ARCADIA的案例
MBSE架構設計分析方法和工具：使用ARCADIA方法和Capella工具的MBSE
圖19 Capella“大圖像”
SysML與ARCADIA/Capella的比較
如前所述，ARCADIA DSML受到UML/SysML和NAF標準的啟發，并與這些語言共享許多概念。但是，為了方便所有利益攸關者的使用，特別是通常不熟悉通用語言（UML或SysML）的利益攸關者，最好使用特定領域的建模語言。之前在Thales內部的實驗證明，不是來自軟件的系統工程師對UML（以及之后的SysML）提出的面向對象概念不放心。因此，ARCADIA主要基于功能分析，然后將功能分配給組件。事實證明，DSML的詞匯表很容易被系統工程師理解。
所以，基本上，ARCADIA是首先從Thales實際工程中遇到的工程問題所定義。然后，需要一個軟件工具來創建和管理ARCADIA模型。第一個實驗是使用現有的UML工具完成的，比如Rational Software Modeler、Objecteering和Rhapsody，并在它們上面定義UML文件。在這些第一次嘗試時，商業工具根本不容易定制，特別是很難刪除未使用的命令或菜單。因此，Thales決定創建自己的工具，專門用于ARCADIA。ARCADIA定義實際上可以看作是Capella建模工具的規范。
展開 解讀ARCADIA：MBSE方法論的卓越實踐
03
ARCADIA的誕生歷史
為了應對上述痛點，法國Thales集團從2001年開始進行基于模型的嘗試，經過近10年的探索，期間嘗試了UML/SysML等語言和NAF，UAF框架，以及一些商業建模工具，最后他們認為：沒有一種建模語言可達到預期效果，配套工具過于通用且缺乏方法論指導進而導致應用困難。所以經過一段時間決策，Thales決定完全自己構建一套方法論，就是ARCADIA的前身，經過數年的應用迭代，到2008年，Thales又決定定義支持ARCADIA方法論的專用語言 (Domain Specific Language (DSL))，同時啟動了建模工具Capella的開發。又經過2年，ARCADIA方法論逐步成型，Thales開始在內部推廣使用，直到2015年，Thales向全社會公開了ARCADIA方法論，并開源了Capella工具。之后以其開放、開源、完整的特點，迅速得到了歐洲多個行業應用，不久也得到國內一些科研機構的關注和試點應用。2018 年ARCADIA被法國國家標準化組織 AFNOR 注冊為Z67-140 標準。
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。
閱讀之前強烈建議參考之前系列文章:
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建模語言學習：ARCADIA和SysML方法在自適應巡航控制系統架構建模中的對比
針對上述問題，架構分析和設計集成方法（Architecture Analysis and Design Integrated Approach, ARCADIA）方法應運而生。它是一種以系統架構為中心、以基于模型的工程活動為基礎的系統和軟件架構工程方法。而Capella/系統建模工作臺（System Modeling Workbench, SMW）是基于ARCADIA方法的系統架構建模工具。ARCADIA方法深受SysML的啟發，旨在簡化和豐富SysML。如果應用得當，ARCADIA方法可以有效地開發系統架構模型，解決傳統SysML應用所面臨的挑戰。
一、架構定義: ARCADIA/Capella vs.SysML
1. 利益攸關者（Stakeholders）需求分析
從利益攸關者需要轉換來的需求，通常在需求庫中管理。ARCADIA和SysML方法之間的主要區別之一是，ARCADIA側重于功能驅動的建模，而SysML通常使用需求驅動的建模。
ARCADIA方法
由于采用功能驅動的建模方法，ARCADIA側重對功能及其接口建模，并將需求與功能聯系起來。當使用系統建模工作臺（system modeling workbench, SMW），即將Capella工具集成到Teamcenter這樣的集成PLM環境中時，創建的需求規范可以從同一用戶界面中直接鏈接到Capella的建模工件。或者，可以在SMW中創建新的需求，也可以從ReqIF（需求交換格式）標準的外部需求管理庫中導入。導入方法靈活、易操作。
圖1. 系統建模工作臺（SMW）中的需求管理
運行分析（Operational Analysis, OA）
在ARCADIA方法的四個層級中，第一層級是運行分析（OA）。
展開 
MBSE開源軟件Capella 到 SysML 橋梁：一種用于 MBSE 互操作性的工具化方法
如果一個項目想要主要使用 SysML 也提供的工件（例如序列或狀態圖），Arcadia 可以通過方法指南進行定制。
圖 1 - ARCADIA 等級總結
Capella 工作臺是一個 Eclipse 應用程序，它實現了 Arcadia 方法，提供了領域特定建模語言 (DSML) 和相關的工具集。
SysML（系統建模語言）
SysML? 是一種通用圖形建模語言，用于指定、分析、設計和驗證可能包括硬件、軟件、信息、人員、程序和設施的復雜系統。它是一個專門針對系統工程的 UML 配置文件。它在四個不同的支柱中定義了九種不同類型的圖表：行為、結構、需求和參數（參見 圖 2）。我們在下文中關注三種重要類型的圖：塊定義圖（bdd）、內部塊圖（ibd）和活動圖（act）。
圖 2 - SysML 的“四支柱”（OMG 網站）
比較要素
正如我們之前所解釋的，Arcadia DSML 的靈感來自 UML/SysML 和 NAF 標準，并且與這些語言共享許多概念。但是為了便于所有利益相關者（通常不熟悉通用通用語言（如 UML 或 SysML））的使用，首選領域特定建模語言。 Thales 之前的實驗證明，并非來自軟件的系統工程師對 UML（以及隨后的 SysML）提出的面向對象概念并不滿意。因此，Arcadia 主要是基于功能分析，然后將功能分配給組件。系統工程師已證明 DSML 的詞匯很容易理解。
Arcadia 最早是在 Thales 中定義的，源于實際項目中遇到的工程問題。然后需要一種能夠創建和管理 Arcadia 模型的軟件工具。第一個實驗是使用現有的 UML 工具（如 Rational Software Modeler、Objecteering 和 Rhapsody）完成的，并在它們之上定義 UML 概要文件。
展開 MBSE建模案例：法馬通集團復雜核電設備MBSE應用案例
2 MBSE方法：Arcadia的應用和裁剪
法馬通集團實施MBSE選擇的是Arcadia方法論，它是一種由泰雷茲集團多年系統工程實踐經驗總結出來的、貼合工程實際情況，符合系統工程師思維的MBSE方法。它描述了整個系統設計中的詳細邏輯推理過程，從理解真正的客戶需求開始，定義系統架構以滿足需求，并在所有的工程相關方之間共享該架構。對系統架構進行早期的驗證，并制定后期的集成、驗證與確認的策略。
Arcadia方法是一種視點驅動的方法（如ISO/IEC 42010所描述），并區分問題域和解決方案域：問題域是理解需要和需求，包括運行分析和系統功能和非功能的需求分析兩個工程層級；解決方案域是系統架構設計，包括邏輯架構定義、物理架構定義。Arcadia方法特別適用于復雜的工程系統或包括多種軟硬件的裝備產品，特別擅長于協調多種強約束（成本、性能、安全性、復用性、重量等）下的架構設計。
▲圖-2 Arcadia工程層級
本文的研究對象是核島系統，是核電站的一種重要子系統。針對核島系統的需求建模和架構設計的需要，對Arcadia方法進行了裁剪。有效的剪裁Arcadia方法的關鍵因素是減輕工程團隊的主要任務量，在不影響項目進度的情況下開展更好、更快的架構設計，而且我們所建的模型能為未來的新型號設計帶來價值。
由于核島系統是個子系統，它的頂層需求一般是由總體分配下來的，需求比較明確，所以一般情況下可以剪裁掉Arcadia方法中的運行分析工程層級。本文主要關注系統分析和邏輯架構層級，最終根據核島系統的實際情況，確定出6個主要的工程任務：1. 識別狀態與轉移；2.
展開 對系統建模（MBSE）語言的理解
Arcadia方法論是法國泰雷斯（Thales）公司提出的，并因此形成了基于DSML（Domain Specific ModelingLanguage）語言、Arcadia方法論、Capella建模工具的目前世界上為數不多的全系統MBSE平臺解決方案之一。
對于工具來說，Capella 提供了一整套建模環境使用戶可以完全按照 Arcadia 方法進行復雜系統設計。該工具自 2005 年開始被廣泛應用于 Thales 公司所設計的航電、軌交、航天以及雷達系統等。Capella工具的主要特點是基于圖形化建模，為工程師開發系統、軟件和硬件體系結構提供了豐富的方法指導和更高的效率。Capella 支持大約十多種不同類型的圖表類型，包括數據流圖、場景圖、狀態和模式圖、組件分解圖、功能分解圖等。例如，Thales 公司為波音、空客等公司研制的機載娛樂系統就是基于Arcadia方法和Capella工具的具體實踐。
圖3 基于Arcadia方法的四層架構定義
西門子的SMW系統建模工作臺（System Modeling Workbench），是復雜系統建模（功能模型、架構模型）解決方案，這個解決方案將Teamcenter產品組合與用于工程的SysML通用建模語言和Capella集成在一起，尤其是Capella 工具提供了一整套建模環境，使用戶可以完全按照 Arcadia 方法進行復雜系統功能架構設計。也就是說，使用這個工具無需學會SysML語言，只需要熟悉系統建模業務方法，和這個工具的簡單操作。
文章來源：imbse online
展開 MBSE實踐之基于SMW的多領域系統建模和應用
用戶可以在SMW中基于Arcadia（Architecture Analysis and Design Integrated Approach）建模方法完成多領域模型的創建并確認模型對需求的滿足情況，同時SMW提供了多視角分析對系統模型進行優化分析。下圖是SMW的Arcadia建模方法的具體流程。
圖 1 SMW基于Arcadia的建模方法
在產品概念設計的多領域建模階段，通過將需求模型與運行分析模型，功能模型，邏輯模型以及物理模型關聯起來，不僅確認了多領域模型對需求的滿足情況，還能通過模型去檢驗需求的完整度及合理度，并針對實現這些需求的各種成本進行前期計算和評估。
圖 2需求與多領域模型的關聯和查看
圖 3 需求通過模型確認，仿真 和驗證的閉環
SMW率先開創了將模型與圖形分離，內容與格式分離的建模思想，而這些建模思想SysML語言將會在 V2.0標準中體現出來。
圖 4 SMW中模型在不同圖紙中的表現形式和關聯關系
除支持UML/SysML語言外，SMW具有以下關鍵能力和特點：
1.
展開 MBSE系列: 方法論之RFLP
閱讀之前強烈建議參考之前系列文章:
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。所謂的模型是指一切可以描述對象的載體，這個載體可以是文本，圖形，偽代碼等。
展開 自主可控的MBSE建模與仿真平臺（S-MASP）
圖6 OOSEM方法論
圖7 MagicGrid方法論
除了常見的以SysML為基礎模型的方法論外，還有其他以自定義模型為基礎的方法論，典型如Thales提出的Arcadia方法論[7]（圖8），相比之下，其更適用于復雜電子系統，更利于工程實踐。
圖8 Arcadia方法論
除了上述列舉的方法論外，國外還有大量的其他維度的方法論，如Vitech的STRATA，Dori的OPM，NASA.JPL的SA（State Analysis），PTC的ASAP，Weilkiens的SYSMOD等等。
2.2 IntE-se方法論
S-MASP平臺中的系統建模軟件（Modelook）在前期推廣應用過程中也形成了一套面向綜合綜合電子領域的方法論IntE-se（integrated electronic-SE），主要適用于例如綜合航電系統、控制系統、信息系統等。
IntE-se方法論的建模方法大體分為三個階段，用戶需求分析，系統功能分析及系統綜合設計（圖9）。三個階段中通常上個階段的輸出是下個階段的輸入，分別為用戶需要、用戶需求、系統需求和系統初步方案。
用戶需求分析階段主要解決用戶需要系統完成什么及系統需要具備哪些功能才能完成用戶需求兩大問題。通過參與者識別，基于用例的黑盒功能分析，用例完備性分析等方法解決。在此階段會把用戶需要（needs）轉換為結構化的用戶需求（requirements），便于后續持續分析和管理。
系統功能分析階段主要解決系統需要如何構建和工作才能完成上階段的系統黑盒功能。簡單說在此階段需要把系統從功能的維度分解開，說清楚此目標系統是由什么樣的邏輯模塊和功能構成，以及邏輯塊和邏輯塊，功能和功能之間的數據關系，具體分解顆粒度可視系統復雜程度和系統工程師關心角度而定。
展開 MBSE開源軟件推薦 | 淺談Capella的11個特點
方法論導向
Capella使用的是Arcadia的方法論，因此在Capella工具中，用戶可以通過活動瀏覽器進入清晰的項目向導界面，快速進入運行分析、系統分析、邏輯架構、物理架構設計階段。
每個設計階段又包含了各式各樣的建模視圖，按照建模目的和過程進行羅列，實現各種不同功能，如功能分解圖、功能鏈路圖、功能數據流圖、場景圖、架構圖等。
圖2. 方法論導向介紹
在系統分析階段及后續階段，使用繼承功能可選擇性地繼承前一階段的模型元素（能力、功能、組件等），所繼承的元素作為下一階段的輸入可獨立修改，不影響原先的模型元素。
模型檢查
模型檢查功能提供用戶對已經創建的模型進行合規性檢驗，檢驗的內容包含了模型的集成性、設計性、完整性、可追溯性等。
圖3. 模型檢查選項表
檢查結果可在信息瀏覽器中查閱，這些信息輔助建模師對模型及其連接關系修改。工具自帶的修復工具也可對簡單的錯誤自動修復。
圖4. 模型檢查結果樣例
刪除預覽
刪除預覽提供了被刪除對象所涉及的上下級關系，它以模型結構樹的形式展現。紅色部分為被刪除元素，用戶直觀地可以看到哪些元素被徹底刪除了，且刪除后影響了哪些對象。
圖5.
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MBSE系列: 方法論之OOSEM
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。
01
OOSEM核心
面向對象的系統工程方法(Object-Oriented Systems Engineering Method, OOSEM)是INCOSE提出的MBSE方法論，其核心特點在于:
需求的捕獲，以需求為基礎，建立架構模型。
SE基本方法論結合面向對象(Object-Oriented)的軟硬件設計方法。
所謂面對對象的方法，就和我們學習的面對對象的編程思想一致，它和面向過程的方法相對，強調類的聲明，繼承，接口抽象等，將具有相似特性的個體進行抽象，封裝，以此來降低系統復雜性，增強復用性。
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