簡談基于模型的系統工程概述論文
0引言
伴隨中國航空工業的發展，航空產品經歷了從機械到機械、電子到機械、電子、軟件等多學科高度綜合的過程，其體系也經歷了從分立式到聯合式、綜合式、高度綜合式的發展歷程。在系統體系的演變歷程中，系統功能的互操作由獨立向基于共享資源的交互演進，接口定義由功能性的聚合、松耦合向高度綜合、緊耦合的方向發展，集成工作由簡單功能向更加復雜的功能發展，系統的互聯由離散向高度網絡化的互聯發展，系統失效模式由透明化的簡單行為向不透明的復雜綜合行為發展。
目前，在航空系統工程實施過程中，產生的信息均是以文檔的形式來描述和記錄。隨著近年來中國航空型號研制數量大幅度增加，系統復雜度和規模不斷提高，跨學科、交叉學科系統的出現，基于文檔的系統工程難以保證產品數據一致性、數據的可追溯性等需求。
為了應對類似的挑戰，在國際航空領域，NASA在原有系統工程研制模式的基礎上采用了國際系統工程組織(INCOSE)提出的基于模型的系統工程(Model-basedSystemsEngineering，MBSE)[1]管理新模式和實現技術。基于模型的系統工程思想是通過建立和使用一系列模型對系統工程的原理、過程和實踐進行形式化控制，通過建立系統、連續、集成、綜合、覆蓋全周期的模型驅動工作模式幫助人們更好地運用系統工程的原理，大幅降低管理的復雜性，提高系統工程的魯棒性和精確性，將整個系統工程作為一個技術體系和方法，而不是作為一系列的事件。本文通過從當前遇到的問題、推行基于模型的系統工程的必要性、優勢、未來的挑戰等幾個方面進行了較為詳細的闡述。
1TSE的概念
傳統的系統工程用各種文本文檔構建系統架構，其中的產出物是一系列基于自然語言的、以文本格式為主的文檔，比如用戶的需求、設計方案，當然也包括一些用實物做成的物理模型等。例如火箭的總體布局方案、推進系統、控制系統等分系統的設計方案以及彈道方案、分離方案等。把這些文檔串起來的東西是一系列的術語及參數，這些術語對系統進行了定性描述。各種參數是系統的定量描述。各專業學科的分析模型從文檔中抽取相關參數進行計算，計算之后再把相關參數寫入文檔，轉交給其它學科和相關人員。參數在各文檔之間來回流動，這種設計流程也被稱作拋過墻的設計。很顯然，在這個過程中，文檔管理的機制、配置管理的機制非常重要。總體設計的工作主要就是抓總和協調，并控制這些術語和參數。上述描述的系統工程是基于文本的系統工程(TextBasedSystemEngineering,TSE)。TSE的文檔在描述系統架構模型時具有天生的缺陷：TSE的文檔是基于自然語言、基于文本形式，當然也包括少量的表格、圖示、圖畫、照片等。由于自然語言并非專門為系統設計所發明，而是要表示大千世界的萬事萬物，還要表示紛繁復雜的各專業學科知識，所以TSE的文檔要依靠相關工程設計的術語來使各方對系統有共同的理解和認識。所以各方的溝通交流要依賴不斷更新的術語表、詞匯表等，否則就容易產生理解的不一致性。尤其是當系統的規模越來越大、涉及的學科和參與的單位越來越多時，這個問題就更加突出了文檔的電子化、網絡化并沒有從根本上改變各方對文檔理解的不一致性。
2MBSE的概念和內涵
在2007年，國際系統工程學會(INCOSE)在系統工程2020年愿景中給出了基于模型的系統工程的定義。基于模型的系統工程(ModelBasedSystemEngineering,MBSE)是對系統工程活動中建模方法應用的正式認同，以使建模方法支持系統要求、設計、分析、驗證和確認等活動，這些活動從概念性設計階段開始，持續貫穿到設計開發以及后來的所有的壽命周期階段。從MBSE的定義可見，建模就是運用某種建模語言和建模工具來建立模型的過程，仿真是對模型的實施與執行。模型是我們思考問題的基本方法，是設計工作的思維基礎。實際上，各專業學科及系統工程一直在使用建模與仿真方法，MBSE并不是對建模方法的首次采用，也就是說，MBSE與傳統系統工程的區別并不在是否采用建模方法。基于模型的系統工程開發方法中涉及到的關鍵技術有系統架構設計、多物理領域建模、集成的仿真計算環境、模型和數據的管理。
3國外MBSE發展情況
近年來，國際領先的航空企業在積極實踐和推進MBSE。例如，空客公司在A350系列飛機的開發中全面采用MBSE，在飛機研制中逐層細化需求并進行功能分析和設計綜合，不僅實現了頂層系統需求分解與確認，也實現了向供應商、分包商的需求分配和管理。洛克希德·馬丁公司采用MBSE來統一進行需求管理和系統架構模型，并向后延伸到機械、電子設備以及軟件等的設計與分析之中，如：基于MatLab的算法分析以及SystemC、Verilog、ANSYS的軟硬件的設計與分析、Adams的性能分析、SEER的成本分析等，構建了完整的基于模型的航空和防務產品的開發環境[5]。羅克韋爾-柯林斯公司采納MBSE方法覆蓋航電全領域的系統定義和系統測試模型。RR公司依據INCOSE系統工程手冊制定了其自身的系統工程能力框架，涵蓋了系統思考、需求管理、系統定義、接口管理、系統功能分析、系統架構設計、確認和驗證等能力，覆蓋了總工程師、項目管理者、總設計師、系統工程師、系統設計師、開發工程師、質量工程師、服務工程師等崗位職責，實現了從航空動力系統到子系統到部件的系統工程迭代。波音公司構建了以任務和需求定義、邏輯和功能集成、功能和邏輯架構設計為核心的覆蓋產品全生命周期的MBSE過程，從運行概念到需求到設計到生產。
NASA在多個新的及已有的項目上積極運用MBSE，其目的是顯著提升項目的經濟可承受性、縮減開發時間、有效管理系統的復雜性、提升系統整體的質量水平。軟件工具提供商也在積極行動。IBM公司也開發了1種方法論，稱為針對系統工程的統一軟件過程(MDSD)軟件提供商積極開發相關支撐平臺。如LMS公司的多領域系統仿真集成平臺，可用于飛機開發的每個階段(從前期的概念設計分析、詳細設計到產品驗證)。
4當前存在的現實問題
隨著系統的規模和復雜程度的提高，傳統的基于文檔的系統工程將產生大量的各種不同的文檔，其面臨的困難越來越明顯：
(1)信息的完整性和一致性以及信息之間的關系難于評估和確定，因為其散布于各種不同的數量巨大的文檔中。
(2)難以描述各種活動。活動是動態的，有交互的，僅用文字描述對于相對簡單，參與方不多的活動還能勝任，但對于復雜活動就很難描述清楚。
(3)更改的難度很大。由于文檔數量巨大，要確保更改所有需要更改的內容，是1項很難很大的工程。
(4)傳統的系統設計方法依賴文檔形式的需求管理。在形成需求后開發系統架構，并由設計師人工建立設計結果與需求之間的鏈接關系。如果出現不滿足需求的情況，必須作出更改并重新建立鏈接關系。這一迭代過程隨著設計進程的推進會在頂層設計、子系統設計和設備級設計層次不斷重復。經驗表明這一方法存在周期長、驗證需求符合性困難、系統間接口不明確以及更改流程復雜耗時等諸多問題。
(5)飛機整機的設計面臨新的問題：一方面是系統本身越來越復雜，特別是隨著多電飛機的發展，智能控制系統的采用越來越多，使得在傳統開發流程中如何有效地考慮機電一體化系統開發，特別是在開發階段如何綜合地考慮控制系統和受控對象的耦合成為開發的關鍵之一;另一方面是不同研發部門或供應商的系統如何集成，特別是在設計的早期如何通過系統的集成確保系統設計的成熟性是全球航空行業產品開發面臨的棘手問題。
5MBSE的優勢
基于模型的系統工程就采用模型的'表達方法來描述系統的整個生命周期過程中需求、設計、分析、驗證和確認等活動。基于模型的系統工程的出現就是為了解決基于文檔的系統工程方法的困難，相對于基于文檔的系統工程方法，主要在以下幾個方面有所改進：
(1)知識表示的無二義性。文字的描述經常會因為個人理解的差異而產生不同的解釋，團隊成員針對文檔在大腦中形成的構思模型不可能完全一致。而模型是1種高度圖形化的表示方法，具有直觀、無歧義、模塊化、可重用等優點，建立系統模型可以準確統一地描述系統的功能、詳細規范與設計等方面，對整個系統內部的各細節形成統一的理解，尤其是可以提高設計人員和開發人員之間的理解的一致性。系統模型是1種最佳實踐方法，可以保證團隊成員對此有相同的理解，為解決問題和改進系統提供基礎。
(2)溝通交流的效率提高。隨著系統的規模和復雜程度的提高，各種文檔越來越多，相對于厚厚的技術文檔，閱讀圖形化的模型顯然更加便利直觀、無歧義，使得不同人對同一模型具有統一一致的理解，有利于提高系統內需要協調工作部門之間的溝通與交流的效率，如顧客、管理人員、系統工程師、軟硬件開發人員、測試人員等。
(3)系統設計的一體化。由于系統模型的建立涵蓋系統的整個生命周期過程，包括系統的需求、設計、分析、驗證和確認等活動，是1個統一整體的過程，可以提供1個完整的、一致的并可追溯的系統設計，從而可以保證系統設計的一體化，避免各組成部分間的設計沖突，降低風險。
(4)系統內容的可重用性。系統設計最基本的要求就是滿足系統的需求并且把需求分配到各組成部分，因此建立系統的設計模型必然會對系統的各功能進行分析并分解到各模塊去實現，從而對于功能類型相同的模塊不必重復開發。
(5)增強知識的獲取和再利用。系統生命周期中包含著許多信息的傳遞和轉換過程，如設計人員需要提取需求分析人員產生的需求信息進行系統的設計。由于模型具有的模塊化特點，使得信息的獲取、轉換以及再利用都更加方便和有效。
(6)可以通過模型多角度的分析系統，分析更改的影響，并支持在早期進行系統的驗證和確認，從而可以降低風險，減少設計更改的周期時間和費用。與其他工程學科(軟件、電子等)一樣，系統工程正在進化：從基于文檔的方法到基于模型的方法，而這也正是系統工程發展的必然趨勢。
(7)MBSE和TSE的區別就在于系統架構模型的構建方法和工具的不同，以及由此帶來的工作模式、設計流程等方面的區別。也就是說，傳統的系統工程變成基于模型的系統工程，實際是從基于文本向基于模型的轉變。這個模型是指用系統建模語言建立的系統架構模型，或者說是系統架構模型的建模語言從自然語言(文本格式)轉向了圖形化的系統建模語言(SysML)。但MBSE并沒完全拋棄過去的文檔，而是從過去以文檔為主模型為輔向以模型為主文檔為輔的轉變。
(8)MBSE可以更好地支持V&V(VerificationandValidation)，由于引入了很多的工具軟件，借助工具軟件的優勢，可以大幅提高測試與驗證的效率與正確性。同時可以提高測試與驗證的自動化水平，降低人工手動測試與驗證的低級錯誤，并提高效率。
(9)MBSE有助于進一步突破時間和空間對設計工作的限制。TSE下相關的設計工作要遵循一定的時間順序，而且還有一定的空間限制。比如：系統工程文檔要按照一定的順序進行流轉，上一個專業學科分析做完之后，才能夠進行下一個專業的分析，而且做出樣機后各方才能進行測試等。MBSE下用系統建模語言構建出模型后，就能進行各種分析和測試，提前協調、平衡和優化。而且各方圍繞著1個存儲著系統架構模型數據的數據銀行并行開展工作，并且可以支持遠程及分布式的工作模式，突破設計人員地理位置的限制。
6MBSE未來發展面對的挑戰
(1)MBSE的推進需要行政干預。基于模型的系統工程的推進需要付出巨大努力，并且不是所有系統成員都渴望MBSE的推進。對于一些人來說，建立模型并且驗證模型純粹是浪費時間，與其花費巨大的時間建模與驗模，還不如省下時間開發新產品。很多諸如此類的觀念是短時間內很難改變的，需要行政力量去干預并且改變這種觀念。基于模型的系統工程是1種新的工作方法，需要完全改變以前的工作習慣。這其中的阻力之大可想而知。
(2)工具集的集成。每個復雜的系統，都會涉及到很多工具軟件，每個領域會有1種專門工具。對于系統工程來說，沒有1種工具適用所有領域。比如，在功能與邏輯層，可以采用某種多用途仿真工具即可，但對于物理層建模，就需要其他工具。由于使用了多種不同的工具，首先就會增加針對不同工具的維護與培訓費用。其次，更大的風險在于數據如何在多種工具之間進行轉換，同時不可忽視的是，在數據轉換時會產生大量的不可預知的錯誤。不同工具之間數據接口的設計與數據交互也是非常困難。最后，不同工具軟件的聯合在系統層面的仿真是需要真正面對的難題。
(3)系統開發向大型化、復雜化發展。航空系統產品日益龐大復雜，復雜度日益上升，包含的功能越來越多，但是系統組件卻越來越少。同時，軟件在系統中占的比重越來越大，這就增加了對完整產品需求定義的難度。對于復雜大系統的要求是減少部件數量、提高每個系統部件的能力、部件之間可以松散耦合與緊密集成。只有按照這個要求才可以實現系統的高效運作，同時才能實現便于后續的維護與擴展。
7結束語
MBSE使用建立的模型并且仿真，經過20年的發展，已經取得了巨大成就。MBSE有著諸多顯而易見的優勢，雖然未來的發展也有挑戰，但挑戰與機遇并存。MBSE增加了前后端程序的花費，但是也增加了對多種領域工具軟件的需求。總之，MBSE是針對系統工程一系列解決方法中的最佳實踐方法。這一方法依靠大型軟件平臺，建立各級別的需求與相應的系統方案元素的鏈接，并以圖形化的方式展示設計者對系統的認識。因為摒棄了繁縟的文檔管理方式，系統模型與需求之間的關系更加明確，系統更改造成的影響也更加透明。設計者之間通過易于理解的圖形交流系統設計方案，減少了由誤解造成的隱患。可執行的功能模型使得在設計的各階段都能分析系統對需求的符合性，并驗證系統需求是否符合利益相關方的原始需求。
綜上所述，基于模型的系統工程非常重要，從事MBSE的工作將大有可為。認真研究，積極引進、消化、吸收，形成具有中國特色的MBSE，為中國國防實力和綜合國力的提升夯實基礎。
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