基於模型的系統工程 (MBSE) 說明

基於模型的系統工程 (MBSE) 是一種方法，側重於建立和利用數位系統和工程領域模型，作為交換資訊、回饋和需求的主要手段，有別於以文件為主的系統工程。 這涉及到整個過程，包括捕捉、溝通和確保我們用來表示一個系統的所有數字模型在整個系統生命周期中保持協調和維護。

在1990年前，系統工程設計往往是一堆相關的文件和紙張，其中包含圖面、圖表、數學公式、需求條件和其他系統運作方式的規範。但大約在那段時間，專案變得過於龐大，無法依賴紙本文件。其中問題包括：

• 隨著系統概念的發展，設計規格的維護也隨之改變：在過去，如果一個工程師在一個文件中修改了一個尺寸，他們必須遍歷整堆文件，確保這個改變在包含該尺寸的每一個文件中都被修改。如果還有其他副本，則難以確認所有副本上都記錄了此變更。
• 人類的人為的解讀這是完全可能的，由於人為書寫和理解的模糊性，兩位工程師可能會讀到規格中相同的句子，但卻有不同的理解。
• 可驗證性：在將一個模型的計算結果作為後續計算的輸入之前，您如何確保該模型在其中一個頁面上進行的計算是無誤的呢？

MBSE 的開發是為了使用「智慧型」數位模型取代靜態文件，這些模型包含了關於系統的一切重要內容：條件需求、架構，以及系統各部分間的介面。這些數位模型不同於最多只能整理成文件夾的紙張文件，它們通過「數位線索」連接在一起，可以追蹤該線索以了解整個設計的內容。

整體系統架構模型 (SAM) 是專案成員的「權威事實來源」。數位模型有一個中央位置，可由專案的所有工程師存取，但無法由他人獨立進行修改，以此保留單一事實來源。任何變更都會自動傳播到整個模型中，並由軟體檢查內部的一致性和準確性。

MBSE 的核心元件

MBSE 依賴三個主要元件：

1. 在SAM（System Architecture Model）中，設計的系統以一系列連接的方塊圖來描述系統的物理和功能架構。SAM還包含了系統所需具備的全面品質清單或需要執行的功能（需求）。SAM 是使用專門的軟體程式所建構，並利用特殊用途的語言來描述系統架構。
2. 工程模擬軟體。可以將 SAM 比做電腦輔助設計 (CAD) 繪圖：它詳細說明了該系統，但僅從 SAM 中無法判斷該系統是否符合需求。為此，SAM 必須與工程模擬搭配使用。如果您設計的飛機必須能承受 6 G，那麼工程師就必須進行模擬以判斷自己設計的飛機是否符合這項任務。由於複雜的系統可能需要工程師執行許多不同類型的模擬求解器，如結構、流體、電磁、嵌入式軟體、安全性、資訊安全等等，因此能夠使用多種不同類型的模擬工具非常重要。
3. 集中式運算中心。無論位於公司內部或雲端，這個集中式的運算中心包含 SAM 與可執行軟體。它會執行所有功能，並儲存 MBSE 程序的所有結果。

使用 Ansys 軟體工具達成 MBSE 環境

在 MBSE 中，SAM、CAD 和電腦輔助工程 (CAE) 模擬工具的組合建立了「數位線索」，將所有的模型與工程資料連結在一起。這在設計週期初期便會發生，並在產品的整個運作生命週期中持續運作，直到產品停止使用為止。進行變更時，數位線索可確保將一個模型的更新自動轉移到系統中的所有模型。

Ansys 軟體並不建立 SAM，而是提供驗證系統設計所需的各種工程模擬，更重要的是，提供連接這些模擬的方式。Ansys ModelCenter 是 2021 年 Ansys 收購 Phoenix Integration 時取得的軟體產品，可提供工程模擬軟體和 SAM 之間的連線，讓工程師能夠虛擬驗證其設計。因此，如果您正在進行的專案中包含結構、流體、電磁，安全性，以及嵌入式軟體模擬，ModelCenter 將協調來自 Ansys Mechanical、Ansys Fluent、Ansys HFSS、Ansys medini analyze、Ansys SCADE，以及其他模擬工具的操作和資料收集，將這些模擬連線到 SAM 以啟用 MBSE。符合Ansys整體企業策略的一致性，ModelCenter是一個供應商中立的解決方案，可以在工作流程中自動執行任何模擬工具，包括其他軟體供應商的工具。

隨著設計週期的進展和產品設計的完善，工程師可以使用Ansys MBSE技術評估所設計的系統是否符合指定的需求，或者是否需要進行變更。當需求或SAM發生變更時，整個程序可以重複進行，直到結果滿足規格為止，進一步驗證設計在產品的整個生命周期中能夠按照預期工作。只有在滿足這些需求之後，團隊才會建造設計的物理原型，並對其進行物理測試。

MBSE 的價值在於它能在整個設計生命週期中做出更好的決策，並且是在設計生命週期的早期就能做出決策。專案關係人越早發現問題，修正的方式就越容易，成本也會更低。

MBSE 透過實現嚴謹的系統工程方法，從需求到產品退役都能提供價值。數位模型可以根據單一事實來源進行檢查、驗證及確認，確保模型的內部一致性，進而改善交期、產品產量，以及營收和利潤。

MBSE 範例：高效能飛機設計

舉例來說，假設空軍已招標設計一款新型飛機，只要單次加油就能飛行 3000 英哩。您可以用舊的方式設計、建置和測試飛機，或是使用基於模型的方法。

如果您決定使用 MBSE 方法來設計這架複雜的新型飛機，您會先建立一個 SAM，記錄這架飛機的所有重要需求 (包括必須能以單次油量飛行 3000 英哩的需求)。接著，您會使用 SAM 來描述您打算組建的設計，包括系統架構、期望的行為、系統元件之間的介面等。此時，您會使用模擬來驗證您所描述的設計是否符合所有需求 (包括實體和行為)。模擬將包括流體模擬以驗證空氣動力學，結構模擬以驗證機械強度，電磁模擬以驗證通訊設備功能等等。

針對更複雜的任務型應用，工程師可以使用 Digital Mission Engineering 軟體模擬現代航太與國防任務中複雜的「系統體系」結構。Digital Mission Engineering 結合數位模型、模擬、測試、分析，用於航太、國防、電信和情報應用，以評估系統生命週期每個階段的任務成果。這些任務可能涉及數百種地面、空中、水面或太空武器系統，這些系統都必須互相通訊和協調其行動。數位任務工程模擬使工程師和軍事人員能夠透過基於物理的模擬，在虛擬環境中執行複雜的任務，這使他們對任務充滿信心。

在真實世界的範例中，Lockheed Martin Space 使用 Ansys ModelCenter 執行 MBSE 模擬 OSIRIS-Rex 太空船的任務軌跡，其任務是在「觸地重飛」行動中取得小行星上的樣本。在 2020 年 10 月，OSIRIS-REx 成功執行了這項行動，採集了至少 60 克樣本，數量遠大於以往任何其他的樣本取回任務。其將在 2023 年將樣本送回地球。 

Lockheed Martin Space 系統工程師 Phathom Athena Donald 表示：「將模擬自動化並整合到系統模型中，使團隊能夠快速識別任務需求變更可能存在的問題，並在太空船的整個生命周期中進行對需求和任務設計參數的持續驗證...」  「與原始流程相比，整體改進的周轉時間大約加快了 7 倍。」

美國國防部推動 MBSE 的採用

到目前為止 MBSE 的最大推動力來自於美國國防部 (DoD)，該部會於 2015 年 1 月 7 日發佈 DoDI 5000.02。本文件附件 3 第 9 節說明建模與模擬。第一行寫道：「計畫經理會將建模和模擬活動整合至計畫規劃與工程工作中。」這個簡單的聲明以及在DoDI 5000.02中提供的詳細內容，實質上使得MBSE成為所有與美國國防和武器系統相關的提案的要求這項指令使航太與國防領域成為 MBSE 的首要支持者，大部分都是為了避免專案延誤和成本超支。

根據 DoD 的這項要求，2020 年 Northrop Grumman 提交了基於 MBSE 的提案，並贏得美國空軍陸基戰略威懾 (GBSD) 專案的主要合約。GBSD 的設計旨在現代化美國陸上型核子基礎架構，以整合式武器系統取代老舊的 LGM-30 義勇兵三型洲際彈道飛彈系統 (ICBM)，新系統將可滿足防禦需求一路直到 2075 年。

雖然是由航太與國防領域在主導，但其他領域也很快追上進度。為了解決複雜的自動駕駛挑戰，汽車產業也迅速採用 MBSE。其他產業的複雜度也不斷增加，諸如半導體、醫療裝置、替代能源，智慧型電網、5G 通訊等，各產業也將會加速採用 MBSE。

報名精選網路研討會：數位轉型：將 MBSE 模型與任務成果連結以進一步瞭解。