MBSE演變的五個階段

一起學MBSE

2023年6月14日 11:01

在本公眾號《嫁接MBSE》一文中，作者提出MBSE需要經歷爬行、走路和奔跑三個階段。Jon Holt教授持相似的觀點，并具體提出系統工程實踐從基于文檔到基于模型要經歷五個階段。本文對這五個階段作了深入探討。

Jon Holt是基于模型的系統工程領域國際公認的專家。Holt是克蘭菲爾德大學系統工程教授，并且是IET和英國計算機學會的會員。他目前是英國INCOSE的技術總監，2015年被INCOSE評為過去25年中最具影響力的25位系統工程師之一。

MBSE演變的五個階段的圖1

圖1 Jon Holt

本文摘自Jon Holt的著作《Systems Engineering Demystified》。

圖2《Systems Engineering Demystified》封面

在一個組織中實施MBSE時，必須考慮的一個關鍵因素是MBSE活動的成熟度，為此有必要考察MBSE的演變過程。

MBSE的演變可以被認為是從基于文檔的系統工程方法，一直到完全基于模型的系統工程方法。然而，這不是一個簡單的轉變，必須考慮五個概念階段，如下圖所示:

圖3 MBSE的演變( Holt & Perry ，2020年)

圖3中的圖表通過確定的五個關鍵階段展示了MBSE的演變，這五個階段有助于理解如何在組織中實施和部署MBSE。

階段1–基于文檔的系統工程

MBSE發展的第一階段被稱為基于文檔的系統工程。圖3中的階段1描繪了一大堆文檔。這意味著有許多文檔與這一階段的發展相關聯。與此同時， 與系統相關的知識分散在這些文檔中，而不是集中在一個位置。

在這個階段，人員、過程和工具的情況通常是:

人員: 參與這一階段的人員被認為具有系統工程的基本能力。現實是，任何交付系統的組織都必須具有系統工程能力，即使這是一種沒有正式捕獲或記錄的隱性能力。當人們處于這種情況時，他們可能會聲稱要在考慮MBSE之前將基本的系統工程能力落實到位。這是一個巨大的錯誤。請記住，MBSE本身就是系統工程，所以兩者都做是沒有意義的——只要瞄準MBSE就行了。
過程: 已經落實的過程可能會被記錄，也可能不會被記錄，但是一定會有一個過程被落實。在這兩種情況下，主要的工件（也就是過程的輸入和輸出）都是文檔。這些文檔主要基于文本，也包括表格、圖表、列表等。
工具: 階段1涉及的工具通常是基于office的工具，如文字處理器、演示應用程序和電子表格。

在階段1中，與系統相關的所有知識、信息和數據將只包含在作為執行過程的結果而創建的文檔集中。沒有任何合適的模型，所以一切都包含在文檔中并由文檔所擁有。

第一階段的基本前提條件是，組織內部必須確定對MBSE的某種基本需求。

編者：對MBSE的需求是組織邁向MBSE后續階段的動力。假如沒有這種需求，將不會有后續所有階段。

階段2–以文檔為中心的系統工程

MBSE演變的第二階段被稱為以文檔為中心的系統工程。圖3中的階段2再次描繪了一大堆文檔，但是這次有兩個主要的變化。第一，文件數量略有增加。第二，有證據表明，人們開始在文檔中使用符號，不再是主要基于文本。因為仍然沒有模型 ，與系統相關的知識完全包含在文檔中。

在這一階段，人員、過程和工具的情況通常是:

人員: 參與這個階段的人員被認為具有系統工程的基本能力，與階段1相同。然而，這一次，將會有證據表明人們在非正式的層面上應用了符號。實際情況是，這一階段產生的是一組圖片，而不是構成模型的真實視圖，但這在這個階段是典型的，因為人們會以一種特別的方式試驗不同的符號。
過程: 在這個階段，與過程相關聯的工件仍然是文檔，但是，根據前面的觀點，人們將開始使用符號來支持文本描述。
工具:在此階段，工具將與階段1中的工具相同，但不同的是可能已經使用當前的的繪圖工具創建構成文檔一部分的圖表。

在階段2中，所有關于系統的知識、信息和日期仍然單獨包含在文檔集中。這一點很重要，因為已經生成的圖并不是模型的真正部分，因此不能擁有任何與系統相關的知識。還要注意，在這個階段，文檔堆實際上變得稍微高了一些，這代表了信息的增加。在這個階段，與階段1一樣，所有與系統相關的數據、信息和知識都包含在文檔中。由于數據、信息和知識包含在文檔中，并且這是它駐留的唯一位置，因此可以認為文檔擁有所有這些信息。

階段2的基本先決條件如下:

MBSE的目標必須正式確認。包括MBSE實施的范圍以及存在哪些利益相關者。對于每個利益相關者，必須確定一組利益。這一點至關重要，否則就無法證明MBSE倡議是否成功。如果計劃的目標或需求沒有被識別和定義，那么就不可能驗證這些需求。
必須確定對組織當前MBSE的基本評估。包括確定組織當前的MBSE能力，和確定當前MBSE能力的成熟度。

在這個階段，一些MBSE活動可能被用來執行前面的要點，而人們實際上并沒有意識到這一點。當這種情況發生時，它通常被稱為MBSE的秘密行動，MBSE實際上是被用來實施MBSE，而人們沒有意識到這正在發生。

編者：上文所說的“符號”應理解為某種能獲得一致理解的形式化表達，而不是階段1時隨意繪制的圖表。下文所說的“符號化”也應該理解為形式化。形式化是指描述的形式具備數學嚴謹性。運用建模語言（如UML）但沒有應用建模軟件工具，也沒有完善的建模方法，或許只是在文檔中插入用繪圖軟件繪制的圖（如符合UML語言的用例圖、活動圖等），就是這個階段的典型情況。

階段3–模型增強的系統工程

MBSE發展的第三階段被稱為模型增強系統工程。這很有趣，因為這是引入術語模型的第一階段。圖3中的圖表顯示了模型開始從文檔堆中出現，這意味著 知識現在被模型和文檔集分割。

在這一階段，人員、過程和工具的通常情況是:

人員: 參與這個階段的人員現在已經更加詳細地研究了符號，并且已經接受了某種正式的符號訓練，因此他們表現出符號化能力。此外，人們將對MBSE概念的范圍有一定的認識水平。
過程: 在這個階段，真正的模型出現了，并從文檔中浮現出來。模型包含并擁有一些與系統相關的知識。知識現在被模型和文檔分割，而不是僅僅由文檔擁有。此外，文件的數量也開始減少。在這一階段，MBSE將開始得到認真應用，通常是在一個范圍有限的試點項目中實施新興的MBSE方法，可以在向組織的其他部門推廣之前，根據之前確定的目標展示MBSE的優勢。
工具: 在階段3中，通常有多個工具被用作建模的一部分。在可能的情況下，進行全面的工具評估總是明智的，在這種情況下，將會有一組候選工具，這些工具之前已經被確定為可能在組織中使用。

在階段3中，與系統相關的所有知識、信息和數據都在新出現的模型和文檔集之間進行分割。這很重要，因為它真正代表了MBSE第一次被正確地應用于任何項目。

第三階段的基本先決條件如下:

人們將接受一些正式的符號訓練，使他們能夠以一種有效的方式開始建模，而不是像以前那樣以一種特別的方式。
應該考慮正式的工具評估，以便將候選工具集縮小到單個首選工具。

在許多情況下，第三階段可能是MBSE短期內的一個初步目標，用來展示使用這種方法的好處。事實上，對于一些組織來說，實現階段3實際上可能是最終目標，但是階段3更多的是短期目標。

編者：本階段將統一術語作為一項重要工作，這是追求一致性的必要舉措。在工程項目和組織中，所有描述的一致性是MBSE所追求的重要目標之一。能達到階段3的目標，將讓項目和組織明顯受益，真正品嘗到MBSE的甜頭。不過，因為MBSE并未得到充分應用，基于文檔的某些問題并沒有得到令人滿意的解決。這時要警惕懷疑MBSE，正確的作法是再接再厲，向下一階段挺進。假如止步于此，很可能在文檔和模型的拉扯中開倒車。

階段4–以模型為中心的系統工程

MBSE發展的第四階段被稱為以模型為中心的系統工程。在這個階段， 模型幾乎完成了 ，如圖3所示， 并且擁有了與系統相關的大部分知識 。

在這個階段，人員、過程和工具的結果可以被認為如下:

人員: 此階段涉及的人員已經在MBSE和候選工具的使用方面表現出能力。人們現在對MBSE有了很深的了解，并且正在很好地利用它。候選工具正以高效的方式使用，并由已到位的MBSE方法驅動。
過程: 在此階段，該方法幾乎完全基于MBSE。初始框架現在已經就位，包括本體，以及作為建模基礎的一組視角。一致性也通過框架的使用得到加強，并且模型中的視圖是根據初始過程集創建的。在這一階段，對前一階段引入的試點項目進行衡量和評估，以展示MBSE方法的有效性。必須根據第二階段之前確定的目標來衡量和評估試點項目。
工具:在階段4，首選的工具已經被選中，現在正在實際項目中使用。

在階段4中，幾乎所有與系統相關聯的知識、信息和數據都包含在模型中并為模型所擁有，只有一小部分仍然存在于文檔集中。因此，文件的數量現在大大減少了。

階段4的基本先決條件如下:

正式的MBSE培訓現已開始，因此所有相關團隊成員現在都具備了實施MBSE方法的正確技能。
初始過程集已經被定義，并且正在被應用來生成組成模型的視圖。
最初的框架，包括本體和視角，現在已經被開發出來，并被應用到實際的項目中。
現在已經從候選工具集中選擇了首選工具。在大型組織中，有幾個工具被選中并不罕見。
人們已經接受了使用首選工具的正式培訓。

第四階段是MBSE在高級水平上的應用，許多預期的好處現在都實現了。

編者：對于很多組織來說，能達到階段4的目標就已經意味著MBSE取得巨大成功了。

階段5-MBSE

MBSE演化的最后階段，階段5，是任何MBSE努力的最終目標。在階段5， 與系統相關的所有知識都包含在模型中并為模型所擁有 ，模型現在已經完全顯現出來，并作為一個獨立的實體存在。這個階段正是MBSE。

在這一階段，人員、過程和工具的情況通常是:

人員: 參與此階段的人員現在已經掌握了MBSE及其在組織中的應用。人們不斷努力保持甚至提高他們的能力，以便盡可能高效和有效地使用該方法。
過程: 方法現在完全基于模型。框架和過程集現在已經成熟，并作為公司推廣的一部分被應用到多個項目中。 MBSE和其他的的高級應用現在正在實施，如模式識別、定義和應用；過程和能力建模；變體建模等等。
工具: 正在使用的工具現在被定制成允許該方法被自動執行。這將包括應用基于本體的自動特定領域語言一致性檢查、自動文檔生成和其他使用概要文件的高級工具功能。在這一階段，各種不同類型的工具也將以無縫的方式互操作，例如，管理工具將與MBSE建模工具交互，后者將與數學建模工具交互，等等。

在階段5中，所有與系統相關的知識、信息和數據都包含在模型中并為模型所擁有。圖3中的圖表表明，模型現在已經完全形成，并且獨立存在。雖然這里沒有顯示任何文檔，但是總會有一些文檔存在。

這里的要點是，文檔不擁有任何知識，事實上，文檔應該被看作是組成模型的另一組視圖，盡管是基于文本的視圖。

階段5的基本先決條件如下：

正在應用高級應用，包括能力和過程建模、變體建模、項目相關應用等等。
通過應用能力評估、過程成熟度評估和模型成熟度評估，已經到位的MBSE方法正在被不斷地度量、評估和改進。
工具通過創建支持各種類型自動化的配置文件進行了定制。

階段5是最終目標，但始終不斷評估和改進整個MBSE方法是至關重要的。

編者：與其說階段5是達到了最終目標，不如說組織中的MBSE已經進入主動的良性循環了。希望有些組織能達到這個階段。

從階段1到階段5未必是一步一個臺階線性發展的。在MBSE推進過程中，難免會遇到困難，也難免會欠下技術債務而得不到及時償還，最后讓積累的矛盾集中爆發。早期的過高期望與實踐過程中的挫折可能會打擊自信心，或許會讓MBSE陷入低谷，這毫不奇怪。正如上一篇所說，這是勇敢者的游戲。加油吧！

MBSE演變的五個階段的圖9

編者：MBSE從基于文檔經歷五個階段發展到基于模型，但并非意味著文檔沒有價值。文檔不等同于文字描述。我們常說的基于文檔是指用非形式化自然語言和圖表描述的方式，而基于模型是用形式化（常常也是圖形化，或稱為“可視化”的）建模語言描述的方式。兩者的本質區別在于是否“形式化”，即所作描述所使用的語言是否具備數學嚴謹性。

圖4 基于文檔和基于模型

建模語言是對自然語言作形式化改造的結果，并不是排斥自然語言。恰恰相反，建模語言越接近自然語言，往往越容易被多數人理解、接受并掌握。如果能以圖文對照（“圖”即圖形化且形式化的形式，“文”即形式化文本）的形式呈現模型內容，讓“文”的形式既接近自然語言，同時具備形式化特征，還能與形式化圖形語言描述的內容一致，讓讀者能相互對照閱讀，無疑是個福音。

這不是不切實際的幻想。用OPM語言所建的模型就具備這樣的形式，圖文對照且圖文內容一致，是OPM模型的一個突出優點。讓模型既具備嚴謹性，又能容易閱讀理解，適合作概念建模，既“描述知識”。如下面這個模型，建模軟件工具能據此自動生成形式化文本。

MBSE演變的五個階段的圖11