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基于模型的系统工程的基本原理

基于模型的系统工程的基本原理

2016-07-22

  作者简介

  陈红涛,中国航天系统科学与工程研究院(航天十二院)高级工程师,主要研究系统工程与基于模型的系统工程,曾在《中国航天》等刊物上发表多篇关于系统工程的文章。

  国外把基于模型的系统工程(Model-Based Systems Engineering,MBSE)视为系统工程的“革命”、“系统工程的未来[1]”、“系统工程的转型”[2]等。国内中航工业集团也开展了相关研究和应用。本文首先对“系统工程是组织管理的技术”这一定义进行分析,从根子上探究系统工程的本质是什么,进而从系统建模的角度认识系统工程与系统建模技术的关系,从系统建模技术的颠覆性发展来对比MBSE和传统系统工程,分析MBSE的基本原理,阐明其优势。

  系统工程包括技术过程和管理过程两个层面,技术过程遵循分解-集成的系统论思路和渐进有序的开发步骤,即V型图所示。管理过程包括技术管理过程和项目管理过程。工程系统的研制,实质是建立工程系统模型的过程,在技术过程层面主要是系统模型的构建、分析、优化、验证工作,在管理过程层面,包括对系统建模工作的计划、组织、领导、控制。因此,系统工程这种“组织管理的技术”,实质上应该包括系统建模技术和建模工作的组织管理技术两个层面,其中系统建模技术包括建模语言、建模思路和建模工具。传统系统工程(Traditional Systems Engineering,TSE,也是Text-Based Systems Engineering的简称)自产生以来,系统建模技术中的建模语言变化较小。基于模型的系统工程在建模语言、建模思路、建模工具上有重大转变,相对传统系统工程有诸多不可替代的优势,是系统工程的颠覆性技术。

一、系统建模技术是系统工程的重要组成部分

(一)工程系统建模是工程系统研制工作的核心

  工程系统研制过程,就是建立工程系统模型的过程。用户提出的需求是工程系统研制工作的“第一推动”,设计部门把这些需求“翻译”为系统架构模型(功能模型),再结合技术供应商的零部件模型,形成一个平衡、优化、集成、联动的系统模型,进而得到能够让工人使用的物理模型(蓝图及工艺规程)。各个层次的模型、各个部分的模型、各个专业的模型,必须进行良好地追溯、集成,此后各方对模型的修改完善都以此为基础和平台。而且,系统模型是否符合现实,需要不断地通过系统仿真、试验、验证、确认来进行模型的修改完善。因此可以说,工程系统模型是工程研制工作的成果和中心。

  工程系统研制也是一个借助系统模型来实现技术沟通的过程。因为复杂工程系统研制过程中,各参与方之间要进行良好地分工、协作,分工协作的基础是技术沟通,技术沟通的基础是系统模型。比如,用户向设计部门提出要求,设计部门提出解决方案(设计方案),双方提出的都是模型,是系统模型的不同视图。这是一个需求模型和设计模型沟通的过程,是一个任务提出方给出“定义”,任务承接方给出“说明”的过程[3]。总体设计部门和分系统设计部门之间的技术沟通,也是类似的过程。

  整个工程系统建模工作,包括系统建模过程和建模工作的组织管理,组织管理服务于系统建模过程。工程系统建模工作必须进行良好地管理,即计划、组织、领导、控制。计划,主要就是确定整个复杂工程系统研制即系统建模各个方面的工作,以及这些工作之间的逻辑关系、协作关系、时间关系等。组织,就是确定这些工作由哪些单位哪些人来完成。领导,就是引导和激励所有的单位和个人,并且协调解决相关的矛盾与冲突。控制,就是对建模工作进行监控、督促,确保按计划完成,也就是各种各样的技术评审、检查等。

(二)系统工程包括技术过程和管理过程

 

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  技术过程就是从用户的纸面需求变成实物产品的过程。左边是一个自上而下、从用户需求开始将系统逐层分解为分系统、单机、零部件、原材料的过程;右边是把最低层次的零部件自下而上逐级进行组装、集成、验证,形成系统,交付用户,满足用户需求的过程。技术过程的输入是用户的需求文档,供应商的原材料、零部件及其技术信息等;输出是导弹系统的设计方案和飞行样机,飞行样机依据设计方案而制造出来。整个技术过程存在两条线的变化,一是信息这条线,把用户的需求文档和零部件信息变成了最终的设计方案(也是一大堆信息、文档、符号),二是实物这条线,把各种原材料、零部件变成能够飞行、基本满足用户需求的样机。

  管理过程包括技术管理过程和项目管理过程,分别从导弹系统的技术方案和项目开展的角度,对技术过程中的各项活动进行组织管理。因为技术过程的各个步骤、子过程,是由不同的团队、机构、人员完成,需要从技术的角度进行协调、管理,以确保设计方案的技术正确性、可行性,技术管理过程就是对这些活动从技术的角度进行计划、组织、协调、控制的过程,主要包括技术规划、技术控制、技术评估、技术决策等。技术管理过程的每一个环节,都要覆盖到V型图的所有步骤。项目管理过程在技术管理过程之上,把复杂工程系统研制当作一个项目来管理,为技术过程确定了技术、成本、进度三要素相平衡的目标、计划,向技术过程提出要求、提供资源、提供保障,并在实施过程进行控制。技术过程和管理过程是系统工程相互联系、不可分割的两个层次。

(三)系统工程对系统建模技术非常倚重

  复杂工程系统研制包括系统建模工作和系统建模工作的组织管理工作,这两样工作如何开展,就是系统工程方法。系统工程这种组织管理的技术,不仅包括建模工作的组织管理技术,也包括系统建模的技术,因为管理的基础是沟通,复杂工程中沟通的基础是系统模型,系统模型必然由人利用系统建模技术来构建。系统工程这种技术,实质上包括系统建模技术和系统建模工作的组织管理技术。

  系统建模工作和系统建模工作的组织管理工作相辅相成,并以系统建模工作为中心。图1中,技术管理过程的八个方面(技术规划、技术状态管理、接口管理等),都是围绕着系统建模工作而开展的,当然主要是对人的管理,是对人与人之间围绕、借助系统模型而开展的技术沟通的管理。这两个方面,又以系统建模工作(即技术过程)为核心,有什么样的技术过程和建模技术,就发展出什么样的管理,因为技术管理是为技术过程服务的,建模工作的管理是为建模工作服务的。

二、系统建模技术的发展和MBSE提出的大背景

(一)系统建模技术包括建模语言、建模工具、建模思路

  人们研制复杂工程系统,就是要得到工程系统的设计方案,设计方案必然以某种语言文字、符号、线条、图示等来表示,也必然将这些符号固化到某种载体上,以便承载、保存、传递,前者即建模语言,后者即建模工具(包括建模载体)。整个设计、研制工作又必然要遵循一个统一的、一致的思路,也就是建模思路。系统建模技术就包括建模语言、建模工具、建模思路,整个研制过程就是人与系统建模技术的充分结合,是人对系统建模技术的有效使用。

(二)系统建模技术的发展变化

  纵观系统工程产生、发展的历史,可以发现建模工具这个维度发生了巨大的变化,体现在计算机、网络及一系列的计算机辅助技术(CAX)、PDM(产品数据管理)等,CAX是计算机和网络代替了人的手工画图和图纸的传递,PDM是传统设计流程的上网(类似网上报销把线下的报销流程挪到了网上),没有从根本上改变人与人之间的沟通语言问题,没有很好地解决人与人之间的知识沟通问题。

  相比之下,工程系统建模语言的变化较小,仍然是自然语言为主(也包括FFBD、IDEFx等建模语言),并没有从根本上改变系统工程。因为系统工程的核心是要从用户需求推导出设计方案,这中间的核心问题是不同领域的人之间的知识沟通,而沟通所凭借的是建模语言,建模语言的变化不能满足工程系统建模的需要,如系统模型的多视图集成、软硬件模型的集成、快速地仿真等。

(三)MBSE的定义

  基于模型的系统工程是对建模(活动)的形式化应用(formalized application of modeling),以便支持系统要求、设计、分析、验证和确认等活动,这些活动从概念设计阶段开始,持续贯穿到设计开发以及后来的所有寿命周期阶段。MBSE相对于TSE的特点体现在建模语言、建模思路、建模工具三个方面,在系统建模层次上的主要区别是系统模型的集成化程度和可执行程度的大幅度提高。

 

屏幕快照 2016-07-22 上午11.05.31

 

 (四)MBX是MBSE出现的大背景

  近些年来,国际工程界提出了各种各样的模型驱动或基于模型的方法,可以概括为Model-3X或MBX(相对于过去所提的CAX,即一系列的计算机辅助技术,如CAD、CAE等),涉及到各类系统及系统寿命周期的各个阶段、各个方面的工作,INCOSE对这些方法进行了整合,并用MBSE“这杆大旗”进行了囊括,提出了MBSE的定义,并联合对象管理组织,在UML的基础上开发出了适宜于描述工程系统的系统建模语言(SysML),软件提供商也开发了相应的支持SysML的工具,并且把SysML的建模工具和已有的专业分析软件如NASTRAN、ANSYS、CAD等进行了集成,提出了MBSE的整体解决方案,具备了实际开发型号的各方面的基础。

三、MBSE的基本原理和三个支柱

(一)MBSE对系统工程中的技术过程进行了颠覆性改造

  MBSE仍然还是系统工程,层层分解、综合集成的思路并没有变化,核心就是采用形式化、图形化、关联化的建模语言及相应的建模工具,改造了系统工程的技术过程(即系统建模过程、V型图的左半边),充分利用了计算机、信息技术的优势,开展建模(含分析、优化、仿真)工作,为右侧的系统实现、实地验证奠定更为坚实的基础,从而提升整个研制过程的效率。

  MBSE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。相对于传统的系统工程的自然语言、文本形式的描述,这种方法增加了对系统架构描述的全面性、准确性和一致性。运用这种方法,系统工程过程的三个阶段分别产生三种图形:在需求分析阶段,产生需求图、用例图及包图;在功能分析与分配阶段,产生顺序图、活动图及状态机(state machine)图;在设计综合阶段,产生模块定义图、内部块图及参数图等。这些图形由系统建模语言的语法和语义来定义,既便于人的阅读,也便于计算机理解和处理。其益处是,自上而下地在系统的不同层次反复应用这一过程,可以深入到系统最底层,把描述最底层元素的图形语言集成起来,形成一个完整的系统架构模型。

(二)建模语言——SysML

  系统建模语言规定了若干种除自然语言外的符号,包括框图、线条、箭头等。框图就是封闭的线条,可以在框图内分隔出若干个区域,用自然语言填写不同的信息。而且不同的区域也由系统建模语言的抽象语法及计算机支撑工具赋予不同的含义,为数据之间的关联奠定基础;线条包括直线、折线等,也区分实线和虚线;箭头是线条和框图的结合点,表示不同的含义,如泛化、包含等,端口也可以算作是箭头的一种。自然语言是非形式化的,由人来处理。框图、线条、箭头是形式化的,由计算机来处理,人可以在计算机及网络上进行很容易地编辑。

  框图、线条、箭头构成了系统建模语言的“骨架”,然后在表示系统的相关信息时,就用自然语言来在规定好的位置来填写。比如在框图中,可以填写块的名字、块的属性、块的动作等,在线条上填写泛化、包含等关系。系统建模语言的“骨架”,把系统工程中的概念给“可视化”了,如“导弹包含弹头、发动机、控制等分系统”这句话,用线条和箭头把表示导弹的块和表示弹头、发动机、控制等分系统的块给连起来了,就是把它们的关系给“可视化”了,一目了然,很容易理解。同理,在活动图中,可以把电源分系统与弹头、控制分系统之间的电流流动给表示出来。系统建模语言把TSE下进行功能分析的FFBD图、状态机图、表格等表示法给规范化、统一化了,纳入了整个大体系中。

  系统建模语言在知识的表示和处理方面有若干优点:一是相当于在现有的各个学科之间、各类人员之间建立了一门新的通用语言,各门学科的知识都可以“翻译”转换成系统建模语言的形式。二是可以对知识进行图形化、可视化的表示,便于读者的理解。三是便于计算机的处理(由于系统建模语言形式化、关联化的特点)。因此,系统建模语言便于型号系统研制中知识的理解、继承、重用和集成,便于各方的技术沟通。

(三)建模工具

  MBSE的建模工具主要就是支持系统建模语言画图的计算机和网络环境,当然核心是支持系统建模语言的软件。屏幕上呈现出系统建模语言的各种符号,给建模者阅读,底层利用系统建模语言的语法对相关数据进行了关联,并形成模型库。而且可以构建分布式的建模环境,方便研制团队的协同设计。

  形象地说,在MBSE下,工程系统模型的相关信息,实现了从Word文档向Excel的转变,因为Excel中的数据,可以在不同单元格之间建立关联,这些单元格可以分布在不同的表格间、不同的Excel文件中。设计人员在设计、建模时,就不必关注各种模型元素的一致性、同步修改等,可以把主要精力放在创造性思考上。

  同时,国际系统工程界已经制订了相关数据转换标准,能够和已有的各种软件分析工具进行数据交换,比如,专业的热学分析软件、力学分析软件,可以从系统建模语言构建的系统模型中取数,进行分析、计算、优化后再把数据写回系统模型中,实现不断地迭代优化,大幅度提高工程分析的效率。

(四)建模思路

  建模思路就是设计团队如何利用系统建模语言的各种图形来建立系统模型,也就是工作流程。目前主要的方法包括:IBM Telelogic Harmony-SE、Weilkiens System
Modeling (SYSMOD) method、INCOSE Object-Oriented Systems Engineering Method (OOSEM)等。工作流程依赖于各个设计单位的特点,也与设计的型号类别有关。

  各行各业的型号研制单位,如航空航天等,在应用MBSE,或者从TSE转向MBSE时,建模思路、工作流程的研究、探索、试用,应该是重点工作和前置性工作,因为系统建模语言是统一的,建模工具虽然各个提供商各有特点,但本质是一样的,因此,关键就在于根据本单位型号及组织机构特点,研究适合自己的建模思路和工作流程,这需要在试点型号中探索应用,然后进行推广。

四、MBSE相对于TSE的优势

  型号研制的要求是“快好省”,本节讨论如何从MBSE的特点到相对于TSE的优势。

(一)应对需求蠕变,降低技术风险

  用户本身所处的环境(如作战的对手)在不断地变化,而且用户对这些环境的认识也存在一个过程,因此,型号研制过程中,需求蠕变是不可避免的,而且这已经逐渐成为研制工作“拖降涨”的主因。MBSE采用了若干方面的手段来应对需求蠕变:包括使用需求方和研制方都能够理解的系统建模语言来进行需求分析,理顺要求图中的各种图形的关系、理清用户方各种角色、各种各样的要求,并记录在案,可随时查询、修改;在计算机中建立需求和系统模型中其它模型元素之间的关系,如设计、测试用例、用例等,并且进行动态的维护等等。

  MBSE中的系统模型有明显的分层,对技术进行了“隔离”,因此可以快速准确地对系统的不同层次的技术路径进行选择、比较(如对某种可能禁运的原材料准备一种替代材料),有效地应对技术攻关中的滞后问题,可以在此基础上做出更科学的决策,降低技术风险。

(二)及早进行全系统仿真

  我们在型号设计过程中,实际上是用对模型研究来反映对实际系统的研究。系统仿真就是让系统模型的各个要素“动起来”,看是否符合设计的目的。TSE下的仿真主要是单学科(如力学、热学),无法实现全系统的集成仿真,不能快速有效地在模型端全面、动态地识别设计中的问题。在MBSE下,使用系统建模语言及支持软件,可以建立动态可执行的系统模型,充分地发挥了计算机大容量、快速计算等性能,在计算机中对系统模型进行全系统仿真、随时仿真、全周期仿真,及时发现设计的问题并修改。

(三)实现软硬件的和谐开发

  随着微电子技术及芯片技术的发展,软件在航天型号中发挥着越来越重要的作用,数据采集、处理、状态判定、决策、控制、执行大量地靠软件完成,其数量及规模也急剧增加。目前的型号研制,是先把系统的初步设计完成之后,才形成型号软件的需求说明书,一旦软件的开发中遇到某些不易克服的问题,则会对系统的总体方案形成巨大的冲击。

  MBSE在对系统进行逐级地分块时,并不区分软件和硬件,直至最底层才把逻辑部件分配给相应的硬件部件、软件部件和操作程序等,这样有助于系统功能在软件硬件之间的合理和优化分配,能够获得更加优化、平衡的系统模型。

(四)提升研制单位知识管理的能力

型号研制是一个知识的理解(理解用户的需求)、继承(继承以往的设计方案)、重用(重用科学研究中发现的规律)、集成(把各个学科的规律集成在一个型号中)的过程,因此,从建模的角度看,型号研制工作就成了模型的理解、继承、重用和集成。

对于研制单位来说,成熟型号的知识(设计方案、诀窍)是最宝贵的资产,因此知识管理是高科技企业的核心能力之一。在MBSE下,成熟型号的知识是以系统建模语言模型的形式表示和存储的,便于捕获、查询、理解、重用,而且重用的级别可以大幅度地提高,类似设计软件时可以直接拿来一个模块进行重用。

(五)促进建模工作的管理

  在MBSE下,技术管理的部分工作会变得容易。因为系统工程不光是技术过程、建模过程,还包括技术管理过程,也就是对系统模型进行维护、管理等工作。MBSE下系统模型的各个方面的信息是关联在一起的,管理起来很方便。凡是涉及到型号设计方案(系统模型)的管理和维持的工作,都会变得比较容易,如技术状态管理、资料管理、接口管理、权衡研究等。

五、结论与启示

(一)MBSE是系统工程的颠覆性技术

  系统工程作为“创造系统的方法和技术”,作为复杂工程系统研制组织管理的技术,当然包括系统建模技术和系统建模的组织管理技术,因为管理的基础是沟通,复杂工程中沟通的基础是系统模型,系统模型的基础是系统建模技术,系统建模工作中包含着系统建模技术,即建模语言、建模思路和建模工具。

  作为一种技术,系统工程终究还是要不断向前发展的,其方向是什么值得认真研究。时至今日,工程系统建模技术发生了巨大改变,包括建模语言、建模思路、建模工具都发生了改变,也可以说系统工程已经介入到需求分析过程、设计过程、试验过程。因此,应充分地重视技术过程中的系统建模技术,充分认识工具、技术、管理的辩证关系。因此,我们可以从复杂工程系统建模的角度来重新认识系统工程:系统工程是一种建立复杂工程系统模型的技术(方法),包括系统建模技术(用于构建系统模型的建模语言、建模思路和建模工具)和对建模工作进行组织管理的技术。

  MBSE在建模语言这个层次进行了方向性、根本性的转变,充分利用了信息技术、软件工程等方面的技术,也响应了型号越来越复杂的需求,在型号研制实践中初步得到了应用并验证了其优势。因此,综合各方面因素看,MBSE是系统工程的颠覆性技术。

(二)启示:中国工程界有必要加强对MBSE的研究和试用

  新形势下,应当充分认识系统建模技术对于系统工程的重要性、决定性作用,MBSE要改变的就是系统建模技术,是从基础层对系统工程进行改进,这种改进的核心是建模语言,它改变了复杂工程系统研制中人们表示知识的方式,改变了型号研制中人与人之间技术沟通、知识交流的方式,再辅以信息化、网络化的建模工具,将有效打破传统系统工程中人与人之间的沟通瓶颈,会在工程系统日益复杂庞大、赛博-物理系统、无人系统、智能系统的研制中大显身手。

  目前,我国工程领域正处在由大变强的过程中,需要关注MBSE这种系统工程的颠覆性技术,扎实做好MBSE的基本原理、建模思路、工作流程等方面的研究工作,积极开展相关型号试点应用,为国防军工、民用工程的研制、建设奠定扎实的方法论基础、工具基础。(本文首次发表于《中国航天》,由作者授权转载。作者声明,本文是作者所在航天十二院研究团队的集体成果)