基于模型的系统工程（MBSE）的发展史以及典型应用分析

动人 | 2020/4/6 22:05:06

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与传统的系统工程相比，基于模型的系统工程(MBSE)充分发挥了模型的优势，提高了系统全周期信息表示的一致性，增强了系统功能性能预验证和多学科协同优化设计的能力。然而，MBSE在中国的实施正面临着诸如广泛的协调、学习和改造的成本以及大和更多的基础设施工作等挑战。因此，MBSE改造的实现需要长期规划、同时推进系统工程标准研究和MBSE建模方法研究、整合力量、为改造打下坚实的基础，以及促进MBSE的实施。
近年来，各国复杂工程系统的研发任务数量急剧增加。所涉及的学科和子系统的数量有所增加。对绩效指标的要求不断提高。系统的复杂性不断提高，而研发成本却居高不下。美国's国家航空航天局(美国航天局)在2011年指出，系统工程在未来将面临严重的问题。首先，空间工程的规模和复杂性逐年增加，而工程师处理复杂系统问题的能力的增长速度跟不上系统复杂性的增长速度。其次，使用基于文档载体的自然语言和系统描述，设计者很难对系统级交互、系统级特性和潜在风险有全面的了解。第三，文献报道种类繁多，相互独立，缺乏逻辑性。在系统项目的不同阶段之间以及项目之间很难实现知识的继承和重用。美国国防工业协会(NDIA)也在其2013年年终报告中分析了系统工程面临的问题。除了指出与美国国家航空航天局报告中类似的问题外，它还指出系统工程存在工作结果的可用性和可移植性差的问题，以及不同领域中具体工作的粒度和成熟度差异大的问题，从而使集成变得困难。
随着计算机和信息技术以及工程技术在各个领域的迅速发展，使用面向对象的、图形化的和可视化的系统建模语言来描述系统变得越来越容易。模型在系统开发中的应用比例也在增加。基于模型的系统工程(MBSE)应运而生。MBSE方法可以有效地解决基于文档的系统工程方法在参数获取和技术状态管理方面面临的问题。它是有效处理系统复杂性的利器。目前，MBSE方法已广泛应用于国外航空、航天、航运等领域，也是中国研究和实践的热点课题。
MBSE发展史
20世纪中后期，许多学者对完美系统模型理论进行了深入研究，发展了各种系统建模思想和理论。代表性的系统模型理论有的建模理论、克里尔和林的一般系统方法论、的物理化学设计理论等。在过去的几十年中，学者们在模型理论的研究方面取得了显著的成就，形成了许多基于模型的方法来描述、分析和设计系统。在实践中，一些基于数理逻辑的图形化建模方法，更直观、更容易理解、更容易沟通，已经逐渐应用到软件工程和系统工程中。
1993年，美国,学者Wymore提出了通过严格的数学表达式抽象表达系统工程过程中各种状态和元素的方法，并通过数学模型系统建立了系统工程中各种状态元素之间的联系。这是面向系统工程的建模描述方法的雏形。1997年，对象管理集团(OMG)发布了统一建模语言(UML)，用于对软件工程过程进行建模，以提高软件开发效率和降低开发成本。UML在软件工程中的成功促进了系统工程界对建模方法的认识，即使用可视化的可执行标准建模语言来提高系统工程过程的效率。
2007年，国际系统工程学会(INCOSE)在《基于模型的系统工程》中提出了MBSE的定义:“将形式化和标准化应用于系统需求、设计、分析、验证和验证活动的建模行为，从系统的概念设计阶段开始，贯穿系统开发和随后的生命周期。”INCOSE强调，MBSE是未来系统工程方法和技术的发展趋势，是系统工程领域的一场革命。会上，MBSE首次提出了长期计划。计划从2007年到2020年实现MBSE理论与实践体系的逐步成熟，这标志着MBSE将成为未来系统工程的一个重要发展方向。显示了INCOSE到MBSE的计划路径如图1。

（图 1 INCOSE规划 MBSE的发展愿景与路径）
与基于模型的设计和计算机辅助设计的概念不同，MBSE并不专注于解决特定学科的设计问题。MBSE强调面向系统工程过程的建模，建模并形成系统需求、系统分析、系统设计、系统验证和其他过程中所涉及的分析元素的有机联系，以再现系统演示和设计思想，并在整个生命周期中保持系统信息的一致性和可追溯性。总之，多媒体设计和计算机辅助设计是面向设计的，而MBSE是面向系统工程的。就MBSE概念的内涵而言，“基于模型”是一种手段，属于媒体的范畴，“系统工程”是商业的范畴。因此，MBSE不是一个可以立即使用的通用方法。在MBSE的具体应用过程中，建模理念应结合实际业务进行深入的定制设计。通过清晰的系统工程业务流程的指导，以模型为工作介质，合理组织系统工程工作流，并通过模型输出表达系统工程各工作节点的结果和结论，最终实现建模方法的实施。
MBSE典型应用分析
2010年，OMG对美国各军工企业的MBSE应用进行了调查，结果显示，47.2%的企业将系统建模集成到业务流程中，24.1%的企业正在制定系统建模应用计划，19.4%的企业正在考虑制定计划，只有9.3%的企业根本没有计划。此外，66.3%的企业愿意参与系统建模语言的开发。德国's“工业4.0实施计划”将“通过使用模型来控制系统复杂性”列为未来活动的八个重要领域之一。这些数据和信息表明，以美国和德国,为代表的工业强国充分重视MBSE，并在MBSE进行了广泛的实际应用和不断创新。一些外国案例已经在中国得到解释和介绍论文。本文强调了典型MBSE应用的目的，并对国内外一些典型应用案例进行了分类和分析。
MBSE统一系统工程公司的基线描述
复杂系统产生的海量信息和数据给系统工程活动的管理和维护带来了许多严峻的问题，主要表现在:分散在各种文档中的信息数量众多，难以保证完整性和一致性；传统系统工程的描述文件难以描述复杂动态的交互活动，缺乏表现力，有时会导致工程人员在交流中产生歧义和误解。工程细节很难维护和跟进。某个文档的内容发生变化后，与该文档相关的文档也需要相应的变化，导致工作量大，维护困难。然而，通过统一的图形建模语言描述复杂的工程系统可以有效地缓解甚至解决上述问题。
国外已经为这种应用开展了许多工作。美国宇航局十大中心明确要求系统演示交付品必须是模型。洛马公司的潜艇设计小组花了一年时间设计一个新的潜艇电子系统，将所有原始文件转换成系统模型。建模对象包括来自20个项目办公室的35个子系统、3500个接口需求、500个服务、5000个接口实体模型和15000个模型元素。通过建模描述，解决了以往复杂系统工程过程中变更管理不易实施的问题。此外，美国国防部特别重视系统工程发展模式的创新。2013年，美国国防部“系统工程副助理秘书”和“海军航空兵系统司令部”联合支持美国国防部系统工程研究中心开展“MBSE系统工程转型”研究，旨在通过MBSE全面梳理和重组当前发展模式，实现转型升级。
MBSE加强复杂系统的早期验证
在传统的系统工程过程中，各个专业设计领域都使用专业模型和仿真方法来验证设计。然而，就整个系统工程而言，系统运行逻辑和状态的描述主要采用文本描述。系统整体验证主要依靠实物验证。验证周期长，无法保证技术状态。如果没有提前发现以前系统设计中的问题，物理阶段进入后的设计修改成本将非常高，这也将严重影响系统的开发进度。使用MBSE模式和可执行动态视图模型，可以在一些模型执行机制的支持下预先验证系统的运行逻辑。例如，IBM和谐-SE方法主要从“服务请求驱动”的角度分析复杂嵌入式系统的交互和响应问题，并将系统活动逻辑和状态转换逻辑转换为时序进行比较和验证，从而保证系统顶层逻辑设计的正确性，进而产生功能分配方案和物理组件接口方案，并交付具体的软硬件开发。此外，整个动态可执行任务模型可以通过SysML语言中四种模型之间的元素关联来构建，如需求、行为、结构、参数等。验证系统在特定任务中的运行情况。特别地，在通过技术手段将系统模型与单个专业模型集成以增强模型的计算能力之后，可以显著地增强整体的高级能力。
对于这种应用，国内外已经开展了工作。国际系统工程研究所和美国国家科学基金会合作演示、设计和开发了“黎明探索者”立方体卫星。提出了一种由状态机图驱动、需求-行为-结构-参数联合操作的任务分析模型。一些轨道设计模型(STK)和专业计算模型(Simulink)已经集成。通过调整设计参数和任务参数，可以直接观察到对系统整体运行的影响，从而大大提高系统的早期验证能力。美国国防高级研究和规划局(DARPA)于2014年启动的“自适应车辆制造”(AVM)项目，通过应用基于模型的系统设计/分析/验证技术，使该项目能够在研究和开发的初始阶段，在模型的基础上，快速展示可行和可靠的整体系统方案，从而避免开发过程中的重复迭代，并显著缩短复杂系统的开发周期。国内中航工业与国际商用机器公司合作，引进国际商用机器公司的和声-色方法和一套完整的工具系统进行航空系统工程。在其机电一体化项目“智能伺服控制系统”中，将目标系统分为三个顶层用例，并按照和声-色法规的要求进行需求分析、功能分析、设计综合等步骤，形成一个包含95种状态的系统可执行功能模型。通过仿真测试、验证和优化，对系统设计进行了优化。为了解决飞机需求项目多、需求复杂、论证困难的问题，中国商用飞机公司采用和声-色方法对大型飞机进行了需求-功能逻辑验证。
MBSE多专业刀具链的整合
过去，由于缺乏系统模型，各种专业模型分散，难以进行集成应用和多学科协同设计。系统模型能够描述系统的完整性和顶层信息，从技术角度将多学科专业模型与数据、模型转换和封装方法集成在一起，成为系统工程过程中多学科设计的枢纽，通过系统模型实现多学科协同优化设计。
国内外已经为此开展了许多工作。国防高级研究计划局将MBSE深入应用于适应性车辆制造(AVM)计划，建立了基于模型的设计、分析和验证平台，建立了部件模型库，提供了建模和参数化的部件以及建模的各种车辆材料的属性库，支持车辆的总体系统设计，实现了基于模型的仿真和仿真验证，并支持多层次的工程分析。包括车辆性能分析、人机环分析、机动性分析、可制造性分析、采购分析等。形成了一个全面集成的系统工程运行环境，提高了系统工程效率。洛马公司采用MBSE统一的企业管理系统需求架构模型，并向后延伸到机械、电子设备和软件的设计和分析，如系统、软件和硬件的设计和分析，ANSYS的性能分析，Adams的性能分析，SEER的成本分析等。为航天和国防产品构建一个完整的基于模型的开发环境，促进整个工程链的集成。北京宇宙飞船总设计部应用MBSE理论来指导飞船的开发和实践。基于协同设计和并行工程的理念，建立了——协同设计中心，适用于航天器复杂产品开发的各个阶段，支持多学科、多学科的集成设计环境。还成立了由通用、结构、热控、结构工艺、装配工艺等相关技术人员组成的集成产品开发团队(IPT)，通过协同设计中心开展航天器协同开发。

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