MBSE方法的案例
MBSE系列: 方法論之OOSEM
本篇屬于基于模型的系統工程(MBSE)專題系列第02篇內容，我們聊聊MBSE方法論之OOSEM相關內容。
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為什么MBSE是系統復雜性應對之道
在上一篇MBSE開篇文章，我們聊到了MBSE基本概念及其重要性，以模型驅動開發過程是MBSE核心內容，為了建立模型我們需要相應的方法論，建模語言以及工具。今天我們主要來聊聊MBSE相關的方法論。
所謂的方法論就是以解決問題為目標的一種通用理論體系，告訴我們以什么的方式，步驟或流程去解決問題。MBSE方法論其實比較多，業界不同企業或組織提出了不同的方法論，比較常見的包括:
OOSEM
Arcadia
Harmony SE
State Analysis
Object Process Methodology (OPM)
MagicGrid
Vitech
但不管這些方法論如何變化，其本質都是基于V模型，都是從系統需求獲取及定義，到系統架構設計，再到詳細設計及驗證等，只是不同的方法論在這個過程中側重點以及采取的方法不完全相同而言。
當然，并不是所有的MBSE方法論在汽車行業都有應用，我會挑幾個比較有代表性，且比較有借鑒意義的方法論給大家介紹。
我們今天先來來聊聊MBSE方法論之OOSEM。
展開 MBSE系列: 方法論之Arcadia
本篇屬于基于模型的系統工程(MBSE)專題系列第03篇內容，我們聊聊MBSE方法論之Arcadia相關內容，個人認為也是在汽車領域相對應用最廣泛的方法論之一，非常值得學習。
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為什么MBSE是系統復雜性應對之道
02 - MBSE系列: 方法論之OOSEM
在上一篇文章，我們聊到了MBSE方法論之OOSEM，包括其基本概念，建模語言，開發流程，邏輯架構的重要性等。
今天我們接著來聊聊MBSE方法論之Arcadia，主要包括以下內容:
Arcadia基本概念
Arcadia開發活動
Arcadia建模語言
01
Arcadia基本概念
Arcadia(Architecture Analysis and Design Integrated Approach)是法國泰雷茲(Thales)集團針對MBSE專門開發的方法論，該集團專注于航空航天，交通運輸等領域。
Arcadia近幾年被廣泛應用到汽車行業，該方法論以架構模型建立為核心，貫穿產品整個開發過程，主要專注于以下幾點:
需求分析
架構構建
架構及時驗證和確認
其中，需求分析是SE重要步驟，為更好地捕捉用戶需求，Arcadia將需求分析分解為操作需求和系統需求分析兩個過程，為后續邏輯和物理架構模型的建立提供基礎，并對解決方案進行及時的驗證和確認。
展開 MBSE建模應用案例和實踐經驗：挖掘機傾覆解決方案（工業設備行業MBSE方法實踐）
得益于3DEXPERIENCE平臺和MBSE方法，項目經理和工程師們可以在產品開發過程中驗證市場和消費者需求之間的正確聯系，對市場和客戶需求做出非常積極的反應。
基于3DEXPERIENCE 的MBSE方法
根據國際系統工程學會給出的定義，MBSE是從概念設計出發，使用建模方法逐次支持系統需求、設計、分析、驗證和確認等活動，持續貫穿整個設計生命周期。MBSE起源于航空航天領域，致力于解決復雜系統的研發問題，而現在隨著各行業領域產品復雜度的不斷提升，MBSE方法也逐漸“出圈”，開始應用于各行各業。
圖11 “V”形開發流程
基于模型的系統工程（MBSE）屬于“需求驅動型”研發模式，在需求分析階段進行系統需求的捕獲、分析和驗證，在早期暴露并全部解決需求存在的隱患和問題，并基于驗證后的需求開展后續研制，大大減少了研制過程中的反復和浪費。
RFLP框架即分為Requirement、Function、Logical和Physical四個層面，導入需求管理中的需求條目和架構后，在功能和邏輯層進行細分架構和建模，物理層面是三維模型，配合仿真可以直觀地觀察其動態行為。特點是統一數據源、保證數據連續性，同時在設計研發過程中可以不斷迭代，提高研發效率。
-END-
文章來源：達索系統
展開 MBSE架構設計分析方法和工具：使用ARCADIA方法和Capella工具的MBSE
圖13 系統層級中的能力視圖示例
實現ARCADIA方法的工具——Capella
Capella不僅僅是一個建模工具，它是一個基于模型的工程解決方案，已經成功地部署在各種各樣的工業環境中。基于圖形建模工作臺，它為系統、軟件和硬件架構師提供了豐富的方法論指導，依賴于基于模型的綜合工程方法ARCADIA：
通過共享相同的參考體系結構，確保工程范圍內的協作
掌握系統和架構的復雜性
通過權衡分析定義最佳架構
通過自動轉換和信息細化，掌握不同的工程級別和可追溯性
Capella基于Eclipse的工具平臺，不僅提供了特定領域建模語言，還提供了一個工具集。
Capella一個非常有吸引力的特征是內嵌了一個MBSE方法的瀏覽器，為用戶提供ARCADIA的基本原則和方法指引。這個活動瀏覽器提供了Capella中關鍵活動的方法入口，可以幫助用戶逐層地創建主要的視圖，對初學者和高級用戶都非常有價值。
圖14 Capella內嵌MBSE方法導航
由于元素的圖形化表達在溝通中扮演重要的角色，Capella提供了一致的顏色組合 。
展開 
MBSE系列: 方法論之RFLP
本篇屬于基于模型的系統工程(MBSE)專題系列第04篇內容，我們一起來聊MBSE終極方法論之RFLP相關內容。
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為什么MBSE是系統復雜性應對之道
02 - MBSE系列: 方法論之OOSEM
03 - MBSE系列: 方法論之Arcadia
在上幾篇MBSE文章，我們聊到了MBSE基本概念及其重要性，以及不同方法論，包括汽車行業比較常見的OOSEM, Arcadia等。當然MBSE還包含很多其他的方法論，但這些方法論本質都離不開兩個內容:
V模型
V模型屬于汽車工程師必修課，相信大家都不陌生，基本上現在大家熟悉的大部分系統，軟件等開發標準，例如MBSE, Aspice, ISO 26262等，其方法論基礎都離不開V模型，V模型左邊TopDown的開發思路，以需求為基礎，然后依次進行架構設計和詳細設計，V模型右邊以集成，驗證和確認為主，具體如下圖，在此不再贅述。
當然，隨著汽車產品，尤其是軟件的快速迭代要求，V模型也受到一些詬病，即不夠靈活，后序開發嚴重依賴于前序輸入，導致產品開發周期長，變更速度慢，開發成本難把控等，所以Agile開發模式逐漸得到汽車行業的青睞。這塊是個比較大的問題，我們后續專門詳聊。但不論如何，V模型重要性不可忽視。
RFLP
MBSE方法論除基于V模型外，模型驅動是其主要特點。
展開 達索析統公司的MBSE方法實踐-MagicGrid
而實踐要經得起檢驗的方法是在實際工作中對那些使用該實踐的項目成員有充分的指導性和充足的自洽，若此，則該實踐方才有用。當然，達索析統公司的MagicGrid方法也不例外。
關于達索析統公司收購No Magic后及其所屬CATIA品牌下的產品矩陣關系不在我們本次討論范圍，同樣，達索析統原生的MBSE最佳實踐 Modeling Methodology for Systems(簡稱，MMS)我們會另選時間詳細分享。
在與國防，汽車，航空航天和高科技等各行各業的企業及組織合作時，大家需要一種明確的方法來使用SysML開發系統模型，SysML是國際系統工程理事會（INCOSE）定義的MBSE事實上的建模語言。當然，目前市場上有很多MBSE方法可供使用，而現有的方法對于解決現實世界的問題來說過于抽象。達索析統的MagicGrid方法恰好是通過總結和提煉眾多企業在MBSE項目的最佳實踐經驗而來，所以，MagicGrid方法反過來又可以通過修改或擴展以靈活有效地支持特定客戶需求。
何來如此底氣呢？
因為默識在實際工作中，體會最深的就是MagicGrid方法的以下三方面在實踐中得到了充分的驗證：
它明確定義了建模框架(Framework)及詳細過程，該過程又是基于行業中系統工程過程的最佳實踐。
它與SysML完全兼容。絕大多數情況下不需要對SysML進行擴展。
它與工具無關，只要該工具支持SysML即可。
MagicGrid方法基于框架
是的，MagicGrid方法基于框架。首先，框架無論從支持復雜體系的系統系建模到具體的工程建模，乃至嵌入式軟件建模，都是旨在指導工程師完成建模過程并回答他們的如下問題：
如何組織模型？
什么是建模工作流程？
展開 SYSMOD-系統建模工具箱 | SYSMOD角色
技能
圖 1 - SME管理員技能圖
方法
SME 管理員負責以下 SYSMOD 方法：
——4.2 準備和維護 SME
產品
SME 管理員負責以下 SYSMOD 產品：
——5.2 系統建模環境（SME）
2. MBSE方法學家
MBSE 方法學家負責 MBSE 方法學。
描述
MBSE 方法學家定義 MBSE 方法并負責為特定的項目或組織定制方法論。該角色負責將 MBSE 方法論傳達給所有利益攸關者。此外，MBSE 方法學家還需提供應用該方法所需的文檔、良好用例和工具。
該角色獲取項目利益攸關者使用 MBSE 的經驗反饋，并將這些反饋整合到定制的 MBSE 方法中，并更新部署。
MBSE 方法學家與 SME 管理員有密切的聯系。例如，實施和部署模型查詢需要有關方法和語言架構的知識，還需要編程和工具技能。相反，工具中特殊的功能可以使得一些原本不可能實現的步驟變得可能，從而影響研究者的方法論。
根據 MBSE 方法學家和 SME 管理員的具體能力，他們自行分配需要完成的任務。
MBSE 方法論專家是 MBSE 方法論的能力中心，為組織提供 MBSE 培訓和指導。部分外部顧問可以很好地利用從外部獲得新的專業知識和批判性觀點，幫助公司解決內部問題，并將培訓任務外包。MBSE方法論專家能力的主要部分應該在組織內部。
展開 技術交流 | MBSE技術及其在航天產品領域的應用建議
2 航天領域MBSE實踐
近年來，在航天領域開展了MBSE應用實踐，初期重點圍繞MBSE語言工具培訓、型號試點應用、建模方法研究等方面開展工作，在過程中統一理解和認知；在廣泛調研與理論探索的過程中不斷與現有流程相印證，梳理、總結、提煉出了基于模型的航天器系統設計與驗證過程及MBSE初步工作指南；將MBSE正向設計流程逐步引入型號研制中，在典型應用實踐中不斷完善航天領域的MBSE方法，為后續的推廣應用打下了基礎。
以載人月球探測飛行器研制為例，由于系統復雜度高，為提高研制與管理水平，正在推行MBSE方法在型號研制全周期的應用，探索制定數字化研制工作規范，推進數字化手段與工程現有研制流程的有機融合。目前初步開展了基于模型的需求分析、系統設計與仿真驗證工作。需求建模方面，實現了多級需求的分解和追溯關系的建立；系統設計方面完成了基于模型的功能、架構分解和飛行方案設計，并開展了基于模型的設計評審；系統級仿真驗證方面，正在開展基于Modelica語言的多學科建模和多專業耦合仿真驗證工作，目標是在方案階段完成基于MBSE的數字化設計閉環仿真驗證。
在深空、遙感、通信等領域不同航天器研制過程中均開展了MBSE實踐。實踐證明，MBSE在航天領域的發展趨勢是明確的，但初期由于建模工作量大、周期長，應用效果不容易體現，導致推廣過程中不可避免的會存在一些質疑與異議。例如：
（1）語言過于抽象，工程人員學習和理解困難，未掌握前反而影響設計效率；
（2）工具難掌握，模型資源匱乏，設計缺少基礎庫的支撐導致設計效率低、模型質量差；
（3）方法普適性強，但專業性不足，缺少針對行業領域特點本地化的方法論。
展開 系統工程大講堂——實施MBSE，如何選擇建模工具？MBSE建模平臺的選擇和使用
No Magic公司的MBSE方法學是MagicGrid，號稱是IBM Harmony、OOSEM等各家方法學（圖8）和DoDAF、NAF等各家架構框架的綜合集成，為用戶提供無二義性的系統建模工作流程。
IBM的Harmony方法學也是集成折衷的產物，首先是IBM包容調和了兩位大師在系統工程領域和嵌入式軟件工程領域的兩種思想方法（即Harmony = Harmony MBSE + Harmony ESW），其次是包容了Peter Hoffman對SysML建模功能和Rhapsody軟件功能的裁剪。這就造成Harmony MBSE并不完全符合系統工程最新標準（ISO 15288:2015）對系統工程過程的定義，如Harmony MBSE以涉眾需求作為輸入，而忽略了涉眾需求定義過程。另外，Harmony MBSE的作者Peter Hoffman退休離開IBM，以及IBM公司的業務轉型，對Harmony MBSE方法學及其系統工程解決方案的發展和完善的影響，尚待評估。
圖8 MBSE方法學使用頻度[5]
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國外客戶采購MBSE決策過程示例
洛克希德-馬丁公司下屬的桑迪亞（Sandia）國家實驗室于2010年決定在實驗室內部不同安全級別的網絡上部署No Magic公司的SysML建模工具MagicDraw，并且軟件評測和采購團隊將MagicDraw、Rhapsody、Enterprise Architect三個工具的對比和采購決策過程按照系統工程的流程撰寫了詳細的報告（圖9）。雖然是6年前的數據，但系統工程思想方法在整個過程中的應用，值得我們一讀。
展開 MBSE是什么？有什么用？怎么學習？
這個觀點也是在說“MBSE提高了開發復雜系統的能力”。
（3）通過提供可評估一致性、正確性和完善性的無歧義的且精確的系統模型，提升了產品質量。
產品的質量問題有很多是設計問題，而這些設計問題并不簡簡單單是設計人員的水平問題、責任心問題，而更多是復雜過程本身不可避免的會出現的質量問題。想讓所有人不犯錯是不可能的，而只能是通過技術手段使人少犯錯。MBSE是一種使人少犯錯的技術手段，因為MBSE建立的模型可以通過計算機軟件自動的檢查錯誤。相比之下傳統的文檔容易隱藏錯誤，一個筆誤可能造成嚴重損失。
（4）通過以更加標準化的方式捕獲信息并高效地利用模型驅動方法固有的內置抽象機制，增強知識捕獲及信息的復用。這會導致縮短開發周期和更低的維護成本，以改進設計。
這個觀點是說系統模型數據更容易復用，比文檔手段的“復制、粘貼、替換”文本效率要高。模型數據的復用，可以采取“引用”方式。而且可以建立共用的模型庫，提高知識的復用率。
（5）通過提供概念清晰且無歧義的表達，提升教授與學習系統工程基本原理的能力。學會了MBSE，就掌握了系統工程的方法。
3.MBSE的方法有哪些？
在系統工程技術結合計算機信息技術發展的過程中，其實有多種技術方向在發展。這些技術途徑都可以稱為MBSE。這其中主要的方法有6種：INCOSE（就是前面說的那個國際系統工程協會）的面向對象的系統工程方法（OOSEM）方法、IBM的Rational Telelogic Harmony-SE、IBM的RUP系統工程方法、Vitech MBSE方法論、JPL狀態分析（SA）方法和Dori的對象過程方法（OPM）。
另外，隨著MBSE建模軟件的不斷發展，達索 NoMagic和IBM兩大公司也都在不斷改進MBSE的方法論。
展開 MBSE產品模型架構應用：基于模型驅動架構概念的自主水下航行器控制器的MBSE應用（上）
在許多商業應用中，實時SysML / UML已與上述基于模型的系統工程方法相結合。因此，MBSE方法和MDA的功能可以與實時UML和SysML結合使用，以詳細描述開發系統的工件。
在上述評估點的基礎上，本工作側重于構建基于MBSE方法的混合控制模型，結合MDA概念、實時UML/SysML和HA，使我們能夠集中實現AUV控制器。設計的控制工件可以定制和重復使用，以部署在各種AUV平臺上。本研究將用于控制的AUV動態模型與MDA特征的特化相結合，由平臺專用模型（PSM）、平臺獨立模型（PIM）和計算獨立模型（CIM）組成。最后，部署了在自由面上運行的微型魚雷形自主水下航行器的平面軌跡跟蹤控制器，并通過仿真實驗進行了評估。
本研究的三個主要貢獻如下：
(1)MBSE方法與MDA組件一起適用于AUV控制器生命周期開發的可用性。
(2)設計的控制器可定制并可重復使用在多種AUV上。
(3)研制了在自由面上運行的微型AUV平面軌跡跟蹤控制器，并通過仿真實驗進行了評估。
展開 
MBSE:基于模型的系統工程在航空發動機控制設計中的應用
從系統建模語言、建模工具和方法論 3個方面詳細介紹了基于模型的系統工程相關理論知識，并且通過不同角度對不同方法、工具進行了對比，為尋找適合航空發動機功能建模的解決方案進行了初步探索。在航空發動機控制設計起動場景功能建模實踐中，選用Rhapsody 建模工具，基于 Harmony-SE 方法論開展 SysML 建模，詳細描述了利用活動圖、時序圖描述復雜系統交互活動的過程，解決了自然語言無法描述復雜活動的問題；利用狀態機圖通過參數注入方式進行起動功能邏輯的仿真和驗證，為后續航空發動機全系統建模和功能邏輯仿真提供了解決思路。
在未來的研究中，將繼續在航空發動機控制設計或者其他子系統設計開發中探索和實踐 MBSE方法，制定統一的建模標準與模型管理規范，形成企業自主的MBSE流程和工程手冊。另外，嘗試將MBSE向航空發動機整機建模仿真推廣，從而實現系統級的仿真驗證和綜合優化，為早期的設計方案測試和驗證提供技術支持。
MBSE 通過構建以模型為中心的可追溯信息集成框架，利用模型的不斷迭代貫穿整個產品研發和后續生命周期全過程。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。
展開 [論文賞析]基于MBSE的衛星通信系統建模與仿真
為了加強MBSE在航天器研制生產中的推廣落地，這篇論文從基于 MBSE 的開發流程和方法入手，對火災衛星航天器的任務分析、任務上下文、需求、接口、行為等方面進行了詳細的建模分析。最后，通過對模型的集成仿真驗證，驗證了模型的邏輯合理。結果表明，相較傳統DBSE方法，MBSE可以更好地確保航天器設計過程中設計信息的一致性，提高工作效率，降低航天器研發成本，加速推廣應用。
01
補充介紹
NASA長期致力于提高小型航天器的能力和可靠性，特別是在深空環境下。小型航天器有助于NASA通過新型的和成本更低的任務架構實現科學和探索目標，包括基于小型航天器集成的架構，或用小型航天器增強大型常規航天器的架構。NASA期望通過MBSE方法和工具實現這一目標。具體包括以下方面：
定義、設計、開發、分析、執行和驗證未來的小型航天器任務。
通過開發先進的方法和工具，實現更快速、全面、深入和集成的航天器設計，貫穿整個項目生命周期，從概念到系統操作和任務結束處理。這些功能應該利用正在NASA中進行試驗的MBSE方法，并支持不同模型類型和各種規程工具的敏捷集成。
為未來任務的設計提供跨學科系統分析。
這包括對這些任務的決策建模和規劃支持。這種模型也可用于評估技術替代方案和影響、科學評估方法以及規劃和/或建筑貿易，包括由多艘航天器組成的潛在任務架構。
具體感興趣的領域列出如下。鼓勵強調或處理多個領域的方法。
展開 MBSE演變的五個階段
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。
展開 MBSE方法論專題 | OOSEM-Modelook綜合設計候選架構
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。本文為杉石團隊在INCOSE提出的方法論OOSEM的基礎上，結合多年來在國內MBSE領域實施經驗的基礎上，梳理總結出的由Modelook工具支撐的MBSE建模方法論。
NO.1
流程說明
1. 定義及流程
綜合設計候選架構的目的是在系統功能需求和邏輯架構的牽引下，非功能性需求約束下，明確定義物理架構方案。物理架構由為特定子系統設計選定的有形設備組成。物理架構設計還應考慮除功能性之外約束，例如由安全性牽引得到的冗余備份設計。
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