MBSE学习

砥砺前行，与世界同步发展MBSE技术2016-07-1615:11基于模型的系统工程推荐100次技术基于模型的系统工程（MBSE）是目前系统工程领域的前沿阵地。国际系统工程委员会（INCOSE）曾经对其发展进行了预测和规划。从图1的路线图可以清楚地看出：在2015~2020年之间将MBSE方法逐步定义成熟。也就是说，目前的MBSE方法依然处于快速演进的状态中。图1INCOSEMBSERodamap当前，尚没有一个公认的MBSE定义。普遍认为随着产品（系统）复杂性的不断增加，基于文件的系统工程已越来越无法满足要求，模型驱动的系统设计应运而生——从需求阶段开始即通过模型（而非文档）的不断演化、迭代递增驱动系统的研制过程，包括需求分析、功能分析、系统设计、确认及验证行为均由模型表达并由模型驱动。针对MBSE的研究、应用与实施主要围绕MBSE建模语言、方法和工具展开。复杂产品的系统设计建模语言已有很多，如IDEF0等，但它们的符号与语义不尽相同,彼此间很难互操作与重用。国际系统工程委员会和对象管理组织（ObjectManagementGroup，简写为OMG）在UML2.0的基础上，定义了一种新的系统建模语言标准——SysML语言。该语言是一种图形建模语言，支持对包含人员、硬件、软件、过程、控制等在内的复杂系统进行说明、分析、设计、验证与确认，且独立于具体的方法与工具。其主要通过面向结构、行为、需求和参数等进行建模的9类图来对系统进行描述。目前，SysML语言已经发展成为基于模型的系统工程（MBSE）的主流建模语言，也是其核心技术之一。图2SysML模型的主要组成部分MBSE方法论尚在发展中。有多个组织或企业发布了自己的版本，主要包括：INCOSEOOSEM、IBMRationalHarmony-SE、IBMRational(RUP-SE)、VitechMBSEMethodology、JPLStateAnalysis(SA)、DoriOPM等。国内当前主要学习和研究的是Harmony方法。这一方法主要是针对嵌入式系统，并依据嵌入式系统的特点对标准的SysML语义和规则进行了裁剪和修改。这种修改是对嵌入式系统设计的适应，但在更深层次系统设计的实践或非嵌入式系统设计中，容易造成系统工程师的混淆和困惑，如标准SysML可以进行参数建模，描述系统的性能（如流量、速度、精度等）；可以进行约束建模，描述参数之间的关系；参数作为属性封装在系统或模块里，但在Harmony方法中并没有参数建模。又如，分析客观系统行为时，可以基于活动、基于交互、基于状态进行分析，三者有关联，但是内容不同。由于嵌入式系统更多的都是控制和调用消息，在Harmony中做了很好的自动机制，由活动生成序列，根据序列形成状态，但在对需要区分不同行为的系统进行建模时，这种方法便不适用了。再如，在Harmory方法中，并未严格区分控制流与对象流，对物理世界中的水、电等物质难以表达。诸如此类的问题还有很多，不一一列举。为了解决建模中遇到的这些具体问题，工程技术人员需要对SysML建模语言本身进行深入的理解和学习，即要跳出特定建模方法论的束缚。在笔者项目实践中，当工程师完成第一轮的系统建模学习以后，我们通常会推荐《APracticalGuideToSysml》这本书，其副标题正是“TheSystemsModelingLanguage”，工程师阅读后，往往对MBSE技术的认知有了飞跃，在建模中目的更明确，而不仅仅是对某个示例的简单模仿。专门的MBSE工具目前还没有，现有主流的工具如IBM的Rhaphsody、NoMagic的MagicDraw本质上是软件工程工具，通过增加对SysML支持而形成。国内高校、企业近年来也纷纷进行了积极地探索，如：浙江大学CAD&CG国家重点实验室推出了以SysML建模为核心的MBSE工具集M-Design；华中科技大学和苏州同元科技推出了支持Modelica统一建模与仿真工具；安世亚太公司开发了需求开发与管理工具等。其功能均还在进一步完善中。近年来，航空企业大力推广基于模型的系统工程（MBSE）方法，并通过先试点、再应用推广的方式，在实践中摸索前行。从这一战略部署可以看出，航空企业的目标不是要跟踪国际先进技术，而是要基于自身的工程研制能力，采用乃至发展世界最先进的设计方法和工具，从而做出领先世界的产品。在这一目标下，中航各企业已经在组织结构、人员能力培养、设计工具优化等方面迈出了坚实的步伐。笔者观察到，在航空企业当中已经普遍设立了针对MBSE应用推广的部门，如系统工程办公室等；利用中航大学等途径，联合清华大学等外部资源，持续进行MBSE方法的培训；多家企业已经采购了需求管理、系统建模和联合仿真工具，并根据自身业务需要进行针对性定制等。航空各企业扎实地通过MBSE专项试点项目，在企业内部打小样、树标杆、建队伍，对于这一先进方法在企业内部的生根应用起到了极大的促进作用。笔者有幸参与了其中的多个试点项目工作，过程中深切地感触到这一开拓性工作在原本研制任务就已经非常繁重的情况下，其推进的艰辛；另一方面也看到了这一先进方法折射在研制成果上时，工程师团队的欣喜与鼓舞。在试点工作中，一线的工程技术人员在培训人员指导下完成了‘系统建模’工作，并将这一成果提交。然而，专业总师、研究室负责人对这一成果多有困惑：“这一成果和我们当前的研制工作究竟如何结合呢？具体的说，无论是在各厂所的研制工作评审还是产品交付中，也无论是军标还是所标，都没有哪项要求提供‘系统建模’”，那这个成果用在哪里呢？针对这一问题，我们的理解是：‘系统建模’的本质是一种新的设计方法，正如在本世纪初普遍采用三维设计一样，是对原有设计方法和手段的深化，也是颠覆性的革命。通过‘系统模型’可以在设计初期对产品的功能、行为和结构进行形式化定义。而目前在企业的实际研制活动中是采用文档（document）的方式来表达上述这几方面的内容。通过比较就会清楚地看出，这些文档（包括产品研制规范、设计方案、需求规格等多种具体形式）在层次性、完整性、准确性方面和‘系统模型’所表达出来的信息有很大的差距；但由于这些文档采用自然语言，其直观的可读性（对于不了解SysML语言的人而言）要超过‘系统建模’。因此，在当前的研制环境下，如何取长补短，将‘系统建模’的成果融入到传统的设计产出（产品论证报告、系统设计方案、软件需求规格等）当中，并显著提高这些设计产出的质量，既是提高设计能力，也是MBSE方法应用推广的客观要求。笔者及所在团队针对这一要求，对MBSE试点项目的方法论、工具进行了适应性改造，使‘系统建模’的成果融入当前研制活动的实际交付物中，在实践中取得了厂所研发团队的高度认同。应用MBSE技术的工程师都希望将这些系统模型与传统的设计手段（如动态系统仿真、几何建模、CAE分析等）有机的衔接起来。而MBSE的核心思想也正是“模型驱动设计”，即在系统工程V模型（需求、设计、执行、验证和确认）中的所有元素都由系统模型统一进行数据和信息的关联，并在迭代活动中始终保持数据的传递与一致性。标准化接口（FunctionalMock-upInterface，FMI）是支撑MBSE的关键技术之一。FMI的目标是定义一个开放的接口，从而能够实现模型/硬件/软件的联合仿真。目前FMI对于现有的主流商业仿真软件和程序语言已具有良好的兼容性。航空企业部分院所已经展开了相关集成框架的规划与具体建设工作。图3基于系统模型的集成框架当前转型升级已经成为一项国家战略，迫切需要企业进行产品创新，这种创新不是单纯技术指标的提升，而是要能为企业和社会带来切实的效益。MBSE方法的引入，为航空企业的产品创新注入了新的动力。对产品在体系中的运行使用场景进行建模和分析，是从根本上对产品概念进行创新，是产生颠覆性创新的源泉。笔者观察到在航空企业的一些院所中（如成都所等），已经有专业人员在进行此方面的研究，并大胆采用SysML方法对产品所运行的体系进行建模分析。另一方面，在传统设计手段下，针对系统中的技术指标冲突，只能依靠经验进行折中的方式进行协调；而通过MBSE的参数模型，可以在设计过程中通过多学科优化寻找最优解，还可以辅以TRIZ等方法引入跨领域的成熟技术，从而产生突破性跃迁的产品设计方案。几年来，航空企业以基于模型的系统工程（MBSE）为抓手，采用自上而下的推广模式，逐步引导所属企业从认知到应用，每一步都扎扎实实，为迎接“智慧工业”时代，实现弯道超车奠定了基础。笔者及团队有幸参与到这一过程中，也亲身面对种种问题与困惑，谨提出几点建议供航空企业及国内有志于产品研发与创新能力提升的企业参考：1、采用产学研相结合的方式，建设符合航空企业业务特点的MBSE体系框架目前在国际上，还没有一个基于模型的系统工程（MBSE）的标准框架和解决方案，先进企业（如LockheedMartin、Rolls-Royce、GE、Airbus等）都是设计自己的解决方案。这些方案我们无法照搬，因此，有必要联合国内从事MBSE方法研究的学术机构、拥有实战经验的咨询企业，并根据航空企业产品及研发特点，针对性的开发MBSE解决方案。2、积极推动国内企业研发拥有自主知识产权的需求管理、系统建模工具航空企业的产品中有很多是关乎国防安全的重要型号，研制手段的自主可控也关系到国家安全。在基于模型的系统工程（MBSE）推进过程中，要大力扶持国内相关企业研发自有知识产权的拳头产品。特别要打通系统建模工具和需求管理工具、联合仿真框架之间的业务链条，使之融为一体（而不是简单的集成关系）。这一工具体系将成为“MBSE引擎”，推动各企业将现有的研发模式向基于模型的系统工程研发模式迁移。3、业务流程改进基于模型的系统工程（MBSE）不仅是工程研制的方法，也是航空企业向“智慧企业”发展的关键基础基因。现有的产品研制流程、厂所的标准、军标等尚不足以支撑这一方法的应用，甚至是阻碍MBSE研制模式的关键障碍。因此，企业必须有勇气大胆突破，对现有的研制流程进行针对性改造。例如，在阶段评审中接受并主动要求工程师采用系统模型作为重要的评审对象。航空企业在基于模型的系统工程（MBSE）应用方面已经走在我国工业界的前列，这一工程必将重塑航空企业的核心竞争力，成为企业发展的内生动力。我们向战斗在保家卫国一线的航空企业人致敬，也希望继续为航空企业MBSE推进助力。作者简介：刘玉生，男，1970年生，浙江大学计算机学院CAD&CG国家重点实验室教授、博士生导师。近年来主要研究方向为基于模型的系统工程（MBSE）、CAX集成、数据挖掘等方面。主持研发了国内第一个自主可控的SysML建模平台M-Design。非常感谢刘教授对我们的信任与支持！“系统工程大讲堂”是一个公益平台。宗旨是为了让更多的人了解、学习、应用系统工程方法，提高“中国智造”的价值。目前我们已经与众多企业、高校、行业专家及媒体进行了广泛的交流与合作，并希望将这一平台建设为国内企业一线研发工程师、系统工程学者齐聚一堂的交流平台。我们执行去行政化的基本原则，在这个讲台上没有领导，只有各方面的业务专家。欢迎您参与并分享您的知识与经验，也欢迎各位专家来稿。敬礼！