《Proceedings of the Design Society》：AI-supported implementation of reuse strategies in SysML v2: an MBSE approach using the example of a 3D printer
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本研究针对复杂系统架构中循环性早期集成尚属临时性且难以验证的问题，提出了一种人工智能（AI）支持的基于模型的系统工程（MBSE）方法，以将基于SysML v2模型的循环策略进行集成，并突出潜在的变更与改进。该方法通过受控工作流整合生成式建议，具备可追溯的论证与
本研究针对复杂系统架构中循环性早期集成尚属临时性且难以验证的问题，提出了一种人工智能（AI）支持的基于模型的系统工程（MBSE）方法，以将基于SysML v2模型的循环策略进行集成，并突出潜在的变更与改进。该方法通过受控工作流整合生成式建议，具备可追溯的论证与上下文增强的查询功能，并以3D打印机打印头的建模为例进行了方法说明。
循环经济旨在通过减缓、闭合和缩小资源流来保持技术系统中的材料和功能价值（Bocken等，2016）。实践中，策略常沿9R框架组织（Kirchherr等，2017；Potting等，2017），而保留功能价值的措施（如再利用、修复、翻新、再制造和重新配置）显示出特别高的杠杆效应（Juresa等，2024）。MBSE支持的循环策略早期集成是实现全生命周期生态与经济目标的关键前提（Gon?alves等，2025）。然而，工业实践仍由回收主导（Potting等，2017），这常导致材料属性和功能性能的损失，错失更高价值的循环路径（Bubinek等，2025）。政策开始纠正这种失衡，欧盟委员会强调预防、减量和再利用优先于以材料为中心的回收（European Commission. Joint Research Centre.，2024）。研究支持这种优先排序，例如对于信息通信技术产品，再利用和翻新可相对新生产或仅回收的基线减少约三分之一的温室气体排放（Rittershaus和Maga，2025）。更广泛而言，再利用之所以有效，是因为它保留了预期功能并避免了材料和能源的转化损失，特别是当仅需最小程度的修复或修改时（Cooper和Gutowski，2017；Ellen MacArthur Foundation和McKinsey，2015）。
产品或组件能否在后期被再利用，很大程度上在早期设计阶段即已决定。关键决定因素包括模块化、标准化接口、允许无损拆卸的可触及连接，以及将易磨损部件与耐用组件分离（Schischke等，2019；Weyrich等，2014）。这些特征增加了再利用、修复和再制造在全生命下游阶段的可行性，但仍未在许多开发项目中系统嵌入（Du等，2025；Parchomenko等，2023）。然而，广泛适用的早期开发方法仍然有限，许多与循环性相关的属性被纳入较晚，从而延迟其实现（Bocken等，2016；St?lzle等，2023a，2023b）。
MBSE有助于将循环标准前置，通过在单一模型中链接需求、架构、分析和验证，同步学科并支持一致的变更和变型管理（Eigner，2021；Watz和Hallstedt，2018；Wilking等，2024）。与以文档为中心的模板或孤立评估工具相比，系统模型可作为集成骨干，其中循环目标、结构性使能因素（如模块化和标准化）以及生命周期指标共存、可追溯，并在项目和产品代际间可重用，从而使循环约束影响与性能和成本相同的决策。AI可通过大语言模型（LLMs）补充这一方法，实现跨项目知识的检索增强生成（RAG），并可被约束为交付引用特定模型元素的结构化结果。AI由此解决了MBSE实践中的典型瓶颈：从分散的文档和法规中提取和结构化信息、提出架构和需求变型、突出手动难以探索的权衡，而系统模型为安全使用提供了形式边界条件。当与人工决策以及确保可追溯性和规则一致性的流程相结合时，生成式辅助可以从建议列表走向关于架构变更的可测试假设（Hunger等，2025；Jiang等，2025；Kulkov等，2024）。
为将这些需求置于现实背景中，研究选取了熔融沉积建模（Fused Deposition Modeling, FDM）打印头作为研究对象。这一机电一体化子组件在紧凑的封装内集中了热学、流体、电气和机械功能，并在其生命周期内反复接受服务。实践中，粘接的加热器和传感器、不可触及的紧固件以及定制连接器阻碍了非破坏性拆卸和易磨损部件的再利用。因此，打印头是代表性的智能产品模块，其早期接口定义、模块边界和连接选择决定了再利用是否以可接受的努力和成本成为可能。
该论文提出了一种以再利用为中心的MBSE框架，将循环目标形式化于SysML v2中，并将其链接到产品架构和验证模型。通过利用AI辅助的检索和生成，该框架确保使再利用的设计决策在全产品生命周期内保持可追溯、可测试和可操作。
## 研究背景与问题
循环经济旨在通过减缓、闭合和缩小资源流来保持技术系统中的材料和功能价值。实践中，策略常沿9R框架（Refuse, Rethink, Reduce, Reuse, Repair, Refurbish, Remanufacture, Repurpose, Recycle）组织，而保留功能价值的措施显示出特别高的杠杆效应。MBSE支持的循环策略早期集成是实现全生命周期生态与经济目标的关键前提。然而，工业实践仍由回收主导，这常导致材料属性和功能性能的损失，错失更高价值的循环路径。政策开始纠正这种失衡，欧盟委员会强调预防、减量和再利用优先于以材料为中心的回收。
研究支持这种优先排序，例如对于信息通信技术产品，再利用和翻新可大幅减少温室气体排放。更广泛而言，再利用之所以有效，是因为它保留了预期功能并避免了材料和能源的转化损失。产品或组件能否在后期被再利用，很大程度上在早期设计阶段即已决定，关键决定因素包括模块化、标准化接口、允许无损拆卸的可触及连接，以及将易磨损部件与耐用组件分离。这些特征增加了再利用、修复和再制造的可行性，但仍未在许多开发项目中系统嵌入。广泛适用的早期开发方法仍然有限，许多与循环性相关的属性被纳入较晚，从而延迟其实现。
MBSE有助于将循环标准前置，通过在单一模型中链接需求、架构、分析和验证，同步学科并支持一致的变更和变型管理。与以文档为中心的模板或孤立评估工具相比，系统模型可作为集成骨干，其中循环目标、结构性使能因素以及生命周期指标共存、可追溯，并在项目和产品代际间可重用。AI可通过大语言模型补充这一方法，实现跨项目知识的检索增强生成，并可被约束为交付引用特定模型元素的结构化结果。AI由此解决了MBSE实践中的典型瓶颈，而系统模型为安全使用提供了形式边界条件。
为将这些需求置于现实背景中，研究选取了FDM打印头作为研究对象。这一机电一体化子组件在紧凑的封装内集中了热学、流体、电气和机械功能。实践中，粘接的加热器和传感器、不可触及的紧固件以及定制连接器阻碍了非破坏性拆卸和易磨损部件的再利用。因此，打印头是代表性的智能产品模块，其早期设计决策决定了再利用的可行性。
当前研究存在以下核心问题：其一，现有方法缺乏将再利用导向的9R策略系统嵌入SysML v2作为可验证需求的集成化MBSE与AI方法；其二，生成式建议缺乏受控的、人在回路的工作流治理，无法确保变更历史的可追溯性、可允许性和可验证性。这构成了本研究的两个研究问题。
## 研究方法与关键技术
研究人员开展了一项以再利用为中心的MBSE框架研究，将循环经济原则早期纳入产品开发，并以可追溯和可验证的形式呈现，重点关注再利用策略。该研究基于VDI 2206等已建立的MBSE方法论，涵盖需求、功能、逻辑和物理架构等工件。研究定义了四个对齐层次（业务模型、目标、结构、验证），并开发了SysML v2库，将再利用目标操作化为可验证的模型内容。
关键技术方法包括以下六个方面：
第一，SysML v2建模与库构建。利用SysML v2的文本化、形式化规范语法和标准化API，实现需求、功能、结构和验证的端到端链接。构建可重用的需求定义包、设计构造（模块化分解、接口族、连接和保持机制、寿命分离、间隙规格、跨代模块族兼容性规则）以及验证化工件（计算拆卸步骤数和时间估计、检查接口族一致性）。
第二，子上下文提取服务。基于三个选择标准从模型中提取有界子上下文：目标范围标准选择引用目标装配及其子部件的循环性需求；结构邻域标准遍历块-端口-连接图外拓一跳；规则相关性标准添加前提条件提及已选元素的规则条目。该快照具有确定性，确保任何建议均可追溯至触发的确切模型状态。
第三，提示包工程。将子上下文组装为包含八个有序部分的提示包：运行标头、任务指令、有界模型快照、规则清单、指标目标、允许目录、检索证据与模式提示、输出契约。输出契约要求每个建议识别所涉元素、呈现最小文本增量、陈述预期指标效应、枚举追溯更新并标记接近违规的规则。
第四，检索增强生成（RAG）架构。检索层独立于生成层，查询经过筛选的知识库（连接和分离技术、材料和组件数据、先前接受的变更集及其测量效应），将检索片段过滤后注入提示包。该分离设计确保每个注入片段的来源可追溯，独立于下游语言模型。
第五，三阶段验证管道。语法门解析增量是否符合SysML v2语法；规则合规门对照完整规则清单评估修改后的快照；指标预测门使用参数化测试用例重新计算声称效应。仅通过全部三门的建议才呈递给工程师。
第六，可解释性对话与版本控制。工程师可查询任何建议的证明，对话基于相同子上下文和检索片段，引用具体模型元素和知识片段。接受的条目作为原子变更集应用于专用分支并基线化，附带链接至 governing 需求和预测指标效应的论证；拒绝的建议以结构化原因归档防止重复。
## 研究结果
研究人员以FDM打印头为实例验证了该框架，旨在证明再利用目标可转化为可验证的SysML v2化工件、RAG可提出有意义的模型变更、且这些变更可在单一连贯工作流中受控集成和测量。
**初始模型与需求定义**。打印头系统边界涵盖丝材进给、熔融区和喷嘴、热管理、传感和驱动、结构支撑以及与运动系统的互连。初始模型中定义了HeatSink、HeatBreak、HeaterBlock、Nozzle、FilamentPath、Thermistor、HeaterCartridge、CableHarness、QuickConnect和MountInterface等块。端口针对项目级接口族进行类型化，涵盖热学、电气、流体和机械交互。再利用需求定义了接口标准化覆盖率、模块级更换的最大拆卸步骤和时间、易磨损与耐用部件的分离、以及服务相关路径上避免破坏性连接等目标。每项需求通过satisfy链接至候选结构，通过verify链接至脚本化测试用例。
**端到端建议追溯**。初始模型中Thermistor通过AdhesiveBond连接附于HeaterBlock，该永久性连接技术需四步拆卸、估计任务时间3.5分钟、并在传感器更换服务路径上产生一处破坏性连接违规。子上下文提取器选择Thermistor块、其thermalContact端口、AdhesiveBond连接及规则NoDestructiveJoinOnServicePath。检索层获取弹簧加载夹套袖的数据表以及先前接受的变更模式（粘接加热器筒被set-screw保持替代）。语言模型建议以ClampSleeve连接替代AdhesiveBond，定义为可逆、非破坏性，需两步、0.8分钟。该建议指定了从NoDestructiveJoinOnServicePath到新连接的satisfy链接，并更新测试用例T_Disassembly_NoToolDestruct_Sensor。验证管道确认语法一致性、规则合规性和指标一致性。工程师接受该建议，依据为夹套袖在0–350 °C内保持热接触同时实现免工具传感器更换。
**进一步建议生成**。除传感器路径外，进一步建议将Nozzle和HeaterBlock隔离为带标准化机械接口的快拆子模块；将CableHarness路由通过由电气接口配置文件类型化的键控服务连接器；引入明确的间隙规格以减少工具更换。所有建议均以结构化变更集形式返回，针对规则清单和测试套件进行验证。
**变更集成与评估**。变更遵循版本控制流程：工程师接受、编辑或拒绝每项建议，合并接受的变更集于专用分支并创建基线。每项接受的变更携带论证，引用触发需求和受影响测试计划。评估通过重新计算接受变更集前后的指标进行。结果报告显示最大相对改进出现在传感器更换：消除粘接连接移除了该服务路径上唯一的破坏性操作，估计任务时间减少77%。喷嘴交换受益于快拆子模块，通过消除上游拆卸将步骤数减半。接口标准化覆盖率通过项目级接口族几乎翻倍。综合再利用就绪指数（Reuse Readiness Index, RRI）从0.38上升至0.74，反映所有三个构成维度的增益。模型质量通过消除未记录的非可逆连接、增强的论证覆盖率（强制论证字段）以及模块边界处更局部的增量（增加基线稳定性）得到改善。
## 讨论与结论
该研究提出了一种人在回路MBSE方法，将再利用目标编码为可测试需求，将其映射至SysML v2化工件（跨目标、结构和验证层次），并采用检索增强生成产生受控的、可追溯的模型增量，在基线化前由规则和指标验证。打印头上的实例验证展示了端到端工作流：系统模型和循环性需求库被导出至生成环境，生成了强调标准化接口、可逆连接和可访问可更换模块的建议，接受的变更以记录论证和立即重新计算再利用指标的方式集成。结果证实了所有跟踪指标的显著改进。
核心贡献包括三方面：在早期产品设计中操作化循环性；通过建议的来源追溯增加透明度；实现连接需求、结构和证据的一致规则和指标检查。局限性源于单一产品领域的验证、检索对模型完整性和文档覆盖度的依赖、以及需要物理确认的架构级拆卸估计。未来研究将扩展规则清单至额外9R策略、跨产品线和代际推广词汇、整合知识图以传播环境后果至决策、基准测试替代语言模型和提示设计、并开展受控研究以量化跨多元智能产品类别的努力、质量和生命周期影响。
