唐劍，中國(guó)商飛北研中心需求工程部部長(zhǎng)，研究員，從事商用飛機(jī)概念階段需求論證，系統(tǒng)工程以及民機(jī)航空電子技術(shù)研究。“適航思維”在此衷心感謝其無(wú)私的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)分享。
在過去的幾十年里，系統(tǒng)工程領(lǐng)域的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性不斷增加。隨著技術(shù)的快速發(fā)展，系統(tǒng)工程師們需要協(xié)調(diào)不斷變化的需求、預(yù)測(cè)未來(lái)的技術(shù)趨勢(shì)以及應(yīng)對(duì)潛在的風(fēng)險(xiǎn)。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，系統(tǒng)工程領(lǐng)域的專家們提出了一種新的方法，即模型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工程 (Model-Based Systems Engineering，MBSE)。MBSE旨在通過使用模型作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析的核心，替代傳統(tǒng)的文檔驅(qū)動(dòng)方法，從而提高效率和減少錯(cuò)誤。
盡管MBSE的潛力巨大，但其實(shí)施過程中也存在很多痛點(diǎn)，首當(dāng)其沖的是缺乏有效的方法論指導(dǎo)，設(shè)計(jì)者常常缺乏清晰的步驟和指南來(lái)指導(dǎo)他們從開始到結(jié)束的整個(gè)建模活動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致一系列后果：首先是缺乏明確的步驟和建模框架，設(shè)計(jì)者在實(shí)施過程中容易迷失方向，不清楚應(yīng)如何進(jìn)行下一步工作。其次是工作效率下降，設(shè)計(jì)者需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力去嘗試不同方法，而不能有效地專注于實(shí)際設(shè)計(jì)任務(wù)。第三是質(zhì)量和風(fēng)險(xiǎn)影響，缺乏方法指引可能導(dǎo)致在實(shí)施過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤或遺漏，這不僅可能影響系統(tǒng)的質(zhì)量和性能，而且可能導(dǎo)致需要進(jìn)行大量的修改和調(diào)整，從而增加工程的成本和風(fēng)險(xiǎn)。最后，由于缺乏有效的方法論指導(dǎo)，可能會(huì)導(dǎo)致工程師們?cè)趯?shí)施MBSE時(shí)感到困惑和挫敗，從而影響他們的積極性和創(chuàng)新性。
為了應(yīng)對(duì)上述痛點(diǎn)，法國(guó)Thales集團(tuán)從2001年開始進(jìn)行基于模型的嘗試，經(jīng)過近10年的探索，期間嘗試了UML/SysML等語(yǔ)言和NAF，UAF框架，以及一些商業(yè)建模工具，最后他們認(rèn)為：沒有一種建模語(yǔ)言可達(dá)到預(yù)期效果，配套工具過于通用且缺乏方法論指導(dǎo)進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)用困難。所以經(jīng)過一段時(shí)間決策，Thales決定完全自己構(gòu)建一套方法論，就是ARCADIA的前身，經(jīng)過數(shù)年的應(yīng)用迭代，到2008年，Thales又決定定義支持ARCADIA方法論的專用語(yǔ)言 (Domain Specific Language (DSL))，同時(shí)啟動(dòng)了建模工具Capella的開發(fā)。又經(jīng)過2年，ARCADIA方法論逐步成型，Thales開始在內(nèi)部推廣使用，直到2015年，Thales向全社會(huì)公開了ARCADIA方法論，并開源了Capella工具。之后以其開放、開源、完整的特點(diǎn)，迅速得到了歐洲多個(gè)行業(yè)應(yīng)用，不久也得到國(guó)內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注和試點(diǎn)應(yīng)用。2018 年ARCADIA被法國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化組織 AFNOR 注冊(cè)為Z67-140 標(biāo)準(zhǔn)。
ARCADIA: Architecture Analysis and Design Integrated Approach
，直譯叫做架構(gòu)分析和設(shè)計(jì)集成方法，是一種基于建模手段實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)定義和確認(rèn)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法。所謂架構(gòu)定義和確認(rèn)，是指對(duì)利益相關(guān)方關(guān)鍵需要 (Needs)的捕獲和需求 (Requirements)的綜合，對(duì)被設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)概念方案的協(xié)同開發(fā)指引。所謂結(jié)構(gòu)化，是強(qiáng)調(diào)其過程的有序和預(yù)定義。
Capella是ARCADIA配套的建模工具，內(nèi)置了完整的ARCADIA方法論的建模模板指引。Capella是開源的，但如協(xié)同建模功能則需要購(gòu)買商業(yè)版本。Capella使用了一套完全自定義的領(lǐng)域建模語(yǔ)言DSL，一些理念與SysML相似，但工程人員更容易上手。此外，Thales內(nèi)部的大量在Capella建模工具內(nèi)部使用插件和檢查規(guī)則是不公開的。
按照ARCADIA之父Jean-Luc Voirin的說(shuō)法，ARCADIA的重點(diǎn)，是對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)頂層需求和架構(gòu)進(jìn)行定義，所以其用法有幾個(gè)重要特征。
-
構(gòu)建對(duì)系統(tǒng)需求和架構(gòu)的頂層統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，以此加強(qiáng)內(nèi)外部設(shè)計(jì)人員的協(xié)同和共識(shí)。如果系統(tǒng)存在多種架構(gòu)，其權(quán)衡過程不屬于ARCADIA的覆蓋范圍；
-
通過架構(gòu)建立特定領(lǐng)域分析（如安全性、可靠性、人為因素、客戶服務(wù)、保障）關(guān)聯(lián)，但不深入其核心專業(yè)（換言之，對(duì)應(yīng)專業(yè)使用各自的方法進(jìn)行分析）；
-
專注于架構(gòu)定義而不涉及復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)。
架構(gòu)定義是復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)活動(dòng)的重要構(gòu)成，包括分析運(yùn)行需求、搭建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)組成分解，軟硬件劃分等內(nèi)容，目的是為了：
-
為技術(shù)決策和項(xiàng)目管理提供關(guān)鍵支撐信息；
-
對(duì)需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)過程有效管理，進(jìn)而支撐復(fù)雜度管理；
-
在定義清晰合理的技術(shù)框架規(guī)范下，進(jìn)行架構(gòu)開發(fā)；
-
引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員遵守系統(tǒng)定義工作的推進(jìn)程序。
總體而言，ARCADIA方法論將復(fù)雜系統(tǒng)需求分析和架構(gòu)定義分成兩大部分、四個(gè)層次。首先是需要理解，也就是問題的定義，包含Operational Analysis (OA)運(yùn)行分析和System needs Analysis (SA)系統(tǒng)需要分析。第二個(gè)部分是方案架構(gòu)定義，包含Logical Architecture (LA)邏輯架構(gòu)定義和Physical Architecture (PA)物理架構(gòu)定義。整體關(guān)系如圖所示：
運(yùn)行分析 (Operational Analysis (OA))
運(yùn)行分析是捕獲用戶在其工作或任務(wù)必須達(dá)到的目標(biāo)以及相關(guān)條件，與解決方案或用戶實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的系統(tǒng)無(wú)關(guān)。在不預(yù)設(shè)系統(tǒng)范圍前提，最大化客戶需求，或者是要?jiǎng)?chuàng)新運(yùn)行規(guī)則時(shí)，運(yùn)行分析是至關(guān)重要的。比如：假設(shè)客戶需求是在墻上掛一面鏡子。如果將需求定義為“如何將釘子固定在墻上”，就過早的排除了其他可能性，如使用膠水等。
運(yùn)行分析只應(yīng)聚焦于客戶需要做的事上，在上面案例中，運(yùn)行能力特指需要一種固定鏡子的能力，而不是具體采用什么方法，那是后續(xù)設(shè)計(jì)需要考慮的問題。
運(yùn)行分析的產(chǎn)物主要包括用戶目標(biāo)需求的“運(yùn)行架構(gòu)”，根據(jù)參與者/用戶、他們的運(yùn)行能力和活動(dòng)、用戶使用場(chǎng)景及其約束（包括安全性、安全性、生命周期等）。
系統(tǒng)需要分析 (System needs Analysis (SA))
系統(tǒng)需要分析核心目的是定義系統(tǒng)功能，識(shí)別系統(tǒng)與外部的交互，以及分析系統(tǒng)如何滿足運(yùn)行分析所識(shí)別的能力要求。系統(tǒng)需要分析的功能分析過程需要注意顆粒度，不應(yīng)包含任何系統(tǒng)架構(gòu)的傾向或者系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體細(xì)節(jié)。
此過程的主要活動(dòng)包括三個(gè)步驟：（1）能力權(quán)衡，針對(duì)OA分析得到的運(yùn)行能力，逐一分析可能的備選方向并進(jìn)行一定的量化比較，最終找出若干折中方向。此過程最好是與用戶合作開展，以此增加最終產(chǎn)品滿足用戶預(yù)期的確定性。在掛鏡子案例中，可能備選方向包括釘子、膠泥、雙面膠等；（2）需要分析，將系統(tǒng)需要正式化、模型化，識(shí)別非功能性約束；（3）綜合分析，對(duì)前兩個(gè)步驟的產(chǎn)物進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，建立追溯關(guān)系，按需整合。
邏輯架構(gòu)定義 (Logical Architecture (LA))
邏輯架構(gòu)定義是系統(tǒng)架構(gòu)的初步展開，顆粒度適中，但存在一定程度的抽象。邏輯架構(gòu)的核心作用，是支撐設(shè)計(jì)上關(guān)于架構(gòu)的重大決策，所以其顆粒度控制在不影響邏輯架構(gòu)的結(jié)構(gòu)決策的程度，系統(tǒng)更詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)留到物理架構(gòu)進(jìn)行細(xì)化。
可以通過邏輯架構(gòu)定義，使用模型描述若干個(gè)架構(gòu)選擇方案并進(jìn)行權(quán)衡。其主要活動(dòng)包括：（1）定義影響架構(gòu)和分析視角的約束，通過參數(shù)模型捕獲考慮因素、量化并建立上游關(guān)聯(lián)；（2）定義系統(tǒng)行為的基本規(guī)則，通過功能分析法對(duì)系統(tǒng)的基本行為進(jìn)行模型化定義，使用邏輯功能 (Logical Function (LF))進(jìn)行捕獲，此處應(yīng)注意不應(yīng)簡(jiǎn)單理解為對(duì)SA環(huán)節(jié)所識(shí)別的系統(tǒng)功能進(jìn)行簡(jiǎn)單細(xì)化，而應(yīng)該創(chuàng)造性的綜合考慮系統(tǒng)應(yīng)提供的能力。比如掛鏡子案例中，在選擇釘子作為設(shè)計(jì)路線情況下，基于對(duì)安裝人員安全角度考慮，可以創(chuàng)造性的增加對(duì)釘子的鋒利邊角進(jìn)行保護(hù)；（3）搭建系統(tǒng)架構(gòu)的若干可選方案，基于識(shí)別的邏輯功能LF，基于可能的組合原則，識(shí)別邏輯部件 (Logical Component (LC))及其組合方式，進(jìn)而形成若干可選方案；（4）權(quán)衡并選擇最佳架構(gòu)方案。
物理架構(gòu) (Physical Architecture (PA))
物理架構(gòu)定義了系統(tǒng)的最終實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，以足夠的詳細(xì)程度，描述了所有子系統(tǒng)（部件）的研制或采購(gòu)方案，還包括系統(tǒng)集成、驗(yàn)證和確認(rèn)的定義。完成物理架構(gòu)的定義，系統(tǒng)的研制方案就足夠明確，可以開展子部件的研制，或者采購(gòu)。對(duì)于研制而言，子部件的能力要求、外部接口、運(yùn)行限制、集成和驗(yàn)證要求清晰。
物理架構(gòu)的定義與邏輯架構(gòu)一般方法和過程類似，不同在于物理架構(gòu)的表達(dá)要素是實(shí)際可實(shí)現(xiàn)的，主要活動(dòng)包括：（1）定義影響物理架構(gòu)和行為的約束；（2）定義系統(tǒng)行為的詳細(xì)描述，識(shí)別物理功能(Physical Function (PF))，方法類似于邏輯架構(gòu)的對(duì)應(yīng)步驟，但顆粒度應(yīng)達(dá)到可以支持識(shí)別物理部件，使其達(dá)到可實(shí)現(xiàn)、可采購(gòu)程度。（3）搭建系統(tǒng)物理架構(gòu)的若干可選方案，基于識(shí)別的物理功能PF，基于可能的組合原則，以及可選的技術(shù)途徑等因素，定義物理部件 (Physical Component (PC))及其組合方式，進(jìn)而形成若干可選方案；（4）權(quán)衡并選擇最佳架構(gòu)方案。
《基于ARCADIA建模方法的系統(tǒng)架構(gòu)工程》([法]讓·呂克·瓦蘭 (Jean-Luc,Voirin))
此書是ARCADIA方法論之父Jean-Luc, Voirin的大作，是唯一專門講解ARCADIA方法論書籍。此書并不是系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)讀物，也不是一本關(guān)于如何建模的書，而是圍繞ARCADIA的發(fā)展歷史、基本概念、典型用法進(jìn)行論述，所講內(nèi)容往往是MBSE其他書籍較少涉及的主題，比如如何進(jìn)行功能分析、需求工程與建模的關(guān)系、不同研制層級(jí)之間的銜接、對(duì)產(chǎn)品線工程的貢獻(xiàn)等等。
《基于Arcadia方法的系統(tǒng)架構(gòu)建模：Capella實(shí)用指南》([法] Pascal Roques)
https://www.eclipse.org/capella/arcadia.html
文章來(lái)源：適航思維
