MBSE過程的案例
基于模型的系統工程（MBSE）在水下航行器設計及陸地試驗過程中的典型應用
綜上所述，MBSE在水下航行器設計過程中具有重要的作用。它可以提供全面的設計優化和評估手段，促進不同學科領域的合作，提高水下航行器的性能、可靠性和安全性。
為什么MBSE是系統復雜性應對之道
它以圖像化的方式定義了不同類型的視圖表達方式，例如需求視圖，結構視圖，流程視圖，狀態視圖等等，這些視圖相互補充，可以用于表達MBSE設計過程中關注對象的不同側面(View)，進而形成完整的系統架構模型。
但應該如何通過這些視圖將SE方法論中的工作內容盡可能有層次地，可追溯地，完整地統一在一個系統化模型中，實現一體化的模型設計呢？
答案就是RFLP方法。
所謂的RFLP 方法就是：
R: 需求(Requirement)
F: 功能(Function)
L: 邏輯(Logical)
P: 物理(Physical)
RFLP認為我們應該從以上四個角度(Viewpoint)去對待系統，通過建立相應的架構模型，將復雜技術產品的實現過程進行完整映射。關于RFLP進一步內容我會在架構專題中進一步探討。
工具是指在實施MBSE過程中建立，建立及管理模型所使用的軟件工具，它們可能是多個工具，包括了需求定義及管理工具，架構建模工具，測試驗證管理工具等，它們之間通過接口可以進行交互，建立可追溯性，也可以是自主開發的綜合性設計工具，將MBSE過程建模統一在一起。
個人認為，MBSE方法論大家都比較熟悉，MBSE落地實施的關鍵除了思維轉換，擯棄原有基于零部件的開發，以及開發流程匹配外，模型的建立是關鍵，而有效的工具支持是建立及管理模型的必要條件，它能幫助將工程師從繁雜的文檔工作中解放出來，專注于可視化模型的建立，整個產品研發以模型作為驅動，提高產品開發效率。
聊了這么多關于SE或MBSE基本內容，我們現在回過頭來再看下標題中的問題:
為什么MBSE是系統復雜性的應對之道？
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
2月28日安世亞太系統工程大講堂將邀請No Magic公司專家來華介紹MBSE方法學、產品工具、解決方案和案例。相關消息發布后，引起業內很大關注[1]。大家共同關心的問題包括：No Magic公司的MBSE解決方案與業界其他公司的產品和方案孰優孰劣？在國外的應用情況如何？面對各個供應商的產品和方案，用戶該如何選擇？本文力圖站在盡量客觀的立場上，盡量采用具有公信力的材料，嘗試對上述問題進行簡要回答。敬請各位專家同仁拍磚指正。
1
從系統工程的視角看待MBSE的實施過程
系統工程從傳統的以文檔為中心的模式向現代的基于模型的范式的演變[2]，在國外正方興未艾、日趨成熟，在航空航天國防軍工等傳統系統工程行業開始步入取得巨大收益的階段，并開始進入能源、交通、醫療、建筑、乃至公共安全等幾乎所有人類生產生活相關領域；在國內則剛剛起步，目前還只是復雜裝備研制相關行業有所關注。在這種受客觀規律支配、沒多大中國特色的復雜工業品（既包括硬件、也包括軟件）研發和應用領域，學習國外的最佳實踐是實現望其項背到并駕齊驅的后發超越之路的最有效途徑。
圖1 能力成熟度提升過程
一切能力成熟度提升的過程都是系統工程過程，需要系統工程的方法和過程指導，MBSE的實施過程也是如此。
圖2 MBSE實施四要素[3]
圖3 建模工具三要素[4]
我們選取MBSE實施過程中的一項重要工作（圖2）——建模工具的選擇（圖3），來闡述如何將系統工程的方法和過程應用進來。
展開 對系統建模（MBSE）語言的理解
當然，如果業務人員去擴展其他領域（例如建模語言）的知識，對業務人員也是有幫助作用的，但是一味地去強調語言，而忽視業務方面知識的了解和提升是我們進行MBSE過程的一個誤區。
當然我們如果了解一下這些語言的發展和演變，對我們了解MBSE的發展過程還是有一定的好處的，那么我們首先需要了解的就是，目前所有主流的系統建模工具都支持系統建模語言，或者可以理解成這些主流工具都是用SysML語言寫出來的。因此，我們在選擇系統建模（MBSE）工具的時候，就無需糾結哪些工具是否支持SysML語言了，我們要做的只是應該基于本企業的歷史和現狀，來選擇適合本企業的工具就足夠了。
對于語言來說，最早的系統建模語言是UML語言。UML為“軟件”系統建立可視化模型，為“軟件”系統建立構件，為“軟件”系統建立文檔。國際系統工程學會（INCOSE）和對象管理組織（OMG）在對UML2.0的子集進行重用和擴展的基礎上，提出一種新的SysML系統建模語言（Systems Modeling Language），SysML語言2006年被采納，2012年發布規范。
SysML 1.0以UML建模語言為基礎，但是SysML 1.0也有一些局限，尤其是在UML語言以“軟件”為主的應用范圍和架構方面。即使更新的SysML 1.6也有同樣類似的問題。因此，SysML 2.0版本于2019年11月結束了征求建議階段，開發工作已經正式提上日程，根據OMG的計劃，大約在2022年正式發布。
SysML 2.0對UML語言有了顛覆性的提升，比較全面地解決了系統工程的軟、硬兩個方面的問題，最重要的是有效利用企業原有知識和經驗，新的語言與歷史語言會實現并存。
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
行業應用
國外在MBSE的方法及應用方面開展了廣泛研究與實踐：空客公司在A350系列飛機的開發中全面采用MBSE，在飛機研制中逐層細化需求并進行功能分析和設計綜合；洛克希德·馬丁公司采用MBSE統一進行需求管理和系統架構模型，并向后延伸到機械、電子設備以及軟件等的設計與分析之中；羅·羅公司依據 INCOSE系統工程手冊制定了其自身的系統工程能力框架，實現了從航空動力系統到子系統到部件的系統工程迭代；波音公司構建了以任務和需求定義、邏輯和功能集成、功能和邏輯架構設計為核心的、覆蓋產品全生命周期的MBSE過程，從運行概念到需求到設計到生產。
近年來，中國航空航天領域也開展了MBSE的應用研究，中航工業西安航空計算研究所利用基于模型的系統工程需求分析、功能分析、架構設計方法在某型動力電子控制系統設計中得到了初步應用；中國空間技術研究院載人航天總體部將 MBSE方法應用于載人飛船交會對接任務中，提高了設計效率、改善了人員溝通、進一步降低了設計風險；中航工業飛行自動控制研究所對MBSE流程進行了結構化定義，明確了系統工程活動、輸入輸出及相應的崗位角色，并在飛控、慣導等復雜系統開發過程中進行了 MBSE方法論與工具的實踐；中航工業第一飛機設計研究院采用 Rational DOORS進行需求管理，并按照 Harmony-SE 流程，采用Rhapsody工具完成空中交通防撞系統以及航電系統的系統分析、設計與建模。
展開 淺談基于模型的系統工程（MBSE）技術
右側描述了自底向上的測試、集成和驗證過程：首先進行各設計單元獨立的測試，然后逐級向上集成為分系統、系統，進行各級需求的驗證，不滿足系統功能、性能、外形、重量等設計要求的，追蹤到相應的設計層，進行相應的設計更改，并重新進行測試、集成和驗證過程。最終，確認系統的整個設計是否滿足客戶的需求，是否達到客戶的期望。中間的豎條是各層的模型知識庫，用于組織管理、存儲各個過程所形成的結構化模型，實現不同型號、項目基于模型的設計經驗的積累和知識的傳承。
縱觀整個系統設計過程，對于系統綜合級、系統級、分系統級、子系統級，每一級都是一個基于V模型的研制過程，只是模型的細化；對于機電系統綜合、電氣系統、環控系統、液壓系統，每一個系統又是一個層級嵌套的基于V模型的研制過程。整個MBSE過程既是需求的實現過程，也是對需求的分析和驗證過程，同時，驅動上層的需求逐步細化并向下層進行分解與分配。
MBSE
常用工具?
MBSE技術涉及到大量不同層級的建模仿真工具，本文介紹目前飛機設計中常用的軟件工具如圖4所示。
圖4 MBSE飛機設計工具鏈框架
No.1需求管理工具
需求是飛機設計中最先需要分析和定義的。需求相關的工作主要有：識別利益相關方、捕獲利益相關方需求和需求管理。目前常用的需求管理軟件是IBM公司的DOORS軟件。
DOORS軟件是全球領先的需求管理工具，是為捕捉、鏈接、追蹤、分析并管理信息的變更以確保項目順從特定需求和標準而設計的多平臺系統。
展開 MBSE是什么？有什么用？怎么學習？
設計過程就是一個不斷填補空白需求的實現過程。當需求變動時，利用建立的需求實現關系，追蹤和評估需求變更對系統設計、分析和驗證元素的影響，并及時更改系統方案，使其和需求保持一致。
（7） 確認和驗證系統。該活動驗證系統設計滿足其需求，并確認哪些需求滿足利益相關者的需求。開發驗證計劃、程序和方法。
OOSEM的活動過程，用SysML的活動圖，可以表示如下：
3.2 Harmony-SE
Harmony-SE本來是開發嵌入式軟件的系統工程方法，逐漸成為通用的MBSE方法。這個方法的詳細說明，可以參考《基于模型的系統工程最佳實踐》這本書，是經典的Harmony-SE方法論說明。這里簡單給出這種方法的流程圖如下：
Harmony SE的V型開發流程：
Harmony SE方法過程：
3.3 MagicGrid方法
MagicGid方法將MBSE過程各階段工作流程放在一個表格中，這個表格典型內容如下圖所示：
在這個表格中，采取從左到右、從上到下的順序逐步開展MBSE的工作。通過建立各階段的模型之間的關系，可以統計需求覆蓋情況，以及追蹤模型變動的影響。
4.MBSE怎么學習？
MBSE技術已經成為系統工程師必須掌握的基本知識。有些單位甚至要求設計師持證上崗。至于怎么學習MBSE技術，最簡單的方法，那就是找一個軟件來直接上手使用。結合自己的產品，一邊用、一邊學。
如果您想系統了解一些MBSE、SysML建模的相關知識，下面列舉了國內可以買得到或可以獲取的書籍和技術資料。
（1）《SysML精粹》，（美）Lenny Delligatti著，侯伯薇、朱艷蘭譯，機械工業出版社。
這本書是講述MBSE入門技術的一本經典好書。內容淺顯易懂，結合案例，對建模技術說明的很透徹。
展開 MBSE演變的五個階段
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。
展開 人工智能如何改變工業設計？
▲算法實現復雜幾何自動建模
動圖來源：安世亞太
l 仿真驅動的智能快速動態設計
智能算法驅動的設計完全是動態的，無論是滿足幾何關系約束的運動，還是像真實物理世界的物體在力的作用下產生的運動或變形，都可以在設計過程中實現，過程中任意狀態的幾何模型都可以輸出。在這種動態的智能設計過程中，仿真已經成為真正的驅動設計的工具，力可以直接用來塑造形狀，就像大自然一樣。
▲ 快速動態設計和模擬實例
上動圖來源：KilianMonszpartMitra，下動圖來源：安世亞太
l 突破思維禁錮讓設計超越想象
傳統設計建模方式是工程師邊想邊畫，耗費大量時間，如果想象不出來也不可能畫出來。工程師做設計通常做出3個方案備選，如果能出到10個設計方案那就是非常牛的頂級設計師了。但面向應用問題的設計智能算法自動設計出的結果數量卻遠超人類最牛的設計師。如下圖所示的自動輪輻設計算法，通過5個參數，可以生成40萬種設計方案，其中會有很多讓人眼前一亮的設計呈現。
▲一個應用算法可生成很多很多備選方案
l 算法無限次重用的設計自動化
如前文所示的隨形水路設計智能算法可以無限次重復使用，智能算法會對不同的模具自動計算生成合適的隨形水路，算法生成的時間僅為幾分鐘。對比原來手工建模需要花費的2小時至一天的時間，自動設計效率提升可達10~100倍。
▲重復使用智能算法實現自動設計
動圖來源：安世亞太
l 引導并實現系統級正向設計
前面提到，自動化設計算法有較強的任務針對性，每一個智能設計算法中都包含了任務相關的設計規則，這些規則需要從設計需求和設計的想法中提煉。這個抽取提煉規則的過程就是MBSE的過程。
展開 MBSE建模學習之十：包圖及模型擴展
下面是解決方案系統架構圖中顯示邏輯架構中模塊的例子，為了建立和顯示兩個架構之間的抽象映射關系（解決方案架構中模塊應該都有邏輯架構的模塊對應），上圖是沒有導入關系的視圖，下圖是建立了導入關系后的視圖（在MBSES軟件中，模型瀏覽器上包節點可以通過右鍵菜單直接建立包導入關系，也不一定要顯示到圖中）。
模型庫（ModelLibrary）
模型庫是指一套通用的、可以重復使用的元素。這些元素通常用“模型庫”元素作為它們的命名空間。“模型庫”就是這樣一種專門存放模型庫元素的“包”。
在實施MBSE的過程中，需要將那些通用的、或者以后會重復使用的模型作為模型庫管理起來。在新產品研制、建模的時候，引用這些通用的或已有的模型，會使建模工作起到事半功倍的效果。當然，萬事開頭難，剛開始應用MBSE技術需要打基礎的過程。打好基礎了才能見到成效。
一般企業實施MBSE，需要建立這些模型庫：
（1）企業通用的值類型、單位模型庫。產品的性能參數屬性一般建為模塊的值屬性。如果這個性能參數具有專業的工程意義，需要建立對應的值類型及單位。企業建立統一的庫，可以在每個項目中使用，避免重復。
建模軟件中一般也有通用的庫。最基礎的值類型庫就是SysML標準中的“基本數值類型”（PrimitiveValueTypes）庫，這個庫中包含最原始的數據類型，有“Real”（實數）、“Integer”(整數)、“Boolean”(布爾，值只能是True、False這樣數據)、“Complex”（復數，有實部、虛部）、“String”（字符串）。更復雜的值類型，需要從這些基本數據類型繼承、再定義。
在SysML標準的附錄中有“ISO 80000”國際標準計量單位庫，包含各專業常用的值類型和單位。（有需要這個庫的用戶請微信聯系“智睿思維MBSE”18022886980獲取）。
展開 行業案例 | MBSE解決方案（五）：基于SysML的設備級建模與多學科聯合仿真
國際系統工程學會（INCOSE）提出“基于模型的系統工程”（MBSE）概念。定義MBSE為：“使用建模方法支持系統的需求定義、設計、分析、驗證和確認等活動，這些活動從系統概念設計階段開始，持續貫穿到系統開發以及整個產品生命周期階段。”
在進行MBSE實踐過程中，雖然在系統設計時引入了基于SysML的系統模型，解決了系統設計表達和邏輯驗證問題，然而針對復雜工程系統的研發，會涉及到多專業學科，在機械、結構、電氣、電子、液壓、控制、軟件等專業設計階段已經積累的比較成熟的模型，面臨如何在MBSE中應用的困擾。
在下文的案例中，重點展示如何實現以系統模型為核心，對不同專業學科模型的調度和聯合仿真，解決跨工具、跨領域、跨尺度的集成仿真問題，推動MBSE的進一步落地應用。
MBSE應用案例
下文以“伺服液壓系統”為例，展示MBSE在系統設計中的應用。該系統用于接收遠程電子單元的控制指令，控制飛機方向舵的舵面偏轉，由傳感器、傳動機構及一系列閥組成。在該案例中，針對伺服液壓系統從問題域、方案域和實現域三個角度進行分析，實現了系統的需求分析、架構設計和仿真驗證過程。
1）問題域
問題域定義的目的是用來分析和細化利益攸關者需要，通過SysML模型元素進行系統表達，針對系統要解決的問題得到一個清晰且一致的描述。
用例可以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，伺服液壓系統的主要應用場景為：在通電通壓的情況下，接收REU的控制指令，實現對方向舵的控制，同時將系統運行狀態實時反饋到飛控系統。因此，用例可劃分為1個主用例（控制舵面）和2個子用例（控制偏轉、檢測狀態）。
展開 
11月18-19日云端見 | 合作 · 高效—下一代汽車電子軟件開發與測試論壇
ASPICE Provisional Assessor，INCOSE ASEP，主要從事需求工程、MBSE、ASPICE過程改進相關研究和項目實施工作。負責系統工程相關過程、方法、工具在國內的推廣工作。
李琪
經緯恒潤軟件開發部經理助理。電子科技大學控制工程碩士，具有豐富的持續集成平臺開發以及搭建經驗。熟悉Jenkins等多款持續集成工具，掌握多種汽車行業相關工具的集成方法，承擔過國內多家知名汽車企業的持續集成&持續交付平臺的開發和搭建。
呂美
經緯恒潤電子系統部經理。浙江大學&伯明翰大學雙碩士，ASPICE Provisional Assessor，功能安全認證工程師，具備內外部功能安全項目經驗，有豐富的整車網絡時間性能分析及優化項目經驗、控制器資源/性能分析項目經驗。
王淼
經緯恒潤測試工具部經理。10年車載軟件測試經驗，負責各整車廠及其各級供應商的代碼級自動化測試工具的推廣和實施。擅長軟件靜態分析和軟件動態測試，對MISRA編碼規范、代碼級信息安全要求等有著深入的見解。
展開 [論文賞析]基于MBSE的衛星通信系統建模與仿真
知識類型
02
火災衛星的SysML模型圖
本文針對火災衛星的案例，以MBSE方法為指導，使用MagicDraw19.0 工具，利用 SysML的需求圖、活動圖、時序圖、狀態機圖等，對航天器任務的任務分析、任務上下文、需求、接口、行為等方面分別進行捕獲建模，最后通過建立一個相機開機對地拍攝的大場景仿真，對模型進行了集成仿真，驗證建模邏輯過程是否合理。
利用 SysML 的 stakeholer、viewpoint、view 元素依次創建上表中的利益相關者，如圖1所示。
利益相關者建模圖
進一步以用例圖從另一個角度對利益相關者的關注問題進行建模，如林業局以最小財政支出探測和監控森林火災，運營商實時提供森林火災數據、保存數據、維持衛星正常運行等，如圖 2 所示。
圖 相關利益者的用例圖建模
作者通過17張SysML模型圖解釋了火災衛星的MBSE工程全過程，感興趣的讀者可以下載文末的原文深入解讀。
展開 基于模型的系統工程（MBSE）的發展史以及典型應用分析
（圖 1 INCOSE規劃 MBSE的發展愿景與路徑）
與基于模型的設計和計算機輔助設計的概念不同，MBSE并不專注于解決特定學科的設計問題。MBSE強調面向系統工程過程的建模，建模并形成系統需求、系統分析、系統設計、系統驗證和其他過程中所涉及的分析元素的有機聯系，以再現系統演示和設計思想，并在整個生命周期中保持系統信息的一致性和可追溯性。總之，多媒體設計和計算機輔助設計是面向設計的，而MBSE是面向系統工程的。就MBSE概念的內涵而言，“基于模型”是一種手段，屬于媒體的范疇，“系統工程”是商業的范疇。因此，MBSE不是一個可以立即使用的通用方法。在MBSE的具體應用過程中，建模理念應結合實際業務進行深入的定制設計。通過清晰的系統工程業務流程的指導，以模型為工作介質，合理組織系統工程工作流，并通過模型輸出表達系統工程各工作節點的結果和結論，最終實現建模方法的實施。
MBSE典型應用分析
2010年，OMG對美國各軍工企業的MBSE應用進行了調查，結果顯示，47.2%的企業將系統建模集成到業務流程中，24.1%的企業正在制定系統建模應用計劃，19.4%的企業正在考慮制定計劃，只有9.3%的企業根本沒有計劃。此外，66.3%的企業愿意參與系統建模語言的開發。德國's“工業4.0實施計劃”將“通過使用模型來控制系統復雜性”列為未來活動的八個重要領域之一。這些數據和信息表明，以美國和德國,為代表的工業強國充分重視MBSE，并在MBSE進行了廣泛的實際應用和不斷創新。一些外國案例已經在中國得到解釋和介紹論文。本文強調了典型MBSE應用的目的，并對國內外一些典型應用案例進行了分類和分析。
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。
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