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淺談模型的系統(tǒng)工程的基本原理
國外把基于模型的系統(tǒng)工程(Model-BasedSystemsEngineering，MBSE)視為系統(tǒng)工程的革命、系統(tǒng)工程的未來、系統(tǒng)工程的轉(zhuǎn)型等。本文首先對系統(tǒng)工程是組織管理的技術這一定義進行分析，從根本上探究系統(tǒng)工程的本質(zhì)是什么，進而從系統(tǒng)建模的角度認識系統(tǒng)工程與系統(tǒng)建模技術的關系，從系統(tǒng)建模技術的顛覆性發(fā)展來對比MBSE和傳統(tǒng)系統(tǒng)工程，分析MBSE的基本原理，闡明其優(yōu)勢。
系統(tǒng)工程包括技術過程和管理過程兩個層面。技術過程遵循分解-集成的系統(tǒng)論思路和漸進有序的開發(fā)步驟，即V型圖所示。管理過程包括技術管理過程和項目管理過程。工程系統(tǒng)的研制，實質(zhì)是建立工程系統(tǒng)模型的過程。在技術過程層面主要是系統(tǒng)模型的構建、分析、優(yōu)化、驗證工作;在管理過程層面，包括對系統(tǒng)建模工作的計劃、組織、領導和控制。因此，系統(tǒng)工程這種組織管理的技術，實質(zhì)上應該包括系統(tǒng)建模技術和建模工作的組織管理技術兩個層面，其中系統(tǒng)建模技術包括建模語言、建模思路和建模工具。傳統(tǒng)系統(tǒng)工程(TraditionalSystemsEngineering，TSE，也是Text-BasedSystemsEngineering的簡稱)自產(chǎn)生以來，系統(tǒng)建模技術中的建模語言變化較小�；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程相對傳統(tǒng)系統(tǒng)工程有諸多不可替代的優(yōu)勢。它在建模語言、建模思路、建模工具上有重大轉(zhuǎn)變，是系統(tǒng)工程的顛覆性技術。
一、系統(tǒng)建模技術是系統(tǒng)工程的重要組成部分
1.工程系統(tǒng)建模是工程系統(tǒng)研制工作的核心
工程系統(tǒng)的研制過程，就是建立工程系統(tǒng)模型的過程。用戶提出的需求是工程系統(tǒng)研制工作的第一推動，設計部門把這些需求翻譯為系統(tǒng)架構模型(功能模型)，再結合技術供應商的零部件模型，形成一個平衡、優(yōu)化、集成、聯(lián)動的系統(tǒng)模型，進而得到能夠讓工人使用的物理模型(藍圖及工藝規(guī)程)。各個層次、各個部分以及各個專業(yè)的模型，必須進行良好的追溯、集成，此后各方對模型的修改完善都以此為基礎和平臺。而且，系統(tǒng)模型是否符合現(xiàn)實，需要不斷地通過系統(tǒng)仿真、試驗、驗證和確認來進行模型的修改完善。因此可以說，工程系統(tǒng)模型是工程研制工作的成果和中心。
2.系統(tǒng)工程包括技術過程和管理過程
技術過程就是從用戶的紙面需求變成實物產(chǎn)品的過程。下圖左邊是一個自上而下、從用戶需求開始將系統(tǒng)逐層分解為分系統(tǒng)、單機、零部件和原材料的過程;右邊是把最低層次的零部件自下而上逐級進行組裝、集成和驗證，形成系統(tǒng)，交付用戶并滿足用戶需求的過程。以導彈系統(tǒng)為例，技術過程的輸入是用戶的需求文檔，供應商的原材料、零部件及其技術信息等;輸出是導彈系統(tǒng)的設計方案和飛行樣機，飛行樣機依據(jù)設計方案而制造出來。整個技術過程存在兩條線的變化，一是信息這條線，它把用戶的需求文檔和零部件信息變成了最終的設計方案(也是一大堆信息、文檔和符號);二是實物這條線，它把各種原材料、零部件變成能夠飛行并且基本滿足用戶需求的樣機。
3.系統(tǒng)工程對系統(tǒng)建模技術非常倚重
復雜工程系統(tǒng)研制包括系統(tǒng)建模及其組織管理工作，這兩樣工作如何開展，就是系統(tǒng)工程方法。系統(tǒng)工程這種組織管理的技術，不僅包括建模工作的組織管理技術，也包括系統(tǒng)建模的技術，因為管理的基礎是溝通，復雜工程中溝通的基礎是系統(tǒng)模型，系統(tǒng)模型必然由人利用系統(tǒng)建模技術來構建。系統(tǒng)工程這種技術，實質(zhì)上包括系統(tǒng)建模技術和系統(tǒng)建模工作的組織管理技術。
系統(tǒng)建模工作和系統(tǒng)建模工作的組織管理工作相輔相成，并以系統(tǒng)建模工作為中心。在圖中，技術管理過程的八個方面(技術規(guī)劃、技術狀態(tài)管理和接口管理等)，都是圍繞著系統(tǒng)建模工作而開展的，當然主要是對人的管理，是對人與人之間圍繞和借助系統(tǒng)模型而開展的技術溝通的管理。這兩個方面，又以系統(tǒng)建模工作(即技術過程)為核心，有什么樣的技術過程和建模技術，就發(fā)展出什么樣的管理，因為技術管理是為技術過程服務的，建模工作的管理是為建模工作服務的。
二、系統(tǒng)建模技術的發(fā)展和MBSE提出的大背景
1.系統(tǒng)建模技術包括建模語言、建模工具和建模思路
人們研制復雜工程系統(tǒng)，就是要得到工程系統(tǒng)的設計方案，而設計方案必然以某種語言文字、符號、線條和圖示等來表示，也必然將這些符號固化到某種載體上，以便承載、保存和傳遞，前者即建模語言，后者即建模工具(包括建模載體)。整個設計和研制工作又必然要遵循一個統(tǒng)一而一致的思路，也就是建模思路。系統(tǒng)建模技術就包括建模語言、建模工具和建模思路，整個研制過程就是人與系統(tǒng)建模技術的充分結合，是人對系統(tǒng)建模技術的有效使用。
2.系統(tǒng)建模技術的發(fā)展變化
縱觀系統(tǒng)工程產(chǎn)生和發(fā)展的歷史，可以發(fā)現(xiàn)建模工具這個維度發(fā)生了巨大的變化，體現(xiàn)在計算機、網(wǎng)絡及一系列的計算機輔助技術(CAX)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)等。CAX是計算機和網(wǎng)絡代替了人的手工畫圖和圖紙的傳遞，PDM是傳統(tǒng)設計流程的上網(wǎng)。它們沒有從根本上改變?nèi)伺c人之間的溝通語言問題，沒有很好地解決人與人之間的知識溝通問題。
相比之下，工程系統(tǒng)建模語言的變化較小，仍然是自然語言為主(也包括FFBD、IDEFx等建模語言)，并沒有從根本上改變系統(tǒng)工程。因為系統(tǒng)工程的核心是要從用戶需求推導出設計方案，其核心問題是不同領域的人之間的知識溝通，而溝通所憑借的是建模語言，建模語言的變化不能滿足工程系統(tǒng)建模的需要，如系統(tǒng)模型的多視圖集成、軟硬件模型的集成和快速地仿真等。
3.MBSE的定義
基于模型的系統(tǒng)工程是對建模(活動)的形式化應用，以便支持系統(tǒng)要求、設計、分析、驗證和確認等活動，這些活動從概念設計階段開始，持續(xù)貫穿到設計開發(fā)以及后來的所有壽命周期階段。MBSE相對于TSE的特點體現(xiàn)在建模語言、建模思路和建模工具三個方面，在系統(tǒng)建模層次上的主要區(qū)別是系統(tǒng)模型的集成化程度和可執(zhí)行程度的大幅度提高。
4.MBX是MBSE出現(xiàn)的大背景
近些年來，國際工程界提出了各種各樣的模型驅(qū)動或基于模型的方法，可以概括為Model-3X或MBX(相對于過去所提的CAX，即一系列的計算機輔助技術，如CAD、CAE等)，涉及到各類系統(tǒng)及系統(tǒng)壽命周期的各個階段、各個方面的工作。INCOSE對這些方法進行了整合，并用MBSE進行了囊括，提出了MBSE的定義，并聯(lián)合對象管理組織，在UML的基礎上開發(fā)出了適宜于描述工程系統(tǒng)的系統(tǒng)建模語言(SysML)。軟件提供商也開發(fā)了相應的支持SysML的工具，并且把SysML的建模工具和已有的專業(yè)分析軟件如NASTRAN、ANSYS、CAD等進行了集成，提出了MBSE的整體解決方案，具備了實際開發(fā)型號的各方面的基礎。
三、MBSE的基本原理和三個支柱
1.MBSE對系統(tǒng)工程中的技術過程進行了顛覆性改造
MBSE仍然還是系統(tǒng)工程，層層分解、綜合集成的思路并沒有變化，核心就是采用形式化、圖形化和關聯(lián)化的建模語言及相應的建模工具，改造了系統(tǒng)工程的技術過程(即系統(tǒng)建模過程、V型圖的左半邊)，充分利用了計算機、信息技術的優(yōu)勢，開展建模(含分析、優(yōu)化和仿真)工作，為右側(cè)的系統(tǒng)實現(xiàn)、實地驗證奠定了更為堅實的基礎，從而提升了整個研制過程的效率。
2.建模語言
系統(tǒng)建模語言規(guī)定了若干種除自然語言外的符號，包括框圖、線條和箭頭等。框圖就是封閉的線條，可以在框圖內(nèi)分隔出若干個區(qū)域，用自然語言填寫不同的信息。而且不同的區(qū)域也由系統(tǒng)建模語言的抽象語法及計算機支撐工具賦予不同的含義，為數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)奠定基礎;線條包括直線和折線等，也區(qū)分實線和虛線;箭頭是線條和框圖的結合點，表示不同的含義，如泛化、包含等，端口也可以算作是箭頭的一種。自然語言是非形式化的，由人來處理。框圖、線條、箭頭是形式化的，由計算機來處理，人可以在計算機及網(wǎng)絡上很容易地編輯。
3.建模工具
MBSE的建模工具主要就是支持系統(tǒng)建模語言畫圖的計算機和網(wǎng)絡環(huán)境，當然核心是支持系統(tǒng)建模語言的軟件。屏幕上呈現(xiàn)出系統(tǒng)建模語言的各種符號，給建模者閱讀，底層利用系統(tǒng)建模語言的語法對相關數(shù)據(jù)進行了關聯(lián)，并形成模型庫。而且可以構建分布式的建模環(huán)境，方便研制團隊的協(xié)同設計。
形象地說，在MBSE下，工程系統(tǒng)模型的相關信息實現(xiàn)了從Word文檔向Excel的轉(zhuǎn)變，因為Excel中的數(shù)據(jù)，可以在不同單元格之間建立關聯(lián)，這些單元格可以分布在不同的表格間、不同的Excel文件中。設計人員在設計、建模時，就不必關注各種模型元素的一致性、同步修改等，可以把主要精力放在創(chuàng)造性思考上。
4.建模思路
建模思路就是設計團隊如何利用系統(tǒng)建模語言的各種圖形來建立系統(tǒng)模型，也就是工作流程。工作流程依賴于各個設計單位的特點，也與設計的型號類別有關。各行各業(yè)的型號研制單位，如航空航天等，在應用MBSE，或者從TSE轉(zhuǎn)向MBSE時，建模思路、工作流程的研究、探索和試用，應該是重點工作和前置性工作，因為系統(tǒng)建模語言是統(tǒng)一的，雖然不同提供商的建模工具各有特點，但本質(zhì)是一樣的，因此關鍵就在于根據(jù)本單位型號及組織機構特點，研究適合自己的建模思路和工作流程。這需要在試點型號中探索應用，然后進行推廣。
四、MBSE相對于TSE的優(yōu)勢
型號研制的要求是快好省。本節(jié)從MBSE的特點來分析其相對于TSE的優(yōu)勢。
1.應對需求蠕變，降低技術風險
用戶本身所處的環(huán)境(如作戰(zhàn)的對手)在不斷地變化，而且用戶對這些環(huán)境的認識也存在一個過程，因此在型號研制過程中，需求蠕變是不可避免的，而且這已經(jīng)逐漸成為研制工作拖降漲的主因。
MBSE采用了若干方面的手段來應對需求蠕變：包括使用需求方和研制方都能夠理解的系統(tǒng)建模語言來進行需求分析，理順要求圖中的各種圖形的關系、理清用戶方各種角色以及各種各樣的要求，并記錄在案，可隨時查詢和修改;在計算機中建立需求和系統(tǒng)模型中其它模型元素之間的關系，如設計、測試用例和用例等，并且進行動態(tài)的維護等。MBSE中的系統(tǒng)模型有明顯的分層，對技術進行了隔離，因此可以快速準確地對系統(tǒng)的不同層次的技術路徑進行選擇和比較(如對某種可能禁運的原材料準備一種替代材料)，有效地應對技術攻關中的滯后問題，可以在此基礎上做出更科學的決策，從而降低技術風險。
2.及早進行全系統(tǒng)仿真
我們在型號設計過程中，實際上是用對模型研究來反映對實際系統(tǒng)的研究。系統(tǒng)仿真就是讓系統(tǒng)模型的各個要素動起來，看是否符合設計目的。TSE下的仿真主要是單學科(如力學、熱學)，無法實現(xiàn)全系統(tǒng)的集成仿真，不能快速有效地在模型端全面、動態(tài)地識別設計中的問題。在MBSE下，使用系統(tǒng)建模語言及支持軟件，可以建立動態(tài)可執(zhí)行的系統(tǒng)模型，充分發(fā)揮計算機大容量、快速計算等性能，在計算機中對系統(tǒng)模型進行全系統(tǒng)仿真、隨時仿真和全周期仿真，及時發(fā)現(xiàn)設計的問題并加以修改。
3.實現(xiàn)軟硬件的和諧開發(fā)
隨著微電子技術及芯片技術的發(fā)展，軟件在航天型號中發(fā)揮著越來越重要的作用，大量數(shù)據(jù)的采集、處理、狀態(tài)判定、決策、控制和執(zhí)行需要軟件來完成，其數(shù)量及規(guī)模也急劇增加。目前的型號研制，是先把系統(tǒng)的初步設計完成之后，才形成型號軟件的需求說明書，一旦軟件在開發(fā)中遇到某些不易克服的問題，則會對系統(tǒng)的總體方案形成巨大的沖擊。
MBSE在對系統(tǒng)進行逐級分塊時，并不區(qū)分軟件和硬件，直至最底層才把邏輯部件分配給相應的硬件部件、軟件部件和操作程序等，這樣有助于系統(tǒng)功能在軟件硬件之間合理而優(yōu)化的分配，能夠獲得更加優(yōu)化和平衡的系統(tǒng)模型。
4.提升研制單位知識管理的能力
型號研制是一個知識的理解(理解用戶的需求)、繼承(繼承以往的設計方案)、重用(重用科學研究中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律)、集成(把各個學科的規(guī)律集成在一個型號中)的過程，因此從建模的角度看，型號研制工作就成了模型的理解、繼承、重用和集成。對于研制單位來說，成熟型號的知識(設計方案、訣竅)是最寶貴的資產(chǎn)，因此知識管理是高科技企業(yè)的核心能力之一。在MBSE下，成熟型號的知識是以系統(tǒng)建模語言模型的形式表示和存儲的，便于捕獲、查詢、理解和重用，而且重用的級別可以大幅度地提高，類似設計軟件時可以直接拿一個模塊進行重用。
5.促進建模工作的管理
在MBSE下，技術管理的部分工作會變得容易。因為系統(tǒng)工程不僅是技術過程和建模過程，還包括技術管理過程，也就是對系統(tǒng)模型進行維護和管理等工作。MBSE下系統(tǒng)模型的各個方面的信息是關聯(lián)在一起的，管理起來很方便。凡是涉及到型號設計方案(系統(tǒng)模型)的管理和維持的工作，都會變得比較容易，如技術狀態(tài)管理、資料管理、接口管理和權衡研究等。
五、結論與啟示
1.MBSE是系統(tǒng)工程的顛覆性技術
系統(tǒng)工程作為創(chuàng)造系統(tǒng)的方法和技術以及復雜工程系統(tǒng)研制組織管理的技術，當然包括系統(tǒng)建模技術及其組織管理技術，因為管理的基礎是溝通，復雜工程中溝通的基礎是系統(tǒng)模型，系統(tǒng)模型的基礎是系統(tǒng)建模技術，系統(tǒng)建模工作中包含著系統(tǒng)建模技術，即建模語言、建模思路和建模工具。
作為一種技術，系統(tǒng)工程終究還是要不斷地向前發(fā)展，其方向是什么值得認真研究。時至今日，工程系統(tǒng)建模技術發(fā)生了巨大改變，包括建模語言、建模思路和建模工具都發(fā)生了改變，也可以說系統(tǒng)工程已經(jīng)介入到需求分析過程、設計過程和試驗過程。因此，應充分地重視技術過程中的系統(tǒng)建模技術，充分認識工具、技術和管理的辯證關系。因此，我們可以從復雜工程系統(tǒng)建模的角度來重新認識系統(tǒng)工程：系統(tǒng)工程是一種建立復雜工程系統(tǒng)模型的技術(方法)，包括系統(tǒng)建模技術(用于構建系統(tǒng)模型的建模語言、建模思路和建模工具)和對建模工作進行組織管理的技術。
MBSE在建模語言這個層次進行了方向性和根本性的轉(zhuǎn)變，充分利用了信息技術和軟件工程等方面的技術，也響應了型號越來越復雜的需求，在型號研制實踐中初步得到了應用并驗證了其優(yōu)勢。因此，綜合各方面因素看，MBSE是系統(tǒng)工程的顛覆性技術。
2.啟示：中國工程界有必要加強對MBSE的研究和試用
新形勢下，應當充分認識系統(tǒng)建模技術對于系統(tǒng)工程的重要性和決定性作用。MBSE要改變的就是系統(tǒng)建模技術，是從基礎層對系統(tǒng)工程進行改進。這種改進的核心是建模語言。它改變了復雜工程系統(tǒng)研制中人們表示知識的方式，改變了型號研制中人與人之間技術溝通、知識交流的方式，再輔以信息化、網(wǎng)絡化的建模工具，將有效打破傳統(tǒng)系統(tǒng)工程中人與人之間的溝通瓶頸，會在工程系統(tǒng)日益復雜龐大、賽博-物理系統(tǒng)、無人系統(tǒng)和智能系統(tǒng)的研制中大顯身手。
目前，我國工程領域正處在由大變強的過程中，需要關注MBSE這種系統(tǒng)工程的顛覆性技術，扎實做好MBSE基本原理、建模思路和工作流程等方面的研究工作，積極開展相關型號試點應用，為國防軍工、民用工程的研制和建設奠定扎實的方法論基礎和工具基礎。
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