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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
2、”（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
3、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
4、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。（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（Artifact），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，
5、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。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（View），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（System Architecture Model）的建立是至关重要
6、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的工件（Primary Artifact）。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
7、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地重要，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（Text
8、-Based），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TSE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，发展到电子化地处理方式，比如Word、PD
9、F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。因此，传统的系统工程就是以文档为中心的系统工程，这个文档又是“基于文本的”，所以也可以说传统的系统工程是“基于文本的系统工程”（Text-Based Systems Engineering，TSE）。（三） 基于模型的系统工程用系统建模语言构建系统架构模型在MBSE方法中，用系统建模语言来描述系统架构模型，作为系统开发全过程中首要的工件，并且对它进行管理、
10、控制，并和系统技术基线的其它部分进行集成。用面向对象的、图形化、可视化的系统建模语言描述系统的底层元素，进而逐层向上组成集成化、具体化、可视化的系统架构模型，增加了对系统描述的全面性、准确性和一致性。借助相关的软件环境及模型和数据交换标准，可以对系统架构模型进行存取操作：系统架构模型存储在一个共同的数据库中，相关参数之间是自动关联的；可以生成系统的多个视图，比如导弹的任务剖面、结构图、电气图等，因此，各个学科的专业工程师、各种角色，都可以基于这个系统架构模型来工作，从共同的数据库中取数、并用本学科的模型及软件工具来进行分析。图1：系统架构模型的中心位置很显然，要实现上述目的，MBSE需要相应的
11、理论基础、建模语言及工具，这包括来自软件工程领域的面向对象的分析与设计思想、系统建模理论、系统建模语言、扩展标记语言元数据交换标准（Extensible Markup Language Metadata Interchange，XMI）、系统工程数据的交换标准（AP233）等。二、 基于模型的系统工程相对于传统系统工程的优势MBSE和TSE的区别，就在于系统架构模型的构建方法和工具的不同，以及由此带来的工作模式、设计流程等方方面面的区别。也就是说，传统的系统工程变成基于模型的系统工程，实际是从“基于文本”（Text-based）向“基于模型”（Model-based）的转变，这个模型，指的是用
12、系统建模语言建立的系统架构模型，或者说是系统架构模型的建模语言从“自然语言、文本格式”转向了图形化的系统建模语言（SysML）。但MBSE并不是完全抛弃过去的文档，而是从过去“以文档为主、模型为辅”向“以模型主、文档为辅”的转变。（一） 系统工程过程产生系统建模语言框图，并组成系统架构模型1、 传统的系统工程过程三个步骤分别生成三种文本文档系统工程过程是系统工程方法的“发动机”，主要包括三个步骤、四个回路（Loop），生成三种文档。第一步的要求分析负责把用户的需求及外部环境的约束变换成系统要求。第二步的功能分析与分配负责把系统要求变换成系统的功能，并把功能分解为系统的一个一个的“小动作”，形成
13、的文档是功能架构。第三步的设计综合，则根据现有的产品及技术条件，把功能架构“映射”到物理架构上，完成设计过程。四个回路则负责把三个步骤各自的产出和输入进行对比，看是否匹配，这个过程叫作验证（Verification）。这其中，设计师要在功能架构和物理架构之间进行多次的、双方向的反复迭代，直至所有的功能架构和物理架构都被试验过，并且二者要一致，这里包含了巨大的工作量。图2：系统工程过程2、 基于模型的系统工程的三个步骤各自生成三种图形在MBSE方法中，系统工程过程的每一步产生的不再是文本文档，而是用系统建模语言所构建的模型：在要求分析步骤产生要求图、用例图及包图，在功能分析与分配步骤产生顺序图、
14、活动图及状态机图，在设计综合阶段产生模块定义图、装配图及参数图等。图3：运用SysML后的系统工程过程在系统不同层次反复应用这一过程建模，可以深入到系统最底层的元素，把最底层元素的模型集成起来，就形成了一个完整的系统架构模型。在支持SysML的软件中，框图所代表的系统设计的相关数据被存储在数据库中。可以借助不同“颗粒度”的系统架构模型来进行可行性研究、备选方案研究等工作。可以自动生成相关文档，以供相关的决策者使用。尤其需要重点指出的是，需求者也可运用SysML画出需求图，用例图，以此驱动整个过程，这样就可以使用户的参与程度更深，并进而改进整个的设计工作。（二） 系统架构模型成为沟通各学科的“集
15、线器”目前，各专业学科的模型已经被大量应用于工程设计的各个方面，但模型缺乏统一的编码，也无法共享，建模工作仍处于“烟囱式”的信息传递模式，而没有与系统工程工作流相结合。TSE下，文本文档是各专业模型接入系统架构模型的枢纽和渠道，比如，电子工程师和力学工程师都在分析研究同一个部件，但它们所使用的术语、模型都不一样，无法进行直接的交流和沟通，因此总体设计和协调的工作量就十分巨大。需要指出的是，MBSE并不是要抛弃掉各专业学科原来所使用的模型，而是要用统一的系统建模语言来沟通各专业学科、专业工程。运用专业模型进行分析时，系统架构模型就像我们接入互联网的“集线器”（Hub）一样，设计师可以从系统架构模
16、型中直接提取相关的参数，比如从参数图中提取相关参数就可以建立数学模型。各专业学科可以同时对用建模语言表示的部件进行分析设计，参数的更改可以实时地显示出来，可以提高工作效率。这就使整个设计团队可以更好地利用各专业学科在模型、软件工具上的先进成果。（三） MBSE有助于进一步突破时间和空间对设计工作的限制TSE下，相关的设计工作要遵循一定的时间顺序，而且还有一定的空间限制。比如，系统工程文档要按照一定的顺序进行流转，上一个专业学科分析做完之后，才能够进行下一个专业的分析，而且做出样机来了，然后各方才能够进行测试等。MBSE下，用系统建模语言构建出模型后，就能够进行各式各样的分析和测试，提前进行协调
17、、平衡和优化。而且各方围绕着一个存储着系统架构模型数据的“数据银行”（Databank、Repository）来并行开展工作，并且可以支持远程及分布式的工作模式，突破设计人员地理位置的限制。（四） MBSE为提升研制管理工作的效率奠定了基础TSE下，不管是系统分析与控制的工作，还是项目管理的工作，都要从各种文本文档中逐行扫描取数，然后进行各种的分析。MBSE下，把文本文档用SysML进行了重新地“编码”，使得描述系统的数据既便于人阅读，又便于计算机处理。而且各种用户需求、系统要求、功能架构、物理架构等信息进行了关联，所以系统分析与控制（需求跟踪、权衡研究、配置管理等）的各项工作就更加容易和便利
18、。由于系统工程和项目管理这种密不可分的关系，基于模型的系统工程方法对研制管理也可以提供很多的帮助。既然最底层的对象已经有充分的描述数据，则对完成若干个对象的“工作包”的相关管理数据也必然有全面的数据。依据这些全面的数据，项目管理的有关模型、软件也可以接入到系统架构模型中，项目管理工作就可以提高效率。三、 基于模型的系统工程的理论基础与技术基础（一） “面向对象”思想在软件工程界的成功应用软件是人类迄今为止所能创造出的最复杂的产品。这其中，面向对象的思想和分析技术功不可没。“面向对象”思想认为：客观世界是由一个一个的对象组成的，各种过程、各种功能、各种动作是由对象完成的，只要详细定义对象（类），
19、就可以通过对象的不同组合，实现丰富多彩的功能及过程。对象的定义包括属性和操作两大方面：属性就是对象的各方面的特征，当然也是建模者、软件开发者感兴趣的、与开发活动有关的特征；操作用于修改、检索类的属性或执行某些动作，通常也称为功能。把这种思想进一步延伸，把我们要研制的型号系统看作一个“以软件为主的系统”，运用软件中的面向对象的分析方法，得出物理架构，然后把那些不能用软件实现的“砖块”（对象）用物理实体代替。在整个物理架构中，需要物理实体来填充的对象，和需要用软件对象来填充的对象，都用类这种数据结构来定义。（二） 专业学科在应用建模技术方面领先于系统工程系统工程是协调平衡各个专业学科的专业，要在系
20、统整体层次上“驾驭”各专业学科。现在，其它各专业学科在利用模型方面已经大大超前，比如机械、电子、软件等。此外，从流程上看，工程研发、设计、制造的各个流程都在应用基于模型的方法，提出了以用户为中心的工程的虚拟环境、基于模型的概念设计、基于模型的制造等方法。因此，在系统工程方法中全面地、全方位地应用模型已是“迫不得已”，也是大势所趋，水到渠成。（三） 系统建模语言SysML的推出系统建模语言（Systems Modeling Language，SysML）由软件工程界事实上的标准语言统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）发展而来，具有图形化、易于计算机处理等特点
21、，是用于系统工程的标准建模语言，用来分析、详细说明、设计和验证复杂系统，目的是提高系统的质量、提升在各种工具之间交换系统工程信息的能力，协助弥补系统、软件和其它工程学科之间的语义鸿沟。SysML是图形化的，便于研制人员的读写和理解；便于计算机处理，各种图形、线条由相应的计算机软件规定好，设计人员根据SysML语言规则，在软件环境下画图，以图形及组合表示自己的设计意图。也可以据此生成自然语言的文档，用这个文档和用户进行交流，也可以由用户直接用这个软件画出自己的需求。相应的发工具是支持该语言的开发环境软件（如DOOR）。四、 国外各界对MBSE开展积极的研究与实践NASA在多个新的及已有的项目上积
22、极运用MBSE，其目的是显著提升项目的经济可承受性、缩减开发时间、有效管理系统的复杂性、提升系统的整体的质量水平。这些项目包括航天通信和导航项目（The Space Communications and Navigation (SCaN) program）、NASA约翰逊航天中心的出舱活动/航天服研制等。NASA下属的研究中心也制订了相关的行动计划以支持在本机构中全面实施MBSE。喷气推进实验室（JPL）在研究和应用MBSE上行动积极，具有代表性。制订了一个应用MBSE的发展战略，时间跨度为20092016年。开发了MBSE的方法论，叫作状态分析（State Analysis），并在多个项目中
23、应用，是目前7种候选的方法论之一。作为系统的需求方和采办方，一些机构开始利用MBSE进行招标。例如，一些采办者用它来代替原来的用文本陈述的要求，开发了一些模型来定义性能、环境、约束、有效性度量、质量、利益相关者及其角色以及一些特定的情景，在这些模型中，他们所想象的、准备研制的系统将会运行起来，所有定义的东西将围绕一个“黑盒”系统。供应商用自己的模型来代替这个黑盒，详细的白盒来表示他们的系统方案，包括设计和运行的方案，以及风险减缓的方法。采办者可以根据谁的模型（建议的设计方案）最能满足他们的要求来选择谁中标。软件工具提供商也在积极行动。IBM公司也开发了一种方法论，叫作“针对系统工程的统一软件过
24、程”（Rational Unified Process for Systems Engineering (RUP SE) for Model-Driven Systems Development (MDSD)）。软件提供商积极开发相关支撑平台。如LMS 公司的多领域系统仿真集成平台，可用于飞机开发的每个阶段（从前期的概念设计分析、详细设计到产品验证）。五、 启示和建议国际系统工程学会的系统工程2020愿景中指出：从很多方面看，系统工程的未来可以说是“基于模型的”。从“基于模型的系统工程”的路线图（见图3）可以看出，目前在项目中应用该方法还是一种“特别的”方式，“基于模型的系统工程”正处于探索期
25、。在国际系统工程学会的倡议和推动下，国外军工企业、行业协会、政府组织等积极参与进来，成立了很多挑战团队和行动团队，从事“基于模型的系统工程”方法及具体项目的研究，比如空间系统的建模、模型管理及基于模型的试验等。图4：MBSE的发展路线图从上述的需求、工作原理、理论基础、技术基础、研究实践等来看，从TSE向MBSE的转型，是大势所趋，也是形势所迫。MBSE方法代表着系统工程方法的最新进展和未来发展方向。然而，任何一种新方法的研究、应用与推广普及，都将经历一个较长的周期。如同企业信息化一样，虽然是一个大方向和必然趋势，但在具体的实施过程中，总会遇到各种各样的阻碍与问题，但没有人会否认信息化是企业的发展方向。按照INCOSE在2008年所规划的路线图，MBSE目前正处于探索期。理论方法从实践中来，又反过来指导实践。MBSE也是如此，它的未来，既取决于理论界的探索，更取决于各界的积极实践，尤其是二者的交流互动。我国采用系统工程方法取得了巨大成就。MBSE是系统工程在新世纪的新趋势，我们需要认真研究，积极引进、消化、吸收，形成具有中国特色的MBSE，为我国国防实力和综合国力的提升打下坚实的基础。
