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(jī)械到機(jī)械、電子到機(jī)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(dú)立向基于共享資源的交互演進(jìn)，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(shí)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(hào)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(shí)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(shí)踐進(jìn)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(dòng)工作模式幫助人們更好地運(yùn)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(gè)系統(tǒng)工程作為一個(gè)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(gè)方面進(jìn)行了較為詳細(xì)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(jì)方案，當(dāng)然也包括一些用實(shí)物做成的物理模型等。例如火箭的總體布局方案、推進(jìn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)行計(jì)算，計(jì)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(dòng)，這種設(shè)計(jì)流程也被稱作拋過墻的設(shè)計(jì)。很顯然，在這個(gè)過程中，文檔管理的機(jī)制、配置管理的機(jī)制非常重要�？傮w設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)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(shí)，所以TSE的文檔要依靠相關(guān)工程設(shè)計(jì)的術(shù)語來使各方對系統(tǒng)有共同的理解和認(rèn)識(shí)。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(shí)，這個(gè)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(huì)(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�；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程(ModelBasedSystemEngineering,MBSE)是對系統(tǒng)工程活動(dòng)中建模方法應(yīng)用的正式認(rèn)同，以使建模方法支持系統(tǒng)要求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng)，這些活動(dòng)從概念性設(shè)計(jì)階段開始，持續(xù)貫穿到設(shè)計(jì)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(yùn)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(shí)施與執(zhí)行。模型是我們思考問題的基本方法，是設(shè)計(jì)工作的思維基礎(chǔ)。實(shí)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(jì)、多物理領(lǐng)域建模、集成的仿真計(jì)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(shí)踐和推進(jìn)MBSE。例如，空客公司在A350系列飛機(jī)的開發(fā)中全面采用MBSE，在飛機(jī)研制中逐層細(xì)化需求并進(jìn)行功能分析和設(shè)計(jì)綜合，不僅實(shí)現(xiàn)了頂層系統(tǒng)需求分解與確認(rèn)，也實(shí)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(jìn)行需求管理和系統(tǒng)架構(gòu)模型，并向后延伸到機(jī)械、電子設(shè)備以及軟件等的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)、確認(rèn)和驗(yàn)證等能力，覆蓋了總工程師、項(xiàng)目管理者、總設(shè)計(jì)師、系統(tǒng)工程師、系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了從航空動(dòng)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(jì)為核心的覆蓋產(chǎn)品全生命周期的MBSE過程，從運(yùn)行概念到需求到設(shè)計(jì)到生產(chǎn)。
NASA在多個(gè)新的及已有的項(xiàng)目上積極運(yùn)用MBSE，其目的是顯著提升項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可承受性、縮減開發(fā)時(shí)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(dòng)。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(tái)。如LMS公司的多領(lǐng)域系統(tǒng)仿真集成平臺(tái)，可用于飛機(jī)開發(fā)的每個(gè)階段(從前期的概念設(shè)計(jì)分析、詳細(xì)設(shè)計(jì)到產(chǎn)品驗(yàn)證)。
4當(dāng)前存在的現(xiàn)實(shí)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?yàn)槠渖⒉加诟鞣N不同的數(shù)量巨大的文檔中。
(2)難以描述各種活動(dòng)�；顒�(dòng)是動(dòng)態(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(dòng)還能勝任，但對于復(fù)雜活動(dòng)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(xiàng)很難很大的工程。
(4)傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)師人工建立設(shè)計(jì)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(jì)進(jìn)程的推進(jìn)會(huì)在頂層設(shè)計(jì)、子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備級設(shè)計(jì)層次不斷重復(fù)。經(jīng)驗(yàn)表明這一方法存在周期長、驗(yàn)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(shí)等諸多問題。
(5)飛機(jī)整機(jī)的設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)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(jì)的早期如何通過系統(tǒng)的集成確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dá)方法來描述系統(tǒng)的整個(gè)生命周期過程中需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng)�；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(gè)方面有所改進(jìn)：
(1)知識(shí)表示的無二義性。文字的描述經(jīng)常會(huì)因?yàn)閭�(gè)人理解的差異而產(chǎn)生不同的解釋，團(tuán)隊(duì)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(diǎn)，建立系統(tǒng)模型可以準(zhǔn)確統(tǒng)一地描述系統(tǒng)的功能、詳細(xì)規(guī)范與設(shè)計(jì)等方面，對整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的各細(xì)節(jié)形成統(tǒng)一的理解，尤其是可以提高設(shè)計(jì)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(shí)踐方法，可以保證團(tuán)隊(duì)成員對此有相同的理解，為解決問題和改進(jìn)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(jì)的一體化。由于系統(tǒng)模型的建立涵蓋系統(tǒng)的整個(gè)生命周期過程，包括系統(tǒng)的需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng)，是1個(gè)統(tǒng)一整體的過程，可以提供1個(gè)完整的、一致的并可追溯的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而可以保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一體化，避免各組成部分間的設(shè)計(jì)沖突，降低風(fēng)險(xiǎn)。
(4)系統(tǒng)內(nèi)容的可重用性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)模型必然會(huì)對系統(tǒng)的各功能進(jìn)行分析并分解到各模塊去實(shí)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(qiáng)知識(shí)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(jì)人員需要提取需求分析人員產(chǎn)生的需求信息進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于模型具有的模塊化特點(diǎn)，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(jìn)行系統(tǒng)的驗(yàn)證和確認(rèn)，從而可以降低風(fēng)險(xiǎn)，減少設(shè)計(jì)更改的周期時(shí)間和費(fèi)用。與其他工程學(xué)科(軟件、電子等)一樣，系統(tǒng)工程正在進(jìn)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(jì)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(shí)際是從基于文本向基于模型的轉(zhuǎn)變。這個(gè)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(yàn)證的效率與正確性。同時(shí)可以提高測試與驗(yàn)證的自動(dòng)化水平，降低人工手動(dòng)測試與驗(yàn)證的低級錯(cuò)誤，并提高效率。
(9)MBSE有助于進(jìn)一步突破時(shí)間和空間對設(shè)計(jì)工作的限制。TSE下相關(guān)的設(shè)計(jì)工作要遵循一定的時(shí)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(jìn)行流轉(zhuǎn)，上一個(gè)專業(yè)學(xué)科分析做完之后，才能夠進(jìn)行下一個(gè)專業(yè)的分析，而且做出樣機(jī)后各方才能進(jìn)行測試等。MBSE下用系統(tǒng)建模語言構(gòu)建出模型后，就能進(jìn)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(gè)存儲(chǔ)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(yuǎn)程及分布式的工作模式，突破設(shè)計(jì)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(jìn)需要行政干預(yù)�；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程的推進(jìn)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(jìn)。對于一些人來說，建立模型并且驗(yàn)證模型純粹是浪費(fèi)時(shí)間，與其花費(fèi)巨大的時(shí)間建模與驗(yàn)?zāi)�，還不如省下時(shí)間開發(fā)新產(chǎn)品。很多諸如此類的觀念是短時(shí)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。基于模型的系統(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(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，都會(huì)涉及到很多工具軟件，每個(gè)領(lǐng)域會(huì)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(huì)增加針對不同工具的維護(hù)與培訓(xùn)費(fèi)用。其次，更大的風(fēng)險(xiǎn)在于數(shù)據(jù)如何在多種工具之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)不可忽視的是，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的不可預(yù)知的錯(cuò)誤。不同工具之間數(shù)據(jù)接口的設(shè)計(jì)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(shí)，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(gè)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(gè)要求才可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效運(yùn)作，同時(shí)才能實(shí)現(xiàn)便于后續(xù)的維護(hù)與擴(kuò)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(jī)遇并存。MBSE增加了前后端程序的花費(fèi)，但是也增加了對多種領(lǐng)域工具軟件的需求�？傊�，MBSE是針對系統(tǒng)工程一系列解決方法中的最佳實(shí)踐方法。這一方法依靠大型軟件平臺(tái)，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(jì)者對系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。因?yàn)檗饤壛朔笨d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(jì)者之間通過易于理解的圖形交流系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)的各階段都能分析系統(tǒng)對需求的符合性，并驗(yàn)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(rèn)真研究，積極引進(jìn)、消化、吸收，形成具有中國特色的MBSE，為中國國防實(shí)力和綜合國力的提升夯實(shí)基礎(chǔ)。
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