Kỹ thuật hệ thống dựa trên mô hình (MBSE) là gì?

Kỹ thuật hệ thống dựa trên mô hình - Model-based systems engineering (MBSE) - là một phương pháp tập trung vào tạo ra và khai thác hệ thống kỹ thuật số và các mô hình phạm vi kỹ thuật làm các phương tiện chính để trao đổi thông tin, phản hồi, và yêu cầu, thay vì dựa vào các tài liệu.

Nó bao gồm toàn bộ quá trình thu thập, giao tiếp và đảm bảo rằng tất cả các mô hình kỹ thuật số mà chúng ta sử dụng để đại diện cho một hệ thống được điều phối và duy trì trong toàn bộ vòng đời của hệ thống.

Trước khoảng năm 1990, một thiết kế kỹ thuật hệ thống có thể là một loạt các giấy tờ và tài liệu liên quan chứa các bản vẽ, sơ đồ, công thức toán học, yêu cầu và các thông số kỹ thuật khác về cách thức hoạt động của hệ thống.

Nhưng theo thời gian dự án trở nên quá lớn để dựa vào các tài liệu không có kết nối. Các vấn đề bao gồm (trong số những vấn đề khác):

• Duy trì đặc điểm kỹ thuật thiết kế khi khái niệm về hệ thống được phát triển: Nếu một kỹ sư thay đổi một kích thước trên một tài liệu, họ phải xem qua toàn bộ chồng tài liệu và đảm bảo rằng thay đổi tương tự được thực hiện trong mọi tài liệu khác có chứa kích thước đó . Nếu các bản sao khác tồn tại, bạn không thể chắc chắn rằng thay đổi đã được ghi lại trong tất cả các bản sao. 
• Diễn giải của con người: Hoàn toàn có thể xảy ra trường hợp hai kỹ sư có thể đọc cùng một câu trong thông số kỹ thuật và có những ý nghĩa khác nhau, do sự mơ hồ của hệ thống chữ viết và sự hiểu biết của con người.
• Khả năng xác minh: Làm thế nào bạn có thể chắc chắn rằng một phép tính được thực hiện trên một trang của mô hình là không có lỗi trước khi sử dụng nó làm đầu vào cho một phép tính khác trong quá trình này?

MBSE được phát triển để thay thế các tài liệu tĩnh bằng các mô hình kỹ thuật số “thông minh” chứa mọi thứ quan trọng về hệ thống - các yêu cầu, kiến trúc và giao diện giữa các phần của hệ thống. Thay vì các tài liệu giấy được sắp xếp tốt nhất thành các thư mục, các mô hình kỹ thuật số này được kết nối với nhau bằng một “luồng kỹ thuật số” có thể được theo dõi để hiểu toàn bộ thiết kế.

Mô hình kiến trúc hệ thống bao quát (SAM) đóng vai trò là “nguồn chân lý có thẩm quyền” cho mọi người làm việc trong dự án. Mô hình kỹ thuật số này có một vị trí trung tâm mà tất cả các kỹ sư làm việc trong dự án có thể truy cập nhưng không thể sửa đổi độc lập với những người khác, bảo toàn nguồn chân lý duy nhất.

Bất kỳ thay đổi nào được thực hiện đều được tự động phổ biến trong toàn bộ mô hình và được phần mềm kiểm tra tính nhất quán và độ chính xác nội bộ.

Các thành phần cốt lõi của MBSE

MBSE dựa trên 3 thành phần chính:

1. SAM, trong đó hệ thống đang được thiết kế được biểu diễn bằng một loạt các sơ đồ khối được kết nối để mô tả kiến trúc vật lý và chức năng của hệ thống. Nó cũng chứa một danh sách đầy đủ các tính năng mà hệ thống bắt buộc phải có hoặc các chức năng mà nó bắt buộc phải thực hiện (các yêu cầu). SAM được tạo ra bằng cách sử dụng các chương trình phần mềm chuyên dụng và sử dụng các ngôn ngữ xây dựng có mục đích để mô tả kiến trúc hệ thống.
2. Phần mềm mô phỏng kỹ thuật. SAM có thể được so sánh với một bản vẽ thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (CAD): Nó mô tả hệ thống một cách chi tiết, nhưng không có cách nào để chỉ ra từ SAM là hệ thống đáp ứng được các yêu cầu. Đối với điều này, SAM phải được kết hợp với mô phỏng kỹ thuật. Nếu máy bay bạn đang thiết kế được yêu cầu chịu được 6G, thì các kỹ sư cần chạy mô phỏng để cho họ biết liệu máy bay mà họ đang thiết kế có phù hợp với nhiệm vụ hay không. Bởi vì một hệ thống phức tạp có thể yêu cầu các kỹ sư thực hiện nhiều loại trình giải mô phỏng khác nhau - kết cấu, chất lỏng, điện từ, phần mềm nhúng, an toàn, an ninh mạng, v.v. - điều quan trọng là có thể sử dụng nhiều loại công cụ mô phỏng khác nhau.
3. Một trung tâm tính toán tập trung. Cho dù được đặt ở đâu đó trong khuôn viên của công ty hay trên đám mây, trung tâm tính toán tập trung này chứa SAM và phần mềm thực thi. Nó thực hiện tất cả các chức năng và lưu trữ tất cả các kết quả của quá trình MBSE.

Đạt được môi trường MBSE với phần mềm Ansys

Trong MBSE, sự kết hợp của SAM, CAD và các công cụ mô phỏng kỹ thuật (CAE) tạo ra “luồng kỹ thuật số” liên kết tất cả các mô hình và dữ liệu kỹ thuật với nhau.

Điều này xảy ra sớm trong chu kỳ thiết kế và tiếp tục hoạt động trong toàn bộ vòng đời hoạt động của sản phẩm cho đến khi ngừng sử dụng. Khi các thay đổi được thực hiện, luồng kỹ thuật số đảm bảo rằng các bản cập nhật cho một mô hình được tự động chuyển đến tất cả các mô hình trong hệ thống.

Phần mềm Ansys không tạo ra SAM mà thay vào đó cung cấp một loạt các mô phỏng kỹ thuật cần thiết để xác minh thiết kế hệ thống và quan trọng nhất là cách kết nối chúng. Ansys ModelCenter, sản phẩm phần mềm có được khi Ansys mua lại Phoenix Integration vào năm 2021, cung cấp kết nối giữa phần mềm mô phỏng kỹ thuật và SAM, cho phép các kỹ sư xác minh hầu như thiết kế của họ.

Vì vậy, nếu bạn đang thực hiện một dự án có các mô hình kỹ thuật số chứa mô phỏng kết cấu, chất lỏng, điện từ, an toàn và phần mềm nhúng, ModelCenter sẽ điều phối hoạt động và thu thập dữ liệu từ Ansys Mechanical, Ansys Fluent, Ansys HFSS, Ansys medini analysis, Ansys SCADE, và bất kỳ công cụ mô phỏng nào khác, và kết nối các mô phỏng này với SAM để kích hoạt MBSE.

Phù hợp với chiến lược tổng thể của công ty Ansys để cung cấp một hệ sinh thái mở, ModelCenter là một giải pháp trung lập với nhà cung cấp có thể tự động hóa việc thực thi bất kỳ công cụ mô phỏng nào trong quy trình làm việc, ngay cả những công cụ từ các nhà cung cấp phần mềm khác.

Khi chu trình thiết kế tiến triển và thiết kế sản phẩm được hoàn thiện, các kỹ sư có thể sử dụng công nghệ MBSE của Ansys để đánh giá xem hệ thống như thiết kế có đáp ứng các yêu cầu cụ thể hay không hoặc có cần phải thay đổi hay không.

Khi các thay đổi được thực hiện đối với các yêu cầu hoặc SAM, toàn bộ quy trình có thể lặp lại cho đến khi kết quả đáp ứng các thông số kỹ thuật, xác minh rằng thiết kế sẽ hoạt động như dự kiến trong suốt vòng đời của sản phẩm. Chỉ sau khi các yêu cầu này được thỏa mãn, nhóm sẽ xây dựng một nguyên mẫu vật lý của thiết kế để thực hiện các bài kiểm tra vật lý trên đó.

Giá trị của MBSE là nó cho phép đưa ra các quyết định tốt hơn trong suốt vòng đời thiết kế và càng sớm càng tốt trong vòng đời thiết kế. Các bên liên quan có thể xác định vấn đề càng sớm thì việc sửa chữa càng dễ dàng và rẻ hơn.

MBSE cung cấp giá trị từ các yêu cầu cho đến khi nghỉ hưu bằng cách cho phép một cách tiếp cận kỹ thuật hệ thống có kỷ luật. Các mô hình kỹ thuật số có thể được kiểm tra, xác minh và xác thực dựa trên một nguồn sự thật duy nhất, đảm bảo tính nhất quán nội bộ của các mô hình giúp cải thiện việc phân phối, sản lượng sản phẩm và cả doanh thu và lãi ròng.