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(shù)這一定義進(jìn)行分析，從根本上探究系統(tǒng)工程的本質(zhì)是什么，進(jìn)而從系統(tǒng)建模的角度認(rèn)識系統(tǒng)工程與系統(tǒng)建模技術(shù)的關(guān)系，從系統(tǒng)建模技術(shù)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(shù)過程和管理過程兩個層面。技術(shù)過程遵循分解-集成的系統(tǒng)論思路和漸進(jìn)有序的開發(fā)步驟，即V型圖所示。管理過程包括技術(shù)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(shù)過程層面主要是系統(tǒng)模型的構(gòu)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(lǐng)導(dǎo)和控制。因此，系統(tǒng)工程這種組織管理的技術(shù)，實質(zhì)上應(yīng)該包括系統(tǒng)建模技術(shù)和建模工作的組織管理技術(shù)兩個層面，其中系統(tǒng)建模技術(shù)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(shù)中的建模語言變化較小。基于模型的系統(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(shù)。
一、系統(tǒng)建模技術(shù)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(shè)計部門把這些需求翻譯為系統(tǒng)架構(gòu)模型(功能模型)，再結(jié)合技術(shù)供應(yīng)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(jìn)而得到能夠讓工人使用的物理模型(藍(lán)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(jìn)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(chǔ)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(rèn)來進(jìn)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(shù)過程和管理過程
技術(shù)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(jī)、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(jìn)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(dǎo)彈系統(tǒng)為例，技術(shù)過程的輸入是用戶的需求文檔，供應(yīng)商的原材料、零部件及其技術(shù)信息等;輸出是導(dǎo)彈系統(tǒng)的設(shè)計方案和飛行樣機(jī)，飛行樣機(jī)依據(jù)設(shè)計方案而制造出來。整個技術(shù)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(shè)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(jī)。
3.系統(tǒng)工程對系統(tǒng)建模技術(shù)非常倚重
復(fù)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(shù)，不僅包括建模工作的組織管理技術(shù)，也包括系統(tǒng)建模的技術(shù)，因為管理的基礎(chǔ)是溝通，復(fù)雜工程中溝通的基礎(chǔ)是系統(tǒng)模型，系統(tǒng)模型必然由人利用系統(tǒng)建模技術(shù)來構(gòu)建。系統(tǒng)工程這種技術(shù)，實質(zhì)上包括系統(tǒng)建模技術(shù)和系統(tǒng)建模工作的組織管理技術(shù)。
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(shù)管理過程的八個方面(技術(shù)規(guī)劃、技術(shù)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(dāng)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(shù)溝通的管理。這兩個方面，又以系統(tǒng)建模工作(即技術(shù)過程)為核心，有什么樣的技術(shù)過程和建模技術(shù)，就發(fā)展出什么樣的管理，因為技術(shù)管理是為技術(shù)過程服務(wù)的，建模工作的管理是為建模工作服務(wù)的。
二、系統(tǒng)建模技術(shù)的發(fā)展和MBSE提出的大背景
1.系統(tǒng)建模技術(shù)包括建模語言、建模工具和建模思路
人們研制復(fù)雜工程系統(tǒng)，就是要得到工程系統(tǒng)的設(shè)計方案，而設(shè)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(shè)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(shù)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(shù)的充分結(jié)合，是人對系統(tǒng)建模技術(shù)的有效使用。
2.系統(tǒng)建模技術(shù)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(jī)、網(wǎng)絡(luò)及一系列的計算機(jī)輔助技術(shù)(CAX)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)等。CAX是計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)代替了人的手工畫圖和圖紙的傳遞，PDM是傳統(tǒng)設(shè)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(dǎo)出設(shè)計方案，其核心問題是不同領(lǐng)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(yīng)用，以便支持系統(tǒng)要求、設(shè)計、分析、驗證和確認(rèn)等活動，這些活動從概念設(shè)計階段開始，持續(xù)貫穿到設(shè)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(jī)輔助技術(shù)，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(jìn)行了整合，并用MBSE進(jìn)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(chǔ)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(yīng)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(jìn)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(chǔ)。
三、MBSE的基本原理和三個支柱
1.MBSE對系統(tǒng)工程中的技術(shù)過程進(jìn)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(guān)聯(lián)化的建模語言及相應(yīng)的建模工具，改造了系統(tǒng)工程的技術(shù)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(jī)、信息技術(shù)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(chǔ)，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�？驁D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(jī)支撐工具賦予不同的含義，為數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)奠定基礎(chǔ);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(jié)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�？驁D、線條、箭頭是形式化的，由計算機(jī)來處理，人可以在計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)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(jī)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，當(dāng)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(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，并形成模型庫。而且可以構(gòu)建分布式的建模環(huán)境，方便研制團(tuán)隊的協(xié)同設(shè)計。
形象地說，在MBSE下，工程系統(tǒng)模型的相關(guān)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(guān)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(shè)計人員在設(shè)計、建模時，就不必關(guān)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(shè)計團(tuán)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(shè)計單位的特點，也與設(shè)計的型號類別有關(guān)。各行各業(yè)的型號研制單位，如航空航天等，在應(yīng)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(yīng)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(guān)鍵就在于根據(jù)本單位型號及組織機(jī)構(gòu)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(yīng)用，然后進(jìn)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(yīng)對需求蠕變，降低技術(shù)風(fēng)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(rèn)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(yīng)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(jìn)行需求分析，理順要求圖中的各種圖形的關(guān)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(jī)中建立需求和系統(tǒng)模型中其它模型元素之間的關(guān)系，如設(shè)計、測試用例和用例等，并且進(jìn)行動態(tài)的維護(hù)等。MBSE中的系統(tǒng)模型有明顯的分層，對技術(shù)進(jìn)行了隔離，因此可以快速準(zhǔn)確地對系統(tǒng)的不同層次的技術(shù)路徑進(jìn)行選擇和比較(如對某種可能禁運的原材料準(zhǔn)備一種替代材料)，有效地應(yīng)對技術(shù)攻關(guān)中的滯后問題，可以在此基礎(chǔ)上做出更科學(xué)的決策，從而降低技術(shù)風(fēng)險。
2.及早進(jìn)行全系統(tǒng)仿真
我們在型號設(shè)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(shè)計目的。TSE下的仿真主要是單學(xué)科(如力學(xué)、熱學(xué))，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(shè)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(jī)大容量、快速計算等性能，在計算機(jī)中對系統(tǒng)模型進(jìn)行全系統(tǒng)仿真、隨時仿真和全周期仿真，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)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(shù)及芯片技術(shù)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(shè)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(jìn)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(yīng)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(shè)計方案)、重用(重用科學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律)、集成(把各個學(xué)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(shè)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(shè)計軟件時可以直接拿一個模塊進(jìn)行重用。
5.促進(jìn)建模工作的管理
在MBSE下，技術(shù)管理的部分工作會變得容易。因為系統(tǒng)工程不僅是技術(shù)過程和建模過程，還包括技術(shù)管理過程，也就是對系統(tǒng)模型進(jìn)行維護(hù)和管理等工作。MBSE下系統(tǒng)模型的各個方面的信息是關(guān)聯(lián)在一起的，管理起來很方便。凡是涉及到型號設(shè)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(shù)狀態(tài)管理、資料管理、接口管理和權(quán)衡研究等。
五、結(jié)論與啟示
1.MBSE是系統(tǒng)工程的顛覆性技術(shù)
系統(tǒng)工程作為創(chuàng)造系統(tǒng)的方法和技術(shù)以及復(fù)雜工程系統(tǒng)研制組織管理的技術(shù)，當(dāng)然包括系統(tǒng)建模技術(shù)及其組織管理技術(shù)，因為管理的基礎(chǔ)是溝通，復(fù)雜工程中溝通的基礎(chǔ)是系統(tǒng)模型，系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)是系統(tǒng)建模技術(shù)，系統(tǒng)建模工作中包含著系統(tǒng)建模技術(shù)，即建模語言、建模思路和建模工具。
作為一種技術(shù)，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(rèn)真研究。時至今日，工程系統(tǒng)建模技術(shù)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(shè)計過程和試驗過程。因此，應(yīng)充分地重視技術(shù)過程中的系統(tǒng)建模技術(shù)，充分認(rèn)識工具、技術(shù)和管理的辯證關(guān)系。因此，我們可以從復(fù)雜工程系統(tǒng)建模的角度來重新認(rèn)識系統(tǒng)工程：系統(tǒng)工程是一種建立復(fù)雜工程系統(tǒng)模型的技術(shù)(方法)，包括系統(tǒng)建模技術(shù)(用于構(gòu)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(jìn)行組織管理的技術(shù)。
MBSE在建模語言這個層次進(jìn)行了方向性和根本性的轉(zhuǎn)變，充分利用了信息技術(shù)和軟件工程等方面的技術(shù)，也響應(yīng)了型號越來越復(fù)雜的需求，在型號研制實踐中初步得到了應(yīng)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(shù)。
2.啟示：中國工程界有必要加強(qiáng)對MBSE的研究和試用
新形勢下，應(yīng)當(dāng)充分認(rèn)識系統(tǒng)建模技術(shù)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(shù)，是從基礎(chǔ)層對系統(tǒng)工程進(jìn)行改進(jìn)。這種改進(jìn)的核心是建模語言。它改變了復(fù)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(shù)溝通、知識交流的方式，再輔以信息化、網(wǎng)絡(luò)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(fù)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(lǐng)域正處在由大變強(qiáng)的過程中，需要關(guān)注MBSE這種系統(tǒng)工程的顛覆性技術(shù)，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(guān)型號試點應(yīng)用，為國防軍工、民用工程的研制和建設(shè)奠定扎實的方法論基礎(chǔ)和工具基礎(chǔ)。
【淺談模型的系統(tǒng)工程的基本原理】相關(guān)文章：
3.淺談數(shù)學(xué)模型在投機(jī)交易中的應(yīng)用
4.淺談基于SDO的異構(gòu)服務(wù)數(shù)據(jù)模型研究
5.淺談經(jīng)濟(jì)常識教學(xué)中數(shù)學(xué)模型的運用的論文