《Proceedings of the Design Society》：The design of a MBSE enabled ecodesign approach: case of application at a Dutch radar system developer
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随着环境可持续性推动各类组织将可持续系统设计整合进工程工作流程，如何将高层级环境目标转化为可执行的设计实践，仍然存在明显缺口。本研究针对这一集成缺口，开发了一种面向荷兰某雷达系统开发企业早期产品设计阶段的模型驱动系统工程（MBSE）赋能生态设计方法。该方法采用
随着环境可持续性推动各类组织将可持续系统设计整合进工程工作流程，如何将高层级环境目标转化为可执行的设计实践，仍然存在明显缺口。本研究针对这一集成缺口，开发了一种面向荷兰某雷达系统开发企业早期产品设计阶段的模型驱动系统工程（MBSE）赋能生态设计方法。该方法采用一个由十个步骤组成的方法学框架，将碳足迹分析与MBSE功能数据相结合，以识别系统架构中的热点（hotspots），从而能够在现有工作流程内支持基于数据的决策。
该论文发表于《Proceedings of the Design Society》，围绕生态设计（ecodesign）与模型驱动系统工程（Model-Based Systems Engineering, MBSE）的融合展开，核心目标是解决企业在可持续发展战略与工程实践之间长期存在的“落地断层”问题。研究背景在于，随着气候变化、资源枯竭与污染问题日益严峻，产品全生命周期中的环境绩效已成为企业设计活动的重要约束。尤其在欧洲《可持续产品生态设计法规》（ESPR）等政策持续推进的背景下，企业不仅需要在战略层面设定减排与环境责任目标，更需要将这些目标系统化地嵌入产品研发流程。现有问题在于，许多组织虽已提出高层级生态设计愿景，但在工程实施层面往往缺乏标准化路径；设计团队仍主要围绕性能、功能和成本展开决策，环境因素在早期设计阶段代表性不足。对于复杂防务系统而言，这一矛盾尤为突出，因为系统性能和任务可靠性常被优先考虑，导致生态设计难以真正进入架构决策核心。
在这一背景下，研究人员以一家荷兰雷达系统开发企业为对象开展研究。该企业已经采用基于Capella的MBSE体系，并使用ARCADIA方法论组织产品开发活动，形成从运行分析、系统分析到逻辑架构和物理架构的可追踪建模链条。这一成熟的系统工程基础为生态设计嵌入提供了有利条件，但现实中环境目标尚未转化为标准化工程活动。为弥合这一缺口，研究人员提出一种面向早期产品开发“定向阶段”的MBSE赋能生态设计方法，将碳足迹数据与系统的功能信息、层级信息及能力实现关系进行关联分析，识别具有较高环境影响且功能贡献相对不足的“生态设计热点”，进而生成有针对性的生态设计机会与后续设计导向。研究最终表明，该方法能够在不破坏既有工程流程的前提下，把高层级环境激励有效转译为工程团队可执行的分析与改进活动，并在复杂雷达系统案例中证明了其实用性与相关性。
从方法上看，研究主要采用了三类关键技术路径。第一，基于文献综述构建生态设计早期阶段的一般工作流，并结合企业利益相关方需求明确方法嵌入点。第二，依托Capella/ARCADIA的MBSE模型提取物理组件（P）、物理功能（PF）和能力实现（CR）等架构数据，同时从产品生命周期管理（PLM）系统提取质量、材料、寿命、平均功耗和占空比等技术参数。第三，建立十步生态设计分析流程，将生命周期碳足迹评估、能力级与组件级碳足迹归因、基于“单位功能碳足迹”的热点筛选，以及热点组件的生态设计机会推导串联起来。案例样本来源于企业现有的一款成熟且具有代表性的雷达产品，并与先前探索性试点研究结果进行对照验证。
在“Product development and ecodesign integration needs”部分，研究人员首先说明了企业产品开发流程与MBSE基础设施之间的关系。企业以系统工程为底座，通过Capella工具和ARCADIA四层架构模型实现需求、行为与设计决策的共享与追踪。尽管工程框架完备，但环境目标尚未形成可复制、可扩展的工程惯例。基于这一现状，论文明确提出集成需求：一是利用现有MBSE能力保障可追踪性与一致性；二是将战略性环境目标转化为工程活动；三是突出系统架构中的环境改进区域；四是支持早期决策而不过度增加复杂度。该部分奠定了后续方法设计的企业场景基础。
在“Literature review”部分，研究人员系统梳理了生态设计在组织情境中的适配逻辑，以及早期开发阶段常用的生态设计支持工具。文献指出，核查表、质量功能展开（QFD）和生命周期评价（LCA）各有优势，但在复杂系统的早期设计中存在依赖专家经验、实施复杂或数据受限等问题。与此同时，MBSE与生态设计融合主要有两条路径：一是直接在SysML等建模语言中表示环境属性，二是利用系统行为与架构数据开展环境评估。文献还归纳出一条较为普遍的工作流：先做碳足迹分析，再识别高影响生命周期阶段，随后限定范围、锁定关键组件、生成改进策略并评价影响。该综述为本文提出方法提供了理论依据，并凸显出当前不足：环境评估复杂、数据可得性有限、与既有工程工具的集成障碍明显。
在“Proposed ecodesign approach”部分，论文给出了研究的核心方法贡献。研究人员将新方法嵌入企业现有生态设计开发流程中的“定向”阶段，引入两项关键新活动：识别系统架构中的生态设计热点，以及基于热点推导生态设计机会。方法总计包含十个步骤，并与原有活动A.2和A.5形成平滑接口。其关键创新在于，不再仅依据总碳足迹进行判断，而是借助Capella模型中的功能与层级关系，把环境绩效映射到能力实现与物理组件层面。这使得工程团队能够以系统架构为组织框架，更精确地定位高影响部位，缩小分析范围，提高后续改进活动的针对性。
在“Case of application”部分，研究人员将该方法应用于一款既有雷达产品，用于验证方法有效性。首先，通过步骤1和步骤2完成系统层级生命周期碳足迹分析，得到该雷达系统的总生命周期碳足迹为1041吨CO
2当量，其中制造阶段和使用阶段贡献最大，因此后续分析聚焦于这两个阶段。使用阶段进一步区分为设备在役功耗与由于雷达质量导致运输平台额外排放的“在役机动性”两部分。与此同时，研究确定了后续组件碳足迹计算所需的关键技术参数，包括质量、材料、平均寿命、平均功耗与占空比。
在步骤3中，研究人员从MBSE模型中提取系统功能与架构信息，从PLM系统中提取组件技术参数，建立面向所有相关组件的数据集。MBSE侧数据包括物理组件（P）、物理功能（PF）和能力实现（CR），从而给出组件清单、层级关系、执行功能及其对系统能力的贡献；PLM侧数据则提供量化环境分析基础。步骤4在组件层级计算制造与使用阶段碳足迹，结果显示冷却柜、Director、控制柜（CC）和空气干燥器是高层级子系统中排放最高者。进一步分解后发现，制造阶段贡献相对较小，因此真正值得优先优化的是使用阶段，特别是能效与减重问题。
在步骤5中，研究人员利用Capella模型的可追踪性，将组件碳足迹进一步追溯到它们支撑的系统能力（CR），从而识别“高碳代价能力”。分析表明，Support Capabilities，特别是Mechanical Support和Ensure Cooling，表现出较高的单位组件碳足迹；此外，Maintenance Support、Subsystem Management和System Housekeeping等Stand-Alone能力也位列前列。这一结果说明，某些支持性或专用性功能虽然不是系统显性核心任务，但其实现可能依赖高质量、高功耗或低共享度组件，因此具有较高环境代价。该步骤为后续热点识别提供了功能维度的证据。
在步骤6中，研究人员提出并应用了本方法的核心筛选指标，即将组件总生命周期碳足迹与其执行的物理功能（PF）数量相关联，形成“单位功能碳足迹”指标，用于识别功能贡献相对不足而环境影响过高的热点组件。分析结果表明，Cooling Cabinet是最不具效率的组件，其内部Heater与Pump也位于榜单前列，说明父级总成的高环境影响主要由这些子部件驱动。随后研究设置筛选阈值：组件需至少贡献系统总碳足迹的5%方可进入一级热点候选，并仅保留各层级分支中的最低层组件。最终识别出的热点为Heater、Pump、CTC和structural assembly。该步骤成功将复杂系统中的大量组件收敛为少数重点对象。
在步骤7中，研究人员进一步评价热点组件是否真正适合作为生态设计目标。分析发现，CTC虽然只执行一个中心功能，但关联18项系统能力；若同时考虑能力贡献数，其作为热点的确定性下降，因此被排除出后续考虑。剩余组件中，Heater和Pump对“Ensure Cooling”能力的碳足迹影响显著高于structural assembly对“Mechanical Support”的影响。研究表明，若修改或移除Heater和Pump，可使整个冷却能力的碳足迹潜在下降64.9%，而结构总成调整带来的影响仅为32.5%。因此，Heater与Pump被确定为最终重点改进对象。
在步骤8至步骤10中，研究人员围绕Heater与Pump开展更细致分析并推导生态设计导向。两者生命周期碳足迹中占比最大的均为在役功耗阶段，这与其高占空比直接相关。针对Heater，研究发现其高功耗基于寒冷气候下持续运行的最坏工况，而在许多真实场景中并不需要如此高强度工作，因此提出可通过改善系统隔热等方式优化其功率消耗曲线。针对Pump，研究发现其为跨多个雷达系统共用的标准化组件，实际对当前雷达的冷却与加热需求而言明显过度设计，且仅具有开/关两种模式，效率偏低，因此改进机会在于依据实际需求重构功率消耗特征。基于此，研究最终形成三项战略性生态设计导向：缩小Pump和Heater尺寸以匹配真实工况；利用Heater冗余能力支撑多个船载系统以减少重复配置；为Pump引入可变功率模式以动态响应冷却需求并降低能耗。
在“Discussion”部分，研究人员总结指出，该方法在雷达案例中的应用验证了其在目标组件识别与选择方面的有效性。其突出优势在于将分析重心从系统级转移到组件级，同时又通过MBSE保持与功能和能力架构的紧密联系，因而既避免了对低影响区域的资源浪费，又能够把环境判断建立在工程语义之上。与此前针对同一产品的探索性试点相比，新方法同样识别出Pump是关键优化对象，但过程更加结构化、透明且基于标准化数据指标，因而具有更高的严谨性与可解释性。研究还指出，通过将生态设计导向转化为新的设计需求并回写至MBSE模型，可实现从环境战略到工程设计域的反馈闭环，从而切实缓解高层级激励与底层工程活动之间的脱节。
研究结论部分可概括翻译如下：所开发的生态设计方法成功应对了在防务组织的MBSE赋能开发流程中，将高层级环境激励转化为可执行工程实践这一根本挑战。通过系统整合文献发现与利益相关方需求，该方法展示了如何在不干扰既有实践的前提下，将生态设计嵌入现有工程工作流，即便对象是雷达这类高度复杂系统。尽管该方法展现出良好前景，但仅通过单一案例研究进行验证，限制了其普遍性；未来仍需在更多类型系统上开展应用，以评估更广泛适用性。此外，方法后期阶段缺乏可量化指标，以及利益相关方对MBSE—生态设计集成的熟悉度有限，也提示了进一步优化空间。若能加强与需求工程的连接，并扩展到开发后续阶段，其影响力有望进一步提升。与此同时，热点识别指标虽然简洁且适合早期筛查，但对生命周期输入不确定性和MBSE模型中功能定义方式较为敏感，未来可开发更稳健的度量体系。总体而言，该研究为工业界推进MBSE驱动生态设计提供了一种具有操作性的框架，并为后续向全流程、动态化可持续性评估拓展奠定了基础。
