介绍

能源行业的系统工程解决了一些关键的行业驱动因素：

● 多学科技术，包括机械、化学、核、电子、软件和其他工程学科

● 平衡经济和环境因素

● 高度重视能源系统的安全和抵御自然和人为破坏的能力

由于这些挑战，能源系统工程师已经成为系统工程中先进技术的早期采用者。他们的工程工具需求包括

● 包含结构、行为、需求和分析的架构框架

● 跨供应商和跨专业互操作性

● 易于使用，非特定学科的查询和可视化功能

基于模型的工程 (MBE) 依赖于系统的单个、自洽的数字模型，分布在多个工程工具和存储库中。它扩展了基于模型的系统工程 (MBSE) 的概念，即捕获 一个系统的规范作为模型，而不是一系列静态断开的文档。随着 MBSE 理念的发展，很明显单个工具中的单个模型（例如 SysML 系统架构模型）不足以满足此目的。在基于模型的工程中，工程过程中的所有学科和工具都参与到一个持续的网络中。

可以使用系统架构模型作为中心枢纽，并将 SysML 元素连接到 PLM、CAD、ALM（应用生命周期管理）、项目管理、需求、模拟和其他工程工具中的元素。

SysML 是构建系统高级路线图的有效媒介，因为它提供了一种丰富的语言来连接结构、行为、需求和分析概念，这些概念可以在更专业的工具中映射到相应的概念。

案例研究 1：发电系统设计——压水核反应堆

步骤 1 设置总系统模型

基于模型的工程没有定义构建系统模型的特定方法论。对于我们的示例，我们假设首先在需求管理工具（例如 DOORS NG）中组装需求列表。 我们的首要任务是创建一个 SysML 模型，该模型将成为我们系统模型的中心，将其链接到 DOORS NG 存储库并将所需的需求从 DOORS 拖入 SysML。 下图显示了用于创建此模型转换连接的 Syndeia 仪表板。在 DOORS NG 和 SysML 模型之间创建的连接允许随着模型的发展来比较和同步需求。

步骤 2 构建系统架构模型

将系统需求引入核电站的系统架构模型后，我们选择在 SysML 中创建一个功能模型，使用状态机和活动图的组合。我们开始功能分解并生成较低级别的活动，例如下图中的 Generate_High_Pressure_Steam。我们还开始将这些活动分配给结构元素，由活动图中的泳道表示。

图片下图显示了 SysML 结构的高级视图，包括发电机设施的主要子系统，包括反应堆、涡轮机、冷却塔和发电机。

下图中同一SysML模型的第二个视图显示了设施的控制软件和传感器网络。

随着功能和结构模型的开发，我们在这些元素和在初始步骤引入系统架构模型的需求之间创建关系。在下图中，我们展示了在需求和结构元素之间确定的一些依赖关系。

最后四个图中显示的所有关系（表示组合、依赖关系和流）都是“模型内”连接，即在单个软件工具（在本例中是SysML建模工具）中创建和存储的连接。但是许多相同的SysML元素也与其他软件工具中的元素相关。这些是“模型间”连接。

步骤3 模型间连接

随着项目工程的进展，许多新的软件工具被引入工作流程。协调各种工程学科和工具的努力成为一项重大挑战。MBE 寻求促进工程模型之间的连接，以便他们的工作有效集成，单一系统架构模型为所有工程师和项目经理提供整个系统的最新图景。

使用 Syndeia 仪表板（下图）使用各种拖放机制进行模型间连接。在我们的示例模型中，

● 将结构元素块结构引入 PLM 系统 (PTC Windchill)，如图中的 Syndeia 仪表板所示。

● 功能和结构连接从SysML拖到MATLAB中，创建Simulink块结构（块、端口和信号，但没有内部MATLAB代码）；

● 参考链接是从SysML软件元素（如图中的反应堆控制软件）到GitHub中用于软件版本管理的软件文件夹创建的。

● 将模型转换连接创建到设备的CAD模型（西门子NX）（见下图）

● SysML 中的功能活动层次结构用于在 JIRA（一个项目管理系统）中生成问题层次结构，在其中跟踪状态、最近的活动、进度和人员。

在每种情况下，元素保持连接，将不同工具中的模型链接到单个系统模型中，这是 MBE 的最终目标。根据连接的性质（以及所涉及工具的能力），这些连接可以支持对工程具有实用价值的用例，包括

● 将 SysML 模块结构与 PLM 物料清单或 Simulink 模块结构进行比较和同步，因为它们会随着时间的推移而演变

● 从主需求存储库更新 SysML 需求

● 直接从系统模型打开和查看 CAD 模型或项目管理问题跟踪器

● 从设计文件导入 CAD参数到系统模型进行需求验证

● 在GitHub查看系统软件中的最新文件版本

步骤 4 可视化整个系统模型

随着连接数量的增加，我们理解整个系统模型的范围和复杂性以及识别元素之间扩展联系的能力会减弱。我们需要能够全局查看系统模型并在本地跟踪连接。

下图显示了和弦图中模型间连接的全局视图。右上角的框报告 172 个元素由 111 个 Syndeia 管理的连接连接。圆圈外围的元素代表 SysML（橙色）、PTC Windchill（绿色）、Simulink 和 NX（蓝色）、GitHub（绿色）和 JIRA（米色）元素。节点和它们之间的线可以在右上角的浅蓝色框中交互突出显示和识别，并且可以搜索和过滤整个图。使用它，系统工程师可以一目了然地看到连接的元素类型和模型当前状态下的连接密度。

图片虽然上图给出了全局视图，但许多用例涉及跟踪模型间和模型内链上的扩展链接。替代图形技术可以使此任务更简单。 下图显示了一个示例，从 SysML 模型或 Syndeia 仪表板中的特定模型元素启动的树图。

从 SysML 活动 Generate Electricity 启动，它立即显示五个最近的邻居、一个 JIRA 问题和一个通过模型间连接（以黑色显示）连接的 Simulink 模块和三个 SysML 子活动 ICE，通过模型内连接连接 （以橙色显示）。通过单击可以进一步扩展这些最后一个节点之一，显示另外七个下一个最近的邻居，并且可以选择性地继续该过程，直到链终止。

在结果图中，最右侧的 DOORS 需求、它影响的 SysML 功能以及记录该影响的 JIRA 问题之间的扩展链接通过三个工具的七个连接进行跟踪。考虑这些方法在加快设计审查方面的价值，系统元素之间有明确的联系，并且能够从系统的中央高级路线图在其原生工具中打开这些元素。

使用autolayout例程从同一个模型中选择一个替换图，即使是在完全展开的简单模型中，也会给人留下连接复杂性的印象。如上一节所述，高效且易于使用的查询特性是充分利用MBE功能所必需的。

案例研究2：能源系统分析

第一个案例研究主要是关于设计，只简单地涉及分析，例如，将系统架构模型的各个方面转换为Simulink仿真模型的框架。然而，分析是MBE的一个关键部分，应该尽早纳入系统模型。

● 评估可能的系统变量

● 探索系统风险

● 持续验证需求

一般来说，复杂系统需要许多不同类型的分析模型，而且由于这些系统通常是SOS，应用于不同子系统的分析模型必须联合起来分析整个系统。在本案例研究中，我们将探讨其中一些问题如何在区域能源系统建模中发挥作用。在下图中，我们将几个分析模型合并到SysML中的单个结构中。

● 发电厂模型将发电成本计算为资本、固定运营成本和可变运营成本以及与排放（固体、液体、气体和容量建设）相关的环境成本的函数。这些块可能包含与上述案例研究中开发的模型类似的模型。

● 区域能源供应模型，整合供应模型并计算加权平均成本

● 基于标准价格弹性的总需求模型

● 利润、经济影响和环境影响模型，评估供应和需求价值对公用事业和地区的影响。

在我们的研究中，这些模型使用SysML参数图来连接参数和约束。其中一些模型使用MATLAB和Mathematica函数。共同参数，如供应（MW）、需求（MW）、成本（美元/千瓦时）和价格（美元/千瓦时）通过顶级区域能源模型块进行交换。

能源应用 MBE 的未来

基于模型的工程领域正在迅速发展。在物联网和智能电网能源系统等新技术的推动下，工程软件工具正被推向极限。为了满足他们的需求，MBE 工具也需要发展。以 SysML 为中心的架构，如示例所示，不会比以 PLM 为中心或以 CAD 为中心的架构更独特有效。MBE 工具将用作 Web 服务，从工程过程中的任何位置提供整个系统模型的完整图景。强大的图形数据库将为识别扩展连接提供可扩展性和复杂的查询功能。用户可以使用他们选择的笔记本电脑、平板电脑或手持设备，通过复杂的建模工具或简化的 Web 界面与图形进行交互。