系统工程｜复杂系统研发中基于模型的系统工程方法论

1、引言

挑战

系统开发的复杂性推高了航空航天的开发成本和周期，传统的研制流程存在以下问题：1）基于文档设计，容易产生二义性；2）各设计阶段的设计结果割裂；3）缺陷大多在后期发现，发现和修复成本高；4）试验滞后于设计，试验效率较低，试验结果离散；5）后期发现问题后优化和改进空间少 。

国内首次研制大涵道比商用航空发动机面临巨大的风险与挑战，主要体现在研发难度大、研制周期长、极高的安全性要求。

解决问题方向

随着信息技术飞速发展，基于模型的系统工程便应运而生。利用基于模型的系统工程方法（Model based Systems Engineering，MBSE）在开发的早期阶段，就通过模型逐步定义需求和功能，设计系统架构及进行相应的验证工作，并将这些模型统一存储在模型库中。

作为系统工程领域一种新兴的方法，基于模型的系统工程由于诸多明显优势的存在，正成为复杂系统设计的基础。

2、基于模型的系统工程方法论介绍

INCOSE的《MBSE方法论调查Survey on MBSE Methodologies》中关于“方法论Methodology”的定义包括“PMTE”四个元素，分别是：过程Process、方法Method、工具Tool、环境Environment。

图1 MBSE落地基本要素[1]

根据“PMTE”，方法论可以提供解决某项问题的完整方案框架，落实到某项具体的复杂系统设计问题上，MBSE作为解决复杂系统设计的完整方案框架，也必须提供过程Process、方法Method、工具Tool，并明确这些元素可以有效开展和使用的环境。

通常基于模型的系统工程（MBSE）方法论封装了建模语言、建模过程、建模工具，下面介绍工程中常用的MBSE方法论。

面向对象的系统工程方法（OOSEM）

OOSEM起源于90年代开始的洛马公司的软件供应商联盟，2000年INCOSE建立OOSEM工作小组；OOSEM是一种将面向对象的分析技术和系统工程理论基础充分结合的一种自顶向下的场景驱动的MBSE方法论。

OOSEM的两个核心原则是：综合产品研制理念Integrated Product Development；采用递归的V型生命周期模型Recursive “Vee” Lifecycle Process Model。

OOSEM的活动如下图所示：

图2 OOSEM方法论[1]

OOSEM的关键活动包括：分析利益相关方的要求和需要Analyze Stakeholders’ Needs、定义系统需求、定义逻辑架构、对已分配的备选架构进行综合并分析、对备选综合架构进行评估和优化、确认和验证系统设计Validate and Verify System。

IBM Harmony-SE方法论

Harmony-SE方法论的主要目标包括：

1) 确定Identify或者衍生Derive必要的功能Functionality；

2) 确定Identify系统状态States和模式Modes之间的相互关联关系；

3) 将系统功能或者工作模式分配给架构。

图3 Harmony SE方法论[1]

Harmony-SE方法论主要包括以下三个顶层过程元素：

1) 需求分析，针对系统用例进行识别和初步分析，其过程输出包括系统场景和用例Scenarios and Usecases。

2) 系统功能分析，输出用例模型Usecase Model和运行合约Operational Contracts，运行合约描述系统与外界交互的逻辑和接口规范。通过用例一致性分析Usecase Consistency Analysis建立用例协作模型Usecase Collaboration Model，将用例融合在一起，以形成对系统功能的全方位考察。

3) 架构设计，输出系统架构模型和伴生的运行合约Allocated Operational Contracts，包括ICD和设计规范Design Specification。

Harmony-SE的过程可以在“Telelogic Rhapsody”软件环境中实现，Rhapsody是一个基于模型的设计环境。

ARCADIA方法论

ARCADIA（Architecture Analysis and Design Integrated Approach）方法是由THALES开发的MBSE方法，在THALES内部有着广泛而深入的应用。ARCADIA使用可视化的建模语言DSML（Domain Specific Modeling Language），对复杂系统进行运行分析、系统分析、逻辑架构设计、物理架构设计和产品构建策略设计。

图4 ARCADIA方法论[2]

ARCADIA采用“视点驱动”的分析方式，支持将所有与系统设计相关的分析内容都以“视点”的形式应用到系统模型之上，成为系统描述的一部分。目前，THALES已将支持ARCADIA方法的核心建模工具Capella开源出来。

Vitech MBSE Methodology

Vitech MBSE方法论的域结构如下：

图5 CORE方法论[1]

Vitech提出分层递进式的MBSE模式，即“洋葱模型”，强调对系统进行工程设计时先在同一个层级上水平进行分析和设计之后再垂直推进到下一个更加详细的层级，这样做的目的是在进行更加详细的设计之前保证每一个层级上设计的完整性、一致性，进而保证逐渐推进设计深度时的设计结果收敛性。

基于域结构的“洋葱模型”如下图：

图6 CORE方法论的洋葱模型[1]

完整性和收敛性是洋葱模型的重要原则，系统工程团队在完成一个层级的设计并推进到下一个层级之前要保证设计结果的完整性，这样在每进行一个层级的设计时都可以把设计更改和迭代控制在本层级，或者至多“上一个层级”，保证设计结果的收敛性。

3、MBSE发展和应用现状

2007年， INCOSE给出了MBSE的明确定义，并首次提出了MBSE的规划路线。规划指出了MBSE五大核心建设步骤，具体包括：1）提出MBSE标准；2）发展成熟的MBSE方法和指标集成系统硬件、软件模型；3）搭建集成仿真、分析、可视化于一体的架构模型；4）建立具有明确定义的MBSE理论、本体、形式化体系；5）构建跨领域的分布式的可靠的模型库。

在航空发动机行业，普惠公司采用基于模型的系统工程的方法，在发动机整机和FADEC系统中进行功能逻辑建模，通过对发动机整机的行为、逻辑进行分析，确保发动机整机需求捕获完整、正确，并基于逻辑架构对需求进行分解和分配。

Rolls-Royce公司根据INCOSE发布的系统工程手册，从自身特征出发，制定了相应的系统工程能力框架。该框架涵盖了需求管理、系统思考、系统定义、系统功能分析、系统架构设计、接口管理以及相应的确认和验证能力，与包含项目管理者、总工程师、总设计师、系统工程师、系统设计师、质量工程师、开发工程师等在内的多种岗位角色建立了联系，进而实现了从航空动力系统到子系统最后再到部件的工程迭代。在完善的体系框架下，Rolls-Royce公司进一步推进了系统工程在型号项目中的实践与应用。具体的，他们航空发动机研制中采用了需求管理工具，由此建立了客户需求和试验之间的动态关联，并最终取得了巨大成功。

4、结束语

从理论与最佳实践可以看出，MBSE是解决复杂度逐步加大的航空设备研制的最佳手段。以空客、波音、洛克希德·马丁及罗罗等为代表的国外知名航空企业已率先推进MBSE，构建了以产品需求为核心基础的研制过程平台与体系，并在型号工程推广中取得了显著的成效，国内航空工业也在积极推进数字化/信息化能力建设和MBSE。商发经过了前期概念导入、项目试点，相关工作正在探索推进。

参考资料

[1] INCOSE Survey of MBSE Methodologies. INCOSE, 2008.

[2] A Model-Based Engineering Method for System, Software and Hardware Architectural Design. Thales, 2015.