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簡談基于模型的系統(tǒng)工程概述論文
0引言
伴隨中國航空工業(yè)的發(fā)展，航空產(chǎn)品經(jīng)歷了從機械到機械、電子到機械、電子、軟件等多學(xué)科高度綜合的過程，其體系也經(jīng)歷了從分立式到聯(lián)合式、綜合式、高度綜合式的發(fā)展歷程。在系統(tǒng)體系的演變歷程中，系統(tǒng)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(fā)展，集成工作由簡單功能向更加復(fù)雜的功能發(fā)展，系統(tǒng)的互聯(lián)由離散向高度網(wǎng)絡(luò)化的互聯(lián)發(fā)展，系統(tǒng)失效模式由透明化的簡單行為向不透明的復(fù)雜綜合行為發(fā)展。
目前，在航空系統(tǒng)工程實施過程中，產(chǎn)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(shù)量大幅度增加，系統(tǒng)復(fù)雜度和規(guī)模不斷提高，跨學(xué)科、交叉學(xué)科系統(tǒng)的出現(xiàn)，基于文檔的系統(tǒng)工程難以保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)一致性、數(shù)據(jù)的可追溯性等需求。
為了應(yīng)對類似的挑戰(zhàn)，在國際航空領(lǐng)域，NASA在原有系統(tǒng)工程研制模式的基礎(chǔ)上采用了國際系統(tǒng)工程組織(INCOSE)提出的基于模型的系統(tǒng)工程(Model-basedSystemsEngineering，MBSE)[1]管理新模式和實現(xiàn)技術(shù)�；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程思想是通過建立和使用一系列模型對系統(tǒng)工程的原理、過程和實踐進行形式化控制，通過建立系統(tǒng)、連續(xù)、集成、綜合、覆蓋全周期的模型驅(qū)動工作模式幫助人們更好地運用系統(tǒng)工程的原理，大幅降低管理的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)工程的魯棒性和精確性，將整個系統(tǒng)工程作為一個技術(shù)體系和方法，而不是作為一系列的事件。本文通過從當(dāng)前遇到的問題、推行基于模型的系統(tǒng)工程的必要性、優(yōu)勢、未來的挑戰(zhàn)等幾個方面進行了較為詳細的闡述。
1TSE的概念
傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程用各種文本文檔構(gòu)建系統(tǒng)架構(gòu)，其中的產(chǎn)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(shè)計方案，當(dāng)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(tǒng)、控制系統(tǒng)等分系統(tǒng)的設(shè)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(shù)語及參數(shù)，這些術(shù)語對系統(tǒng)進行了定性描述。各種參數(shù)是系統(tǒng)的定量描述。各專業(yè)學(xué)科的分析模型從文檔中抽取相關(guān)參數(shù)進行計算，計算之后再把相關(guān)參數(shù)寫入文檔，轉(zhuǎn)交給其它學(xué)科和相關(guān)人員。參數(shù)在各文檔之間來回流動，這種設(shè)計流程也被稱作拋過墻的設(shè)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(shè)計的工作主要就是抓總和協(xié)調(diào)，并控制這些術(shù)語和參數(shù)。上述描述的系統(tǒng)工程是基于文本的系統(tǒng)工程(TextBasedSystemEngineering,TSE)。TSE的文檔在描述系統(tǒng)架構(gòu)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(dāng)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(tǒng)設(shè)計所發(fā)明，而是要表示大千世界的萬事萬物，還要表示紛繁復(fù)雜的各專業(yè)學(xué)科知識，所以TSE的文檔要依靠相關(guān)工程設(shè)計的術(shù)語來使各方對系統(tǒng)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(shù)語表、詞匯表等，否則就容易產(chǎn)生理解的不一致性。尤其是當(dāng)系統(tǒng)的規(guī)模越來越大、涉及的學(xué)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(wǎng)絡(luò)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(nèi)涵
在2007年，國際系統(tǒng)工程學(xué)會(INCOSE)在系統(tǒng)工程2020年愿景中給出了基于模型的系統(tǒng)工程的定義。基于模型的系統(tǒng)工程(ModelBasedSystemEngineering,MBSE)是對系統(tǒng)工程活動中建模方法應(yīng)用的正式認同，以使建模方法支持系統(tǒng)要求、設(shè)計、分析、驗證和確認等活動，這些活動從概念性設(shè)計階段開始，持續(xù)貫穿到設(shè)計開發(fā)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(zhí)行。模型是我們思考問題的基本方法，是設(shè)計工作的思維基礎(chǔ)。實際上，各專業(yè)學(xué)科及系統(tǒng)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(tǒng)系統(tǒng)工程的區(qū)別并不在是否采用建模方法�；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程開發(fā)方法中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、多物理領(lǐng)域建模、集成的仿真計算環(huán)境、模型和數(shù)據(jù)的管理。
3國外MBSE發(fā)展情況
近年來，國際領(lǐng)先的航空企業(yè)在積極實踐和推進MBSE。例如，空客公司在A350系列飛機的開發(fā)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(shè)計綜合，不僅實現(xiàn)了頂層系統(tǒng)需求分解與確認，也實現(xiàn)了向供應(yīng)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(tǒng)一進行需求管理和系統(tǒng)架構(gòu)模型，并向后延伸到機械、電子設(shè)備以及軟件等的設(shè)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(shè)計與分析、Adams的性能分析、SEER的成本分析等，構(gòu)建了完整的基于模型的航空和防務(wù)產(chǎn)品的開發(fā)環(huán)境[5]。羅克韋爾-柯林斯公司采納MBSE方法覆蓋航電全領(lǐng)域的系統(tǒng)定義和系統(tǒng)測試模型。RR公司依據(jù)INCOSE系統(tǒng)工程手冊制定了其自身的系統(tǒng)工程能力框架，涵蓋了系統(tǒng)思考、需求管理、系統(tǒng)定義、接口管理、系統(tǒng)功能分析、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、確認和驗證等能力，覆蓋了總工程師、項目管理者、總設(shè)計師、系統(tǒng)工程師、系統(tǒng)設(shè)計師、開發(fā)工程師、質(zhì)量工程師、服務(wù)工程師等崗位職責(zé)，實現(xiàn)了從航空動力系統(tǒng)到子系統(tǒng)到部件的系統(tǒng)工程迭代。波音公司構(gòu)建了以任務(wù)和需求定義、邏輯和功能集成、功能和邏輯架構(gòu)設(shè)計為核心的覆蓋產(chǎn)品全生命周期的MBSE過程，從運行概念到需求到設(shè)計到生產(chǎn)。
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(jīng)濟可承受性、縮減開發(fā)時間、有效管理系統(tǒng)的復(fù)雜性、提升系統(tǒng)整體的質(zhì)量水平。軟件工具提供商也在積極行動。IBM公司也開發(fā)了1種方法論，稱為針對系統(tǒng)工程的統(tǒng)一軟件過程(MDSD)軟件提供商積極開發(fā)相關(guān)支撐平臺。如LMS公司的多領(lǐng)域系統(tǒng)仿真集成平臺，可用于飛機開發(fā)的每個階段(從前期的概念設(shè)計分析、詳細設(shè)計到產(chǎn)品驗證)。
4當(dāng)前存在的現(xiàn)實問題
隨著系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度的提高，傳統(tǒng)的基于文檔的系統(tǒng)工程將產(chǎn)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(guān)系難于評估和確定，因為其散布于各種不同的數(shù)量巨大的文檔中。
(2)難以描述各種活動�；顒邮莿討B(tài)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(fù)雜活動就很難描述清楚。
(3)更改的難度很大。由于文檔數(shù)量巨大，要確保更改所有需要更改的內(nèi)容，是1項很難很大的工程。
(4)傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計方法依賴文檔形式的需求管理。在形成需求后開發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)，并由設(shè)計師人工建立設(shè)計結(jié)果與需求之間的鏈接關(guān)系。如果出現(xiàn)不滿足需求的情況，必須作出更改并重新建立鏈接關(guān)系。這一迭代過程隨著設(shè)計進程的推進會在頂層設(shè)計、子系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備級設(shè)計層次不斷重復(fù)。經(jīng)驗表明這一方法存在周期長、驗證需求符合性困難、系統(tǒng)間接口不明確以及更改流程復(fù)雜耗時等諸多問題。
(5)飛機整機的設(shè)計面臨新的問題：一方面是系統(tǒng)本身越來越復(fù)雜，特別是隨著多電飛機的發(fā)展，智能控制系統(tǒng)的采用越來越多，使得在傳統(tǒng)開發(fā)流程中如何有效地考慮機電一體化系統(tǒng)開發(fā)，特別是在開發(fā)階段如何綜合地考慮控制系統(tǒng)和受控對象的耦合成為開發(fā)的關(guān)鍵之一;另一方面是不同研發(fā)部門或供應(yīng)商的系統(tǒng)如何集成，特別是在設(shè)計的早期如何通過系統(tǒng)的集成確保系統(tǒng)設(shè)計的成熟性是全球航空行業(yè)產(chǎn)品開發(fā)面臨的棘手問題。
5MBSE的優(yōu)勢
基于模型的系統(tǒng)工程就采用模型的表達方法來描述系統(tǒng)的整個生命周期過程中需求、設(shè)計、分析、驗證和確認等活動�；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程的出現(xiàn)就是為了解決基于文檔的系統(tǒng)工程方法的困難，相對于基于文檔的系統(tǒng)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(jīng)常會因為個人理解的差異而產(chǎn)生不同的解釋，團隊成員針對文檔在大腦中形成的構(gòu)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(yōu)點，建立系統(tǒng)模型可以準確統(tǒng)一地描述系統(tǒng)的功能、詳細規(guī)范與設(shè)計等方面，對整個系統(tǒng)內(nèi)部的各細節(jié)形成統(tǒng)一的理解，尤其是可以提高設(shè)計人員和開發(fā)人員之間的理解的一致性。系統(tǒng)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(tǒng)提供基礎(chǔ)。
(2)溝通交流的效率提高。隨著系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度的提高，各種文檔越來越多，相對于厚厚的技術(shù)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(tǒng)一一致的理解，有利于提高系統(tǒng)內(nèi)需要協(xié)調(diào)工作部門之間的溝通與交流的效率，如顧客、管理人員、系統(tǒng)工程師、軟硬件開發(fā)人員、測試人員等。
(3)系統(tǒng)設(shè)計的一體化。由于系統(tǒng)模型的建立涵蓋系統(tǒng)的整個生命周期過程，包括系統(tǒng)的需求、設(shè)計、分析、驗證和確認等活動，是1個統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計，從而可以保證系統(tǒng)設(shè)計的一體化，避免各組成部分間的設(shè)計沖突，降低風(fēng)險。
(4)系統(tǒng)內(nèi)容的可重用性。系統(tǒng)設(shè)計最基本的要求就是滿足系統(tǒng)的需求并且把需求分配到各組成部分，因此建立系統(tǒng)的設(shè)計模型必然會對系統(tǒng)的各功能進行分析并分解到各模塊去實現(xiàn)，從而對于功能類型相同的模塊不必重復(fù)開發(fā)。
(5)增強知識的獲取和再利用。系統(tǒng)生命周期中包含著許多信息的傳遞和轉(zhuǎn)換過程，如設(shè)計人員需要提取需求分析人員產(chǎn)生的需求信息進行系統(tǒng)的設(shè)計。由于模型具有的模塊化特點，使得信息的獲取、轉(zhuǎn)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(tǒng)，分析更改的影響，并支持在早期進行系統(tǒng)的驗證和確認，從而可以降低風(fēng)險，減少設(shè)計更改的周期時間和費用。與其他工程學(xué)科(軟件、電子等)一樣，系統(tǒng)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(tǒng)工程發(fā)展的必然趨勢。
(7)MBSE和TSE的區(qū)別就在于系統(tǒng)架構(gòu)模型的構(gòu)建方法和工具的不同，以及由此帶來的工作模式、設(shè)計流程等方面的區(qū)別。也就是說，傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程變成基于模型的系統(tǒng)工程，實際是從基于文本向基于模型的轉(zhuǎn)變。這個模型是指用系統(tǒng)建模語言建立的系統(tǒng)架構(gòu)模型，或者說是系統(tǒng)架構(gòu)模型的建模語言從自然語言(文本格式)轉(zhuǎn)向了圖形化的系統(tǒng)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(zhuǎn)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(yōu)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(shè)計工作的限制。TSE下相關(guān)的設(shè)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(tǒng)工程文檔要按照一定的順序進行流轉(zhuǎn)，上一個專業(yè)學(xué)科分析做完之后，才能夠進行下一個專業(yè)的分析，而且做出樣機后各方才能進行測試等。MBSE下用系統(tǒng)建模語言構(gòu)建出模型后，就能進行各種分析和測試，提前協(xié)調(diào)、平衡和優(yōu)化。而且各方圍繞著1個存儲著系統(tǒng)架構(gòu)模型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)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(shè)計人員地理位置的限制。
6MBSE未來發(fā)展面對的挑戰(zhàn)
(1)MBSE的推進需要行政干預(yù)�；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程的推進需要付出巨大努力，并且不是所有系統(tǒng)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?zāi)�，還不如省下時間開發(fā)新產(chǎn)品。很多諸如此類的觀念是短時間內(nèi)很難改變的，需要行政力量去干預(yù)并且改變這種觀念�；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程是1種新的工作方法，需要完全改變以前的工作習(xí)慣。這其中的阻力之大可想而知。
(2)工具集的集成。每個復(fù)雜的系統(tǒng)，都會涉及到很多工具軟件，每個領(lǐng)域會有1種專門工具。對于系統(tǒng)工程來說，沒有1種工具適用所有領(lǐng)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(xùn)費用。其次，更大的風(fēng)險在于數(shù)據(jù)如何在多種工具之間進行轉(zhuǎn)換，同時不可忽視的是，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時會產(chǎn)生大量的不可預(yù)知的錯誤。不同工具之間數(shù)據(jù)接口的設(shè)計與數(shù)據(jù)交互也是非常困難。最后，不同工具軟件的聯(lián)合在系統(tǒng)層面的仿真是需要真正面對的難題。
(3)系統(tǒng)開發(fā)向大型化、復(fù)雜化發(fā)展。航空系統(tǒng)產(chǎn)品日益龐大復(fù)雜，復(fù)雜度日益上升，包含的功能越來越多，但是系統(tǒng)組件卻越來越少。同時，軟件在系統(tǒng)中占的比重越來越大，這就增加了對完整產(chǎn)品需求定義的難度。對于復(fù)雜大系統(tǒng)的要求是減少部件數(shù)量、提高每個系統(tǒng)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(xiàn)系統(tǒng)的高效運作，同時才能實現(xiàn)便于后續(xù)的維護與擴展。
7結(jié)束語
MBSE使用建立的模型并且仿真，經(jīng)過20年的發(fā)展，已經(jīng)取得了巨大成就。MBSE有著諸多顯而易見的優(yōu)勢，雖然未來的發(fā)展也有挑戰(zhàn)，但挑戰(zhàn)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(lǐng)域工具軟件的需求。總之，MBSE是針對系統(tǒng)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(yīng)的系統(tǒng)方案元素的鏈接，并以圖形化的方式展示設(shè)計者對系統(tǒng)的認識。因為摒棄了繁縟的文檔管理方式，系統(tǒng)模型與需求之間的關(guān)系更加明確，系統(tǒng)更改造成的影響也更加透明。設(shè)計者之間通過易于理解的圖形交流系統(tǒng)設(shè)計方案，減少了由誤解造成的隱患�？蓤�(zhí)行的功能模型使得在設(shè)計的各階段都能分析系統(tǒng)對需求的符合性，并驗證系統(tǒng)需求是否符合利益相關(guān)方的原始需求。
綜上所述，基于模型的系統(tǒng)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(chǔ)。
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