1 国外基于模型的系统工程方法研究与实践
王崑声 袁建华 陈红涛 蒲洪波
引言
自上世纪60年代以来，系统工程一直是国外航天和国防领域所惯常采用的研制管理方法，保障了自“大力神”导弹及阿波罗计划以来众多项目的成功。然而，自1969年形成美国军用标准《系统工程管理》（Mil-Std-499）以来，该方法变化很小。与此同时，系统的规模和复杂性却在显著地增长，传统系统工程（Traditional Systems Engineering，TSE）方法已经不能满足需求。
2012年1月，在NASA的项目管理挑战研讨会上（PM Challenge），来自约翰逊航天中心的技术人员介绍了在航天服开发中应用“基于模型的系统工程”（MBSE，Model-Based Systems Engineering）的情况。目前，NASA所属的兰利航天中心、喷气推进实验室等都在项目研发、技术管理等方面积极地应用MBSE方法。MBSE作为一种新的范式（Paradigm），NASA、DoD、ESA等政府组织和相关承包商积极在项目中应用，IBM等软件和方案提供商也在积极地开展研究，并开发相关的支持环境。有关MBSE的研究与应用正在快速地扩展开来，影响越来越大。MBSE方法已经成为最近几年系统工程界研究与应用的热点。
一、 基于模型的系统工程的概念与内涵
2007年，国际系统工程学会（INCOSE）在《系统工程2020年愿景》中，给出了“基于模型的系统工程”的定义：基于模型的系统工程是对系统工程活动中建模方法应用的正式认同（formalized application of modeling），以使建模方法支持系统要求、设计、分析、验证和确认等活动，这些活动从概念性设计阶段开始，持续贯穿到设计开发以及后来的所有的寿命周期阶段。
从MBSE的定义可以看出，MBSE强调了建模方法的应用问题。我们知道，模型就是针对建模对象（研究对象）中建模者感兴趣的某些方面特征的近似表征，建模就是运用某种建模语言和建模工具来建立模型的过程，仿真是对模型的实施 2 与执行。模型是我们思考问题的基本方法，是设计工作的思维基础。实际上，各专业学科及系统工程一直在使用建模与仿真方法，MBSE并不是对建模方法的首次采用，也就是说，MBSE与传统系统工程（Traditional Systems Engineering，TSE）的区别并不在是否采用建模方法。
基于模型的系统工程pdf
基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）是一种系统工程方法论，它将系统设计、开发和验证过程中的各个阶段都建立在一个共享的模型基础上。这个模型可以是一种图形化的表示，也可以是一种数学模型，它描述了系统的各个方面，包括需求、功能、结构、行为等等。基于模型的系统工程旨在提高系统工程的效率和质量，减少错误和风险，增强团队间的协作和沟通。
关于基于模型的系统工程的详细内容，可以在以下方面进行探讨：
1. 概述和基本原理，介绍基于模型的系统工程的基本概念、原理和核心思想。解释为什么使用模型来支持系统工程，并描述模型的作用和优势。
2. 模型的建立和表示，讨论如何建立系统模型，包括模型的组织结构、元素的定义和关系的建立。介绍常用的建模语言和工具，如统一建模语言（UML）和系统建模语言（SysML）。
3. 需求工程，说明如何使用模型来捕捉和管理系统的需求。讨论需求的分类、需求的表示和分析方法。介绍如何使用模型来验证需求的正确性和一致性。
4. 功能和结构设计，讲解如何使用模型来描述系统的功能和结构。介绍如何使用模型来进行系统的分解和组合，以及如何进行功能和结构的优化和验证。
5. 行为建模和仿真，介绍如何使用模型来描述系统的行为。讨论如何使用模型进行行为建模、时序分析和仿真。说明如何使用模型来验证系统的性能和可靠性。
6. 系统集成和验证，探讨如何使用模型来支持系统的集成和验证过程。讲解如何使用模型来进行接口定义和一致性检查。介绍如何使用模型来进行系统级的验证和验证结果的分析。
7. 模型管理和协作，讨论如何管理和维护系统模型。介绍模型版本控制、变更管理和模型协作的方法和工具。
8. 实例和案例分析，给出一些基于模型的系统工程的实例和案例分析，以便读者更好地理解和应用这种方法。
第２７卷第４期 电脑开发与应用
文章编号：１００３—５８５０（２０１４）０４—００７１—０５
基于模型系统工程方法研究与展望
毛寅轩，袁建华 （中国航天系统科学与工程研究院，北京１０００４８）
摘要：基于模型的系统工程是近年产生的新型系统Ｔ程方法，用模型基线取代文档基线以应对现代大型系统的 复杂性与软件密集型特性。该方法的基本元素是模型，着眼于模型应用方法的发展演化历程，对基于模型系统工程方法 的可行性基础、理论基础、工程应用基础展开研究，总结整理出从模型表示方法，系统建模体系到基于模型系统Ｔ程方法 的发展脉络，解释了其内在联系，指出了下一阶段发展方向。 关键词：模型，命题，工程系统，基于模型系统Ｔ程 中图分类号：Ｎ９４５ 文献标识码：Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ Ｍｏｄｅｌ－ｂａｓｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ＭＡＯ Ｙｉｎ—ｘｕａｎ，ＹＵＡＮ Ｊｉａｎ—ｈｕａ
（Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｒｉｎｇ １０００４８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｏｄｅｌ－ｂａｓｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｓｙｓｔｅｍｓ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＭＢＳＥ
ａｐｐｌｉｅｄ ｍｏｄｅｌｓ ａｓ ｂａｓｅｌｉｎｅ ｉｎｓｔｅａｄ ｏｆ ｄｏｃｕｍｅｎｔｓ ｔｏ ｈａｎｄｌｅ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ——ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｄｅｌ－ａｐｐｌｉｅｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ
ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ￣ｕｎｄａｔｉｏｎ ａｒｅ ｓｕｒｖｅｙｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｆｒｏｍ ｍｏｄｅｌ— ａｐｐｌｉｅｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｓｙｓｔｅｍｓ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｔｏ ＭＢＳＥ ｉｓ ｐｏｉｎｔｅｄ ａｎｄ ｉｎｎｅｒ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ａｍｏｎｇ ｔｈｅｍ ｉｓ
@王良声袁建华陈红涛蒲洪波自上世纪60年代以来,系统工程一直是国外航天和国防领域所惯常采用的研制管理方法,保障了自大力神导弹及阿波罗计划以来众多项目的成功然而,自1969年形成美国军用标准系统工程管理(M且一Std一499)以来,该方法变化很小与此同时,系统的规模和复杂性却在显著地增长,传统系统工程(TSE)方法已经不能满足需求2012年1月,在美国航空航天局(NASA)的项目管理挑战研讨会上,来自约翰逊航天中心的技术人员介绍了在航天服开发中应用基于模型的系统工程(MBSE)的情况目前,NASA所属的兰利航天中心喷气推进实验室等都在项目研发技术管理等方面积极地应用MBSE方法MBSE作为一种新的范式,NASA美国国防部欧空局等政府组织和相关承包商积极在项目中应用,IBM等软件和方案提供商也在积极地开展研究,并开发相关的支持环境有关MBSE的研究与应用正在快速地扩展开来,影响越来越大MBSE方法已经成为最近几年系统工程界研究与应用的热点一基于模型的系统工程的概念与内涵2007年,国际系统工程学会(INCOSE)在系统工程2020年愿景中,给出了基于模型的系统工程的定义:基于模型的系统工程是对系统工程活动中建模方法应用的正式认同,以使建模方法支持系统要求设计分析验证和确认等活动,这些活动从概念性设计阶段开始,持续贯穿到设计开发以及后来的所有的寿命周期阶段从MBSE的定义可以看出,MBSE强调了建模方法的应用问题我们知道,模型就是针对建模对象(研究对象)中建模者感兴趣的某些方面特征的近似表征,建模就是运用某种建模语言和建模工具来建立模型的过程,仿真是对模型的实施与执行模型是我们思考问题的基本方法,是设计工作的思维基础实际上,各专业学科及系统工程一直在使用建模与仿真方法,MBSE并不是对建模方法的首次采用,也就是说,MBSE与传统系统工程的区别并不在是否采用建模方法(一)系统工程的关键在于构建一个系统架构模型在整个系统工程工作过程中,人们不仅要在头脑中建立(具备)一个关于该系统的全面的概念(想法构思构想),而且在现实中要针对这个概念建立某种类型的模型,如草图文字描述表格图片图示实物模型等,这些模型统称为工件,是人们自己思考和与他人沟通交流的工具现实中工件和头脑中的概念相互启发,不断深化和具体化,最终变成生产人员可以使用的蓝图,再由生产人员把蓝图变成最终交付的系统这实际上是所有设计工作的一般流程,并非系统工程所独有,只是系统工程需要考虑的因素更多罢了52中阅扰天在设计过程中,需要从各个方面建立模型来对该系统进行详细刻画,才能够准确地全面地描述系统比如修建一座大厦时要画出立面图管道图电气图楼层分布图等这些称为系统的视图,分别对应相关的专业学科不同的工作角色及不同的利益相关者系统的视图实际上是从不同方面描述刻画了系统的某个方面的特征,因此,系统的各个视图要紧密关联保持一致,才能够保证最终的系统是正确的优化的这其中,系统架构模型的建立是至关重要的,也是必需的系统架构模型是对系统整体的全面的描述,相当于通常所说的总体设计方案,是整个研制工作的首要工件系统架构模型与各个视图相互关联,各方人员针对一个共同的系统架构模型来分析和优化因此,系统工程的关键,就在于构建出一个完整的系统架构模型(二)传统的系统工程用各种文本文档构建系统架构模型传统的系统工程中,系统工程活动的产出是一系列基于自然语言的以文本格式为主的文档,比如用户的需求设计方案,当然也包括一些用实物做成的物理模型等此时,系统架构模型由一大包各种各样的文档共同组成,如火箭的总体布局方案推进系统控制系统等分系统的设计方案以及弹道方案分离方案等把这些文档串起来的东西是一系列的术语及参数,这些术语对系统进行了定性描述文档中包含了系统的各种各样的参数,它们是系统的定量描述各专业学科的分析模型(公式)从文档中抽取相关参数进行计算(先找到术语,再找到参数),计算之后再把相关参数写入文档,转交给其它学科和相关人员,也就是说,参数在各个文档之间来回流动这种设计流程也被称作抛过墙的设计很显然,在这个过程中,文档管理的机制配置管理的机制非常重要,总体设计的工作主要就是抓总和协调,并控制这些术语和参数TSE的文档在描述系统架构模型时具有天生的缺陷TSE的文档是基于自然语言基于文本形式,当然也包括少量的表格图示图画照片等由于自然语言并非专门为系统设计所发明,而是要表示大千世界的万事万物,还要表示纷繁复杂的各专业学科知识,所以丁SE的文档要依靠相关工程设计的术语(也是基于自然语言的组合),来使各方对系统有一个共同的理解和认识所以各方的沟通交流要依赖不断更新的术语表词汇表等,否则就容易产生理解的不一致性尤其是当系统的规模越来越大涉及的学科越来越多参与的单位越来越多时,这个问题就更加地突出了文档的电子化网络化并没有从根本上改变各方对文档理解的不一致性随着信息技术的发展,系统工程的文档从过去的纸质方式,发展到电子化的处理方式,比如WordPDF等电子格式,这只是便利了存取复制修改,其编码格式依然是基于文本的,各方人员从文档中读取信息依然是逐行扫描方式对于相关各方对文档的内容形成共同一致的理解,并没有根本的改观也就是说,TSE实际上并没有充分地利用信息技术的进步和成就生产侧造造
