Model Based Systems Engineering for Aircraft Systems – Mindset for Change

Ingela Lind

19 oktober 2010

Varför använder grundflygplansystem modellering och desktop simulering?

Omfattande riskreducering i projekt• Hittar fel tidigt i utvecklingsprocessen

• Utrustning kan simuleras I systemet innan beställning

• Mjukvara får bättre specifikation (även om den inte simuleras)

• Bättre förståelse för systemen – problem kan analyseras

• Få underleverantörer simulerar

Kvalificering av flygplan kan utföras• Simuleringar kompletterar flygprov som inte når provmålen

• Ersätter farliga flygprov

Kostnadsbesparingar för prov• Färre rigg- och flygprov

• Mindre omdesign av provflygplan och riggar

SYSTEMUTVECKLING

MBD, Model Based Development

Trender:

• Ökad andel modellering och simulering

• Fler använder modeller och simuleringsresultat

• Modellering sker tidigare

Mindset for Change

Finns det mätetal?

Identifiera svaga punkter i nuvarande utvecklingsprocess. Exempel: Förmåga att planera och schemalägga, kvalitet, ”time to market”, produktivitet, spårbarhet, konfigurationsstyrning, återanvändbarhet, dokumenteringsrutiner, validering och verifiering

Det måste finnas minst två syften att använda MBSE. Exempel: validera krav genom simulering, automatiskt generera dokumentation, utveckla styralgoritmer, generera kod för produktion

Modellen är ensam informationsbärare.

Använd övergången till MBSE som källa till lärande. Svagheter/styrkor i organisationen, utmaningar, nyckelkompetenser, effektiva punkter

Integrera utvecklingsprocessen

Se utvecklingen på lång sikt. Börja med svaga punkter och nya produkter

GRUNDFLYGPLANSYSTEM

BränslesystemLuftsystem

Elkraftsystem

LandställHydraulsystem

SYSTEMÖVERSIKT

Utrustning

ECU / Inbyggd mjukvara

TaskTaskTaskTaskTask

Omgivning

Komplett systemmodell

En typisk modell över ett system som t ex bränslesystem kan delas upp i tre modellkategorier

VISION

.

PådragEfterfrågad

kylkapacitet

Kyld luft Bleedluft

Bränsle

Trycksättning

Exempel:

Många och komplexa kopplingar mellan olika systems uppstartsförlopp och deras systemkontroll (SK).

Idag svårt att förutse innan provning i flygplan.

Har larmgränser satts korrekt med tanke på systemens normala uppstartsförlopp (långsam tryckuppbyggnad och temperaturinsvängning) och ordningen på SK för olika system?

Kan alla normala uppstarter göras, t ex på solig, varm platta, med liten bränslemängd, vid extrem kyla, omstart? 

EN MODELLBASERAD UTVECKLINGSPROCESS

Flygprov

FörstaÅterkoppling Andra

återkopplingTredje

Återkoppling

Systemmodell av fysiska systemet

Inbyggd kodReglermodell

M

u y

M

u y

ProvriggSimulator

VISION

EN MODELLBASERAD UTVECKLINGSPROCESS• Data från underleverantörer

• Fysiska lagar och grundläggande relationer

• Bänkprov

• Tidigare erfarenhet

• Geometriska data / CFD analys

Systemmodell av fysiska systemet

M

u y

M

u y • Första konceptvalidering

• Dimensionering

• Känslighetsanalys

• Prestandauppskattning

•

EN MODELLBASERAD UTVECKLINGSPROCESS

Reglermodell

• Fysiska begränsningar

• Reglermål

• Systemsäkerhet

• Dokument (genererade)

• Specifikation för inbyggd mjukvara

• Simulerbar beskrivning

EN MODELLBASERAD UTVECKLINGSPROCESS

FörstaÅterkoppling

Reglermodell

M

u y

M

u y

Systemmodell av fysiska systemet

• Snabb prototyputveckling både för fysiska delen av systemet och regleringen

• Stöd för systemsäkerhetsarbete

• Hjälp att ta fram statiska och utmattningslaster

• Prestandautvärdering

• Detaljerad design

•

EN MODELLBASERAD UTVECKLINGSPROCESS

M

u y

M

u y

• Systemvalidering

• Ökad konfidens i modeller och simuleringsresultat

• Kunna särskilja trovärdiga resultat från osäkra

• Komplementerande fysiska och virtuella prov ger billigare och säkrare systemverifiering

MYSIM

SYSIM

tränings-

simulatorer

provledareutvecklare

pilotertekniker

CAD-ingenjör

systemingenjör

apparatingenjör

realtids-

modell

specifikation

mjukvara

specifikation

apparater

specifikation

flygprov

specifikation

riggprov

riggprov flygprov

inbyggd

kod

SYSTEM-

MODELL

skrov &

installation

laster &

hållfasthet

provingenjörer

mjukvaruingenjör

systemintegratör

beräkningsingenjör

simulatorutvecklare

systemsimuleringsingenjör

systemsäkerhetsingenjör

VERKTYGSVAL

KRAV

långsiktighet

användarvänlighet

skalbarhet

anpassning till utvecklingsprocessen

synliggöra ekvationerna som används

flexibla modeller (map syfte)

versionskontroll

robust

FÄLLOR

kodgeneratorer

plattformsberoende

licensavtal + jurister

många projekt drar nytta av resultatet ingen vill betala

LUFTSYSTEM (ECS)

Språk: ModelicaVerktyg: Dymola

MODELLERAD REGLERLOGIK

Verktyg: Simulink, Stateflow

Vad är en systemmodell?

Modellen är i 1D och byggd av komponentmodeller

Varje komponentmodell beskriver en komponent av systemet:

• ventil,

• pump,

• rör,

• sensor,

• värmeväxlare,

• RAMMkanal,

• vattenseparator,

• reservoar,

• kablage...

Fundamentala fysikaliska ekvationer i varje komponentmodell:

•jämviktsekvationer

•kontinuitetsekvationer

•gaslagen

•friktionsförlustekvationer

•Ohms lag…

Typiska tillstånd:

•tryck,

•temperatur,

•flöde,

•fukthalt,

•spänning,

•ström…

Modellera ett rör – olika modelleringsnivåer

qKc

t

q

V m

q1 q2

t

q

63%

t = C/Kc

Kc Kc

Statiskt: Resistans q = Kc (p1-p2)0.5

t

p1 p2

Dynamiskt: Distribuerad volym (1-D CFD)Resistans + massans bevarande + rörelsemängdens bevarande + energins bevarande

Öka

nd

e n

og

gra

nn

het

och

ban

db

red

d

Inklusive temperatur

V

q

tDynamiskt: Lumpat rör

V m V m V m V m

p1 p2 Statiskt:q1=q2 and p1=p2

q1q2

Dynamiskt: Lumpad volym: Kapacitans med/utan resistansC= V/β = (q1-q2) / p (massans bevarande)

.

Dynamiskt: Lumpad volym och massa med/utan resistansResistans +Kapacitans + Induktans (L)L = (ρ*V) / A2 = (p1-p2) / q (rörelsemängdens bevarande)

.

Signalbaserad modellering (Simulink, MatrixX, etc) – systemekvationer

Signalbaserad eller power port strategi

p VolymDiff ekv

Ventil Alg ekv

q00 q1p1 q2p2

q0 q1

p1

p2

Volym Ventil

Power port modellering (EASY5, HOPSAN, Dymola, etc) – systemscheman.

• Naturlig objektorientering.

• Ingen fixerad kausalitet

• Många fysiska signaler överförda i varje linje

q2

p0

Parameterosäkerhet ventilarea, tryckfallskoefficient…

Modellstrukturosäkerhetmodelleringsnivå, okända faktorer

Hur påverkas simuleringsresultat?valideringsmetodik i komplexa olinjära modeller

Kan man rikta prov till det som ger mest nytta för minskning av risker (säkerhet, projekt, …)?

BESKRIVA MODELLOSÄKERHET

brist på information

statistiska variationer

HELHETSBILD

Fortsätta bygga helhetsbilden av en modellbaserad utvecklingsprocess

Identifiera och åtgärda brister – ge sammanhängande metodik

Stötta utvecklingen mot fler användare – identifiera aktörer och deras behov

M

u y

M

u y

KOMPETENSSPRIDNINGInformationsspridning• MBSE-kurser för systemingenjörer (basnivå)

• MBSE-forum för OTTODG / OTTOFG / OTTODYM

• konferensbidrag

• seminarier efter konferenser

Daglig problemlösning i gruppen• Scrum-team aktuella problem och lösningar tas upp flera gånger i veckan

• ”vi hjälper varann”-anda

• ”extreme programming” – parprogrammering används vid extra besvärliga eller helt nya typer av problem

Forskning och metodikutveckling• förstudier / lärling / engineering portal-sidor för ny metodik

• OTTODG ofta ”först ut” i projekt pga långa ledtider påverkar dokumenterad metodik, t ex för GripenCore

• forskningsprojekt, t ex Crescendo, NFFP, CleanSky, med syfte att lära och sprida kunskap

• industrihandledare för doktorander

• dialog med verktygsleverantörer