国外基于模型的系统工程方法研究与实践

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”（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，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-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、PDF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、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