M-Design产品介绍

● 背景

我国制造业的总量和规模已居世界前列，很多产品产量居世界第一。但我国仅是制造大国，还远非是制造强国。主要体现在：

（1）工业增加值率仅为26%左右，比美、日、德要低10多个百分点；

（2）高科技产品增加值占整个制造业增加值的比重只有1/7~1/8；

（3）很多高端产品大量进口，飞机发动机、高档数控机床、集成电路装备等还严重依赖进口。

造成上述问题的主要原因是我国一直以引进吸收再创新为主，因而造成原始创新能力远远不足。在当今“卡脖子”危机日益加重、且两款对标的系统设计软件工具知识产权均属美国的情况下，如何加强面向复杂装备顶层、整体、系统设计的创新能力对于实现我国由制造大国向制造强国、智造大国的转变，改变“高端失守、低端混战”的局面，提高高端产品的研发设计能力具有重要的战略意义，迫切需要支持顶层、系统、整体创新设计的工具，并将之与现有的CAD设计工具、CAE仿真分析工具等进行有机集成，实现对多域复杂产品从顶层到底层、从系统从部件、从整体到局部的全过程创新设计的支持。

2007年，标准系统建模语言SysML的提出，使得基于模型的系统工程（MBSE）以及智能自动的系统创新设计成为可能。自2008年起，在一系列国家级项目和大型企业应用项目的支持下，浙江大学计算机学院MBSE团队在平台研发、模型驱动的智能系统创新设计、系统设计与相关工具链无缝集成等方面已经取得了一系列性的研究成果，并成立了杭州华望系统科技有限公司，研发了具有国际领先架构（B/C/S架构）、完全自主可控的MBSE平台M-Design 3.0，支持SysML所有需求、行为、结构与参数图等九大图建模、行为逻辑仿真、与Matlab/Simulink集成、协同设计、元模型扩展等，并已在航空航天、核工业、船舶、兵器等行业进行应用。

● 功能概述

M-Design 3.0是以习近平总书记关于“核心技术只有靠自力更生”的讲话为指导，以计算机模型表述的方式，将多领域系统模型表达统一化、设计标准化、接口一致化为核心目标，依托私有云、“多端融合”、负载均衡、多点备份等技术手段，基于ISO/IEC 19514国际标准系统建模语言SysML 1.6，完整实现其九大图（Diagram）即需求、行为、结构、参数等图的语义语法建模和自定义扩展功能。在此基础上，研发多种模型驱动的智能设计工具和平台集成工具，支持航空航天、核工业、兵器、船舶等复杂装备高质量、高收益、高效率的系统方案设计与论证。

该系统根据“可重用、可监控、可分析、可考核、可开放”的原则，采用统一标准XML数据格式存储相关数据资源，构建MBSE不同阶段的模型：业务模型、需求模型、功能模型、架构模型、约束模型等，以满足不同专业领域的各级负责人、专家、系统工程师、管理员等四类用户的使用需求，实现了模型的静态展现、动态管理、常态跟踪，提供全方位的基于模型的系统工程管理验证体系，如图1所示。具体功能简述如下：

图1 M-Design 3.0功能简介图

1）模型设计

需求分析：支持用户需求的条目化建模和基于SysML进行图形化建模，并在二者进行关联与切换；支持用户需求、系统需求等之间建立追溯、分解、满足等各种关系，实现正向与反向的跟踪追溯。

静态结构：支持对复杂装备静态结构建模，对SysML中的块图、包图和内部块图等均能支持，同时还支持基于块及块图的多层嵌套建模功能；

动态行为：支持SysML活动图、状态图、顺序图、用例图建模，支持用户对复杂装备的离散连续行为进行统一建模，用户能够在不同设计阶段从多种行为视角综合描述系统行为。

参数约束：支持SysML参数图的建模，将复杂装备不同子系统、单机间的参数关联约束关系进行建模。

2）仿真验证

支持活动图、状态机图、序列图等系统行为视图仿真，多种行为图可实时联合动态仿真；支持参数图的约束计算，并自动获取系统参数值。

3）可靠性分析

支持基于系统功能及物理架构的系统可靠性模型如FMEA、FMECA、FTA的生成，便于开展系统FMEA、FMECA分析、FTA定性及定量分析，指导系统设计方案的故障诊断、方案比较和论证工作。

4）协同设计

支持多用户协同地开展需求条目建模、多领域系统协同设计；同时具备设计任务分配、人员管理、权限设置等管理功能；支持系统设计信息的版本管理；支持设计任务的在线协同评审。

5）工具集成

支持系统需求、功能架构、物理架构、仿真等多种模型信息的导入导出：提供基于Word、Excel等格式的规范化需求模型导入模板，便于导入现有文档记录的用户需求，同时也提供ReqIF标准格式的需求导入导出功能；支持与其它设计工具、优化工具及仿真工具如Matalb/Simulink与Modelica仿真工具的高效、无缝集成；支持基于XMI格式的模型交换。

● 面向角色的业务流程设计

1.面向工程师的建模功能

实践表明，每个行业和每个客户都有自己的具体细节，未经任何修改或扩展就直接使用标准建模方法进行建模将造成削足适履的结果，效果将会差强人意。

M-Design 3.0不限制对建模方法的选择与使用，支持基于现有建模方法如OOSEM、Harmony SE、MagicGrid等或它们改进方法的建模，如图2所示。用户可以利益相关者需求为入口，以需求开发、架构定义为主线，依托M-Design提供的系统建模功能，按选定的业务流程完成对SysML的四大支柱即需求、行为、结构和参数（也称为准指标）的建模，从而完成所要求的整个建模流程。

图2 可支持各种建模流程

2.面向各级负责人的管理功能

M-Design 3.0建模系统包括统一的数据中心，消除信息孤岛，确保业务流程统一和数据完整。支持总师、型号负责人、项目负责人等多级管理。主要功能包括综合展现、评审、批注、问题处置、重点项目督查、文档生成、综合分析等功能，面向领导、负责人分别提供客户端和网页端两种访问形式，如图3所示。

图3 负责人功能设计图

3.面向IT管理的运维保障功能

由系统管理员来运维M-Design后台管理保障体系，具体包括用户管理、角色管理、权限管理、功能模块管理、日志管理、组织机构管理等常用功能，同时我司还提供了产品级的运维保障功能：

1）系统的高可靠性

在用户企业的私有云上架设核心数据库非结构化实时数据Redis的互相备份与集群，同时WEB容器也可架设相应负载均衡集群。架构中的每个功能节点设计都含冗余度，保证系统不存在单一失败点，满足提供7x24不间断服务的要求。

2）权限控制

系统采用单点登录的模式，通过口令对用户登录进行身份验证，并根据用户的权限配置办公界面。对于安全性要求较高的用户验证，将登录用户与MAC地址绑定，从而使得固定的用户名只能在某一台主机上进行登录，防止用户名和密码被盗窃。保证相应权限的用户只能调度相应的功能模块，防止越权访问。

3）数据加密

系统对关键敏感信息（如用户口令，数据交换文本等）都进行加密处理，将加密后的密文在网络中传输，并由接收方解密后分析原始数据。对于用户口令等信息，直接将密文在数据库中存储，保证了数据库存储层的安全性。

4）日志及安全审计

系统具有日志管理及安全审计功能，能够详细记录用户的操作过程，生成用户操作的日志文件，如图4所示。安全审计信息是电子举证的重要手段，能够用于追查网络攻击和泄密行为。另外，通过数据库管理系统本身的审计功能，在SQL语句层面上记录数据库变化的过程，辅助追踪其他方式的数据库越权操作行为。

图4 IT管理功能设计图

● 详细功能设计

1.开始建模

进入系统的初始页面该页面为用户提供新建项目、快速打开项目、学习资料等功能。

1）新建项目

基于模板创建SYSML v1.6标准的模型项目，也可以根据不同的建模方法论，选择不同的模板，快速开始建模，如图5所示。

图5. 新建项目

2）快速打开历史项目

一键打开最近的项目，关注项目精确定位便捷操作，如图6所示。

图6. 历史项目

3）学习资料

项目案例是我们事先已经完整设计好的模型，选取了我们建模中比较典型的项目进行展示。教程专区有SYSML建模完整文档资料和培训视频。通过对案例和资料的学习可以指导我们如何更高效，更全面的去建模，如图7所示。

图7. 项目案例&视频教程

2.建模常用操作

M-Design建模平台为用户提供了一个强大的客户端工作界面和丰富的模型组件，匹配平台的SysML核心引擎，足够支撑我们建模的所有功能，且创建的元素、关系、图表等均为真实的可模拟，可联动，可操作的模型化数字产品。具体包含的176种元模型要素如图8所示，具体操作界面如图9所示。

图8. SysML语言中包含176种组件示意图

图9. M-Design 3.0工作界面示意图

1）新建元素

鼠标右键项目树下的任意节点可创建当前节点命名空间下的任意元素，如图10所示。

图10. 新建元素

2）设置元素的属性和参数

双击新创建的元素，即可进入元素属性设置面板，默认展示当前元素的基本属性，选择标签页可切换各类关联属性。编辑元素的属性，元素在图表和模型树中都会自动变更，如图11所示。

图11. 设置元素属性

3）图形化建模设计

在软件中有多种方式可以创建用户需要的SysML图表，通过图表可以更加直观、方便的建模，M-Design3.0支持所有常见图形编辑器的功能，并且基于SysML v1.6提供了多种模型建模特有的如嵌套、组合、堆叠等图形交互功能。同样对于图表的编辑修改也是模型化的，修改内容会在模型树和其它图表中自动变更，如图12所示。

图12. 绘图区中编辑模块定义图

4）模型验证-逻辑仿真

您可以在任何需要验证模型的时候运行软件的仿真功能，活动图、参数图、时序图都可进行仿真。仿真的Debug信息会输出至用户终端，可以通过断点、变量、触发事件来调整仿真过程，并使设计的模型最终满足用户需求，如图13所示。

图13. 仿真面板示意图

3.领导WEB端功能

WEB端是各级领导的管理好助手，为领导和专家提供了免安装，快速登陆，快速使用的功能。包含任务中心、进度可视化、模型展示、评审批注等功能，在建模过程中及时发现问题，及时处理。组织推进重点项目的实施，准确及时地上报问题、核实问题。

1）任务中心

任务下达与任务办理，直接打通模型的设计与管理，如图14所示。

图14. 任务列表

2）进度可视化

全流程实时管理监督模型设计进度情况，如图15所示。

图15. 任务进度看板

3）模型评审与批注

全流程规范管理模型的批注、审核等事件，如图16所示。

图16. 评审与评论功能

● 产品优势

对比项目	某国外知名品牌	M-Design	优势简述
方法论	MagicGrid	面向任务方法论	把建模方法和用户的现有业务流程紧密结合，提供高质量的BPMS实施流程和规范
建模效率	尽量展示全部的属性	展示需要关注的属性	提炼SYSML，有重点，有层次的建模，隐藏大部分冗余继承属性
易用性	全英文术语	英文/中文	配合中文操作手册与场景提示，能够快速上手
软件支持领域	全学科	以复杂装备制造为主	深耕与工业4.0，专注逻辑建模
数据保存	本地	本地+服务器	保护用户的数字资产，不会因为意外而丢失
扩展性	以第三方插件为主，功能需要额外购买	以原生为主，如需对接，则提供API	提供完整成熟的建模工具链，以版本升级的方式提供新功能
产品模式	安装包	Paas平台交付+安装包	多端融合，Paas更稳定，升级更安全
评审功能	原生不支持	评论后高亮显示	协同更方便
协同工作	原生不支持	N写N读可配置	各粒度锁机制，保证不产生冲突
版本管理	不支持	项目级别的基线	以项目级别发布版本更符合业务流程
内容复用	通过“复制-粘帖”简单方式	资源中心带权限的分享与引用	高效，安全的资源分享，复用的方案

● 典型案例与合作伙伴介绍

1.航天五院总体设计部

项目名称：《基于SysML的航天器能源系统正向设计流程及规范研究》

基于SysML的卫星能源分系统三大文档：《基本要求》、《初步方案》和《初样方案》的模型承载；
探索基于SysML的航天器能源系统正向设计流程与规范；
卫星在轨运行，太阳翼和蓄电池的能量动态平衡仿真；
卫星能源系统方案自动生成与比选。

2.航天五院控制所

项目名称：《某模拟型号的MBSE正向设计流程和方法探索》

探索面向控制系统设计的MBSE正向设计流程与方法。建立了规划严密的实施团队，分为：

系统组：模拟实际型号系统设计中模型承载和协同；
单机组：封装单机模型库，探索系统组模型输入和单机模型库的正向设计；
蓝图组：基于当前设计流程，预演未来设计POTI蓝图；
IT组：基于各小组需求设计辅助插件、打通工具链、设计基于航天领域的建模平台。

3.航天五院通信部

项目名称：《小GEO卫星自主变轨建模与MBSE正向设计流程探索》

探索适合GEO卫星的MBSE建模方法论；
针对GEO变轨场景构建基础业务模型；
研究面向GEO卫星的领域元模型；
SysML模型与Modelica模型的信息传递。

4.航天五院西安分院

项目名称：《基于MBSE的典型通信分系统建模与仿真技术研究》

基于SysML的有效载荷系统和单机的逻辑建模、逻辑仿真、设计协同、设计验证等工作模式和方法；
探索通过逻辑建模对有效载荷系统和单机的设计工作流程和实施效率进行复核和优化的方法；
增进西安分院总体和单机设计人员对基于模型的系统工程方法的认识。

5.航天五院东方红

项目名称：《基于MBSE的支持正向设计的需求分析》

探索基于SysML的航天器整星正向设计方案
生成指标树
提升航天器设计方案设计能力

6.航天五院载人航天部

项目名称：《载人登月MBSE试点》

系统性探索载人登月飞船系统建模，包括需求、用例和结构
以阿波罗11号飞船为对象，探索其地月轨道转移建模过程

7.中国航空无线电电子研究所

项目名称：《基于模型的体系工程概念及基本框架研究》

研究分析面向航空电子系统体系架构的多维度元模型建构机理，建立航空电子系统体系架构的元模型描述框架；
基于SysML的可视化航空电子系统体系架构建模语言建立；
基于元模型的航空电子系统架构设计与优化集成；
原型系统研发与实例验证

8.中国电子科技集团第十四研究所

项目名称：《基于模型的信息处理系统软件设计》

研究分析面向航空电子系统体系架构的多维度元模型建构机理，建立航空电子系统体系架构的元模型描述框架；
基于SysML的可视化航空电子系统体系架构建模语言建立；
基于元模型的航空电子系统架构设计与优化集成；
原型系统研发与实例验证

9.中国广东核电集团有限公司

项目名称：《基于模型的信息处理系统软件设计》

完成目标系统的MBSE轻量级全流程建模工作；
完成目标系统的逻辑层和物理层的MBSE完整建模。

10.中国铁道科学研究院集团

项目名称：《基于模型的体系工程研究》

MBSE方法及SysML语言基础培训和应用咨询；
基于MBSE的动车组整车控制逻辑需求管理平台研究；
基于MBSE的动车组整车控制逻辑需求管理平台建设。

11.深圳华为技术有限公司

项目名称：《建立无线/网络试点产品的元模型及模型库》

根据产品和制造、供应、销售、服务等业务诉求，指导华为建立无线/网络试点产品的元模型和模型库，并培训相关数字化建模人才。

路由器数字化建模（包括路由器整机轻量级模型、PIC子卡的模型设计、模型库构建等）；
无线RRU数字化建模（包括整机轻量级建模、RRTX模型设计、模型库构建、逻辑仿真等）；
输出建模指导书，提供建模技术培训。

● 杭州华望系统科技有限公司简介

1.公司介绍

公司成立于2015年。近年来，逐渐成长为一家专业从事基于模型的需求工程（MBRE）、基于模型的系统工程（MBSE）与基于模型的体系工程（MBSOSE）、智能创新设计平台研发的高科技公司。公司创业团队主要人员毕业于浙江大学计算机学院。自2008年至今，“十年磨一剑”，已经成为国内上述“基于模型”系列方面的主要解决方案提供商。公司业务主要是以MBRE、MBSE和MBSOSE为核心展开，可分为以下四个方面：

1）基于模型的需求管理工具M-Require

研发了一款面向系统工程深度研发的、基于云平台需求管理平台M-Require，将需求管理与基于模型的系统工程（MBSE）无缝衔接，为企业打造专属于复杂装备创新设计的云端一体化需求管理解决方案。通过需求条目的层次化和模型化设计，将不同阶段的需求进行项目化组织和管理，在需求阶段即可设计域的功能定义、逻辑分解建立有效链接，通过灵活而严谨的变更管理、可定制化的项目审批等过程，来完成对需求的满足，从而指导设计师们设计制造出满足客户需求的产品。

2）基于模型的MBSE和MBSOSE建模工具M-Design

研发了完全具有自主知识产权、国际首款网络版的MBSE平台M-Design 3.0。该平台不仅完全支持SysML九大图（Diagram）的建模、支持SysML的三大扩展机制；同时还具有模型驱动、自顶向下的智能建模工具，有效支持总体功能/指标的自动分解、复杂系统的架构自动生成、需求覆盖性验证等。

在此基础上，通过基于对SysML进行扩展，实现了基于SysML的统一体架构规范（UAF）的形式化表达，形成了一个支持基于模型的体系建模的UPA（Uniform Profile of UAF），从而支持基于模型的体系建模，实现MBSOSE。

3）面向复杂系统全生命周期的工具链集成

基于元模型思想，打造了系统级设计与系统级仿真、系统级设计与详细设计、优化与分析等不同工具链间的数据关联与集成工具，解决复杂系统全生命周期内数据打通与集成问题。

4）复杂工程系统的MBSE实施

将复杂装备的多学科领域知识与MBSE理论方法进行有机结合，突破MBSE中面向领域行业MBSE方法论、领域知识元模型表达、多学科模型库等关键核心问题，让MBSE在企业真正落地开花，培养了一支高水平的实施团队。

公司用户主要是十大军工企业，包括航天科技集团/科工、广核、中核、中电、中航工业、铁科院等。

2.公司发展历程

公司发展的主要里程碑事件如图17所示。