复杂系统研发必由之路--MBSE

一、当今研发背景及挑战

根据国际系统工程协会（INCOSE）的定义，系统工程（SE）是一种使系统能成功实现的跨学科的方法和手段。系统工程包括技术过程和管理过程两个方面，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，管理过程包括技术管理过程和项目管理过程。

系统工程面向复杂系统研发，通过使用跨学科方法来控制复杂系统的研发过程，其开始于利益攸关者需要和需求的定义、系统功能定义和架构设计，并聚焦于在生命周期的早期阶段实现对系统功能的逻辑验证。系统工程强调满足客户（利益攸关者）、全生命周期、产品和过程双集成、全局最优，不仅跨专业，而且是跨部门和企业的技术和管理综合方法。

随着人们所研制的工程系统越来越复杂，传统的基于文档的系统工程（TSE）正面临愈发严峻的挑战：

1) 社会环境变化带来的挑战

a) 社会的不断进步，要求系统的研发必须具备良好的社会效益；

b) 全球性的趋势同时改变了我们的社会经济条件和自然环境；

c) 复杂的工程系统正成为解决人类与社会重要需求的关键；

d) 技术的加速进步对未来系统的发展带来了重大影响；

e) 利益攸关者对系统的期望越来越高且多样，系统本身的特性也越来越多；

f) 系统研发的商务环境日趋复杂，研发团队也日趋多元化、跨专业、跨地域。

2) 传统研发模式遭遇的挑战

a) 研发任务复杂性的增长速度超过了人工处理的能力，需求描述不准确和验证工作不充分所带来的风险日益增大；

b) 很多系统开始采用自底向上的开发方式，使得系统的架构很脆弱，难以验证，也不易运行；

c) 在设计过程中由于设计失误带来的成本和风险正在快速上升；

d) 大部分系统灾难的原因都是对风险的识别和处理不足，缺乏独立的技术权威机制。

带来这些挑战的最根本原因，就是系统复杂性的飞速提升。传统的系统工程方法和设计信息载体无法已适应新的发展形势，系统研发的模式亟待转型升级。

二、 系统工程以及MBSE概述

传统系统工程中，系统工程活动的产出是一系列基于自然语言的文档，比如用户的需求、设计方案，系统工程师被海量的文档和无尽的变更所淹没。有什么办法可以帮助系统工程师真正发挥他们在复杂产品研发中的重要作用，同时也使其自身逐步成长为“宽频带、高振幅”的复合型人才？这个解决方案就是基于模型的系统工程（MBSE，Model Based Systems Engineering）。

在2007年的INCOSE（国际系统工程协会）的国际研讨会上，MBSE的概念被首次提出，但是在此之前，工业方已经早已经开始基于模型的研发的探索和实践。INCOSE将MBSE定义为“对建模的形式化应用，用来支持系统的需求、设计、分析、验证和确认活动，这些活动开始于概念设计阶段并持续到整个开发和以后的生命周期阶段”。说白了，MBSE实际上是一种系统工程理论的方法论，因此系统模型是MBSE方法论的主要工件，而系统模型也贯穿了整个设计制造活动的整个生命周期。

那么，如何建立准确的系统模型就成为了MBSE方法论的关键。下面是对目前公开资料中涉及到的几种较为有名的MBSE方法的介绍。

a) Harmony-SE

Harmony-SE是从属于系统和软件集成开发流程Harmony的一个子集。Harmony-SE和Harmony最早是由嵌入式领域建模工具的领先供应商“I-Logix”公司（现隶属于IBM公司）开发的。

Harmony的流程模仿了经典的“V”型系统设计流程，包含了三个顶层流程：需求分析、系统功能分析和设计综合。

b) OOSEM

OOSEM（Object-Oriented System Engineering Method）是由INCOSE开发的、使用了SysML语言的自顶向下、基于模型的系统工程方法。它来源于1990年代中期与洛马公司的合作。OOSEM主要用于捕获和分析系统需求，集成软硬件和其它专业设计方法。

c) RUP SE

RUP SE（Rational Unified Process for Systems Engineering）是由IBM Rational开发的、衍生自RUP的系统工程方法。RUP SE主要用于应对系统工程项目的需求。 RUP SE将RUP中的并行设计和迭代开发概念引入系统工程领域，从角色、工件和任务的角度对系统设计工作进行分解和分类，最终形成工作分解结构（WBS）。

d) Vitech MBSE方法

Vitech公司提出的MBSE方法与其建模工具CORE有较强关联性，它的核心是四个基本的通过公共系统设计库关联和维护在一起的并行SE活动。Vitech MBSE方法应用了一种增量式的SE流程，即“洋葱模型”，来完成系统解决方案的开发。

e) OPM

OPM（Object-Process Methodology）方法是由Dori定义的一种系统开发、全生命周期支持和系统演进的形式化范式。OPM将形式化的可视化模型OPD（Object-Process Diagram）和受严格限定的自然语法OPL（Object-Process Language）结合在一起，用于表达系统的功能、结构和行为。

f) ARCADIA

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。

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。

三、国睿信维MBSE方法论简介

综上所述，可以看到当前市面上存在的MBSE解决方案还是比较多的。由于MBSE概念本身的提出时间并不长，因此尚处于百花齐放的阶段。综合分析这些已有的选项，关于如何甄选优秀的方案，国睿信维有以下几点思考：

a)  工程化检验

优秀的MBSE解决方案应是经受过工程化检验的。系统工程的本质是实用，只有能够真正在工程实践中落地、具备有说服力的推广案例的MBSE方案，才是具有实用性和生命力的方案。

b) 符合系统工程特点

优秀的MBSE解决方案应在设计之初即考虑了系统工程的特点。系统工程是一门独立的学科，它与软件工程、电气工程等有着本质的区别。只有在设计之初即专门考虑了系统设计的特点，才能真正成为有用的MBSE方案。

c) 足够的开放性

优秀的MBSE解决方案应具备足够的开放性。系统工程的牵涉面很广，而不同领域、不同情况的应用主体之间又差别甚远。因此，任何MBSE解决方案的落地都需要进行大量的本地化定制。

经过全方位的思考和调查研究，国睿信维选择了以ARCADIA方法为核心构建自己的MBSE解决方案。具体的原因如下：

a) 极强的工程性

作为国际军工巨头，THALES从2003年左右即开始研究和推进MBSE方法。经过多年探索，THALES根据自身工程实践经验总结出了ARCADIA方法，并成功在内部进行了深度应用。因此，基于ARCADIA的MBSE方案具有极强的工程性。

b) 为MBSE建模而开发

ARCADIA方法的核心建模工具Capella是专门为MBSE建模而开发的，它与市场上常见的在软件建模工具基础上封装而来的MBSE建模工具有着本质区别。

c) 开源的核心架构

Capella的核心架构是开源的，同时ARCADIA也采用了“视点驱动”的分析方式，这从根本上保证了该解决方案的开放性和适应性。

国睿信维MBSE解决方案的建模方法即为ARCADIA，其“视点驱动”的模型架构如下图所示：

图1：ARCADIA模型架构图

在上图中，核心的系统需求及架构设计信息保存在基本视点（包括运行分析、系统分析、逻辑架构、物理架构和产品分包）中，可直接基于系统架构开展分析的内容以耦合视点的方式附着在系统模型上，不方便直接分析的内容可通过非耦合视点与专用设计工具双向集成。同样，ARCADIA模型可以通过相关视点与系统上下游分析工具进行转换桥接。

国睿信维在核心建模工具Capella的基础上，和国外生态系统进行广泛合作，结合国内企业的实际情况，开发了一套相对完整的MBSE建模系统SMEX（System Modeling Experience）系统。SMEX系统的整体架构如下图所示：

图2：SMEX系统整体架构图

在国睿信维的MBSE解决方案中，SMEX系统就是系统工程师的主工作界面，里面包含了完成系统需求分析和架构设计所需的各个功能模块，以及与其它相关工具的集成接口。SMEX系统包含的功能模块如下：

a) 模型编辑与转换模块--Designer

承担SMEX模型开发、跨层级下达、与仿真工具及上下游的承接和转换等。包括：模型的运行分析、系统分析、逻辑架构设计、物理架构设计、EPBS；承接DoDAF分析结果及实现与数字样机的参数级传递；

b) SMEX协同模块--SE2（System Engineering Synergy Environment）

承担SMEX模型细粒度持久化、模型数据组织管理、用户认证与权限管理、协同开发管理、在线评审等功能；

c) 文档生成模块--DGS（Document Generation Server）

承担基于SMEX模型自动生成工程文档的功能；

d) 指标体系建模与管理模块--TPM（Technical Performance Manager）

承担与功能逻辑模型相关联的定量指标的分析、建模与计算；

e) 接口管理模块--ICM（Interface Control Manager）

承担SMEX模型接口类信息集中修改和检查等功能；

f) SMEX产品线管理模块--PLE（Production Line Engineering）

SMEX产品线管理模块，承担产品特征模型的维护以及新产品的快速设计等功能。

四、MBSE前景

未来，随着MBSE方法的逐步应用，系统研发的主要载体将从自然语言和文档转变为计算机能解析的模型，信息化手段将在系统分析、设计、验证和协同等方面发挥不可替代的基础性作用，将设计师从琐碎的设计工作中逐渐解放出来，使其更聚焦于创造性的工作。届时，系统设计师的核心设计活动即为构建系统模型，且系统模型可以与各专业的详细设计模型进行无缝地转换和关联。这样，不同工程层级和不同专业的设计师就可以围绕着系统模型方便地开展协同设计和构型管理。此外，计算机可以基于系统模型自动进行设计的正确性和一致性检查，也可以基于系统模型自动生成各专业仿真模型完成自动的仿真验证。随后，系统模型与各专业设计模型就可以自动转化为工艺模型与生产制造数据，并驱动智能生产车间自动完成产品的试制与批产。

在此基础上，MBSE方法还可以与AI（人工智能）技术进一步融合，以达成全过程自动化的系统研发与生产制造，从而创造出前所未有的复杂系统，为人类社会带来前所未有的福祉。