基於模型的系統工程 (MBSE) 是一種方法，側重於利用數位系統和工程領域模型，作為交換資訊、回饋和需求的主要手段，有別於以文件為主的系統工程。這涉及到整個過程，包括捕捉、溝通和確保我們用來表示一個系統的數字模型在整個系統的生命周期中都有協調和維護。
在 1990 年代之前，系統工程設計往往由許多相關的文件與資料組成，其中包含圖面、圖表、數學公式、需求條件和其他系統運作方式的規範。但大約在那段時間，專案開始變得非常龐大，以至於無法只依賴紙本文件。問題包括：
- 隨著系統概念的發展，設計規格的維護也隨之改變：如果一個工程師在一個文件中修改了單一個尺寸，他們必須檢查整疊文件，確保有包含該尺寸的每一個文件都有被修改。如果還有其他副本，則難以確認所有副本上都記錄了此變更。
- 人類的人為的解讀由於人為書寫和語言的模糊性，兩位工程師在讀到規格中相同的句子時，完全有可能產生不同的理解。
- 可驗證性：在將一個模型的計算結果作為後續計算的輸入之前，是無法確認該模型在其中一個頁面上進行的計算是否無誤。
MBSE 的開發是為了使用「智慧型」數位模型取代靜態文件，這些模型包含了關於系統的一切重要內容：條件需求、架構，以及系統各部分間的介面。這些數位模型不同於最多只能整理成文件夾的紙張文件，如今它們通過「數位線索」連接在一起，可以追蹤該線索以了解整個設計的內容。
整體系統架構模型 (SAM) 是專案成員的權威事實來源。數位模型有一個中央位置，可由專案的所有參與人員存取，但無法由他人獨立進行修改，以此保留單一事實來源。任何變更都會自動傳播到整個模型中，並由軟體檢查內部的一致性和準確性。
基於模型的系統工程 (MBSE) 是推動數位工程的關鍵工具。
MBSE 的核心元件
MBSE 依賴三個主要元件：
- 在 SAM 中，設計的系統以一系列連接的方塊圖來描述系統的物理和功能架構。其中也包含系統需具備的品質或功能的完整清單。SAM 是使用專門的軟體程式所建構，並利用特殊用途的語言來描述系統架構。
- 工程模擬軟體。SAM 可以比喻為電腦輔助設計 (CAD) 圖面──它能詳細描述系統，但僅憑 SAM 無法判斷系統是否符合需求。因此，SAM 必須與工程模擬搭配使用。例如，如果設計中的飛機需承受 6G 的加速度，工程師就必須對飛機設計進行模擬，以確認其是否符合此項要求。由於複雜的系統可能需要工程師執行許多不同類型的模擬求解器，如結構、流體、電磁、嵌入式軟體、安全性、資訊安全等等，因此能夠使用多種不同類型的模擬工具非常重要。
- 集中式運算中心。無論位於內部或雲端，這個集中式的運算中心包含 SAM 與可執行軟體。它會執行所有功能，並儲存 MBSE 程序的所有結果。
使用 Ansys 軟體工具達成 MBSE 環境
在 MBSE 中，SAM、CAD 和電腦輔助工程 (CAE) 模擬工具的組合建立了「數位線索」，將所有的模型與工程資料連結在一起。這在設計週期初期便會發生，並在產品的整個運作生命週期中持續運作。進行變更時，數位線索可確保將一個模型的更新自動轉移到系統中的所有模型。
Ansys 提供基於雲端的 SysMLv2 SAM，從零開始打造，支援即時協作，並與其他 Ansys MBSE 工具高度整合。該工具也內建完整功能的應用程式介面 (API)，可與需求管理工具與 PLM 工具等第三方系統整合。Ansys MBSE 工具能夠在工程模擬軟體與 SAM 之間建立連結，讓工程師能以虛擬方式驗證其設計。因此，如果您正在執行的專案包含結構、流體、電磁、安全性與嵌入式軟體模擬的數位模型，Ansys ModelCenter 基於模型的系統工程軟體將協調以下模擬工具的操作與資料收集：
- Ansys Mechanical 結構有限元素分析 (FEA) 軟體
- Ansys Fluent | 流體模擬軟體
- Ansys HFSS | 高頻模擬軟體
- Ansys medini analyze 系統導向安全性分析軟體
- Ansys SCADE 嵌入式軟體產品套件
ModelCenter 軟體將這些模擬工具連接至 SAM，以支援模擬驅動的 MBSE。這與 Ansys 致力於打造開放式生態系統的承諾一致，ModelCenter 是一個供應商中立的解決方案，可以在工作流程中自動執行任何模擬工具，包括其他軟體供應商的工具。
隨著設計週期的進展和產品設計的完善，工程師可以使用 Ansys MBSE 技術評估所設計的系統是否符合指定的需求，或者是否需要進行變更。當需求或 SAM 有變更時，整個程序可以重複進行，直到結果滿足規格為止，進一步驗證設計在產品的整個生命周期中能夠按照預期工作。只有在滿足這些需求之後，團隊才會建造設計的物理原型，並進行物理測試。
MBSE 的價值在於可在開發初期與整個設計生命週期中做出更佳決策。專案關係人越早發現問題，修正的方式就越容易，成本也會更低。
MBSE 透過實現嚴謹的系統工程方法，從需求到產品退役都能提供價值。數位模型可以根據單一事實來源進行檢查、驗證及確認，確保模型的內部一致性，進而改善交付、產品良率，以及營收和利潤。
MBSE 範例：高效能飛機設計
舉例來說，假設空軍已招標設計一款新型飛機，只要單次加油就能飛行 3000 英哩。您可以用舊的方式設計、建置和測試飛機，或是使用基於模型的方法。
如果您決定使用 MBSE 方法來設計這架複雜的新型飛機，您會先建立一個 SAM，記錄這架飛機的所有重要需求，包括該飛機必須具備單次加油飛行 3,000 英里的能力。接著，您會使用 SAM 來描述預期的設計內容，包括系統架構、預期行為、系統元件間的介面與其他技術規格。此時，您會運用模擬來驗證所設計的內容是否符合所有物理與行為層面的需求。模擬將包括流體模擬以評估空氣動力學特性、結構模擬以驗證機械強度，電磁模擬以驗證通訊裝置功能等等。
針對更複雜的任務型應用，工程師可以使用 數位任務工程軟體模擬現代航太與國防 (A&D) 任務中複雜的「系統體系」結構。數位任務工程結合數位模型、模擬、測試、分析，用於航太、國防、電信和情報應用，以評估系統生命週期每個階段的任務成果。這些任務可能涉及數百種地面、空中、水面或太空武器系統，這些系統都必須互相通訊和協調其行動。數位任務工程模擬使工程師和軍事人員能夠透過基於物理的模擬，在虛擬環境中執行複雜的任務，這使他們對任務充滿信心。
在真實世界的範例中，洛克希德馬丁太空公司使用 MBSE 與 ModelCenter 軟體模擬 OSIRIS-Rex 太空船的任務軌跡，其任務是在「觸地重飛」行動中取得小行星上的樣本。
「將模擬自動化並整合到系統模型中，使團隊能夠快速識別任務需求變更可能存在的問題，並在太空船的整個生命周期中進行對需求和任務設計參數的持續驗證...」洛克希德馬丁太空公司系統工程師 Phathom Athena Donald 表示。「與原始流程相比，整體改進的周轉時間大約加快了 7 倍。」
美國國防部推動 MBSE 的採用
到目前為止 MBSE 的最大推動力來自於美國國防部 (DoD)，該部於 2023 年發布了 DoDI 5000.97。該指令旨在標準化數位工程的實施，並將 MBSE 正式納入所有與美國國防與武器系統相關提案的必要條件。目前 MBSE 已積極應用於諸如下一代空優戰機 (NGAD)、未來垂直起降飛行計畫 (FVL)，以及海軍數位造船計畫等項目。這項指令使航太與國防領域成為 MBSE 的首要支持者，大部分都是為了避免專案延誤和成本超支。
雖然 A&D 率先採用 MBSE，但其他產業也正迅速跟進。為了解決複雜的自動駕駛挑戰，汽車產業也正加速採用 MBSE。其他產業的複雜度也不斷增加，諸如半導體、醫療裝置、替代能源，智慧型電網、5G 通訊，各產業也將會加速採用 MBSE。
