隨著信息化和智能化系統的發展，武器裝備的復雜度呈指數級提升，導致需求分析和設計錯誤增加、研制進度拖延、研制經費上漲。目前系統級設計還是以文檔，畫圖為主，傳統的系統工程依賴大量文檔作為項目信息交流基礎，文字描述存在二義性，系統工程師需要花費大量時間維護文檔信息的同步，并同時會引入需求分析和設計的錯誤。這些錯誤可能會到系統交付階段才被發現，大大增加了系統研制的風險。

為應對上述問題，系統工程國際委員會（INCOSE）正式提出“基于模型的系統工程”（model-based systems engineering，MBSE）概念。MBSE使用建模方法支持系統的需求定義、設計定義、分析、驗證和確認等活動，這些活動從概念性設計階段開始，持續貫穿到設計開發以及整個產品生命周期階段。

通過本案例應用，將采用目前最常用的數字化設計語言SysML對防空導彈系統進行用戶需求分析、功能分解和架構設計，構建一套包含需求、結構、行為和參數的導彈系統模型，并通過模型仿真手段對設計方案的功能邏輯完備性和參數指標進行初步驗證，可有效降低系統前期的研制風險，支撐后續的詳細設計。

圖 1 V流程

與傳統的基于文檔的系統工程不同，MBSE將系統的表達由“以文檔報告為中心”轉變為“以模型為中心”，MBSE要求通過一系列活動產出一份集成、清晰且一致的系統模型，基于這個整合的模型，給生命周期不同階段、不同領域、不同學科的人提供唯一真實的數據模型，因此能夠對系統進行準確描述的模型語言成為MBSE的核心基礎。

系統建模語言（SysML）是一種圖形化建模語言，可以支持系統的規范、分析、設計、驗證和確認，并且不依賴方法學和工具，是基于模型的系統工程的關鍵使能方法。在系統設計中通常使用SysML來創建系統結構、行為、需求、和約束的模型。

在該案例中，完整構建了導彈系統的SysML模型。模型應用說明如下：

• 使用包圖定義導彈系統的模型組織結構，包含需求包、任務場景包、需求分析包、結構組成包、指標約束包；

• 基于用戶需求，開發導彈系統的運行概念，使用用例圖定義導彈系統的主要任務、外部系統和利益攸關者；

• 基于每一個任務，使用活動圖分析該任務的詳細的運行邏輯，使用順序圖識別系統與外部系統的接口；

• 基于細化的模型，使用需求圖定義導彈系統細化后的需求模型，并建立與用戶需求的派生關系；

• 基于細化后的系統需求，開展導彈系統的架構設計活動，使用塊定義圖定義系統的分解結構及每個子系統的參數指標，導彈系統可由計算與控制子系統、動力子系統等組成；

• 使用內部塊圖描述子系統之間的內部接口，及子系統與外部系統之間的接口數據；

• 開展系統需求向子系統的分配活動，使用帶泳道的活動圖將系統的需求向子系統分解和分配；

• 使用狀態圖定義各個子系統的運行狀態，及在外部觸發下狀態的轉化邏輯；

• 通過子系統狀態圖的聯合仿真，模擬子系統之間相互配合過程，來實現導彈系統的整個任務；

• 通過參數圖創建所有子系統的性能指標之間的數學函數關系，通過參數圖仿真，可計算出導彈系統的性能指標是否滿足要求。

建模方法是MBSE里重要的一環，也是大部分人員開始接觸MBSE的切入點，通過建模方法論能夠快速的理解整個系統設計和建模過程。以SysML為核心的建模方法論應用較多的有INCOSE提出的OOSEM，IBM基于Rhapsody工具提出的harmony SE，Dassault基于Magicdraw工具提出的MagicGrid等。

在實際應用中，為保證MBSE能力能應用并支撐型號研制，實現系統工程與MBSE能力真正落地，需要面向實際系統的研制流程，在借鑒國際上成熟方法論的基礎上，可根據系統研制過程定制建模方法論。這樣才能將MBSE方法論轉化形成企業的系統工程和MBSE能力，提高應用價值。

如下圖所示，描述了一個典型的MBSE建模流程，可按照該建模流程開展系統工程活動。建模流程內容如下：

• 計劃建?；顒邮紫缺婚_展，它包括定義建模工作的目標和范圍，對方法論的剪裁，定義模型交付的節點，選定建模工具，定義團隊角色和分工，定義培訓方法等內容；
  

• 組織模型包括定義了模型如何被組織，設置模型約定規則；

• 分析任務和利益攸關者需要包括識別利益攸關者，定義任務目標和需求，定義任務背景和所感興趣系統（SOI）交互的任務元素；

• 分析系統需求明確了作為黑盒的系統，及其功能、接口、性能、物理和其他質量特征；

• 綜合候選系統架構定義了各種可選的系統架構元素，定義系統元素如何交互才能滿足系統需求規范；

• 執行分析貫穿整個研制流程，用于對系統設計結果進行評估，從而選出更適合的解決方案；

• 管理需求追溯性也貫穿整個研制流程，用于確保利益攸關者需要被覆蓋，同時也用于管理系統需求和設計的變更；

• 在系統早期設計階段就啟動集成和驗證活動，以這種較低成本方法來確保需求可驗證且系統能滿足需求。仿真和分析模型可用來執行早期的設計集成和驗證，而實際的硬件和軟件集成和測試是在隨后的實現階段來進行。

圖 3 典型的 MBSE建模流程

建模工具是支撐MBSE的模型和方法論能夠在工程中應用的基礎。國外商業化工具廠商在國外的實踐中分別推出了各自的商業化MBSE建模工具，比較有代表性的有IBM公司的Rhapsody、No Magic公司的Magicdraw等。杉石科技公司作為國內的MBSE工業軟件解決方案廠商，具有自主可控的系統需求分析和架構設計工具Modelook.SM，完全對標國際上的主流工具。

該工具定位于為復雜工程系統的系統級研發提供基于模型的建模仿真解決方案，用戶可以在系統設計階段基于SysML模型進行需求分析、架構設計、仿真分析，改變原有的基于文檔的設計范式，有效的提高系統研發效率。軟件聚焦復雜工程系統研發早期，以系統模型為基礎，以建模和仿真為核心手段，支撐研發過程中的需求分析、架構設計、設計定義、系統分析等活動的展開，提升系統設計質量，增加系統研發效率。

圖 4 Modelook.SM功能架構

（1）系統設計建模

對SysML最新標準中定義的元模型及9種圖進行了完整的支持。可基于SysML來創建系統的結構、行為、需求、和約束模型。除此之外，也支持了一些領域定制圖，如內容圖、UI原型圖、實例表、關系圖等。

（2）仿真分析

可實現基于模型的仿真驗證，借助活動圖和狀態圖可以實現系統邏輯的仿真驗證。借助內置解算器或MATLAB等外部解算器對創建的參數圖進行解算可以實現系統的性能需求驗證及架構選優。同時支持SysML模型與其它專業模型的聯合仿真，例如行為模型與STK模型的聯合仿真，參數模型與modelica等數學模型的聯合仿真等。

（3）異構模型關聯管理

可集成專業模型數據，實現以系統模型為核心，銜接其它多維度模型的MDE（模型驅動工程）研發環境，確保復雜工程系統從系統級模型到各專業模型的模型一致性。

（4）模型復用

支持模型庫創建及復用功能，能夠支持用戶將系統設計階段需要的系統級模型、專業算法、工業設計類APP等模型封裝為模型庫中的內容進行積累和復用。

（5）團隊協同

通過協同服務器為用戶提供基于統一模型數據源的團隊協同，可以支持用戶進行團隊協同建模、基于WEB的發布評審，文檔表格生成等。

導彈案例的建模和驗證過程如下圖所示，包含如下幾個活動：用戶需求導入、任務場景分析、總體需求分析與定義、總體方案設計、子系統/設備方案設計、仿真驗證。

在構建面向SysML的導彈系統模型時，會與需求管理工具ORM進行需求數據交互，保證需求傳遞的一致性。并與專業學科工具（如Matlab，IDE）進行參數模型傳遞，并實現系統模型與專業學科模型的聯合仿真。

圖 5 導彈案例建模流程

導彈系統的需求存在于需求管理工具中，首先通過導入需求管理工具中的研制任務書，在Modelook中建立導彈系統的需求模型，并以需求圖的形式呈現出需求的層級結構、需求的ID和內容。

使用用例圖分析導彈系統的任務場景。用例反映利益攸關者所重視的內容，并解決他們關切的問題。其中，導彈系統的主要任務場景包含發射、飛行和攻擊。并與發射車、地面制導站、衛星、指揮系統、打擊目標之間存在接口。

圖 7 用例圖

然后針對每個任務場景，可通過3種行為圖（活動圖、順序圖、狀態圖）對導彈需求做進一步的細化分析。

活動圖用于表示系統所需要的行為，以及輸入通過一系列動作轉換為輸出的過程。在該案例中，活動圖主要用于分析導彈在該任務場景下的詳細功能邏輯，識別系統功能需求。

順序圖用于表示系統內部與外部環境如何通過操作調用和異步信號進行交互。在該案例中，順序圖主要用于分析導彈在該任務場景下與其他外部系統的交互和順序邏輯，識別系統接口需求。

狀態圖用于表示系統的一系列狀態，以及響應事件時狀態之間的可能轉換。在該案例中，狀態圖主要用于分析導彈在該任務場景下的狀態運行行為，可模擬在外部系統提供的激勵下，導彈的運行模式。

通過以上的需求分析建模，可進一步細化系統需求。具體開展如下建模工作：

• 使用需求圖，定義細化的導彈系統需求模型；

• 使用派生矩陣，建立系統需求與用戶需求的追溯關系；

• 通過導出功能，將細化的系統需求模型導出到需求管理工具ORM中，進行需求版本管理和需求文檔流程審批。

導彈系統需求可被具體化為邏輯層模塊和物理層模塊。將導彈系統分解為子系統，使用塊定義圖定義架構模型。

使用順序圖將系統接口分配到子系統，并進一步識別子系統之間的接口。

圖 13 白盒順序圖

使用狀態圖分析子系統的狀態運行行為，可模擬在外部系統或其它子系統提供的激勵下，該子系統的運行模式。

圖 14 子系統狀態圖

參數圖用于表示約束與系統屬性的綁定，支持工程分析。在該案例中，使用參數圖定義設備元素的性能指標之間的數學模型，用于后續的系統性能指標驗證。通過參數建模，定義每一個結構中所包含的輸入變量、約束表達式和輸出變量之間的數學關系。

（1）功能邏輯驗證

狀態圖作為系統整體運行邏輯的描述，可以有效的響應外部觸發事件對系統狀態的影響，并傳遞給各分析模型，各分析模型將執行狀態及結果再反饋給狀態圖進行同步顯示。在該案例中，通過對導彈系統的發射階段的狀態圖進行仿真，實現了系統運行邏輯及場景的可視化，使客戶對所設想產品進行直觀的認識。

（2）指標驗證

參數圖提供了將系統的參數約束模型與系統結構、行為模型整合的方法，借助參數圖模型可以和專業分析模型打通數據接口，從而實現系統的非功能需求驗證、權衡對比分析、自動設計優化等功能。在該案例中，通過將SysML中的參數模型與工程分析模型進行數據集成，對參數圖進行仿真，并在后臺調用多學科工具（IDE、Matlab等）進行參數計算，實時顯示計算結果，更好的實現對導彈系統中的舵軸強度指標進行驗證。

依據基于模型的系統工程方法論，建立基于SysML語言的系統設計模型是實現導彈系統正向設計的有效手段。為了對導彈系統架構模型進行驗證，從系統需求出發，通過問題域、方案域的逐層分析，應用一套詳細、規范、可實施的設計方法。通過對系統需求的驗證，實現設計問題及缺陷的早期暴露，避免設計問題向下游傳遞，對保證系統的設計質量具有極高促進作用。

開展基于模型的系統建模與驗證工作具有以下優勢：