MBSE系統工程的案例
基于模型的系統工程（MBSE）的發展史以及典型應用分析
目前，MBSE方法已廣泛應用于國外航空、航天、航運等領域，也是中國研究和實踐的熱點課題。
MBSE發展史
20世紀中后期，許多學者對完美系統模型理論進行了深入研究，發展了各種系統建模思想和理論。代表性的系統模型理論有的建模理論、克里爾和林的一般系統方法論、的物理化學設計理論等。在過去的幾十年中，學者們在模型理論的研究方面取得了顯著的成就，形成了許多基于模型的方法來描述、分析和設計系統。在實踐中，一些基于數理邏輯的圖形化建模方法，更直觀、更容易理解、更容易溝通，已經逐漸應用到軟件工程和系統工程中。
1993年，美國,學者Wymore提出了通過嚴格的數學表達式抽象表達系統工程過程中各種狀態和元素的方法，并通過數學模型系統建立了系統工程中各種狀態元素之間的聯系。這是面向系統工程的建模描述方法的雛形。1997年，對象管理集團(OMG)發布了統一建模語言(UML)，用于對軟件工程過程進行建模，以提高軟件開發效率和降低開發成本。UML在軟件工程中的成功促進了系統工程界對建模方法的認識，即使用可視化的可執行標準建模語言來提高系統工程過程的效率。
2007年，國際系統工程學會(INCOSE)在《基于模型的系統工程》中提出了MBSE的定義:“將形式化和標準化應用于系統需求、設計、分析、驗證和驗證活動的建模行為，從系統的概念設計階段開始，貫穿系統開發和隨后的生命周期。”INCOSE強調，MBSE是未來系統工程方法和技術的發展趨勢，是系統工程領域的一場革命。會上，MBSE首次提出了長期計劃。計劃從2007年到2020年實現MBSE理論與實踐體系的逐步成熟，這標志著MBSE將成為未來系統工程的一個重要發展方向。顯示了INCOSE到MBSE的計劃路徑如圖1。
展開 系統工程和MBSE概念定義和內容明晰：MBSE產品的定義、特點和應用范圍
【關鍵詞：系統工程、MBSE、INCOSE】
近幾年，在國家產業創新升級的大背景下，和國內以航空航天先進軍工為主的科研型單位的引領下，系統工程和MBSE在國內得到了長足的發展。隨后，隨著華為、核工業、兵器等行業集團的加入，尤其是汽車行業正在開展“智能+網聯”汽車創新研制的剛性需求的增長，系統工程和MBSE大有爆發之勢。如今，小編經常聽到周圍探討各自的“系統工程”和“MBSE”，其中不乏概念的混淆甚至錯誤的論述。例如很多人誤認為：
系統工程=MBSE
MBSE=SysML建模
系統工程就是SysML建模
MBSE就是需求工程和功能建模與分析
……
本期小編就結合ISO15288、INCOSE SE HANDBOOK、INCOSE SystemsEngineering Vision 2020 (2007)、網絡搜集的相關資料，和10年有余的行業工作經驗，來簡單介紹和明晰系統工程與MBSE的概念定義和主要內容。也歡迎有不同見解或獨到見解的同仁在后臺留言與小編交流心得。
1 系統工程
INCOSE SEHANDBOOK V4版本基本與ISO 15288 2015版本保持了內容的同步，此外INCOSE SEHANDBOOK V4包含了更多內容。
根據INCOSE SEHANDBOOK V4中的內容介紹，系統工程因不同視角和領域，定義稍有不同，但本質內涵是一致的。其中主流的“系統工程”概念定義如下：
系統工程是一個視角、一個流程、一門專業。
系統工程是一種使系統能成功實現的跨學科的方法和手段。
展開 基于模型的系統工程MBSE探索和實踐
·子系統間不一致的信息和接口。
·工程師很難從自上而下的系統視角理解產品。
·文件準備對每個人來說都是耗時的任務。
2.基于模型的系統工程(MBSE)的價值與目標
國內公司面臨卡脖子問題,如何發揮MBSE的價值。基于模型的系統工程(MBSE)是模型的正式應用，以支持系統要求、設計、分析、核查和驗證活動，這些活動始于概念設計階段，并貫穿整個開發和生命周期的后期階段。
—INCOSE SE Vision 2020( INCOSE-TP-2004-004-02，2007年9月)
(1)基于模型的系統工程視野
通過提高和顯著降低可行性研究、權衡分析和影響分析的成本來避免災難性錯誤。模型所捕獲的關于系統的整個規范集是一個科學和工程信息的互聯網絡。而不是分散在一組不可搜索、不可導航的文檔中，需要專門的人員來管理。
(2)MBSE價值觀
·有助于理解問題。
·開發基于標準的系統架構來改進。
·交付一致和完整的系統規范。
·有助于權衡不同的配置變量。
·驗證系統需求。
(3)目標
·管理復雜性：理解可行性。
·工程工件的生成：文件生成；需求驗證；產品變型配置生成。
·持續集成：早期需求和接口驗證；可追溯性和影響分析。
·提高質量和生產率。
(4)互聯的信息網絡
(5)MBSE轉型的驅動因素
·打破隔絕結構。
·再利用和資本化。
·進行早期驗證。
·MBSE是系統工程。它形式化了系統工程的一部分；它不會取代它。
·MBSE有助于加強溝通、管理復雜性和提高產品質量。
·系統模型對于項目中的各種規程模型起著集成的作用。
·有效的模型組織豐富的技術信息，揭示不一致性，支持分析和驗證，支持所需文檔的自動生成，并保護技術投資。
展開 MBSE產品模型架構應用：基于模型的系統工程 (MBSE) 在汽車傳動系統子系統架構中的應用
Presented By: Robert Kraus, George Papaioannou and Arun Sivan
簡介與概要
當前狀態：當今的汽車傳動系統工程過程是“基于文檔的”
● 復雜的系統需求和規范通過大量電子數據進行溝通
● 經常導致要求不完整或相互沖突
● 低效、冗余、容易出錯
● 運行變更會引入潛在問題
摘要：
● 獲得并解構現有的傳動系統方法和選型工具
● 確定了在傳動系統工程中改進需求可追溯性的需求
● 使用SysML創建詳細的傳動系統模型來應用MBSE的概念
● 為選型計算添加了參數約束
● 交付功能MBSE模型作為概念證明
傳動系統定義和概念
架構：
● 傳動系統系統將動力系統輸出連接到驅動輪
● 主要功能是將驅動扭矩從動力系統傳遞到地面（車輪）
● 驅動系統子類型，例如 FWD、RWD、AWD 在 SysML 中被視為泛化
組件：
● 驅動軸/半軸 - 將扭矩傳遞到前/后或左/右
● 車軸 - 將驅動軸扭矩倍增并引導至車輪
● 附件 - 分動箱、PTU、斷開裝置、U 形接頭、CV 接頭、撓性耦合器
選型：
● 每個組件、系統和子系統的設計優化是主要目標
● 選型工具將輸入數據轉換為所有車輛變化的扭矩輸出，并使用行業標準方程和一些校正因子。
系統工程概念
V 模型：
○ 頂層需求被分解為子系統和組件級別，每個級別都有一個特定的驗證計劃，從 V 的左側向下流動并在右側返回。
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 淺談基于模型的系統工程（MBSE）技術
MBSE
概念?
國際系統工程學會（INCOSE）在《系統工程2020年愿景》中，給出MBSE技術的定義：基于模型的系統工程是對系統工程活動中建模方法應用的正式認同，以使建模方法支持系統要求、設計、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后來的所有的生命周期階段。
基本系統工程專注于功能邏輯模型，專業領域關注的是性能模型，設計和制造專注于幾何模型，MBSE的關鍵是把這幾個模型相互關聯，形成一套建模標準。
圖1 MBSE與各模型的關系
基于模型的系統工程MBSE（Model Based Systems Engineering）技術以其無歧義、便于進行設計綜合、便于進行數據更改和追溯等優勢，成為國內外復雜系統設計研究的熱點，也是解決系統綜合設計的有效手段。由于復雜系統更需要系統工程的應用，所以航空、航天及汽車領域是目前系統工程發展的主要戰場。
飛機機電系統包括燃油系統、液壓系統、環控系統、電氣系統、二動力系統等，是典型的復雜系統。隨著系統復雜度與綜合化程度的提高，飛機機電系統的設計過程呈現出需求多樣化、功能交互高度復雜、各領域物理系統交聯耦合強、系統綜合化程度高等特點，開展飛機機電系統綜合設計已成為飛機設計亟需解決的問題。美國空軍從20世紀80年代開始實施了一系列機電綜合研究計劃，這些研究計劃不僅在時間上具有連續性，在研究內容上也具備繼承性，如圖2所示。
展開 讀懂系統工程 MBSE
1、什么是MBSE
基于模型的系統工程（MBSE）是相對于傳統基于文檔的系統設計而言的，傳統設計方式中，系統方案設計階段多數通過撰寫方案設計文檔來對系統進行定義，如下圖所示：
MBSE（基于模型的系統工程）=用數字化建模代替寫文檔進行系統方案設計，把設計文檔中描述系統結構、功能、性能、規格需求的名詞、動詞、形容詞、參數全部轉化為數字化模型表達。
以下例子可幫助直觀理解如何從文檔轉換到數字化模型：
1）名詞（描述系統結構）
基于文本的設計：
“該系統由發動機、通信系統、控制系統、生命保障系統等子系統構成”
↓MBSE中的數字化模型表達：
2）動詞（描述系統行為）
基于文本的設計：
“系統的啟動過程為：首先啟動發動機，然后依次檢查控制系統、生命保障系統、通信系統狀態，如一切正常，則進入工作狀態；如發現異常，則由操作人員進行故障排查。”
↓MBSE中的數字化模型表達：
3）參數（對系統規格、系統性能等的定量描述）
基于文本的系統設計：
“需求A：系統總重量不能超過100Kg。”
↓MBSE中的數字化模型表達：
4）形容詞（需要被量化）
形容詞是文檔中的特殊產物，在模型中不存在對應內容。
原因在于形容詞是模糊描述，無法明確表達，也意味著無法準確驗證。因此，理論上，在系統設計和需求規格描述中，不應該使用形容詞。否則能導致下圖中的后果：
2、為什么要做MBSE
1）當前的挑戰
在當前航空、航天、汽車等行業，對工業產品易用性、舒適性、安全性等方面要求的提高，導致當前工業產品電氣化、智能化程度越來越高，產品復雜度的量級不斷躍升。
展開 MBSE--基于模型的系統工程
會議主題：
基于模型的系統工程
會議時間：
2022/03/31，14:00-15:00
關鍵詞：
MBSE，數字化企業
活動摘要：
深度分享DS系統在MBSE實踐中提煉的實踐和案例，詳細介紹和展示MBSE的內涵暨外延，為企業在數字化演進過程中提供牢靠和可被行業檢驗的洞見。
主講人簡介：
李衛鋒，達索CATIA系統工程高級經理。
更多詳情及服務咨詢，請掃碼聯系
什么是基于模型的系統工程（MBSE）？附資料
本電子書將重點闡述當前行業大趨勢以及如何利用基于模型的系統工程 (MBSE) 數字線程加快產品開發。
憑借基于模型的系統工程成為真正的數字化企業
基于模型的系統工程是打造數字化企業的核心所在，能夠將軟件設計、機械工程、電氣工程、多領域建模和仿真融合在一起。
借助基于模型的系統工程統籌技術項目規劃
通過從系統建模轉向綜合型 MBSE 數字線程，能夠實現擴大范圍的優勢，從而：
在從設計到驗證的整個過程中追蹤需求和架構實施
在產品不斷成熟的過程中捕獲設計決策
整合復雜產品和供應鏈接口
采用靈活而開放的多工具解決方案
《使用基于模型的系統工程 (MBSE) 駕馭航空航天復雜性和集成問題》
大多數航空航天和國防公司都有復雜性問題，但他們也有集成問題。
隨著公司數字足跡擴大，軟件系統將由為執行特定任務而購買的小眾軟件拼湊而成。這種方法切斷了工程部門與其他開發團隊的聯系，加劇了工作孤島。雖然各種軟件碎片可能在服務于其預期的統一目的時很有效率，但由于缺乏與其他系統的集成能力，它們可能會更多地引發下游問題，而不是解決問題。
本執行簡報分解了成功實施 MBSE 的要素，它使工程團隊能夠更加協同、敏捷、管理復雜性，并在預算內交付安全、可靠的產品。
運用基于模型的系統工程 (MBSE) 實現航空航天系統交互性的可視化
速度和敏捷性方面的要求使得傳統串行開發方法無法在如今這樣充滿競爭的環境中持續發展。相反，開發團隊必須并行開發不同項目，往往需要處理之前開發過程中很晚才發現的問題。
使用相互并不聯通的系統就需要猜測每個團隊與其他團隊的交互方式。這種策略為驗證和認證帶來災難性的后果。借助基于模型的系統工程輕松統籌技術項目，所有系統的交互性都能得以可視化和理解。
展開 MBSE | MathWorks 工具在基于模型系統工程中的應用
前文回顧：MBSE | 基于模型的系統工程系列之基礎篇
◆ ◆ ◆ ◆
從上一篇文章我們可以看到，系統工程的活動種類比較多，包括了技術過程的相關活動、技術管理過程相關的活動，以及項目使能過程相關的活動。
這些活動的概念和內容我們已經有了基本的了解，
接下來我們看一看，怎樣使用 MathWorks 提供的工具鏈執行這些活動。
大家知道，MathWorks 在 2019 年推出了一個面向系統工程應用的工具——System Composer，從 2019a 版本發展到今天的 2020b 版本，經過多個版本的迭代，功能更加完備，和 MATLAB/Simulink 的其他工具集成的越來越好，正在得到越來越多系統工程師的關注和使用。
但在這里有必要強調一下，正如前面所說，
系統工程涉及的工程活動非常多，這些工程活動的實施不僅需要 System Composer，還需要 MATLAB 和 Simulink 以及其他 Tooblox/Blockset 的支持。
總體來說，System Composer 在系統層面的描述能力、MATLAB 提供的分析能力以及 Simulink 提供的系統級建模仿真能力，讓使用 MathWorks 的工具鏈開展的系統工程活動，在
“定性”
和
“定量”
方面均有更好的工具基礎。
下面我們通過一個實例來看一看，采用 MathWorks 提供的工具鏈怎么開展系統工程的各項活動。
◆ ◆ ◆ ◆
假設我們接收到的任務是開發一個實時跟蹤綠色球的系統。
任務/目標定義 和 需求工程
首先，基于這個任務定義，我們需要細化這項任務需求，比如回答下列問題：
目標球的材質是什么？
目標球有多大？
目標球向幾方向運動？
展開 MBSE | 基于模型的系統工程系列之基礎篇
在全球產業界多年系統工程實踐的基礎上，在信息技術和企業信息化建設的賦能下
，基于模型的系統工程（MBSE）逐漸被公認為，在軍用及民用在內的所有產業領域內，進行復雜產品研制和生存周期保障的新型研發范式
。
在此背景下，我們希望通過一系列圍繞 MBSE 展開的文章，從 MBSE 的基礎知識開始、與讀者一起探討基于模型的系統工程過程的最佳實踐。同時，讀者也可以通過這些文章了解到怎樣使用 MathWorks 提供的工具開展
系統工程活動
。
本篇做為本系列文章的第一篇，主要和讀者一起回顧和梳理 MBSE 的基礎概念，為后續文章提供理論基礎。
◆ ◆ ◆◆
根據國際系統工程協會（INCOSE）在 2007 年發布的《SE 愿景 2020》中的定義，
MBSE 是建模方法在系統工程中的形式化應用，用以支持在系統全生命周期內開展需求、設計、分析、驗證和確認相關的活動
。從定義可以看到，MBSE 是基于文檔的傳統系統工程工作模式的演進，力求以多視角的系統模型做為橋梁，將跨學科/領域的模型關聯起來，實現跨學科/領域的模型追溯，從而驅動大型復雜系統生存周期內各階段的工程活動，最終實現以模型驅動的方法來采集、捕獲和提煉數據、信息和知識。
《INCOSE 系統工程手冊》、《NASA 系統工程手冊》、《FAA 系統工程手冊》以及《中國商用飛機有限責任公司系統工程手冊》中對系統工程實踐有完善的描述，如果需要深入了解系統工程相關概念和具體實踐，請參閱這些手冊。
MBSE 是采用模型驅動的方式對系統工程的實踐，本文就從系統工程要做的幾個典型任務入手，介紹 MBSE 都做什么，幫助大家理解MBSE的內涵，并進一步開展 MBSE 的實踐。
展開 
Model-Based Systems Engineering基于模型的系統工程 MBSE
基于模型的系統工程（MBSE）是一種對系統建模經濟高效的應用，它通過在系統開發早期進行測試和驗證，提升對系統屬性和行為的了解，并實現需求和設計決策的快速反饋，從而探索和記錄系統特性。模型提供了一種高效的，可以探索、更新和傳達系統各個方面信息的方式，還能減少對傳統文檔的依賴。
MBSE歷來注重表達和記錄需求、設計、分析和驗證信息[1]，隨著建模技術的成熟，它通過加速學習（例如仿真）和更好地了解物理世界（例如數字孿生）從而提供更多價值[2]，這兩者對于持續完善系統和實現企業解決方案都非常重要。
盡管模型并不能完美地展示系統，但它能比直接實施系統建設更早、更經濟地提供知識和反饋。模型還能基本準確地模擬出復雜系統和系統間的互動來加速學習。在實踐中，工程師使用模型獲取知識，并作為系統實施的指南。在某些情況下，他們會在實際執行過程中直接使用模型（例如電氣CAD、機械CAD）。
01
細節
精益實踐支持通過持續的開發工作流程快速學習，以獲得對決策的快速反饋。MBSE是一門學科同時也是精益工具，在使用過程中能夠讓工程師快速了解正在開發的系統而不會使成本變得過高。
模型用于探索系統元素的結構、行為和操作特性，評估備選設計方案，并在系統生命周期中更早、更快速地驗證假設。這對于大型、復雜的系統來說特別重要（如衛星、飛機、醫療系統等），在這些系統中，解決方案必須提前進行可行性驗證，如火箭發射升空或治療首個病人。模型還記錄和傳達對其他人有用的決策。這些信息可用作合規性文件、影響分析文件以及滿足其他需求的文檔。在SAFe（ScaledAgile Framework：大規模敏捷框架）中，模型信息被視為解決方案意圖的一部分，通常由Enablers創建。
下面的章節提供了MBSE的使用指導。
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
導讀：基于模型的系統工程（MBSE）采用模型的表達方法描述系統的整個生命周期過程中需求、設計等活動，以其無歧義、模塊化等優點迅速覆蓋了航空航天、船舶等相關工程領域。本文總結了 MBSE的方法論、建模語言和建模工具，通過不同角度對不同方法、工具進行對比，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。
作者：郭宇 臧睿 周璐莎 王佳川 葉祖趙 | 來源：科技導報
在系統工程初期階段，系統產生的信息均以文檔形式描述和記錄。但是隨著系統規模和復雜程度的不斷提高，基于文檔的系統工程面臨的困難越來越突出，如信息表示不準確造成歧義、難以從海量文檔中查找所需信息、無法與其他工程領域的設計相銜接（如軟件、機械、電子等）。于是基于模型的系統工程（MBSE）應運而生，這也是未來系統工程發展的必然趨勢。
基于模型的系統工程
MBSE基本概念
國際系統工程學會（International Council of Systems Engineering，INCOSE）在 2007 年提出了基于模型的系統工程，它是系統工程領域發展的一種基于模型表達的方法。一方面，MBSE 通過標準系統建模語言構建需求模型、功能模型、架構模型，實現需求、功能到物理架構的分解和分配；另一方面，MBSE通過模型執行實現系統需求和功能邏輯的確認和驗證，并驅動產品設計、實現、測試、綜合、驗證和確認環節。
展開 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
跨學科優化：水下航行器的設計需要涉及多個學科領域，如流體力學、材料科學、控制工程等。基于模型的系統工程可以促進不同學科之間的合作和交流，通過模型集成和多學科優化，實現水下航行器設計的綜合優化。
集成測試和驗證：系統模型可以用于水下航行器的集成測試和驗證。通過模型模擬航行器與其他設備、傳感器和通信系統的集成，評估整個系統的性能和兼容性。這有助于發現和解決潛在的集成問題，提高系統的可靠性和一體化程度。
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。
展開 基于模型的系統工程（MBSE）技術研討會在神軟創新驗證中心召開
近日，由神軟與達索系統聯合舉辦的面向航天行業數字化轉型技術系列研討會活動首次會議——基于模型的系統工程（MBSE）技術研討會在神軟創新驗證中心召開，為新理念、新動能，引領航天數字化轉型的行業前沿系列技術研討活動拉開帷幕。
本次研討會邀請到來自航天科技集團公司和各院所領導以及領域技術專家等150余人參加。會議在北京神軟創新體驗中心設立主會場，在上海、西安、成都設有視頻分會場。
為了使得我國航天等領域用戶更好地了解基于模型的系統工程解決方案，跟蹤技術最新發展,共同探討其在航天等領域的應用，會議邀請了達索系統航天行業技術總監李和良博士，分享了航天行業數字化轉型策略與方向，以及達索系統
3DEXPERIENCE平臺支持航天企業轉型，實現基于模型企業所需的關鍵技術要點。同時研討會上還基于MBSE解決方案和國內外企業推行MBSE的案例，介紹了企業部署落地基于模型的系統工程的經驗和教訓。
交流環節，與會專家就MBSE技術如何應用在國內航天建設、在推進MBSE的項目中軟件供應商和企業如何進行分工合作、如何與企業已有的管理系統之間集成等問題進行了熱烈的討論。
會后，各方來賓到神軟創新驗證中心進行了參觀體驗，基于模型的系統工程（MBSE）技術研討會圓滿結束。與會專家一致希望后續能夠有更多更為深入的交流活動，推動MBSE在航天等領域探索性驗證應用，為企業數字化轉型升級做出貢獻。
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