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淺談模型的系統工程的基本原理
國外把基于模型的系統工程(Model-BasedSystemsEngineering，MBSE)視為系統工程的革命、系統工程的未來、系統工程的轉型等。本文首先對系統工程是組織管理的技術這一定義進行分析，從根本上探究系統工程的本質是什么，進而從系統建模的角度認識系統工程與系統建模技術的關系，從系統建模技術的顛覆性發展來對比MBSE和傳統系統工程，分析MBSE的基本原理，闡明其優勢。
系統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-集成的系統論思路和漸進有序的開發步驟，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。工程系統的研制，實質是建立工程系統模型的過程。在技術過程層面主要是系統模型的構建、分析、優化、驗證工作;在管理過程層面，包括對系統建模工作的計劃、組織、領導和控制。因此，系統工程這種組織管理的技術，實質上應該包括系統建模技術和建模工作的組織管理技術兩個層面，其中系統建模技術包括建模語言、建模思路和建模工具。傳統系統工程(TraditionalSystemsEngineering，TSE，也是Text-BasedSystemsEngineering的簡稱)自產生以來，系統建模技術中的建模語言變化較小。基于模型的系統工程相對傳統系統工程有諸多不可替代的優勢。它在建模語言、建模思路、建模工具上有重大轉變，是系統工程的顛覆性技術。
一、系統建模技術是系統工程的重要組成部分
1.工程系統建模是工程系統研制工作的核心
工程系統的研制過程，就是建立工程系統模型的過程。用戶提出的需求是工程系統研制工作的第一推動，設計部門把這些需求翻譯為系統架構模型(功能模型)，再結合技術供應商的零部件模型，形成一個平衡、優化、集成、聯動的系統模型，進而得到能夠讓工人使用的物理模型(藍圖及工藝規程)。各個層次、各個部分以及各個專業的模型，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，系統模型是否符合現實，需要不斷地通過系統仿真、試驗、驗證和確認來進行模型的修改完善。因此可以說，工程系統模型是工程研制工作的成果和中心。
2.系統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逐層分解為分系統、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，交付用戶并滿足用戶需求的過程。以導彈系統為例，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;輸出是導彈系統的設計方案和飛行樣機，飛行樣機依據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.系統工程對系統建模技術非常倚重
復雜工程系統研制包括系統建模及其組織管理工作，這兩樣工作如何開展，就是系統工程方法。系統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模型，系統模型必然由人利用系統建模技術來構建。系統工程這種技術，實質上包括系統建模技術和系統建模工作的組織管理技術。
系統建模工作和系統建模工作的組織管理工作相輔相成，并以系統建模工作為中心。在圖中，技術管理過程的八個方面(技術規劃、技術狀態管理和接口管理等)，都是圍繞著系統建模工作而開展的，當然主要是對人的管理，是對人與人之間圍繞和借助系統模型而開展的技術溝通的管理。這兩個方面，又以系統建模工作(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、系統建模技術的發展和MBSE提出的大背景
1.系統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，就是要得到工程系統的設計方案，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一而一致的思路，也就是建模思路。系統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建模技術的充分結合，是人對系統建模技術的有效使用。
2.系統建模技術的發展變化
縱觀系統工程產生和發展的歷史，可以發現建模工具這個維度發生了巨大的變化，體現在計算機、網絡及一系列的計算機輔助技術(CAX)和產品數據管理(PDM)等。CAX是計算機和網絡代替了人的手工畫圖和圖紙的傳遞，PDM是傳統設計流程的上網。它們沒有從根本上改變人與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工程。因為系統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建模的需要，如系統模型的多視圖集成、軟硬件模型的集成和快速地仿真等。
3.MBSE的定義
基于模型的系統工程是對建模(活動)的形式化應用，以便支持系統要求、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，持續貫穿到設計開發以及后來的所有壽命周期階段。MBSE相對于TSE的特點體現在建模語言、建模思路和建模工具三個方面，在系統建模層次上的主要區別是系統模型的集成化程度和可執行程度的大幅度提高。
4.MBX是MBSE出現的大背景
近些年來，國際工程界提出了各種各樣的模型驅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)，涉及到各類系統及系統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，并聯合對象管理組織，在UML的基礎上開發出了適宜于描述工程系統的系統建模語言(SysML)。軟件提供商也開發了相應的支持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對系統工程中的技術過程進行了顛覆性改造
MBSE仍然還是系統工程，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、圖形化和關聯化的建模語言及相應的建模工具，改造了系統工程的技術過程(即系統建模過程、V型圖的左半邊)，充分利用了計算機、信息技術的優勢，開展建模(含分析、優化和仿真)工作，為右側的系統實現、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
系統建模語言規定了若干種除自然語言外的符號，包括框圖、線條和箭頭等�？驁D就是封閉的線條，可以在框圖內分隔出若干個區域，用自然語言填寫不同的信息。而且不同的區域也由系統建模語言的抽象語法及計算機支撐工具賦予不同的含義，為數據之間的關聯奠定基礎;線條包括直線和折線等，也區分實線和虛線;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建模語言畫圖的計算機和網絡環境，當然核心是支持系統建模語言的軟件。屏幕上呈現出系統建模語言的各種符號，給建模者閱讀，底層利用系統建模語言的語法對相關數據進行了關聯，并形成模型庫。而且可以構建分布式的建模環境，方便研制團隊的協同設計。
形象地說，在MBSE下，工程系統模型的相關信息實現了從Word文檔向Excel的轉變，因為Excel中的數據，可以在不同單元格之間建立關聯，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建模語言的各種圖形來建立系統模型，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。各行各業的型號研制單位，如航空航天等，在應用MBSE，或者從TSE轉向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，因為系統建模語言是統一的，雖然不同提供商的建模工具各有特點，但本質是一樣的，因此關鍵就在于根據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的優勢
型號研制的要求是快好省。本節從MBSE的特點來分析其相對于TSE的優勢。
1.應對需求蠕變，降低技術風險
用戶本身所處的環境(如作戰的對手)在不斷地變化，而且用戶對這些環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，并且進行動態的維護等。MBSE中的系統模型有明顯的分層，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的研究。系統仿真就是讓系統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)，無法實現全系統的集成仿真，不能快速有效地在模型端全面、動態地識別設計中的問題。在MBSE下，使用系統建模語言及支持軟件，可以建立動態可執行的系統模型，充分發揮計算機大容量、快速計算等性能，在計算機中對系統模型進行全系統仿真、隨時仿真和全周期仿真，及時發現設計的問題并加以修改。
3.實現軟硬件的和諧開發
隨著微電子技術及芯片技術的發展，軟件在航天型號中發揮著越來越重要的作用，大量數據的采集、處理、狀態判定、決策、控制和執行需要軟件來完成，其數量及規模也急劇增加。目前的型號研制，是先把系統的初步設計完成之后，才形成型號軟件的需求說明書，一旦軟件在開發中遇到某些不易克服的問題，則會對系統的總體方案形成巨大的沖擊。
MBSE在對系統進行逐級分塊時，并不區分軟件和硬件，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，這樣有助于系統功能在軟件硬件之間合理而優化的分配，能夠獲得更加優化和平衡的系統模型。
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(重用科學研究中發現的規律)、集成(把各個學科的規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，因此知識管理是高科技企業的核心能力之一。在MBSE下，成熟型號的知識是以系統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，也就是對系統模型進行維護和管理等工作。MBSE下系統模型的各個方面的信息是關聯在一起的，管理起來很方便。凡是涉及到型號設計方案(系統模型)的管理和維持的工作，都會變得比較容易，如技術狀態管理、資料管理、接口管理和權衡研究等。
五、結論與啟示
1.MBSE是系統工程的顛覆性技術
系統工程作為創造系統的方法和技術以及復雜工程系統研制組織管理的技術，當然包括系統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模型，系統模型的基礎是系統建模技術，系統建模工作中包含著系統建模技術，即建模語言、建模思路和建模工具。
作為一種技術，系統工程終究還是要不斷地向前發展，其方向是什么值得認真研究。時至今日，工程系統建模技術發生了巨大改變，包括建模語言、建模思路和建模工具都發生了改變，也可以說系統工程已經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建模的角度來重新認識系統工程：系統工程是一種建立復雜工程系統模型的技術(方法)，包括系統建模技術(用于構建系統模型的建模語言、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勢。因此，綜合各方面因素看，MBSE是系統工程的顛覆性技術。
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，應當充分認識系統建模技術對于系統工程的重要性和決定性作用。MBSE要改變的就是系統建模技術，是從基礎層對系統工程進行改進。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、網絡化的建模工具，將有效打破傳統系統工程中人與人之間的溝通瓶頸，會在工程系統日益復雜龐大、賽博-物理系統、無人系統和智能系統的研制中大顯身手。
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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