前开始探索并应用基于模型的系统工程（即MBSE: Model-Based Systems Engineering），逐步实现用标准化模型代替自然语言、从基于文档转向基于数据、从“信息孤岛”转向单一真相源、以需求驱动逻辑和物理设计、全生命周期可追溯以及多专业集成仿真等先进业务场景。我国的商飞和一飞院等航空企业近年在新型号自主创新的驱动下，也奋起直追开始在设计和仿真上应用MBSE。
对标航空航天领域，核电新型号作为典型复杂系统在未来的发展趋势和任务变得十分明确，即正规化、标准化地应用MBSE从概念设计、初步设计、持续贯穿至详细设计、施工、调试、运维、退役的全生命周期各阶段，开发出符合核工业本身的需求（Requirement）、功能（Function）和逻辑（Logical）等系统模型，助力设计端的前期连续仿真与验证，并继承至下游用于物理设计（Physical）、施工仿真、虚拟调试、预防性检修等，保障系统全生命周期的可追溯性，同时进化式地迭代复用。
根据系统工程国际委员会（INCOSE）的定义：“从概念设计阶段开始并持续贯穿与开发和后续生命周期阶段支持系统需求、设计、分析、验证和确认活动的正规化应用。”
简言之，就是用标准的模型语言代替自然语言、应用特定的方法论和工具，实现系统工程。MBSE是建模语言、方法和建模工具的组合，它为在特定组织的上下文中应用模型驱动开发提供了一个高效的工程基础设施。MBSE是建模语言、方法和建模工具的组合，它为在特定组织的上下文中应用模型驱动开发提供了一个高效的工程基础设施。系统建模语言(SysML - Systems Modeling Language) 是一种用于系统规范、分析、设计、验证和确认的图形化建模语言，包含多个种类的框图。由OMG和INCOSE开发，最新SysML版本1.6，基于ISO/IEC 19514:2017。MagicGrid（魔格）是一套基于SysML语言的系统架构法，具有极强的数理依据，可适应不同体系和工具、能依据系统或环境变化灵活更新，而且简单易学上手快，进而极大节约资源成本，安全高效完成系统架构。CATIA MAGIC是全球基于模型的系统工程、软件架构和业务流程建模解决方案的领导者，集成至达索系统3DEXPERIENCE平台上，用于开发一流的基于模型的系统工程和系统体系工程的成套解决方案。达索系统基于在航空航天领域的大量实践经验和应用场景，总结出MBSE成套解决方案-“九宫格”：
核工程的立项与预可行性研究将抛开静态文档，对“问题域”进行数据建模，相对应MagicGrid方法的领域如下：
在3DEXPERIENCE platform上通过控制需求管理过程来满足标准和法规；提高产品质量和满意度；新产品的设计和开发能够准确反映用户的声音；通过缩小产品需求、设计和发布之间的偏差来降低开发成本和减少返工；提升可视化、团队沟通和协作；因为团队使用中央存储库和通用工具来管理产品需求，在需求的整个发展过程中提高整体的可追溯性。通过仿真功能需求在设计开始前检测需求是否正确，遗漏和冲突，基于正确的需求进行系统设计，设计完成后，通过仿真来验证系统是否满足需求。
应用CATIA STIMULUS来仿真需求，保障功能需求的质量标准，即· 正确性：需求捕获系统行为· 一致性：没有冲突的要求· 完整性：没有遗漏要求· 可测试性：可以编写测试场景。

通过CATIA MAGIC解决方案架构结构定义了系统逻辑设计的精确模型，甚至是系统的多个变体。进行多方案权衡分析，以选择实现系统的最佳方案。构建解决方案体系结构包括指定设计中的系统的需求、行为、结构和参数。通过多轮迭代，从系统级向下到子系统级再到组件级架构。系统架构模型的精度取决于迭代次数。在MagicGrid方法论的指导下，可以很方便进行解决域设计、需求确认、系统仿真和权衡分析。基于任务场景的自动需求确认:允许设计团队在整个系统设计过程中执行连续的设计、分析和权衡研究；可以对需求和设计配置的变化做出快速响应；以及支持模块化重用。
核工程的详细设计，已脱离MBSE的范畴进入MBD（Model-Based Design），在“解决域”的模型多次迭代、且设计相对固化的情况下进行详细设计。主要交付物为数字功能样机,即数字孪生。这里开始也是大部分设计院目前的日常工作，然而由于缺乏RFLP系统性的顶层设计，很难实现数字化连续性，基本都是在日复一日的处理变更和修改文档。
继承详细设计的多专业全息模型实现施工仿真与预防性检修，实现需求（Requirement）- 功能（Function）- 逻辑（Logical）- 物理（Physical）- 产品（Product）- 流程（Process）- 资源（Resource）全周期可追溯性、保障数字化连续性。

大型核工程项目的工期延迟、成本超支、性能降低，普遍根源是复杂性, 对核工业新系统的设计应该用“系统架构”思维，而不是传统的按专业“分而治之”的思维。要从系统要解决什么问题的源头出发（即为什么做 - Why）,然后评估用哪些方案去满足需求（即做什么 - What）,接着考虑如何架构去满足方案（即怎么做 - How），在逐层迭代优化且设计相对固化的情况下去详细实施（即如何实现 - How to）。每一步都不受下一步的约束，同时注重前期仿真验证，进入详细设计前“一次把事情做好”，最终任何一个设计因素和变更都可以在全生命周期中保证对需求的可追溯性。
达索系统的MBSE成套解决方案已经在不同领域有过实践经验，如飞机的起落架系统架构、无人车和火星探测车的设计、以及机床的数字孪生等，通过对这些经验的总结归纳可复用至核工业系统的MBSE实施，实现从“一张白纸”到数字功能样机的正向设计流程。