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当前系统工程已逐渐转向基于模型的方法，即通过模型来描述系统的结构和行为，而不仅仅是依赖传统的文档。国际系统工程协会创建了诸如系统建模语言（SysML）等标准，使基于模型的系统工程（MBSE）成为复杂系统设计和管理的强大工具。随着数字化转型的深入，MBSE技术已经成为复杂装备系统制造业数字化转型的驱动力和关键业务抓手。本书从理论与软件实践两个方面展现基于MBSE的复杂装备系统设计场景。理论部分阐述复杂系统设计的建模、仿真、优化、管理等方法，实践部分结合自主知识产权的系统工程软件（蕴象软件）介绍工程案例的系统建模、验证及需求管理的实现，及与第三方软件集成应用的方法。全书由十一章组成，前五章介绍相关理论与方法，后六章介绍软件及其工程实例应用。

理论篇
第1章  基于模型的系统工程概论	2
1.1　基于模型的系统工程的历史背景	2
1.1.1  系统	2
1.1.2  系统工程	4
1.1.3  基于文档的系统工程	5
1.1.4  基于模型的系统工程	6
1.2　MBSE定义	7
1.3　MBSE研究现状	8
1.3.1  国外MBSE的研究与发展	8
1.3.2  国内MBSE的研究与发展	10
1.4　MBSE关键技术	11
1.4.1  建模语言	11
1.4.2  建模方法论	14
1.4.3  建模工具	15
1.5　MBSE应用	16
1.5.1  MBSE在航空航天领域的应用	16
1.5.2  MBSE在其他领域的应用	19
1.5.3  前沿应用探索	20
参考文献	21
第2章  系统设计建模	23
2.1　系统的设计理论与方法	23
2.1.1  系统化设计方法论	23
2.1.2  公理化设计理论	24
2.1.3  质量功能展开方法论	26
2.1.4  发明问题解决理论	27
2.2　系统建模方法论	28
2.2.1  系统建模方法论之OOSEM	28
2.2.2  系统建模方法论之OPM	32
2.2.3  系统建模方法论之Harmony-SE	37
2.3　SysML系统建模语言基础	41
2.3.1  需求图	42
2.3.2  行为图	45
2.3.3  结构图	50
2.3.4  参数图	55
参考文献	56
第3章  系统仿真验证	59
3.1　系统仿真验证概述	59
3.1.1  系统仿真	59
3.1.2  系统仿真的过程与特点	62
3.1.3  系统仿真的发展与应用	64
3.2　联合仿真建模验证	65
3.2.1  系统仿真建模概述	65
3.2.2  控制系统仿真建模与求解	66
3.2.3  结构系统仿真建模与求解	73
3.3　多领域统一建模验证	76
3.3.1  Modelica建模方法概述	76
3.3.2  连续物理系统仿真建模	79
3.3.3  离散物理系统仿真建模	86
参考文献	87
第4章  系统多学科设计优化	88
4.1　系统多学科设计优化理论	88
4.2　灵敏度分析技术	91
4.2.1  单学科灵敏度分析技术	92
4.2.2  多学科灵敏度分析技术	93
4.3　多学科设计优化算法与策略	96
4.3.1  多学科设计优化算法	96
4.3.2  多学科设计优化策略	99
参考文献	109
第5章  工程化需求管理	111
5.1　需求表达	111
5.1.1  用户需求获取	111
5.1.2  规范化的需求条目	115
5.1.3  需求文档编写原则	118
5.2　需求追溯	122
5.2.1  需求追溯与可追溯性	122
5.2.2  可追溯性指标	126
5.3　需求变更	128
5.3.1  技术状态管理概述	128
5.3.2  需求变更控制与管理	131
5.3.3  需求变更影响评估	135
参考文献	138
实践篇
第6章  国产基于模型的系统工程系列软件及案例背景简介	142
6.1　蕴象系统工程软件（SysDeSim）简介	142
6.2　SysDeSim.Arch软件的集成配置方法	145
6.2.1  SysDeSim.Arch软件与SysDeSim.Req软件的集成配置	145
6.2.2  SysDeSim.Arch软件与MATLAB软件的集成配置	147
6.3　案例综述	149
6.3.1  防区外打击作战样式的体系架构建模	149
6.3.2  防区外打击装备的概念方案	151
6.3.3  基于MBSE的防区外打击装备设计过程	154
参考文献	155
第7章  基于SysDeSim的系统总体设计与建模应用-问题域	156
7.1　问题域概述	156
7.2　黑盒视角问题域分析与建模	157
7.2.1  P-R初始阶段：利益相关者需求建模	157
7.2.2  B-S初始阶段：系统环境元素建模	162
7.2.3  B-B：用例与用例场景建模	164
7.2.4  B-S最终阶段：系统环境元素的交互建模	168
7.2.5  B-P：系统效能指标建模	170
7.3　白盒视角问题域分析	172
7.3.1  W-F初始阶段：功能分析	173
7.3.2  W-S：逻辑子系统交互及其通信建模	175
7.3.3  W-F最终阶段：功能分配	180
7.3.4  W-P：分系统效能指标	181
7.3.5  P-R最终阶段：利益相关者需求追溯分析	182
第8章  基于SysDeSim的系统总体设计与建模应用-解决域	184
8.1　解决域概述	184
8.2　系统结构建模	187
8.2.1  S-R初始阶段：系统需求及其衍生关系建模	187
8.2.2  S-S初始阶段：系统结构建模	191
8.2.3  S-SS：分系统结构建模	194
8.2.4  S-SB：分系统行为建模	198
8.3　系统结构配置	203
8.3.1  S-S最终阶段：系统结构配置	203
8.3.2  S-R最终阶段：系统配置方案与系统需求之间的细化关系建模	205
第9章  系统仿真验证应用	207
9.1　系统参数仿真验证	207
9.1.1  系统参数建模	207
9.1.2  基于MATLAB的系统参数仿真建模	212
9.1.3  系统参数仿真计算与验证	217
9.2　系统行为仿真验证	218
9.2.1  行为仿真UI建模	218
9.2.2  行为仿真分析	220
第10章  面向系统模型的多学科设计优化应用	226
10.1　基于SysML模型的多学科设计优化	226
10.1.1  多学科设计优化问题定义	226
10.1.2  基于遗传算法的多学科设计优化求解流程	228
10.1.3  基于SysML模型的多学科设计优化求解	230
10.2　基于多学科设计优化工具的优化求解	235
10.2.1  多学科设计优化工具简介	235
10.2.2  基于多学科设计优化工具的优化建模实例	238
10.2.3  基于不同优化算法的求解结果分析	242
第11章  与系统模型结合的需求管理工具应用	253
11.1　需求表达	253
11.1.1  需求条目编写	253
11.1.2  需求文档生成	257
11.1.3  基于“五值”的指标体系	259
11.2　需求追溯	263
11.2.1  需求链接管理	263
11.2.2  需求链接分析	267
11.2.3  追溯链管理	269
11.3　需求变更	270
11.3.1  基线管理	270
11.3.2  基线集管理	275
11.3.3  需求变更与影响分析	281
附录A	283
附录B

进入21世纪，随着通信、集成电路、智能化等技术的快速发展，装备的功能、结构、可靠性等都发生了质的飞跃，装备的复杂程度越来越高，传统的系统工程方法已经无法满足装备的研制需求，新的研发模式应运而生。
基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）正是在这样的背景下产生的新研发模式，目前已在航空航天、汽车、船舶等领域得到应用。MBSE方法通过形式化的建模来支持系统开发过程中的系统工程活动，涵盖了系统的设计、验证和优化等任务。相较于传统的系统工程，MBSE从以文档为中心转变为以模型为中心，并通过模型的转换与演进实现系统从抽象概念向物理实体的具象化，促进虚拟空间中的模型与物理世界的系统产品共同生长。
MBSE正在被越来越多的行业应用，需要更多的专业技术人员参与其中。相关的理论知识、实践经验，还有工具软件需要更好地得到集成、总结和掌握，从而为专业技术人员提供理论结合实践的指导，这就是编著者编写本书的主要目的。同时，本书可以作为高等院校相关专业的教材，用于培养大批熟悉基于模型的系统工程基本知识，并愿意且积极将这些知识付诸实践的高水平人才。
本书共11章，分为理论篇和实践篇。理论篇包括第1章～第5章，介绍基于模型的系统工程概论、系统设计建模、系统仿真验证、系统多学科设计优化和工程化需求管理等内容。实践篇包括第6章～第11章，结合工程案例和蕴象系统工程软件介绍MBSE应用。
本书主要内容如下。
第1章对基于模型的系统工程进行了概述，通过对系统、系统工程、基于文档的系统工程的介绍，引出了基于模型的系统工程，介绍了MBSE定义、MBSE研究现状、MBSE关键技术及MBSE应用。
第2章对系统化设计方法论与系统建模方法论进行了阐述，介绍了经典的系统化设计方法论与主流的系统建模方法论，介绍了SysML系统建模语言的基本概念和视图表现形式。
第3章对系统仿真验证进行了全面的介绍和梳理，包括系统仿真的概念、特点、应用等方面的内容，进而介绍了联合仿真建模验证及多领域统一建模验证，为后续的具体实现提供指导和支持。
第4章阐述了系统多学科设计优化的方法，涵盖了系统多学科设计优化理论、灵敏度分析技术及多学科设计优化算法与策略等核心概念。通过对这些基础概念的详尽介绍和具体示例，构建了MBSE操作框架。
第5章详细阐述了工程化需求管理的方法论，包括如何有效地采集用户需求、规范化地表述需求、构建需求的追溯体系，以及如何妥善处理和控制需求变更等关键环节，旨在提供一套系统化的需求管理框架。
第6章介绍了北京机电工程研究所自主研发的SysDeSim系列软件的主要功能及其作用。从系统建模、系统仿真验证、多学科综合优化和需求管理四个方面对实践篇的“滑翔炸弹”案例背景进行了综述。
第7章和第8章以“滑翔炸弹”系统建模为例，运用SysDeSim.Arch系统建模工具，完成了滑翔炸弹的系统建模。该案例覆盖了系统建模的利益相关者需求分析，系统功能分析，系统需求、行为、结构和参数建模，以及需求追溯分析等功能。
第9章基于滑翔炸弹系统在完成预期功能过程中的系统参数和系统行为，联合使用SysDeSim.Arch和MATLAB进行系统仿真，从而验证系统的参数和行为是否符合系统需求和规范。通过系统仿真验证可以帮助设计团队测试系统设计，以确保系统能够在预期的环境中完成规定的需求和功能。
第10章建立了滑翔炸弹的优化模型，并结合MATLAB优化求解器进行优化求解，完整地展示了系统多学科设计优化的步骤。
第11章以滑翔炸弹需求管理为例，详细展示了如何运用需求管理软件实现对滑翔炸弹需求的获取与管理，包括对复杂装备需求的有效收集、深入分析、持续跟踪及需求变更的管理。通过这一过程，确保了需求的一致性和完整性。
本书总结了编著者及其团队在国家自然科学基金、国家“863”计划、国家科技支撑计划及相关部委科技计划项目支持下，长期从事复杂产品工程、基于模型的系统工程方向研究与实践的成果。特别感谢北京机电工程研究所，在国家科技项目的支持下自主开发了基于模型的系统工程系列软件——SysDeSim，成为本书重点应用的工具软件。本书编著者感谢在本书编写过程中给予了无私支持并提供重要素材的北京机电工程研究所于红艳研究员、付超博士、许文婷高级工程师；感谢中国航天系统科学与工程研究院侯俊杰研究员、中国空间技术研究院刘霞研究员等专家给予的支持和帮助；感谢已从北京航空航天大学毕业的朱玉明博士、李连升博士、李新光硕士、杨国辉硕士、王树德硕士、李林硕士等人在基于模型的系统工程相关方向开展的创新性研究工作；感谢目前仍在北京航空航天大学就读的张强博士研究生、王瑞文博士研究生、陈旭硕士研究生、董新哲硕士研究生、谢艳玲硕士研究生、于恺硕士研究生为本书编写的辛勤付出。
特别感谢电子工业出版社的牛平月老师在本书编写过程中的指导和帮助。
“路漫漫其修远兮”，基于模型的系统工程是复杂装备研发的新范式，其影响深远，全面应用难度很大；在从理论到实践的探索过程中，还有许多问题有待深入研究。由于编著者知识水平有限，虽几经修改，书中仍难免存在疏漏之处，敬请各方面的专家批评指正。

编著者           
2024年5月于北京航空航天大学

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基于MBSE的复杂装备系统设计：理论与实践