復(fù)雜工程系統(tǒng)建模仿真APP（Modelook）
一、企業(yè)簡介
北京索為系統(tǒng)技術(shù)股份有限公司是國內(nèi)工業(yè)技術(shù)軟件化理念的領(lǐng)導(dǎo)者，知識自動(dòng)化技術(shù)的踐行者，致力于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)、運(yùn)營、服務(wù)，為制造業(yè)行業(yè)領(lǐng)先者提供以知識自動(dòng)化為驅(qū)動(dòng)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)安卓平臺及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)APP開發(fā)運(yùn)營服務(wù)，是國內(nèi)領(lǐng)先的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)APP賦能的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺提供商。公司成立于2006年6月，注冊資本6156.7164萬元，總部位于北京，在雄安、上海、西安、杭州、武漢、成都等地設(shè)有分支機(jī)構(gòu)。
自成立以來，索為系統(tǒng)始終堅(jiān)持自主創(chuàng)新，其研發(fā)的中國自主的工業(yè)操作平臺SYSWARE，通過“知識自動(dòng)化”手段，推動(dòng)中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的發(fā)展，持續(xù)幫助制造業(yè)企業(yè)，將基礎(chǔ)共性、行業(yè)通用及企業(yè)特有的工業(yè)技術(shù)、知識、經(jīng)驗(yàn)封裝成易操作、易推廣的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)APP，賦予知識工作者廣闊的創(chuàng)新與開拓的空間，提高企業(yè)研發(fā)與設(shè)計(jì)效能，助力企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型。
在過去十余年，索為公司以知識自動(dòng)化的理念，推進(jìn)了工業(yè)技術(shù)軟件化在航空、航天、船舶、兵器、電子、核工業(yè)等國防軍工行業(yè)，和汽車、重型機(jī)械、動(dòng)力裝備等高端裝備制造業(yè)的復(fù)雜產(chǎn)品研制設(shè)計(jì)、試驗(yàn)制造及過程管理領(lǐng)域的落地，并在多個(gè)重大型號中進(jìn)行了應(yīng)用，取得顯著成效，為大規(guī)模推廣打下了良好基礎(chǔ)。
二、工業(yè)APP簡介
（一）、問題定位
隨著技術(shù)的進(jìn)步，工程系統(tǒng)的復(fù)雜度呈指數(shù)級增加，系統(tǒng)一般都包含多個(gè)子系統(tǒng)，涉及多個(gè)學(xué)科專業(yè)。傳統(tǒng)的以文檔，畫圖為主的設(shè)計(jì)方式，存在以下問題：
1.基于文檔的設(shè)計(jì)方式，文字之間隱含的設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)性無法保證，設(shè)計(jì)、變更等協(xié)同無法實(shí)現(xiàn)，錯(cuò)誤難以發(fā)現(xiàn)，給后期進(jìn)一步的研制工作帶來潛在隱患。
2.需求與設(shè)計(jì)的追溯管理難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樾枨蟾采w不到位而發(fā)生的設(shè)計(jì)缺陷很難避免。
3.基于文檔的設(shè)計(jì)方式缺少早期方案驗(yàn)證手段，設(shè)計(jì)錯(cuò)誤一般都在集成驗(yàn)證階段發(fā)現(xiàn)，增加修改錯(cuò)誤的時(shí)間和成本。
在機(jī)械、結(jié)構(gòu)、電氣、電子、液壓、控制、軟件等專業(yè)設(shè)計(jì)階段已經(jīng)具備比較成熟的模型但是缺少系統(tǒng)級模型，因此在系統(tǒng)研發(fā)過程中會面臨以下問題。
1.各專業(yè)模型缺少統(tǒng)一的輸入，碎片化嚴(yán)重，缺少模型一致性保證。
2.專業(yè)模型使用分散，無法在早期有效的聯(lián)合起來進(jìn)行仿真驗(yàn)證，建模的收益大打折扣。
Modelook基于國外先進(jìn)的模型驅(qū)動(dòng)工程（MDE）和基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）理論、方法和實(shí)踐成果為復(fù)雜工程系統(tǒng)（的系統(tǒng)級研發(fā)提供基于模型的建模仿真解決方案，用戶可以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段基于SysML模型進(jìn)行需求分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析，改變原有的基于文檔的設(shè)計(jì)范式，有效的提高系統(tǒng)研發(fā)效率。
（二）、創(chuàng)新點(diǎn)
Modelook作為國產(chǎn)自主可控的MBSE建模仿真軟件，對比國外同類軟件有如下創(chuàng)新點(diǎn)：
1.作為國產(chǎn)軟件，不只是軟件操作界面的中文化，更對SysML標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行了中文翻譯，并且支持中英文切換，滿足不同用戶的使用需求，易用性強(qiáng)。
2.自主研發(fā)，相對于基于國外工具進(jìn)行二次開發(fā)具備支持根據(jù)用戶需求深度定制的特點(diǎn)，不僅支持軟件功能的定制擴(kuò)展，而且還支持模型的領(lǐng)域擴(kuò)展及方法論定制等。
3.針對國內(nèi)用戶的使用需求，提供模型庫建模機(jī)制，解決用戶的模型復(fù)用難題，減少重復(fù)“造輪子”，并通過模型復(fù)用降低了建模難度和工作量。
針對國內(nèi)用戶的業(yè)務(wù)需求，集成常用的仿真工具接口（例如MATLAB、STK等），提供成熟易用的建模仿真工具鏈。
（三）、功能介紹
1.系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)建模
Modelook支持以SysML元模型，及圖、表格、矩陣、關(guān)系圖等不同視圖方式對系統(tǒng)需求、功能、行為、架構(gòu)、接口、參數(shù)等元素進(jìn)行建模和展示。如下圖所示為SysML核心9類圖，是系統(tǒng)建模的最核心功能。
SysML圖
除上述SysML9類圖外，Modelook還支持以表格、矩陣及關(guān)系圖的等不同方式表達(dá)系統(tǒng)模型。例如表格，相較于圖的形式，表格的方式更適合管理和查看條目化的需求，同理，矩陣和關(guān)系圖各有其適合的應(yīng)用場合。
需求條目管理
系統(tǒng)模型關(guān)聯(lián)關(guān)系矩陣
需求追溯關(guān)系地圖
2.領(lǐng)域模型擴(kuò)展
Modelook支持基于概要文件及構(gòu)造型機(jī)制針對不同領(lǐng)域的業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行領(lǐng)域擴(kuò)展，同時(shí)支持領(lǐng)域模型標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展。
3.模型中繼
Modelook的模型中繼功能支持異構(gòu)模型的導(dǎo)入導(dǎo)出，例如支持從DOORS需求管理工具及word文檔導(dǎo)入需求數(shù)據(jù)模型，支持導(dǎo)入Rhapsody的SysML模型數(shù)據(jù)以及基于SysML模型導(dǎo)出生成modelica模型等。
導(dǎo)入需求示意
4.系統(tǒng)仿真分析
a)功能邏輯仿真
Modelook支持基于SCXML標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)圖仿真和基于fUML標(biāo)準(zhǔn)的活動(dòng)圖仿真，借助活動(dòng)圖和狀態(tài)圖可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯的仿真驗(yàn)證。如下圖案例，以狀態(tài)圖和不透明行為描述汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的功能邏輯，通過執(zhí)行模型驗(yàn)證傳動(dòng)系統(tǒng)的功能運(yùn)行邏輯。
狀態(tài)圖仿真示意
b)參數(shù)圖仿真解算
Modelook支持SysML參數(shù)圖解算，借助內(nèi)置解算器或MATLAB等外部解算器對創(chuàng)建的參數(shù)圖進(jìn)行解算可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的性能需求驗(yàn)證及架構(gòu)選優(yōu)。如下圖案例所示，參數(shù)圖描述舵軸強(qiáng)度估算模型，Modelook通過參數(shù)圖仿真引擎調(diào)用外部解算器，計(jì)算返回結(jié)果，驗(yàn)證此系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的舵軸強(qiáng)度是否滿足相應(yīng)的系統(tǒng)指標(biāo)。
參數(shù)圖解算示意
c)多模型聯(lián)合仿真
Modelook支持SysML模型與其它專業(yè)模型的聯(lián)合仿真，例如行為模型與STK模型的聯(lián)合仿真，參數(shù)模型與modelica等數(shù)學(xué)模型的聯(lián)合仿真等。如下圖案例所示，從STK模型中獲取三維位置約束模型數(shù)據(jù)，以此提升系統(tǒng)功能邏輯仿真的保真度。
STK模型聯(lián)合仿真
5.異構(gòu)模型關(guān)聯(lián)管理
Modelook通過集成專業(yè)模型數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)以系統(tǒng)模型為核心，銜接其它多維度模型的MDE（模型驅(qū)動(dòng)工程）研發(fā)環(huán)境，確保復(fù)雜工程系統(tǒng)從系統(tǒng)級模型到各專業(yè)模型的模型一致性。
6.模型庫
Modelook基于Modelib插件支持模型庫創(chuàng)建及復(fù)用功能，能夠支持用戶將系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段需要的系統(tǒng)級模型、專業(yè)算法、工業(yè)設(shè)計(jì)類APP等模型封裝為模型庫中的內(nèi)容進(jìn)行積累和復(fù)用建模。
基于模型庫的建模示意
7.協(xié)同建模
Modelook通過協(xié)同服務(wù)器為用戶提供C/S架構(gòu)部署形式，實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)一模型數(shù)據(jù)源的團(tuán)隊(duì)協(xié)同功能，可以支持用戶進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)同建模、基于WEB的發(fā)布評審等。
基于web的發(fā)布評閱
8.文檔自動(dòng)生成
Modelook支持創(chuàng)建文檔模板，通過對文檔模板中的指定位置添加標(biāo)簽，并為書簽建立與模型數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而最終實(shí)現(xiàn)基于標(biāo)簽+模型數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)文檔自動(dòng)生成功能，較少設(shè)計(jì)師的重復(fù)工作量。
基于模型數(shù)據(jù)的文檔生成
（四）、功能和技術(shù)指標(biāo)優(yōu)勢
指標(biāo)1：支持SysML建模，相關(guān)描述：完整支持SysML1.6標(biāo)準(zhǔn)中定義的元模型及9張圖，并支持構(gòu)造性擴(kuò)展機(jī)制。
指標(biāo)2：支持模型仿真，相關(guān)描述：支持基于fUML標(biāo)準(zhǔn)的活動(dòng)圖仿真、支持基于SCXML標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)圖仿真和SysML參數(shù)圖解算。
指標(biāo)3：第三方工具集成，相關(guān)描述：集成常用的DOORS、Matlab、IDE、WORD等工具。
三、技術(shù)方案說明
（一）、工業(yè)APP架構(gòu)
Modelook由不同模塊組成，功能架構(gòu)如下圖所示。
Modelook架構(gòu)
SysML建模模塊：支持SysML建模、圖表矩陣建模、基于概要文件的方法論定制及領(lǐng)域模型擴(kuò)展功能。
仿真模塊：支持活動(dòng)圖/狀態(tài)圖仿真及與多模型的聯(lián)合仿真。
參數(shù)圖解算模塊：支持調(diào)用內(nèi)置解算器或MATLAB等專業(yè)工具作為解算器進(jìn)行參數(shù)圖仿真。
測試用例生成模塊：支持基于SysML模型生成測試用例用于測試。
模型中繼模塊：支持基于SysML導(dǎo)出生成modelica模型。支持導(dǎo)入DOORS需求模型等。
異構(gòu)模型關(guān)聯(lián)管理模塊：支持以SysML模型為核心創(chuàng)建與需求、結(jié)構(gòu)、仿真等其它異構(gòu)模型間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并進(jìn)行影響性分析。
模型庫模塊：支持系統(tǒng)級知識的模型化積累及復(fù)用。
協(xié)同模塊：由服務(wù)端和web端組成，支持基于WEB的模型查看、模型審閱及模型數(shù)據(jù)管理，支持基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的協(xié)同建模。
（二）、工業(yè)APP關(guān)鍵技術(shù)
1.圖形化建模技術(shù)
支持圖形化拖拽建模，通過模型視圖與數(shù)據(jù)的解耦支持模型在不同視圖的復(fù)用并確保不同視圖間模型的一致性。為用戶提供簡潔快速的建模操作方式，提高建模效率。
2.模型仿真技術(shù)
基于模型語義實(shí)現(xiàn)模型仿真，構(gòu)建狀態(tài)圖仿真引擎、活動(dòng)圖仿真引擎和參數(shù)圖解算器，將模型轉(zhuǎn)換為引擎可識別的語義并驅(qū)動(dòng)模型仿真。
3.模型集成技術(shù)
通過模型集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)需求模型、Matlab模型、Modelica模型及FMU等常見模型的集成，支持SysML模型與其他模型間的轉(zhuǎn)換和關(guān)聯(lián)。
4.文檔生成技術(shù)
通過模型標(biāo)簽+模型數(shù)據(jù)的方式，實(shí)現(xiàn)基于模型導(dǎo)出生成word文檔。
四、應(yīng)用情況描述
（一）、應(yīng)用場景描述
對于復(fù)雜產(chǎn)品來說，從縱向維度上解耦一般可分為六層，常見復(fù)雜工程系統(tǒng)為第5層，例如飛機(jī)、航母、坦克等。由眾多復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)一步構(gòu)成為具備某維度能力可稱之為體系系統(tǒng)，常見如反導(dǎo)攔截系統(tǒng)，航空運(yùn)輸系統(tǒng)等。復(fù)雜系統(tǒng)往往是由各個(gè)專業(yè)子系統(tǒng)構(gòu)成、例如航空電子系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。由子系統(tǒng)往下依次可分為部件級、組件級和元器件/零件級。再往下就是由各種物理材料，一般不具備傳統(tǒng)意義上的功能。從上述可以看出，隨著層級越高，其功能的復(fù)雜程度越高，Modelook等類MBSE工具就越適用。
復(fù)雜產(chǎn)品層級
總的來說，針對國內(nèi)裝備工業(yè)來說，Modelook主要適用于航空、航天、電子、船舶等幾大軍工領(lǐng)域中的復(fù)雜武器裝備系統(tǒng)級、子系統(tǒng)研制單位，用于總體專業(yè)或系統(tǒng)專業(yè)的工程師，在裝備論證及系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)階段使用。
（二）、商業(yè)化情況
在某航天研究所外貿(mào)項(xiàng)目中，使用Modelook完成面向?qū)棸l(fā)射車的體系級建模，圖形化展示該裝備在整個(gè)作戰(zhàn)場景中的應(yīng)用。隨后完成裝備的系統(tǒng)級建模，準(zhǔn)據(jù)的描述了系統(tǒng)的需求、功能及架構(gòu)，并通過功能邏輯仿真的手段對系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯進(jìn)行演示。改進(jìn)基于文檔的形式無法對裝備進(jìn)行直觀展示的狀況，提升和外方的溝通效率。
案例示意
AII微信公眾號
AII頭條號