基于模型的系统工程（MBSE）采用模型的表达方法描述系统的整个生命周期过程中需求、设计等活动，以其无歧义、模块化等优点迅速覆盖了航空航天、船舶等相关工程领域。本文总结了 MBSE的方法论、建模语言和建模工具，通过不同角度对不同方法、工具进行对比，为寻找适合航空发动机功能建模的解决方案进行了初步探索。
在系统工程初期阶段，系统产生的信息均以文档形式描述和记录。但是随着系统规模和复杂程度的不断提高，基于文档的系统工程面临的困难越来越突出，如信息表示不准确造成歧义、难以从海量文档中查找所需信息、无法与其他工程领域的设计相衔接（如软件、机械、电子等）。于是基于模型的系统工程（MBSE）应运而生，这也是未来系统工程发展的必然趋势。
基于模型的系统工程
MBSE基本概念
国际系统工程学会（International Council of Systems Engineering，INCOSE）在2007 年提出了基于模型的系统工程，它是系统工程领域发展的一种基于模型表达的方法。一方面，MBSE 通过标准系统建模语言构建需求模型、功能模型、架构模型，实现需求、功能到物理架构的分解和分配；另一方面，MBSE通过模型执行实现系统需求和功能逻辑的确认和验证，并驱动产品设计、实现、测试、综合、验证和确认环节。
MBSE的优势
相对基于文档的系统工程方法，MBSE的优势主要体现在以下 4个方面：（1）信息表达唯一性。系统模型具有直观、准确唯一、结构化的优点，可以准确统一地描述系统的各个方面，对整个系统内部的各个细节形成统一的理解。（2）一体化设计。系统模型提供了一个覆盖全生命周期的完整的、信息一致且可追溯的系统设计方案，避免各组成部分间的设计冲突，降低风险。（3）知识积累和沉淀。成熟型号的知识是以系统模型的形式表示和存储的，便于捕获、查询、理解和重用，而且重用的级别可以大幅度提高。（4）早期全系统仿真。利用系统建模语言及支持软件，可以建立动态可执行的系统模型，对系统模型进行全系统仿真、随时仿真和全周期仿真，及时发现设计的问题并加以修改。
MBSE 过程最终的输出是一个可重用的系统数据模型。MBSE的落地实施依赖于3个方面：建模语言、建模工具和方法论。
系统建模语言SysML
为了支持 MBSE，INCOSE 和对象管理组织（Object Management Group，OMG）联合提出一种通用的针对系统工程应用的“标准系统建模语言”SysML（Systems Modeling Language），它可以支持系统工程应用的多领域系统，包含硬件、软件、信息等系统的需求分析、系统设计、功能描述及系统验证等。
建模工具
建模工具是利用SysML实现MBSE的关键，业界主流建模工具包括Rhapsody、CORE等，建模工具厂商结合各自对MBSE的不同理解，开发出各具特色的建模工具。
IBM Rational Rhapsody产品系列是一个协作设计和开发环境，以分析需求、在开发生命周期的早期优化设计决策和验证功能、执行设计复审并实现高质量创新产品的自动交付；Modelio是由法国Modeliosoft公司开发的一款提供分析、设计和开发环境的建模工具，其开发环境可以整合到整个产品开发生命周期中并帮助管理复杂性；CORE是Vitech公司为实现其系统建模方法论的建模工具，以需求分析、功能/行为分析、架构综合、设计确认和验证这 4 个系统工程活动为基础，注重实用性；Enterprise Architect是Sparx Systems公司开发的产品，覆盖了系统开发的整个周期，可以进行用例分析、场景分析、状态与模式分析，支持双向工程（RoundTrip-Engineering）。
各主要建模软件对比见表1，从工具应用情况可以看出航空航天行业国内以Rhapsody为主，国外以CORE为主。
表1 主要建模工具对比
方法论
MBSE问世之后，国内外围绕这一思想核心在不同系统、不同建模背景下进行实践，总结出诸多具有国际影响的方法论，这些方法论规定了系统开发过程所包含的模型构建内容，以及各个阶段模型所产生的视图产品和模型视图的时序关系，规定了图形的使用、模型的组织结构等（图1）。
图1 MBSE实施的基本方法
面向对象的系统工程方法（object-oriented systems engineering, OOSEM）集成使用OMG SysML标准，包括分析定义系统需求、定义逻辑体系结构、合成候选分配架构、优化和评估可选方案、验证和确认系统等开发活动；Harmony-SE采用了“服务请求驱动”的系统建模方法，使用 SysML 建模标准，利用 SysML 结构视图中的block作为描述系统结构的基本单元，利用活动图、状态图、序列图描述系统结构组成部分的行为；Vitech MBSE 方法采用 MBSE 的系统定义语言（system definition language，SDL）管理模型产品；state analysis以目标为导向的闭环运转，是时间区间上状态变量的约束。
行业应用
国外在MBSE的方法及应用方面开展了广泛研究与实践：空客公司在A350系列飞机的开发中全面采用MBSE，在飞机研制中逐层细化需求并进行功能分析和设计综合；洛克希德·马丁公司采用MBSE统一进行需求管理和系统架构模型，并向后延伸到机械、电子设备以及软件等的设计与分析之中；罗·罗公司依据 INCOSE系统工程手册制定了其自身的系统工程能力框架，实现了从航空动力系统到子系统到部件的系统工程迭代；波音公司构建了以任务和需求定义、逻辑和功能集成、功能和逻辑架构设计为核心的、覆盖产品全生命周期的MBSE过程，从运行概念到需求到设计到生产。
近年来，中国航空航天领域也开展了MBSE的应用研究，中航工业西安航空计算研究所利用基于模型的系统工程需求分析、功能分析、架构设计方法在某型动力电子控制系统设计中得到了初步应用；中国空间技术研究院载人航天总体部将 MBSE方法应用于载人飞船交会对接任务中，提高了设计效率、改善了人员沟通、进一步降低了设计风险；中航工业飞行自动控制研究所对MBSE流程进行了结构化定义，明确了系统工程活动、输入输出及相应的岗位角色，并在飞控、惯导等复杂系统开发过程中进行了 MBSE方法论与工具的实践；中航工业第一飞机设计研究院采用 Rational DOORS进行需求管理，并按照 Harmony-SE 流程，采用Rhapsody工具完成空中交通防撞系统以及航电系统的系统分析、设计与建模。
系统建模实践
一般地，航空发动机3个主要用例场景分别为发动机装配、运行和维护，如图2所示。其中，装配场景包括发动机制造组装、物料清单（BOM）跟踪确认、运输、接收等子场景；运行场景包括发动机起动、运行、停车、在翼运行、试车台运行等子场景；维护场景包括发动机健康数据分析、维修和替换组件、上载全权数字电子发动机操给机构（FADEC）数据等子场景。
图2 航空发动机全生命周期功能场景分解
本文主要聚焦航空发动机地面起动场景，将MBSE应用于航空发动机控制设计过程。采用SysML语言，在Rhapsody软件上进行航空发动机控制设计的功能分析和系统建模，从而探索适合航空发动机功能建模的解决方案。
航空发动机地面起动过程包含起动机运转、点火、供油、关闭点火、进入慢车等主活动及起动故障处理等其他活动。通过用例图、活动图、时序图、状态机图等模型对地面起动过程进行建模分析，发现并完善了自然语言在起动控制逻辑描述方面存在的不足。最后利用状态机进行了发动机地面起动模型仿真，对地面起动控制逻辑进行了验证。
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