- 相關(guān)推薦
淺談模型的系統工程的基本原理
國外把基于模型的系統工程(Model-BasedSystemsEngineering，MBSE)視為系統工程的革命、系統工程的未來(lái)、系統工程的轉型等。本文首先對系統工程是組織管理的技術(shù)這一定義進(jìn)行分析，從根本上探究系統工程的本質(zhì)是什么，進(jìn)而從系統建模的角度認識系統工程與系統建模技術(shù)的關(guān)系，從系統建模技術(shù)的顛覆性發(fā)展來(lái)對比MBSE和傳統系統工程，分析MBSE的基本原理，闡明其優(yōu)勢。
系統工程包括技術(shù)過(guò)程和管理過(guò)程兩個(gè)層面。技術(shù)過(guò)程遵循分解-集成的系統論思路和漸進(jìn)有序的開(kāi)發(fā)步驟，即V型圖所示。管理過(guò)程包括技術(shù)管理過(guò)程和項目管理過(guò)程。工程系統的研制，實(shí)質(zhì)是建立工程系統模型的過(guò)程。在技術(shù)過(guò)程層面主要是系統模型的構建、分析、優(yōu)化、驗證工作;在管理過(guò)程層面，包括對系統建模工作的計劃、組織、領(lǐng)導和控制。因此，系統工程這種組織管理的技術(shù)，實(shí)質(zhì)上應該包括系統建模技術(shù)和建模工作的組織管理技術(shù)兩個(gè)層面，其中系統建模技術(shù)包括建模語(yǔ)言、建模思路和建模工具。傳統系統工程(TraditionalSystemsEngineering，TSE，也是Text-BasedSystemsEngineering的簡(jiǎn)稱(chēng))自產(chǎn)生以來(lái)，系統建模技術(shù)中的建模語(yǔ)言變化較小�；谀Ｐ偷南到y工程相對傳統系統工程有諸多不可替代的優(yōu)勢。它在建模語(yǔ)言、建模思路、建模工具上有重大轉變，是系統工程的顛覆性技術(shù)。
一、系統建模技術(shù)是系統工程的重要組成部分
1.工程系統建模是工程系統研制工作的核心
工程系統的研制過(guò)程，就是建立工程系統模型的過(guò)程。用戶(hù)提出的需求是工程系統研制工作的第一推動(dòng)，設計部門(mén)把這些需求翻譯為系統架構模型(功能模型)，再結合技術(shù)供應商的零部件模型，形成一個(gè)平衡、優(yōu)化、集成、聯(lián)動(dòng)的系統模型，進(jìn)而得到能夠讓工人使用的物理模型(藍圖及工藝規程)。各個(gè)層次、各個(gè)部分以及各個(gè)專(zhuān)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和平臺。而且，系統模型是否符合現實(shí)，需要不斷地通過(guò)系統仿真、試驗、驗證和確認來(lái)進(jìn)行模型的修改完善。因此可以說(shuō)，工程系統模型是工程研制工作的成果和中心。
2.系統工程包括技術(shù)過(guò)程和管理過(guò)程
技術(shù)過(guò)程就是從用戶(hù)的紙面需求變成實(shí)物產(chǎn)品的過(guò)程。下圖左邊是一個(gè)自上而下、從用戶(hù)需求開(kāi)始將系統逐層分解為分系統、單機、零部件和原材料的過(guò)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，交付用戶(hù)并滿(mǎn)足用戶(hù)需求的過(guò)程。以導彈系統為例，技術(shù)過(guò)程的輸入是用戶(hù)的需求文檔，供應商的原材料、零部件及其技術(shù)信息等;輸出是導彈系統的設計方案和飛行樣機，飛行樣機依據設計方案而制造出來(lái)。整個(gè)技術(shù)過(guò)程存在兩條線(xiàn)的變化，一是信息這條線(xiàn)，它把用戶(hù)的需求文檔和零部件信息變成了最終的設計方案(也是一大堆信息、文檔和符號);二是實(shí)物這條線(xiàn)，它把各種原材料、零部件變成能夠飛行并且基本滿(mǎn)足用戶(hù)需求的樣機。
3.系統工程對系統建模技術(shù)非常倚重
復雜工程系統研制包括系統建模及其組織管理工作，這兩樣工作如何開(kāi)展，就是系統工程方法。系統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)，也包括系統建模的技術(shù)，因為管理的基礎是溝通，復雜工程中溝通的基礎是系統模型，系統模型必然由人利用系統建模技術(shù)來(lái)構建。系統工程這種技術(shù)，實(shí)質(zhì)上包括系統建模技術(shù)和系統建模工作的組織管理技術(shù)。
系統建模工作和系統建模工作的組織管理工作相輔相成，并以系統建模工作為中心。在圖中，技術(shù)管理過(guò)程的八個(gè)方面(技術(shù)規劃、技術(shù)狀態(tài)管理和接口管理等)，都是圍繞著(zhù)系統建模工作而開(kāi)展的，當然主要是對人的管理，是對人與人之間圍繞和借助系統模型而開(kāi)展的技術(shù)溝通的管理。這兩個(gè)方面，又以系統建模工作(即技術(shù)過(guò)程)為核心，有什么樣的技術(shù)過(guò)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(guò)程服務(wù)的，建模工作的管理是為建模工作服務(wù)的。
二、系統建模技術(shù)的發(fā)展和MBSE提出的大背景
1.系統建模技術(shù)包括建模語(yǔ)言、建模工具和建模思路
人們研制復雜工程系統，就是要得到工程系統的設計方案，而設計方案必然以某種語(yǔ)言文字、符號、線(xiàn)條和圖示等來(lái)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(yǔ)言，后者即建模工具(包括建模載體)。整個(gè)設計和研制工作又必然要遵循一個(gè)統一而一致的思路，也就是建模思路。系統建模技術(shù)就包括建模語(yǔ)言、建模工具和建模思路，整個(gè)研制過(guò)程就是人與系統建模技術(shù)的充分結合，是人對系統建模技術(shù)的有效使用。
2.系統建模技術(shù)的發(fā)展變化
縱觀(guān)系統工程產(chǎn)生和發(fā)展的歷史，可以發(fā)現建模工具這個(gè)維度發(fā)生了巨大的變化，體現在計算機、網(wǎng)絡(luò )及一系列的計算機輔助技術(shù)(CAX)和產(chǎn)品數據管理(PDM)等。CAX是計算機和網(wǎng)絡(luò )代替了人的手工畫(huà)圖和圖紙的傳遞，PDM是傳統設計流程的上網(wǎng)。它們沒(méi)有從根本上改變人與人之間的溝通語(yǔ)言問(wèn)題，沒(méi)有很好地解決人與人之間的知識溝通問(wèn)題。
相比之下，工程系統建模語(yǔ)言的變化較小，仍然是自然語(yǔ)言為主(也包括FFBD、IDEFx等建模語(yǔ)言)，并沒(méi)有從根本上改變系統工程。因為系統工程的核心是要從用戶(hù)需求推導出設計方案，其核心問(wèn)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(yǔ)言，建模語(yǔ)言的變化不能滿(mǎn)足工程系統建模的需要，如系統模型的多視圖集成、軟硬件模型的集成和快速地仿真等。
3.MBSE的定義
基于模型的系統工程是對建模(活動(dòng))的形式化應用，以便支持系統要求、設計、分析、驗證和確認等活動(dòng)，這些活動(dòng)從概念設計階段開(kāi)始，持續貫穿到設計開(kāi)發(fā)以及后來(lái)的所有壽命周期階段。MBSE相對于TSE的特點(diǎn)體現在建模語(yǔ)言、建模思路和建模工具三個(gè)方面，在系統建模層次上的主要區別是系統模型的集成化程度和可執行程度的大幅度提高。
4.MBX是MBSE出現的大背景
近些年來(lái)，國際工程界提出了各種各樣的模型驅動(dòng)或基于模型的方法，可以概括為Model-3X或MBX(相對于過(guò)去所提的CAX，即一系列的計算機輔助技術(shù)，如CAD、CAE等)，涉及到各類(lèi)系統及系統壽命周期的各個(gè)階段、各個(gè)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的基礎上開(kāi)發(fā)出了適宜于描述工程系統的系統建模語(yǔ)言(SysML)。軟件提供商也開(kāi)發(fā)了相應的支持SysML的工具，并且把SysML的建模工具和已有的專(zhuān)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(shí)際開(kāi)發(fā)型號的各方面的基礎。
三、MBSE的基本原理和三個(gè)支柱
1.MBSE對系統工程中的技術(shù)過(guò)程進(jìn)行了顛覆性改造
MBSE仍然還是系統工程，層層分解、綜合集成的思路并沒(méi)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(yǔ)言及相應的建模工具，改造了系統工程的技術(shù)過(guò)程(即系統建模過(guò)程、V型圖的左半邊)，充分利用了計算機、信息技術(shù)的優(yōu)勢，開(kāi)展建模(含分析、優(yōu)化和仿真)工作，為右側的系統實(shí)現、實(shí)地驗證奠定了更為堅實(shí)的基礎，從而提升了整個(gè)研制過(guò)程的效率。
2.建模語(yǔ)言
系統建模語(yǔ)言規定了若干種除自然語(yǔ)言外的符號，包括框圖、線(xiàn)條和箭頭等�？驁D就是封閉的線(xiàn)條，可以在框圖內分隔出若干個(gè)區域，用自然語(yǔ)言填寫(xiě)不同的信息。而且不同的區域也由系統建模語(yǔ)言的抽象語(yǔ)法及計算機支撐工具賦予不同的含義，為數據之間的關(guān)聯(lián)奠定基礎;線(xiàn)條包括直線(xiàn)和折線(xiàn)等，也區分實(shí)線(xiàn)和虛線(xiàn);箭頭是線(xiàn)條和框圖的結合點(diǎn)，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(yǔ)言是非形式化的，由人來(lái)處理�？驁D、線(xiàn)條、箭頭是形式化的，由計算機來(lái)處理，人可以在計算機及網(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建模語(yǔ)言畫(huà)圖的計算機和網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，當然核心是支持系統建模語(yǔ)言的軟件。屏幕上呈現出系統建模語(yǔ)言的各種符號，給建模者閱讀，底層利用系統建模語(yǔ)言的語(yǔ)法對相關(guān)數據進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，并形成模型庫。而且可以構建分布式的建模環(huán)境，方便研制團隊的協(xié)同設計。
形象地說(shuō)，在MBSE下，工程系統模型的相關(guān)信息實(shí)現了從Word文檔向Excel的轉變，因為Excel中的數據，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。設計人員在設計、建模時(shí)，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
建模思路就是設計團隊如何利用系統建模語(yǔ)言的各種圖形來(lái)建立系統模型，也就是工作流程。工作流程依賴(lài)于各個(gè)設計單位的特點(diǎn)，也與設計的型號類(lèi)別有關(guān)。各行各業(yè)的型號研制單位，如航空航天等，在應用MBSE，或者從TSE轉向MBSE時(shí)，建模思路、工作流程的研究、探索和試用，應該是重點(diǎn)工作和前置性工作，因為系統建模語(yǔ)言是統一的，雖然不同提供商的建模工具各有特點(diǎn)，但本質(zhì)是一樣的，因此關(guān)鍵就在于根據本單位型號及組織機構特點(diǎn)，研究適合自己的建模思路和工作流程。這需要在試點(diǎn)型號中探索應用，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。本節從MBSE的特點(diǎn)來(lái)分析其相對于TSE的優(yōu)勢。
1.應對需求蠕變，降低技術(shù)風(fēng)險
用戶(hù)本身所處的環(huán)境(如作戰的對手)在不斷地變化，而且用戶(hù)對這些環(huán)境的認識也存在一個(gè)過(guò)程，因此在型號研制過(guò)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(lái)應對需求蠕變：包括使用需求方和研制方都能夠理解的系統建模語(yǔ)言來(lái)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(hù)方各種角色以及各種各樣的要求，并記錄在案，可隨時(shí)查詢(xún)和修改;在計算機中建立需求和系統模型中其它模型元素之間的關(guān)系，如設計、測試用例和用例等，并且進(jìn)行動(dòng)態(tài)的維護等。MBSE中的系統模型有明顯的分層，對技術(shù)進(jìn)行了隔離，因此可以快速準確地對系統的不同層次的技術(shù)路徑進(jìn)行選擇和比較(如對某種可能禁運的原材料準備一種替代材料)，有效地應對技術(shù)攻關(guān)中的滯后問(wèn)題，可以在此基礎上做出更科學(xué)的決策，從而降低技術(shù)風(fēng)險。
2.及早進(jìn)行全系統仿真
我們在型號設計過(guò)程中，實(shí)際上是用對模型研究來(lái)反映對實(shí)際系統的研究。系統仿真就是讓系統模型的各個(gè)要素動(dòng)起來(lái)，看是否符合設計目的。TSE下的仿真主要是單學(xué)科(如力學(xué)、熱學(xué))，無(wú)法實(shí)現全系統的集成仿真，不能快速有效地在模型端全面、動(dòng)態(tài)地識別設計中的問(wèn)題。在MBSE下，使用系統建模語(yǔ)言及支持軟件，可以建立動(dòng)態(tài)可執行的系統模型，充分發(fā)揮計算機大容量、快速計算等性能，在計算機中對系統模型進(jìn)行全系統仿真、隨時(shí)仿真和全周期仿真，及時(shí)發(fā)現設計的問(wèn)題并加以修改。
3.實(shí)現軟硬件的和諧開(kāi)發(fā)
隨著(zhù)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(zhù)越來(lái)越重要的作用，大量數據的采集、處理、狀態(tài)判定、決策、控制和執行需要軟件來(lái)完成，其數量及規模也急劇增加。目前的型號研制，是先把系統的初步設計完成之后，才形成型號軟件的需求說(shuō)明書(shū)，一旦軟件在開(kāi)發(fā)中遇到某些不易克服的問(wèn)題，則會(huì )對系統的總體方案形成巨大的沖擊。
MBSE在對系統進(jìn)行逐級分塊時(shí)，并不區分軟件和硬件，直至最底層才把邏輯部件分配給相應的硬件部件、軟件部件和操作程序等，這樣有助于系統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)化和平衡的系統模型。
4.提升研制單位知識管理的能力
型號研制是一個(gè)知識的理解(理解用戶(hù)的需求)、繼承(繼承以往的設計方案)、重用(重用科學(xué)研究中發(fā)現的規律)、集成(把各個(gè)學(xué)科的規律集成在一個(gè)型號中)的過(guò)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(lái)說(shuō)，成熟型號的知識(設計方案、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建模語(yǔ)言模型的形式表示和存儲的，便于捕獲、查詢(xún)、理解和重用，而且重用的級別可以大幅度地提高，類(lèi)似設計軟件時(shí)可以直接拿一個(gè)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(huì )變得容易。因為系統工程不僅是技術(shù)過(guò)程和建模過(guò)程，還包括技術(shù)管理過(guò)程，也就是對系統模型進(jìn)行維護和管理等工作。MBSE下系統模型的各個(gè)方面的信息是關(guān)聯(lián)在一起的，管理起來(lái)很方便。凡是涉及到型號設計方案(系統模型)的管理和維持的工作，都會(huì )變得比較容易，如技術(shù)狀態(tài)管理、資料管理、接口管理和權衡研究等。
五、結論與啟示
1.MBSE是系統工程的顛覆性技術(shù)
系統工程作為創(chuàng )造系統的方法和技術(shù)以及復雜工程系統研制組織管理的技術(shù)，當然包括系統建模技術(shù)及其組織管理技術(shù)，因為管理的基礎是溝通，復雜工程中溝通的基礎是系統模型，系統模型的基礎是系統建模技術(shù)，系統建模工作中包含著(zhù)系統建模技術(shù)，即建模語(yǔ)言、建模思路和建模工具。
作為一種技術(shù)，系統工程終究還是要不斷地向前發(fā)展，其方向是什么值得認真研究。時(shí)至今日，工程系統建模技術(shù)發(fā)生了巨大改變，包括建模語(yǔ)言、建模思路和建模工具都發(fā)生了改變，也可以說(shuō)系統工程已經(jīng)介入到需求分析過(guò)程、設計過(guò)程和試驗過(guò)程。因此，應充分地重視技術(shù)過(guò)程中的系統建模技術(shù)，充分認識工具、技術(shù)和管理的辯證關(guān)系。因此，我們可以從復雜工程系統建模的角度來(lái)重新認識系統工程：系統工程是一種建立復雜工程系統模型的技術(shù)(方法)，包括系統建模技術(shù)(用于構建系統模型的建模語(yǔ)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(yǔ)言這個(gè)層次進(jìn)行了方向性和根本性的轉變，充分利用了信息技術(shù)和軟件工程等方面的技術(shù)，也響應了型號越來(lái)越復雜的需求，在型號研制實(shí)踐中初步得到了應用并驗證了其優(yōu)勢。因此，綜合各方面因素看，MBSE是系統工程的顛覆性技術(shù)。
2.啟示：中國工程界有必要加強對MBSE的研究和試用
新形勢下，應當充分認識系統建模技術(shù)對于系統工程的重要性和決定性作用。MBSE要改變的就是系統建模技術(shù)，是從基礎層對系統工程進(jìn)行改進(jìn)。這種改進(jìn)的核心是建模語(yǔ)言。它改變了復雜工程系統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，將有效打破傳統系統工程中人與人之間的溝通瓶頸，會(huì )在工程系統日益復雜龐大、賽博-物理系統、無(wú)人系統和智能系統的研制中大顯身手。
目前，我國工程領(lǐng)域正處在由大變強的過(guò)程中，需要關(guān)注MBSE這種系統工程的顛覆性技術(shù)，扎實(shí)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(kāi)展相關(guān)型號試點(diǎn)應用，為國防軍工、民用工程的研制和建設奠定扎實(shí)的方法論基礎和工具基礎。
【淺談模型的系統工程的基本原理】相關(guān)文章：
淺談審計風(fēng)險模型的改進(jìn)及實(shí)施障礙03-02
淺談審計風(fēng)險模型的改進(jìn)與實(shí)施障礙03-22
淺談分布式入侵檢測系統模型設計03-09
淺談面向業(yè)務(wù)決策的圖書(shū)館信息集成系統模型研究03-16
淺談電力局辦公自動(dòng)化系統的開(kāi)發(fā)模型02-28
剩余收益模型與傳統DCF模型的比較研究03-23
淺談醫院財務(wù)管理假設體系構建原則與活動(dòng)序列模型研究11-16
論IP電話(huà)模型03-05
審計風(fēng)險模型探討03-23