以卫星、导弹等为代表的复杂产品的研发是一项复杂的系统工程,包括自顶向下的系统设计,机械、电子、控制等多学科的工程研制,以及自底向上的系统集成等多个阶段。随着产品功能复杂度的增加,在系统设计阶段处于不同层次、来自不同领域的设计信息越来越多,关系也越加复杂。传统的基于文档的系统工程方法将系统设计信息分散保存在不同类型和功能的文档中,难以保证这些信息的完整性、一致性和可追溯性;另外,基于自然语言的文档也难以科学、准确地描述复杂的系统行为。这种基于文档的方式已经越来越不能满足复杂产品系统设计的建模要求。为此,论文开展基于模型的系统设计理论与建模方法研究,提出了面向复杂产品的基于模型的系统设计理论,构建了公理化系统设计的本体模型,并从知识的角度预测了系统模型的功能变更传播影响,为建立科学、准确的系统模型提供了有效的理论指导,推进了基于模型的系统工程向成熟的方法、标准的理论和形式化的体系方向的发展。论文的主要研究工作如下:(1)提出了面向复杂产品的基于模型的系统设计理论,改善了公理化设计过程,并且为系统设计提供理论基础。结合基于模型的系统工程和公理化设计,对系统设计从抽象到具体的设计过程进行严谨的数学定义。定义了包括用户域、行为域、功能域、结构域、独立公理和信息公理在内的系统设计模型元素。建立了描述系统设计过程的需求—功能—行为—结构模型,在该模型中采用系统行为描述系统功能和结构之间的关系,使用设计公理辅助判断系统设计的优劣。解决了系统设计缺乏理论基础的问题,并且为系统建模提供总体模型框架。(2)建立了基于语义网的公理化系统设计本体模型,实现了设计意图的数字化准确表达。建立了用户需求、功能需求、设计参数和设计方案的本体,规范地描述了系统设计过程中的语义信息。建立了面向独立公理和信息公理的推理规则,实现了系统设计中的功能耦合和最优设计方案的自动推理。解决了系统设计中非正式的表达方式导致的语义不一致问题,保证了系统设计意图被不同专业领域的设计师和计算机所理解。(3)提出了一种基于知识的工程变更传播预测算法,提高了复杂产品工程变更影响分析的准确性和效率。构建系统模型重用框架,包括本体层、系统设计信息层和工程学科设计信息层,在工程学科设计信息层中,利用本体结盟技术将不同工程学科已有的设计参数关联到系统设计方案中,使设计师可以在系统设计阶段重用工程学科信息。从知识的角度出发,提出了一种通用的功能变更传播算法,在功能需求变化时,通过该算法可以预测变更传播影响的范围和大小,极大地改善了系统建模中功能更改的效率。在以上系统设计理论和建模方法的基础上,搭建了系统建模软件框架。该框架基于开源的建模软件Papyrus和本体建模软件Protégé,实现了基于模型的系统设计信息的元模型和和本体的建立。在该框架下,开发了系统设计矩阵生成插件、系统模型重用插件、卫星总装数据库管理系统、功能变更传播预测插件,实现了设计矩阵的自动生成,工程学科信息的重用,以及功能变更的准确预测。以卫星的任务分析和卫星电源的系统设计为例对所提出的基于模型的系统理论和建模方法进行了验证。