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基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）的發(fā)展史以及典型應(yīng)用分析

華米軟件 | 04-06 22:05

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與傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程相比，基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)充分發(fā)揮了模型的優(yōu)勢，提高了系統(tǒng)全周期信息表示的一致性，增強(qiáng)了系統(tǒng)功能性能預(yù)驗(yàn)證和多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)的能力。然而，MBSE在中國的實(shí)施正面臨著諸如廣泛的協(xié)調(diào)、學(xué)習(xí)和改造的成本以及大和更多的基礎(chǔ)設(shè)施工作等挑戰(zhàn)。因此，MBSE改造的實(shí)現(xiàn)需要長期規(guī)劃、同時(shí)推進(jìn)系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)研究和MBSE建模方法研究、整合力量、為改造打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，以及促進(jìn)MBSE的實(shí)施。
近年來，各國復(fù)雜工程系統(tǒng)的研發(fā)任務(wù)數(shù)量急劇增加。所涉及的學(xué)科和子系統(tǒng)的數(shù)量有所增加。對績效指標(biāo)的要求不斷提高。系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷提高，而研發(fā)成本卻居高不下。美國's國家航空航天局(美國航天局)在2011年指出，系統(tǒng)工程在未來將面臨嚴(yán)重的問題。首先，空間工程的規(guī)模和復(fù)雜性逐年增加，而工程師處理復(fù)雜系統(tǒng)問題的能力的增長速度跟不上系統(tǒng)復(fù)雜性的增長速度。其次，使用基于文檔載體的自然語言和系統(tǒng)描述，設(shè)計(jì)者很難對系統(tǒng)級交互、系統(tǒng)級特性和潛在風(fēng)險(xiǎn)有全面的了解。第三，文獻(xiàn)報(bào)道種類繁多，相互獨(dú)立，缺乏邏輯性。在系統(tǒng)項(xiàng)目的不同階段之間以及項(xiàng)目之間很難實(shí)現(xiàn)知識的繼承和重用。美國國防工業(yè)協(xié)會(NDIA)也在其2013年年終報(bào)告中分析了系統(tǒng)工程面臨的問題。除了指出與美國國家航空航天局報(bào)告中類似的問題外，它還指出系統(tǒng)工程存在工作結(jié)果的可用性和可移植性差的問題，以及不同領(lǐng)域中具體工作的粒度和成熟度差異大的問題，從而使集成變得困難。
隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)以及工程技術(shù)在各個領(lǐng)域的迅速發(fā)展，使用面向?qū)ο蟮?、圖形化的和可視化的系統(tǒng)建模語言來描述系統(tǒng)變得越來越容易。模型在系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用比例也在增加。基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)應(yīng)運(yùn)而生。MBSE方法可以有效地解決基于文檔的系統(tǒng)工程方法在參數(shù)獲取和技術(shù)狀態(tài)管理方面面臨的問題。它是有效處理系統(tǒng)復(fù)雜性的利器。目前，MBSE方法已廣泛應(yīng)用于國外航空、航天、航運(yùn)等領(lǐng)域，也是中國研究和實(shí)踐的熱點(diǎn)課題。
MBSE發(fā)展史
20世紀(jì)中后期，許多學(xué)者對完美系統(tǒng)模型理論進(jìn)行了深入研究，發(fā)展了各種系統(tǒng)建模思想和理論。代表性的系統(tǒng)模型理論有的建模理論、克里爾和林的一般系統(tǒng)方法論、的物理化學(xué)設(shè)計(jì)理論等。在過去的幾十年中，學(xué)者們在模型理論的研究方面取得了顯著的成就，形成了許多基于模型的方法來描述、分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)。在實(shí)踐中，一些基于數(shù)理邏輯的圖形化建模方法，更直觀、更容易理解、更容易溝通，已經(jīng)逐漸應(yīng)用到軟件工程和系統(tǒng)工程中。
1993年，美國,學(xué)者Wymore提出了通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表達(dá)式抽象表達(dá)系統(tǒng)工程過程中各種狀態(tài)和元素的方法，并通過數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)建立了系統(tǒng)工程中各種狀態(tài)元素之間的聯(lián)系。這是面向系統(tǒng)工程的建模描述方法的雛形。1997年，對象管理集團(tuán)(OMG)發(fā)布了統(tǒng)一建模語言(UML)，用于對軟件工程過程進(jìn)行建模，以提高軟件開發(fā)效率和降低開發(fā)成本。UML在軟件工程中的成功促進(jìn)了系統(tǒng)工程界對建模方法的認(rèn)識，即使用可視化的可執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)建模語言來提高系統(tǒng)工程過程的效率。
2007年，國際系統(tǒng)工程學(xué)會(INCOSE)在《基于模型的系統(tǒng)工程》中提出了MBSE的定義:“將形式化和標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用于系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和驗(yàn)證活動的建模行為，從系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)階段開始，貫穿系統(tǒng)開發(fā)和隨后的生命周期。”INCOSE強(qiáng)調(diào)，MBSE是未來系統(tǒng)工程方法和技術(shù)的發(fā)展趨勢，是系統(tǒng)工程領(lǐng)域的一場革命。會上，MBSE首次提出了長期計(jì)劃。計(jì)劃從2007年到2020年實(shí)現(xiàn)MBSE理論與實(shí)踐體系的逐步成熟，這標(biāo)志著MBSE將成為未來系統(tǒng)工程的一個重要發(fā)展方向。顯示了INCOSE到MBSE的計(jì)劃路徑如圖1。

（圖 1 INCOSE規(guī)劃 MBSE的發(fā)展愿景與路徑）
與基于模型的設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的概念不同，MBSE并不專注于解決特定學(xué)科的設(shè)計(jì)問題。MBSE強(qiáng)調(diào)面向系統(tǒng)工程過程的建模，建模并形成系統(tǒng)需求、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)驗(yàn)證和其他過程中所涉及的分析元素的有機(jī)聯(lián)系，以再現(xiàn)系統(tǒng)演示和設(shè)計(jì)思想，并在整個生命周期中保持系統(tǒng)信息的一致性和可追溯性?？傊?，多媒體設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是面向設(shè)計(jì)的，而MBSE是面向系統(tǒng)工程的。就MBSE概念的內(nèi)涵而言，“基于模型”是一種手段，屬于媒體的范疇，“系統(tǒng)工程”是商業(yè)的范疇。因此，MBSE不是一個可以立即使用的通用方法。在MBSE的具體應(yīng)用過程中，建模理念應(yīng)結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)進(jìn)行深入的定制設(shè)計(jì)。通過清晰的系統(tǒng)工程業(yè)務(wù)流程的指導(dǎo)，以模型為工作介質(zhì)，合理組織系統(tǒng)工程工作流，并通過模型輸出表達(dá)系統(tǒng)工程各工作節(jié)點(diǎn)的結(jié)果和結(jié)論，最終實(shí)現(xiàn)建模方法的實(shí)施。
MBSE典型應(yīng)用分析
2010年，OMG對美國各軍工企業(yè)的MBSE應(yīng)用進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果顯示，47.2%的企業(yè)將系統(tǒng)建模集成到業(yè)務(wù)流程中，24.1%的企業(yè)正在制定系統(tǒng)建模應(yīng)用計(jì)劃，19.4%的企業(yè)正在考慮制定計(jì)劃，只有9.3%的企業(yè)根本沒有計(jì)劃。此外，66.3%的企業(yè)愿意參與系統(tǒng)建模語言的開發(fā)。德國's“工業(yè)4.0實(shí)施計(jì)劃”將“通過使用模型來控制系統(tǒng)復(fù)雜性”列為未來活動的八個重要領(lǐng)域之一。這些數(shù)據(jù)和信息表明，以美國和德國,為代表的工業(yè)強(qiáng)國充分重視MBSE，并在MBSE進(jìn)行了廣泛的實(shí)際應(yīng)用和不斷創(chuàng)新。一些外國案例已經(jīng)在中國得到解釋和介紹論文。本文強(qiáng)調(diào)了典型MBSE應(yīng)用的目的，并對國內(nèi)外一些典型應(yīng)用案例進(jìn)行了分類和分析。
MBSE統(tǒng)一系統(tǒng)工程公司的基線描述
復(fù)雜系統(tǒng)產(chǎn)生的海量信息和數(shù)據(jù)給系統(tǒng)工程活動的管理和維護(hù)帶來了許多嚴(yán)峻的問題，主要表現(xiàn)在:分散在各種文檔中的信息數(shù)量眾多，難以保證完整性和一致性；傳統(tǒng)系統(tǒng)工程的描述文件難以描述復(fù)雜動態(tài)的交互活動，缺乏表現(xiàn)力，有時(shí)會導(dǎo)致工程人員在交流中產(chǎn)生歧義和誤解。工程細(xì)節(jié)很難維護(hù)和跟進(jìn)。某個文檔的內(nèi)容發(fā)生變化后，與該文檔相關(guān)的文檔也需要相應(yīng)的變化，導(dǎo)致工作量大，維護(hù)困難。然而，通過統(tǒng)一的圖形建模語言描述復(fù)雜的工程系統(tǒng)可以有效地緩解甚至解決上述問題。
國外已經(jīng)為這種應(yīng)用開展了許多工作。美國宇航局十大中心明確要求系統(tǒng)演示交付品必須是模型。洛馬公司的潛艇設(shè)計(jì)小組花了一年時(shí)間設(shè)計(jì)一個新的潛艇電子系統(tǒng)，將所有原始文件轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)模型。建模對象包括來自20個項(xiàng)目辦公室的35個子系統(tǒng)、3500個接口需求、500個服務(wù)、5000個接口實(shí)體模型和15000個模型元素。通過建模描述，解決了以往復(fù)雜系統(tǒng)工程過程中變更管理不易實(shí)施的問題。此外，美國國防部特別重視系統(tǒng)工程發(fā)展模式的創(chuàng)新。2013年，美國國防部“系統(tǒng)工程副助理秘書”和“海軍航空兵系統(tǒng)司令部”聯(lián)合支持美國國防部系統(tǒng)工程研究中心開展“MBSE系統(tǒng)工程轉(zhuǎn)型”研究，旨在通過MBSE全面梳理和重組當(dāng)前發(fā)展模式，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級。
MBSE加強(qiáng)復(fù)雜系統(tǒng)的早期驗(yàn)證
在傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程過程中，各個專業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域都使用專業(yè)模型和仿真方法來驗(yàn)證設(shè)計(jì)。然而，就整個系統(tǒng)工程而言，系統(tǒng)運(yùn)行邏輯和狀態(tài)的描述主要采用文本描述。系統(tǒng)整體驗(yàn)證主要依靠實(shí)物驗(yàn)證。驗(yàn)證周期長，無法保證技術(shù)狀態(tài)。如果沒有提前發(fā)現(xiàn)以前系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的問題，物理階段進(jìn)入后的設(shè)計(jì)修改成本將非常高，這也將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)度。使用MBSE模式和可執(zhí)行動態(tài)視圖模型，可以在一些模型執(zhí)行機(jī)制的支持下預(yù)先驗(yàn)證系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯。例如，IBM和諧-SE方法主要從“服務(wù)請求驅(qū)動”的角度分析復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的交互和響應(yīng)問題，并將系統(tǒng)活動邏輯和狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯轉(zhuǎn)換為時(shí)序進(jìn)行比較和驗(yàn)證，從而保證系統(tǒng)頂層邏輯設(shè)計(jì)的正確性，進(jìn)而產(chǎn)生功能分配方案和物理組件接口方案，并交付具體的軟硬件開發(fā)。此外，整個動態(tài)可執(zhí)行任務(wù)模型可以通過SysML語言中四種模型之間的元素關(guān)聯(lián)來構(gòu)建，如需求、行為、結(jié)構(gòu)、參數(shù)等。驗(yàn)證系統(tǒng)在特定任務(wù)中的運(yùn)行情況。特別地，在通過技術(shù)手段將系統(tǒng)模型與單個專業(yè)模型集成以增強(qiáng)模型的計(jì)算能力之后，可以顯著地增強(qiáng)整體的高級能力。
對于這種應(yīng)用，國內(nèi)外已經(jīng)開展了工作。國際系統(tǒng)工程研究所和美國國家科學(xué)基金會合作演示、設(shè)計(jì)和開發(fā)了“黎明探索者”立方體衛(wèi)星。提出了一種由狀態(tài)機(jī)圖驅(qū)動、需求-行為-結(jié)構(gòu)-參數(shù)聯(lián)合操作的任務(wù)分析模型。一些軌道設(shè)計(jì)模型(STK)和專業(yè)計(jì)算模型(Simulink)已經(jīng)集成。通過調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)和任務(wù)參數(shù)，可以直接觀察到對系統(tǒng)整體運(yùn)行的影響，從而大大提高系統(tǒng)的早期驗(yàn)證能力。美國國防高級研究和規(guī)劃局(DARPA)于2014年啟動的“自適應(yīng)車輛制造”(AVM)項(xiàng)目，通過應(yīng)用基于模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)/分析/驗(yàn)證技術(shù)，使該項(xiàng)目能夠在研究和開發(fā)的初始階段，在模型的基礎(chǔ)上，快速展示可行和可靠的整體系統(tǒng)方案，從而避免開發(fā)過程中的重復(fù)迭代，并顯著縮短復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)周期。國內(nèi)中航工業(yè)與國際商用機(jī)器公司合作，引進(jìn)國際商用機(jī)器公司的和聲-色方法和一套完整的工具系統(tǒng)進(jìn)行航空系統(tǒng)工程。在其機(jī)電一體化項(xiàng)目“智能伺服控制系統(tǒng)”中，將目標(biāo)系統(tǒng)分為三個頂層用例，并按照和聲-色法規(guī)的要求進(jìn)行需求分析、功能分析、設(shè)計(jì)綜合等步驟，形成一個包含95種狀態(tài)的系統(tǒng)可執(zhí)行功能模型。通過仿真測試、驗(yàn)證和優(yōu)化，對系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。為了解決飛機(jī)需求項(xiàng)目多、需求復(fù)雜、論證困難的問題，中國商用飛機(jī)公司采用和聲-色方法對大型飛機(jī)進(jìn)行了需求-功能邏輯驗(yàn)證。
MBSE多專業(yè)刀具鏈的整合
過去，由于缺乏系統(tǒng)模型，各種專業(yè)模型分散，難以進(jìn)行集成應(yīng)用和多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)。系統(tǒng)模型能夠描述系統(tǒng)的完整性和頂層信息，從技術(shù)角度將多學(xué)科專業(yè)模型與數(shù)據(jù)、模型轉(zhuǎn)換和封裝方法集成在一起，成為系統(tǒng)工程過程中多學(xué)科設(shè)計(jì)的樞紐，通過系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)。
國內(nèi)外已經(jīng)為此開展了許多工作。國防高級研究計(jì)劃局將MBSE深入應(yīng)用于適應(yīng)性車輛制造(AVM)計(jì)劃，建立了基于模型的設(shè)計(jì)、分析和驗(yàn)證平臺，建立了部件模型庫，提供了建模和參數(shù)化的部件以及建模的各種車輛材料的屬性庫，支持車輛的總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于模型的仿真和仿真驗(yàn)證，并支持多層次的工程分析。包括車輛性能分析、人機(jī)環(huán)分析、機(jī)動性分析、可制造性分析、采購分析等。形成了一個全面集成的系統(tǒng)工程運(yùn)行環(huán)境，提高了系統(tǒng)工程效率。洛馬公司采用MBSE統(tǒng)一的企業(yè)管理系統(tǒng)需求架構(gòu)模型，并向后延伸到機(jī)械、電子設(shè)備和軟件的設(shè)計(jì)和分析，如系統(tǒng)、軟件和硬件的設(shè)計(jì)和分析，ANSYS的性能分析，Adams的性能分析，SEER的成本分析等。為航天和國防產(chǎn)品構(gòu)建一個完整的基于模型的開發(fā)環(huán)境，促進(jìn)整個工程鏈的集成。北京宇宙飛船總設(shè)計(jì)部應(yīng)用MBSE理論來指導(dǎo)飛船的開發(fā)和實(shí)踐?；趨f(xié)同設(shè)計(jì)和并行工程的理念，建立了——協(xié)同設(shè)計(jì)中心，適用于航天器復(fù)雜產(chǎn)品開發(fā)的各個階段，支持多學(xué)科、多學(xué)科的集成設(shè)計(jì)環(huán)境。還成立了由通用、結(jié)構(gòu)、熱控、結(jié)構(gòu)工藝、裝配工藝等相關(guān)技術(shù)人員組成的集成產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)(IPT)，通過協(xié)同設(shè)計(jì)中心開展航天器協(xié)同開發(fā)。

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