MBSE建模
關注創建者：王靖雯 創建時間：2023-06-02
MBSE建模的實例教程
目前市場上MBSE或SysML建模工具眾多（圖4），下面的討論主要涉及項目中使用頻率頭三名、特別是頭兩名的工具。
圖4 MBSE-SysML建模工具在國外項目中的使用頻度[5]
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MBSE建模工具選擇過程
http://mbse.tools/網站給出了MBSE建模工具選型過程的一般步驟[6]：
1) 確定目標和需求；
2) 定義工具選型評價準則；
3) 為評價指標分配相對權重；
4) 識別候選建模工具；
5) 評測候選建模工具；
6) MBSE建模工具選型決策。
并給出MBSE建模工具常用的評價指標[7]：
1) 易用性Usability
2) 模型繪制功能Functional features: Drawing
3) 模型仿真和執行功能Functional features: Simulation & Execution
4) 符合標準及互操作性Standards Compliance & Interoperability
5) 技術支持和團隊建模協作Technical & Team Modeling Support
6) 綜合考慮軟件功能、質量和價格得出的建模工具價值Value
一些歐美SysML/UML建模專家給出了建模工具評價指標的權重分布（表1）。
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建模方法論
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。
展開 MBSE工具就是典型的新興CAD工業軟件，所以，在工業軟件受國外掣肘的背景下，對于此類落后不多工業軟件更需要加快步伐跟上業界先進水平。索為公司杉石團隊6年前就開始進行MBSE相關技術研究儲備，現形成以Modelook為核心的復雜工程系統建模仿真平臺，并積極在國內相關領域推廣應用，取得不錯的反饋。
建模語言、方法論和工具（圖1）作為MBSE的三大支柱，是MBSE能否有效落地的重要影響因素，本文從MBSE三大支柱角度簡述基于Modelook的自主可控的MBSE建模與仿真解決方案。
圖1 MBSE的三大支柱
一、系統模型
描述語言
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MBSE的關鍵使能方法。MBSE解決方案通常使用SysML來創建系統結構、行為、需求、和約束的模型。但SysML并不是唯一的建模語言，對于其他領域的工程師（例如體系、軟件、性能、業務過程等）都有更適合的建模語言，例如UML、UPDM、AADL等圖形化建模語言及Modelica等文本建模語言。
在S-MASP解決方案中，對SysML標準和DSL（領域模型）都做了很好的支持。
展開 MBSE建模技術中最重要的方法就是面向對象（Object Oriented, OO）的方法。幾種不同技術路線中（OOSEM、Harmony-SE、RUP、OPM），主要的也都是把整個系統當作對象來建模。“模塊”（Block）是面向對象模型中最重要的概念。下面說說模塊是啥、怎么來的、怎么建模。先從面向對象技術的三大特征說起。
面向對象技術三大特征
面向對象技術有三大特征，如下：
（1）抽象
抽象是將具有一致結構和行為的對象抽象成類。一個類就是一種抽象，它反映了與應用有關的重要性質，而忽略其他一些無關內容。從某種意義上講，人類的知識體系就是不斷“抽象”世界中的各種物體（Object，對象）、進行分類、形成的各種概念。
（2）繼承
繼承是在定義和實現一個類的時候，可以在一個已經存在的類的基礎之上來進行，把這個已經存在的類（稱為“基類”或“父類”）所定義的內容作為自己的內容，并加入若干新的內容。繼承得到的新類稱為“子類”。繼承的過程是一個從一般到特殊的過程。
（3）多態
多態是指相同的操作或過程可作用于多種類型的對象上并獲得不同的結果。不同的對象，收到同一消息可以產生不同的結果，這種現象稱為多態性。多態是在子類繼承父類的基礎上，通過重定義方法過程從而實現不同的操作結果。
模塊（Block）
MBSE主要的建模語言UML/SysML是面向對象的語言。SysML（SystemsModeling Language，系統建模語言）是對UML（Unified Modeling Language，統一建模語言）的擴展。在UML中最重要的概念是“類”（Class）。SysML中，對“類”進行了擴展，稱為“模塊”（Block）。MBSE的建模工作，可以說就是把要設計的系統及其各部分抽象為“模塊”的過程。
展開 基于SysML的主要建模工具包括Rhapsody，MagicDarw等。一些大型軟件供應商也開發了相應的支持SysML的工具，并且把SysML的建模工具和已有的專業建模分析軟件進行了集成，為實際開發系統模型奠定了基礎。一些大型企業也開始在其產品開發中引入MBSE的思想和方法。很遺憾的是，無論是建模語言、建模方法還是主流的
MBSE建模工具，都鮮有國產的影子。
基于MBSE的研發模式的本質是從傳統的基于文檔和物理模型的研發模式，轉變為模型驅動的研發模式。基于MBSE的研發模式強調：工程系統研制也是一個借助系統模型來實現技術溝通的過程。因為復雜工程系統研制過程中，各參與方之間要進行良好地分工、協作，分工協作的基礎是技術溝通，技術溝通的基礎是系統模型。比如，用戶向設計部門提出要求，設計部門提出解決方案(設計方案)，雙方提出的都是模型，是系統模型的不同視圖。這是一個需求模型和設計模型溝通的過程，是一個任務提出方給出“定義”，任務承接方給出“說明”的過程。總體設計部門和分系統設計部門之間的技術溝通，也是類似的過程。工程師依據上述過程可以完成系統設計。但到此只解決了問題的一半。系統集成階段如果還是采用物理系統集成的方式，效率仍然很低，成本仍然很高，局限性仍然很大。因此，現有的基于MBSE的系統研制實踐中，一般先基于系統建模語言(如SysML，IDEF等)進行需求建模和架構設計,再基于物理建模語言（如Modelica，Bond Graph等）并配合集成標準規范（FMI,HLA等），實現物理模型的開發和集成。然而基于SysML的MBSE研發模式亦存在著明顯的不足，影響了研發效率。原因有如下三點：其一，SysML等建模語言只支持系統級架構建模，無法仿真運行；其二，基于SysML所建立的模型只能進行系統的設計與規劃，無法有效的驗證系統設計的正確性、有效性。
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MBSE建模的最新內容
<p> SysML v2 是新一代系統建模語言，在復雜系統研制中具有重要作用。SysML 是在 UML 基礎上擴展而來，專門為基于模型的系統工程設計的建模語言。2007年9月，SysML v1.0正式發布 ，但在使用過程中暴露出一些問題，如語法語義不符合行業要求、與其他工具打通困難、信息傳遞格式存在壁壘等。因此，OMG（國際對象管理組織）開發了全新的
該方法論為客戶提供了完整且適用于產品研發流程的MBSE建模框架，支撐產品自頂而下的逐層分解，及自底而上的系統集成，為產品指標優化及系統設計協同奠定基礎。
本文將MBSE的建模方法引入到對流層飛艇的運行概念研究中，通過SysML系統建模語言搭建運行概念模型并與利益攸關者需求建立關聯關系，從而達到精確、可追溯和可驗證的建模目的。
系統工程模型建模工具
MapleMBSE技術特點
MapleMBSE是一個基于Excel用戶界面、面向特定任務視圖的系統工程工具，讓企業范圍內的系統工程應用和人員廣泛參與成為可能。
為了使 MBSE 全流程建模方法更加實用化，達索公司配合 MagicDraw 軟件給出了基于 SysML 的 Magic Grid 方法論[10,11]，將問題用域來描述，每個系統設計都包含了問題域、解決域、實施域三層，每層都由需求、行為、結構體和參數四個維度的定義來完成描述，形成了方案矩陣，需求分析在每一層中都是首要的。
三、系統建模與 仿真平臺
建模工具是MBSE的第三大支柱，也是支撐MBSE的模型和方法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。
然而現階段 MBSE在建模標準規范統一、建模方法的推廣和應用、上下游模型的數據傳遞、模型與仿真分析工具的集成等方面還有待進一步的提升和發展。可以預見，隨著 MBSE工程成熟度的不斷提升和應用領域的不斷擴大和深入，MBSE將會形成一套體系完備的開發流程和標準，為復雜產品的正向設計提供強大的平臺支撐。
建模語言、建模方法和建模工具作為MBSE的三大支柱，是MBSE能否有效落地的重要影響因素，尤其方法論尤甚，它是絕大部分人開始接觸MBSE的切入點。
近些年，基于模型的系統工程（Model-based Systems Engineering, MBSE）的概念，已在制造業逐漸普及，許多MBSE項目也在航空航天和國防、汽車、醫療和運輸等行業實施及開展。MBSE的核心是模型在執行系統工程的所有活動中的正規化應用，以解決復雜系統的需求、設計、驗證等挑戰。
為了充分發揮MBSE的作用，必須具備專門用于建模的系統工程方法論，包括適當的流程
對建模語言的改進需要體現在建模軟件工具中, 并與建模方法共同促進MBSE實踐 . 面向對象方法是應對系統復雜性的有效建模方法. 但當前OPL尚不支持封裝, 這限制了它按照面向對象方法建模. 論文未涉及該問題, 這將是研究和進一步改進OPL值得探索的方向.
