Model-Based Systems Engineering Approach to Design a Human Settlement to Better Serve Displaced People

The challenge of transitioning from temporary humanitarian settlements to more sustainable human settlements is due to a significant increase in the number of forcibly displaced people over recent decades, difficulties in providing social services that meet the required standards, and the prolongation of emergencies. Despite this challenging context, short-term considerations continue to guide their planning and management rather than more integrated, longer-term perspectives, thus preventing viable, sustainable development. Over the years, the design of humanitarian settlements has not been adapted to local contexts and perspectives, nor to the dynamics of urbanization and population growth and data. In addition, the current approach to temporary settlement harms the environment and can strain limited resources. Inefficient land use and ad hoc development models have compounded difficulties and generated new challenges. As a result, living conditions in settlements have deteriorated over the last few decades and continue to pose new challenges. The stakes are such that major shortcomings have emerged along the way, leading to disruption, budget overruns in a context marked by a steady decline in funding. However, some attempts have been made to shift towards more sustainable approaches, but these have mainly focused on vague, sector-oriented themes, failing to consider systematic and integration views. This study is a contribution in addressing these shortcomings by designing a model-driving solution, emphasizing an integrated system conceptualized as a system of systems. This paper proposes a new methodology for designing an integrated and sustainable human settlement model, based on Model-Based Systems Engineering and a Systems Modeling Language to provide valuable insights toward sustainable solutions for displaced populations aligning with the United Nations 2030 agenda for sustainable development.

基于WordCloud技术的MBSE发展态势研究

基于IEEE及国际系统工程协会(International Council on Systems Engineering,INCOSE)社区会刊,提取与基于模型的系统工程(model based systems engineering,MBSE)领域相关的167篇顶刊的关键词和摘要。采用Python及其第三方库WordCloud技术,以可视化形式展示MBSE领域研究内容并对MBSE发展态势进行研究。研究结果表明,MBSE在产品研发全生命周期,应用建模技术来支持系统需求、设计、分析、验证与确认等活动,在系统架构设计方面具有重要作用,将MBSE与安全性分析、可靠性分析方法结合也是MBSE的重要研究内容;系统建模语言(system modeling language,SysML)和对象过程方法(object process method,OPM)分别是目前MBSE研究领域中最受欢迎的建模语言和建模方法;将MBSE方法与本体进行结合是规范MBSE模型表达的重要手段,将MBSE与信息物理系统、数字孪生、并行工程领域进行融合研究是MBSE的重要发展方向。所提研究为使用WordCloud文本分析技术来探索当前的MBSE研究提供了技术路线参考,有助于对MBSE的未来发展态势进行预测。

X语言、方法及工具——支持MBSE的新一代一体化建模仿真技术体系

在当前基于模型的系统工程(MBSE)实践中,基于现有的建模语言、方法与工具,仍难以实现系统设计与仿真验证之间真正的闭环,因此无法完整体现MBSE的全部价值。针对这一问题,本研究较为系统地介绍了新一代建模仿真语言——X语言及其技术体系,具体包括混合系统建模框架——XDEVS,X语言架构及基本要素,X语言支持下基于建模仿真的系统工程方法论——X-SEM,以及面向X语言的建模仿真软件——XLab。基于X语言技术体系可以实现全系统统一建模和一体化仿真验证。最后用一个案例展示了基于X语言及其工具并遵循X-SEM方法论的系统开发过程。

MBSE在直升机航材支持场景建模中的应用

介绍了基于Rhapsody的直升机航材支持场景建模与开发的流程与方法;通过模型的方式建立用例图、活动图、顺序图和可用于执行验证的状态机来描述航材支持场景;指导直升机航材支持方案设计过程中的需求分析、功能分析和设计综合;探索MBSE方法在直升机运营保障领域的指导作用,为直升机用户航材支持提供初始建议。

基于MBSE的民机飞行控制系统架构设计

基于模型的系统工程(model-based systems engineering,MBSE)已被广泛应用于复杂系统设计之中。通过构建功能、行为和结构之间的关系,提出一种基于MBSE的多层级递进式架构设计流程。随后,以高度控制需求为导向,对民机飞行控制系统进行了示例化建模。结果表明,基于MBSE的民机飞行控制系统多层级递进式架构设计能够充分发挥数字模型可重用的优势,保证需求与功能、逻辑和物理架构的紧密结合,提高系统设计的可追溯性,可为后续领域层阶段模型设计提架构参考。

基于MBSE的发动机DFMEA开发

本文介绍了DFMEA(Design Failure Mode and Effect Analysis,设计失效模式和效果分析)的概念、目前行业内发动机DFMEA的现状及发动机MBSE(Model Based System Engineering,基于模型的系统工程)。根据MBSE的思路将发动机分成4个层级,将层级划分引入FMEA流程,进行发动机DFMEA的开发,整个发动机DFMEA体系分成4个层级。以气门系统DFMEA为实例介绍了基于MBSE的DFMEA建模,根据气门系统的BLOCK图,完成气门系统模型化,在专业模型化工具中搭建气门系统模型。

基于MBSE的卫星能源系统设计与验证

卫星的能源分系统设计和验证是卫星设计的关键环节。能源分系统具有高安全和高可靠的要求,其设计过程与卫星轨道、光照、工作模式等多重因素耦合,同时需要与机械、热、供电、控制等多学科关联设计。为快速、便捷、全面实现复杂系统的设计和仿真,提出基于模型的系统工程(model-based system engineering,MBSE)方法,通过模型实现能源分系统多耦合、多产品、高安全系统的显式一体化表达,围绕需求展开多个功能点和性能点的设计、验证与优化。结果表明,所提方法构建的设计验证一体能源设计模型可对系统需求做精细化分析,进而进行功能和结构设计,实现和优化系统性能指标设计,并完成对需求的闭环和验证,在工程中具有高效、明确的应用价值。

基于MBSE的鱼雷全电子安全系统安全性与任务可靠性分析

随着武器装备研究的深入推进,传统方法难以满足复杂系统安全性与可靠性分析的需求;为提升系统研发与评估效率,以形式化的系统建模语言分析鱼雷全电子安全系统的安全性、可靠性成为必然趋势;文章在传统安全性与可靠性分析的基础上,基于系统工程开展安全系统建模过程,以功能需求、系统架构、活动视图以及时序逻辑控制作为安全性与作用可靠性分析的构成元素,对系统功能模型进行故障传播建模;最后以安全建模语言构建事故树模型得出安全性与可靠性的影响因素,为引信系统的安全性与可靠性分析工作提供一定参考价值。

基于MBSE模型的武器装备质量工作规范化研究

针对武器装备质量工作的规范化问题,建立了适应海军装备现代化发展趋势和装备质量控制工作的“MBSE”结构模型;采用“V”型技术分析质量存在的问题,设计了影响质量的系统模型及递归图,进行了系统动力学仿真,制订了符合装备质量工作规范化的模型方案,提升各级装备管理统筹装备建设、提高军代室谋划装备管理和军代表“T”人才质量工作。结果表明,该方法对装备质量规范化工作具有实际应用价值和指导意义。

基于MBSE的柴油机系统设计建模方法

随着国防武器装备对动力要求越来越高,柴油机系统复杂度急剧提升,传统的以文档为核心的系统工程方法已经无法有效满足柴油机高效、准确、可靠的研制需求,为此,在柴油机研发过程中引入基于模型的系统工程(MBSE)方法。提出了基于RFLP的MBSE的柴油机系统建模流程,及支撑该流程运行的柴油机模型体系,在此基础上,以柴油机某研制任务为例,以模型为核心,给出了基于MBSE系统建模过程及模型实例,对柴油机需求分析建模、柴油机功能建模、柴油机系统架构分析与综合进行了阐述,体现了基于模型的设计方法在柴油机研制过程需求早期验证、功能快速仿真、数据可追溯方面的优势,从而有效提高研发设计效率。

基于MBSE的对流层飞艇运行概念研究

面向对流层飞艇起降过程复杂、气象适应能力弱等特殊性,传统基于文本的运行概念分析方法具有设计一致性较差、设计无法有效追溯、验证困难等局限性。基于此,提出了基于模型的系统工程的对流层飞艇运行概念设计方法。首先,建立系统用例与利益攸关者需求的关联关系,保证了设计可追溯性。然后,基于活动图、时序图与内部块图建立对流层飞艇运行场景模型,详细梳理了飞艇运行的执行逻辑与外部交互关系。通过执行状态机对飞艇运行概念模型进行验证,并进一步补充完善利益攸关者需求。最后,通过执行状态机验证了该无人飞艇系统能够满足任务飞行、飞行控制和应急情况响应等利益攸关者的需求。

基于MBSE的核电厂应急预案系统的顶层需求分析与接口设计研究

在核电领域,任何意外情况都可能引发严重的后果,因此,制定科学、有效的应急预案系统是保障核电安全不可或缺的一环。作为一种先进的系统工程方法,基于模型的系统工程(MBSE)以其系统化、模型化、可视化的优势,为核电应急预案系统的设计与实施提供了新的思路和方法。探讨了MBSE在核电厂应急预案系统设计中的初步应用,分析了核电应急体系的关键要素以确定其与MBSE方法论的契合度,利用MBSE方法论进行了顶层需求的承接。针对应急体系接口问题,构建了核电应急体系各组成部分之间的交互模型。结果表明,MBSE可以提高核电厂应急预案系统设计便利性和开发效率。

基于MBSE的核反应堆型号研制平台

核能微型小型反应堆是近年来核能领域的一个研发热点,市场前景广阔。目前这些核能反应堆型号处于研发早期和中期,存在需求难以分解完整,以及需求、指标、设计方案、仿真验证、实物试验验证频繁迭代的问题。通过梳理核能反应堆型号研发关键活动,并应用创新的数字化平台和工具,搭建核能反应堆型号MBSE平台,进行型号研发项目、任务、需求、指标、功能、架构等核反应堆全生命周期管理与数据追溯,可以解决型号研发早期和中期存在的问题,提高核能反应堆型号的研发质量和研发效率,提升中国在高科技复杂系统领域的型号创新研发能力。

基于MBSE的船舶动力工程总体设计方法研究

为提升船舶动力工程的总体正向设计能力,研究船舶动力系统工程的数字化设计方法。将基于模型的系统工程(MBSE)方法理论与系统工程方法进行融合,基于自主研发的V-Dats软件平台和图形化的SysML语言,从发电机组辅助系统的需求、行为、结构和参数4个维度进行建模,完成了系统需求—功能—逻辑—物理的过程分析,得到了系统需求架构、功能架构及物理架构模型,并在系统层级开展了闭环验证和确认。通过总结船舶动力工程总体设计流程的体系顶层框架,提出了基于MBSE的总体正向设计方法,研究成果可有效支撑船舶动力工程总体论证与设计。

火星维护与管理装置的MBSE架构建模

为了适应未来大型复杂系统设计与功能分析需求,在火星维护与管理装置设计中引入了基于模型的系统工程(model-based system engineering,MBSE)方法。首先,基于MagicDraw系统建模工具,利用SysML建模语言,以火星表面维护与管理装置为例,从概念层、逻辑层和物理层逐层分解,对火星维护与管理装置进行总体设计,提出火星车和智能机器人两种物理实现方案。随后,为对设计方案进行追溯性验证,建立了从用户需求到系统逻辑架构和指标能力的需求精化映射矩阵。结果表明,火星维护与管理装置的MBSE功能架构设计方法充分保证了用户需求和装置功能架构的紧密结合,提高了系统设计的可追溯性,可为MBSE方法在航天器总体设计提供应用参考。

Auto-updating model-based control for thrust variation mitigation and acceleration performance enhancement of gas turbine aero-engines

Model-based control shows promising potential for engine performance improve-ment and future aero-propulsion requirements.In this paper,an auto-updating thrust variation mitigation(AuTVM)control approach using on-board model strategies is proposed for gas tur-bine aero-engines under in-service degradation effects,which aims at active thrust regulation and acceleration protection in a simultaneous way.The AuTVM control is integrated with an on-line block,based on a reliable on-board engine model,and an off-line part for the periodical update of control parameters via post-flight engine monitoring data.The core feature of the AuTVM control is a set of auto-updating loops within the on-line part,including thrust regu-lation loop,surge margin loop,turbine entry temperature loop,and the steady loop,whose con-trol parameters are periodically adjusted with increasingflight cycles.Meanwhile,an industrial sensor-based baseline controller and two tailored model-based controllers,i.e.,a thrust variation mitigation(TVM)controller withfixed gains and a self-enhancing active transient protection(SeATP)controller with pro-active transient protection and passive thrust control,are also developed as comparison bases.Numerical simulations for idle to full-power acceleration tests are carried on a validated aero-thermal turbofan engine model using publicly available degra-dation data.Simulation results demonstrate that both new engines and severely degraded en-gines regulated by the AuTVM controller show significant thrust response enhancement,compared to the baseline controller.Moreover,thrust variation at the maximum steady state of degraded engines,which exists within the SeATP controller and the baseline controller,is suppressed by the proposed AuTVM controller.Robustness analysis against degradation uncer-tainties and sensor accuracy confirms that the AuTVM controller owns a closer maximum steady-state thrust distribution to the desired value than those of the SeATP and the baseline controller while utilizing transient margins of controlled engines more effectively.Hence,the control performance of the AuTVM controller for in-service engines is guaranteed.

基于MBSE的运载火箭上升段逃逸救生策略

为提高运载火箭上升段逃逸救生策略的覆盖性和有效性,采用基于模型的系统工程(model-based system engineering,MBSE)方法开展设计。首先,进行运载火箭逃逸救生任务分析,识别相关系统及其任务需求,建立任务需求模型。然后,根据运载火箭飞行程序,建立不同时刻的主要故障模型,研究提出不同故障的可能应对策略,形成功能需求模型。最后,在逻辑仿真中调用弹道仿真程序,验证了逃逸救生策略的可行性,实现了需求的闭环验证。通过采用该方法,完成了运载火箭上升段逃逸救生任务需求模型化,奠定了全任务周期数字化设计的基础,可为工程实践提供参考。

The Application of Model-Based Systems Engineering to Rural Healthcare System Disaster Planning:A Scoping Review

Disasters and other emergency events have complex effects on human systems,particularly if the events are severe or prolonged.When these types of events happen in rural communities,the resources of the local public health,healthcare,and emergency response organizations can be quickly depleted or overwhelmed.Planning for emergencies can help to mitigate their impact.Model-based systems engineering(MBSE)methods,including computer simulations,can provide insight on how best to prepare for these events and to explore the effects of varying approaches and resource utilization.To best apply these methods for improving disaster management in rural settings,a synthesis of the current body of evidence in this field is needed.The objective of this scoping review was to provide a descriptive overview of the application of computer simulation based on MBSE approaches to disaster preparedness and response for rural healthcare systems.Six studies met inclusion criteria,and varied in terms of MBSE method used,healthcare setting,and disaster type and context considered.We identified a gap in the research regarding the application of MBSE approaches to support rural healthcare disaster preparedness planning efforts.Model-based systems engineering and systems thinking,therefore,represent novel methods for developing tools and computational simulations that could assist rural communities better prepare for disasters.

基于MBSE的开放式舰炮武器装备研究

开放式舰炮武器装备是目前现代化舰炮武器装备发展的重要方向之一,以“全舰计算环境”(TSCE)为基础,构成软件密集型复杂武器系统。为满足复杂武器系统的开发要求,需要转变传统的系统工程实践,基于模型的系统工程(MBSE)以文档为中心转变为以模型为中心,能够实现系统的快速开发。提出基于MBSE的开放式舰炮武器装备进行研究,以SysML作为建模语言,从需求分析、功能分析和设计综合三方面进行建模,通过用例图、活动图、状态机图和序列图等视图反映出开放式舰炮武器装备的各种系统的组成、行为和状态。与传统文档开发的方式相比较,使用此方法能够输出与被开发系统一致的需求、结构视图模型并且输出的模型能够再次使用,有效地提高系统的设计效率,保证模型数据的可追溯性,为未来复杂武器装备的开发设计提供新的思路。

基于MBSE的核电厂仪控系统设计方法研究

核电厂仪控系统作为大型的复杂系统,其运行场景繁多、逻辑功能和接口关系复杂。以往基于文档的仪控系统设计存在诸多弊端,需通过大量的时间和人力来保证方案的整体性和完整性。通过对核电厂仪控系统设计现有业务流程的研究,结合基于模型的系统工程(MBSE)方法的特点,应用正向设计的逻辑,提出了一种基于MBSE的仪控系统设计方法。该方法描述了核电厂仪控系统的MBSE模型框架,将仪控系统模型分为两层模型架构,即仪控系统总体设计模型和仪控子系统设计模型。各层模型均按照MBSE方法的运行分析、系统分析、逻辑架构设计和物理架构设计的层级进行建模。两层模型之间相互关联。对各层级建模的主要分析和设计要点进行了研究,形成了完整的仪控系统设计模型建模方案。该方案能够指导核电厂仪控系统设计,实现从设计需求到设计实现的完整性。