前言

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、可靠性等都有了质的飞跃，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，包括如何有效地获取用户需求、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。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