基于模型的系统工程（MBSE）在水下航行器设计及陆地试验过程中的典型应用

水下航行器设计：多领域交叉与基于模型的系统工程的应用


引言

水下航行器作为一个复杂且多领域的耦合系统，其设计需综合机械工程、电子工程、控制工程、材料科学、海洋科学以及计算机科学等多个学科的知识与技术。面对设计中的技术难点和挑战，基于模型的系统工程(MBSE)提供了一种系统设计与优化的方法论，通过计算机模型与仿真的结合，指导和优化系统的设计过程。

MGSE在水下航行器设计中的应用流程


基于模型的系统工程在水下航行器设计中的应用可以分解为以下几个关键步骤：




1. 需求定义

清晰地界定水下航行器的功能与性能需求，包括但不限于航行速度、潜水深度、载荷能力、能源效率等。

2. 系统模型建立

利用计算机软件或仿真工具构建水下航行器的系统模型，模型覆盖结构设计、动力系统、导航与控制等组成部分。

3. 验证与测试

基于预设计模型进行原型验证，确保系统模型的准确性和可靠性。根据测试反馈进行模型调整与校准。

4. 优化与迭代

迭代优化系统模型，通过实验验证的反馈调整设计参数和系统配置，不断完善水下航行器的设计。

5. 智能控制与自适应

结合强化学习和自适应控制算法，提升水下航行器的控制性能，包括适应复杂水下环境变化和执行精细化任务。

6. 容错设计与防护

通过模型进行故障模拟和容错设计，评估系统在故障条件下的稳定性和安全性，确保航行器在任何情况下均能完成任务。

7. 跨学科优化

作为多学科交叉系统，水下航行器设计需要进行跨学科协作，通过模型集成实现系统整体的优化。

8. 集成测试与验证

进行模拟集成测试与验证，确保水下航行器与其他设备、传感器和通信系统之间的兼容性与正确交互。

面对的挑战与解决方案


面临的挑战

多学科耦合作用：水下航行器设计涉及多个领域知识的融合与协调，要求设计团队能够有效整合不同学科的设计模型。

复杂系统仿真：水下航行器系统设计复杂，需要高度精确且能预测在真实情况下的性能表现的仿真模型。

仿真与实测一体化：在现代产品开发流程中强调仿真与实测的无缝集成，但普遍存在设计仿真与实验任务分离的问题。

实时仿真与集成：实时仿真测试面临更严格的时间限制，以及不同模型间复杂的数据通讯与时间同步问题。

解决方案

针对上述挑战，基于MBSE的LinksXIL智能装备仿真测试一体化数字孪生平台可以提供全面的解决方案。该平台不仅支持各类模型在高性能多CPU架构下实时求解与数据交换，还能与外部硬件高效通讯，具备强实时、多模型、多用户等特点。此外，该平台集成的功能覆盖数学仿真、硬件在环测试等多阶段任务，促进不同阶段的快速迭代，为实现系统性能的飞跃性提升提供了强有力的支持。

典型应用案例

在某型号水下航行器项目中，通过构建基于LinksXIL平台的半实物仿真验证实验室，设计团队得以充分利用平台提供的水下航行器半物理仿真模块，高效地搭建了功能模块库。通过集成验证与优化的实验流程指导书，不仅有助于实现新员工的迅速融入，更是为客户建立了一支专业的半物理仿真测试队伍。