與傳統的系統工程相比，基于模型的系統工程(MBSE)充分發揮了模型的優勢，提高了系統全周期信息表示的一致性，增強了系統功能性能預驗證和多學科協同優化設計的能力。然而，MBSE在中國的實施正面臨著諸如廣泛的協調、學習和改造的成本以及大和更多的基礎設施工作等挑戰。因此，MBSE改造的實現需要長期規劃、同時推進系統工程標準研究和MBSE建模方法研究、整合力量、為改造打下堅實的基礎，以及促進MBSE的實施。

近年來，各國復雜工程系統的研發任務數量急劇增加。所涉及的學科和子系統的數量有所增加。對績效指標的要求不斷提高。系統的復雜性不斷提高，而研發成本卻居高不下。美國's國家航空航天局(美國航天局)在2011年指出，系統工程在未來將面臨嚴重的問題。首先，空間工程的規模和復雜性逐年增加，而工程師處理復雜系統問題的能力的增長速度跟不上系統復雜性的增長速度。其次，使用基于文檔載體的自然語言和系統描述，設計者很難對系統級交互、系統級特性和潛在風險有全面的了解。第三，文獻報道種類繁多，相互獨立，缺乏邏輯性。在系統項目的不同階段之間以及項目之間很難實現知識的繼承和重用。美國國防工業協會(NDIA)也在其2013年年終報告中分析了系統工程面臨的問題。除了指出與美國國家航空航天局報告中類似的問題外，它還指出系統工程存在工作結果的可用性和可移植性差的問題，以及不同領域中具體工作的粒度和成熟度差異大的問題，從而使集成變得困難。

隨著計算機和信息技術以及工程技術在各個領域的迅速發展，使用面向對象的、圖形化的和可視化的系統建模語言來描述系統變得越來越容易。模型在系統開發中的應用比例也在增加。基于模型的系統工程(MBSE)應運而生。MBSE方法可以有效地解決基于文檔的系統工程方法在參數獲取和技術狀態管理方面面臨的問題。它是有效處理系統復雜性的利器。目前，MBSE方法已廣泛應用于國外航空、航天、航運等領域，也是中國研究和實踐的熱點課題。

MBSE發展史

20世紀中后期，許多學者對完美系統模型理論進行了深入研究，發展了各種系統建模思想和理論。代表性的系統模型理論有的建模理論、克里爾和林的一般系統方法論、的物理化學設計理論等。在過去的幾十年中，學者們在模型理論的研究方面取得了顯著的成就，形成了許多基于模型的方法來描述、分析和設計系統。在實踐中，一些基于數理邏輯的圖形化建模方法，更直觀、更容易理解、更容易溝通，已經逐漸應用到軟件工程和系統工程中。

1993年，美國,學者Wymore提出了通過嚴格的數學表達式抽象表達系統工程過程中各種狀態和元素的方法，并通過數學模型系統建立了系統工程中各種狀態元素之間的聯系。這是面向系統工程的建模描述方法的雛形。1997年，對象管理集團(OMG)發布了統一建模語言(UML)，用于對軟件工程過程進行建模，以提高軟件開發效率和降低開發成本。UML在軟件工程中的成功促進了系統工程界對建模方法的認識，即使用可視化的可執行標準建模語言來提高系統工程過程的效率。

2007年，國際系統工程學會(INCOSE)在《基于模型的系統工程》中提出了MBSE的定義:“將形式化和標準化應用于系統需求、設計、分析、驗證和驗證活動的建模行為，從系統的概念設計階段開始，貫穿系統開發和隨后的生命周期。”INCOSE強調，MBSE是未來系統工程方法和技術的發展趨勢，是系統工程領域的一場革命。會上，MBSE首次提出了長期計劃。計劃從2007年到2020年實現MBSE理論與實踐體系的逐步成熟，這標志著MBSE將成為未來系統工程的一個重要發展方向。顯示了INCOSE到MBSE的計劃路徑如圖1。

（圖 1 INCOSE規劃 MBSE的發展愿景與路徑）

與基于模型的設計和計算機輔助設計的概念不同，MBSE并不專注于解決特定學科的設計問題。MBSE強調面向系統工程過程的建模，建模并形成系統需求、系統分析、系統設計、系統驗證和其他過程中所涉及的分析元素的有機聯系，以再現系統演示和設計思想，并在整個生命周期中保持系統信息的一致性和可追溯性。總之，多媒體設計和計算機輔助設計是面向設計的，而MBSE是面向系統工程的。就MBSE概念的內涵而言，“基于模型”是一種手段，屬于媒體的范疇，“系統工程”是商業的范疇。因此，MBSE不是一個可以立即使用的通用方法。在MBSE的具體應用過程中，建模理念應結合實際業務進行深入的定制設計。通過清晰的系統工程業務流程的指導，以模型為工作介質，合理組織系統工程工作流，并通過模型輸出表達系統工程各工作節點的結果和結論，最終實現建模方法的實施。

MBSE典型應用分析

2010年，OMG對美國各軍工企業的MBSE應用進行了調查，結果顯示，47.2%的企業將系統建模集成到業務流程中，24.1%的企業正在制定系統建模應用計劃，19.4%的企業正在考慮制定計劃，只有9.3%的企業根本沒有計劃。此外，66.3%的企業愿意參與系統建模語言的開發。德國's“工業4.0實施計劃”將“通過使用模型來控制系統復雜性”列為未來活動的八個重要領域之一。這些數據和信息表明，以美國和德國,為代表的工業強國充分重視MBSE，并在MBSE進行了廣泛的實際應用和不斷創新。一些外國案例已經在中國得到解釋和介紹論文。本文強調了典型MBSE應用的目的，并對國內外一些典型應用案例進行了分類和分析。

MBSE統一系統工程公司的基線描述

復雜系統產生的海量信息和數據給系統工程活動的管理和維護帶來了許多嚴峻的問題，主要表現在:分散在各種文檔中的信息數量眾多，難以保證完整性和一致性；傳統系統工程的描述文件難以描述復雜動態的交互活動，缺乏表現力，有時會導致工程人員在交流中產生歧義和誤解。工程細節很難維護和跟進。某個文檔的內容發生變化后，與該文檔相關的文檔也需要相應的變化，導致工作量大，維護困難。然而，通過統一的圖形建模語言描述復雜的工程系統可以有效地緩解甚至解決上述問題。

國外已經為這種應用開展了許多工作。美國宇航局十大中心明確要求系統演示交付品必須是模型。洛馬公司的潛艇設計小組花了一年時間設計一個新的潛艇電子系統，將所有原始文件轉換成系統模型。建模對象包括來自20個項目辦公室的35個子系統、3500個接口需求、500個服務、5000個接口實體模型和15000個模型元素。通過建模描述，解決了以往復雜系統工程過程中變更管理不易實施的問題。此外，美國國防部特別重視系統工程發展模式的創新。2013年，美國國防部“系統工程副助理秘書”和“海軍航空兵系統司令部”聯合支持美國國防部系統工程研究中心開展“MBSE系統工程轉型”研究，旨在通過MBSE全面梳理和重組當前發展模式，實現轉型升級。

MBSE加強復雜系統的早期驗證

在傳統的系統工程過程中，各個專業設計領域都使用專業模型和仿真方法來驗證設計。然而，就整個系統工程而言，系統運行邏輯和狀態的描述主要采用文本描述。系統整體驗證主要依靠實物驗證。驗證周期長，無法保證技術狀態。如果沒有提前發現以前系統設計中的問題，物理階段進入后的設計修改成本將非常高，這也將嚴重影響系統的開發進度。使用MBSE模式和可執行動態視圖模型，可以在一些模型執行機制的支持下預先驗證系統的運行邏輯。例如，IBM和諧-SE方法主要從“服務請求驅動”的角度分析復雜嵌入式系統的交互和響應問題，并將系統活動邏輯和狀態轉換邏輯轉換為時序進行比較和驗證，從而保證系統頂層邏輯設計的正確性，進而產生功能分配方案和物理組件接口方案，并交付具體的軟硬件開發。此外，整個動態可執行任務模型可以通過SysML語言中四種模型之間的元素關聯來構建，如需求、行為、結構、參數等。驗證系統在特定任務中的運行情況。特別地，在通過技術手段將系統模型與單個專業模型集成以增強模型的計算能力之后，可以顯著地增強整體的高級能力。

對于這種應用，國內外已經開展了工作。國際系統工程研究所和美國國家科學基金會合作演示、設計和開發了“黎明探索者”立方體衛星。提出了一種由狀態機圖驅動、需求-行為-結構-參數聯合操作的任務分析模型。一些軌道設計模型(STK)和專業計算模型(Simulink)已經集成。通過調整設計參數和任務參數，可以直接觀察到對系統整體運行的影響，從而大大提高系統的早期驗證能力。美國國防高級研究和規劃局(DARPA)于2014年啟動的“自適應車輛制造”(AVM)項目，通過應用基于模型的系統設計/分析/驗證技術，使該項目能夠在研究和開發的初始階段，在模型的基礎上，快速展示可行和可靠的整體系統方案，從而避免開發過程中的重復迭代，并顯著縮短復雜系統的開發周期。國內中航工業與國際商用機器公司合作，引進國際商用機器公司的和聲-色方法和一套完整的工具系統進行航空系統工程。在其機電一體化項目“智能伺服控制系統”中，將目標系統分為三個頂層用例，并按照和聲-色法規的要求進行需求分析、功能分析、設計綜合等步驟，形成一個包含95種狀態的系統可執行功能模型。通過仿真測試、驗證和優化，對系統設計進行了優化。為了解決飛機需求項目多、需求復雜、論證困難的問題，中國商用飛機公司采用和聲-色方法對大型飛機進行了需求-功能邏輯驗證。

MBSE多專業刀具鏈的整合

過去，由于缺乏系統模型，各種專業模型分散，難以進行集成應用和多學科協同設計。系統模型能夠描述系統的完整性和頂層信息，從技術角度將多學科專業模型與數據、模型轉換和封裝方法集成在一起，成為系統工程過程中多學科設計的樞紐，通過系統模型實現多學科協同優化設計。

國內外已經為此開展了許多工作。國防高級研究計劃局將MBSE深入應用于適應性車輛制造(AVM)計劃，建立了基于模型的設計、分析和驗證平臺，建立了部件模型庫，提供了建模和參數化的部件以及建模的各種車輛材料的屬性庫，支持車輛的總體系統設計，實現了基于模型的仿真和仿真驗證，并支持多層次的工程分析。包括車輛性能分析、人機環分析、機動性分析、可制造性分析、采購分析等。形成了一個全面集成的系統工程運行環境，提高了系統工程效率。洛馬公司采用MBSE統一的企業管理系統需求架構模型，并向后延伸到機械、電子設備和軟件的設計和分析，如系統、軟件和硬件的設計和分析，ANSYS的性能分析，Adams的性能分析，SEER的成本分析等。為航天和國防產品構建一個完整的基于模型的開發環境，促進整個工程鏈的集成。北京宇宙飛船總設計部應用MBSE理論來指導飛船的開發和實踐。基于協同設計和并行工程的理念，建立了——協同設計中心，適用于航天器復雜產品開發的各個階段，支持多學科、多學科的集成設計環境。還成立了由通用、結構、熱控、結構工藝、裝配工藝等相關技術人員組成的集成產品開發團隊(IPT)，通過協同設計中心開展航天器協同開發。

文章來源：華米軟件