MBSE方法論的案例
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。
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
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。
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。
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。
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。
展開 
解讀ARCADIA：MBSE方法論的卓越實踐
一
ARCADIA方法論誕生背景
01
MBSE的發展
在過去的幾十年里，系統工程領域的復雜性和挑戰性不斷增加。隨著技術的快速發展，系統工程師們需要協調不斷變化的需求、預測未來的技術趨勢以及應對潛在的風險。為了應對這些挑戰，系統工程領域的專家們提出了一種新的方法，即模型驅動系統工程 (Model-Based Systems Engineering，MBSE)。MBSE旨在通過使用模型作為系統設計和分析的核心，替代傳統的文檔驅動方法，從而提高效率和減少錯誤。
02
MBSE落地的痛點
盡管MBSE的潛力巨大，但其實施過程中也存在很多痛點，首當其沖的是缺乏有效的方法論指導，設計者常常缺乏清晰的步驟和指南來指導他們從開始到結束的整個建模活動，進而導致一系列后果：首先是缺乏明確的步驟和建模框架，設計者在實施過程中容易迷失方向，不清楚應如何進行下一步工作。其次是工作效率下降，設計者需要花費大量時間和精力去嘗試不同方法，而不能有效地專注于實際設計任務。第三是質量和風險影響，缺乏方法指引可能導致在實施過程中出現錯誤或遺漏，這不僅可能影響系統的質量和性能，而且可能導致需要進行大量的修改和調整，從而增加工程的成本和風險。最后，由于缺乏有效的方法論指導，可能會導致工程師們在實施MBSE時感到困惑和挫敗，從而影響他們的積極性和創新性。
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 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: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 為什么MBSE是系統復雜性應對之道
但隨著系統復雜性的上升，以文檔為中心的系統工程（Text Based Systems Engineering，TBSE）方法存在很多問題，例如:
系統復雜化，文檔數量增多，不便于書寫，管理
文字描述存在歧義，對團隊溝通協作不友好，不同部門及開發人員難以形成統一理解
需求變更，追溯困難
文檔無法仿真驗證
為了解決TBSE所存在的問題，國際系統工程學會(INCOSE)提出了基于模型的系統工程(Model Based Systems Engineering，MBSE)方法。
MBSE強調以圖形化模型為核心，將SE方法論過程中設計內容通過工具模型化，電子化，構建不同階段開發模型，例如需求模型，架構模型，詳細設計模型等，并彼此相互關聯，以此增加輸出內容的可復用性、形成系統一體化設計，可以有效解決隨著系統復雜度提高對傳統基于文檔的系統工程帶來的挑戰，這個也是目前大部分規范，例如ISO 26262，ASPICE等，對工作輸出產物的基本要求。
模型既然是MBSE的核心，那么如何建立模型是MBSE的關鍵任務，所以為建立系統化模型，MBSE在SE原有方法論的基礎上，新增了:
建模語言
工具
這兩項內容，這也就構成了MBSE落地三大基本要素PMT，即:流程(Process), 方法(Method)和工具Tools，所以簡單地說:
MBSE = SE方法論 + 建模語言 + 工具
建模語言定義了建模過程中可以使用的可視化元素及其代表的意義。為消除歧義，MBSE要求使用統一化的建模語言SysML。
展開 Ansys 2025 R2 發布：憑借AI、智能自動化和更廣泛的按需能力，推動生產力實現躍升
此外，憑借基于模型的系統工程（MBSE）中的增強功能，團隊能夠從統一的數據來源開展協作，確保數字連續性和跨團隊協作。
擴展的Python兼容性增加了額外的靈活性，使工程師能夠創建定制自動化，從而加速工作流程，增強數據管理并確保項目可重復性。
例如，全球領先的節能電機控制解決方案供應商Danfoss Drives，使用Ansys仿真來驗證復雜的系統設計，通過創新驅動技術助力各行業優化性能、降低能耗并提高運行可靠性。
Danfoss Drives虛擬設計、測試和優化負責人Michael Laursen表示：“PyAnsys?對于我們在仿真環境中實現定制工作流程自動化、集成和可擴展性至關重要。開放式生態系統使我們能夠連接各種工具，并利用AI加速端到端工作流程。在Ansys技術的幫助下，我們的團隊能夠持續推進并最大限度地優化數字設計流程，跟上行業不斷變化的步伐，同時降低成本并加速產品研發。”
PyAnsys?系列中包含40多個Python庫，現在還加入了PySTK?和PyChemkin?，這不僅為Ansys解決方案提供了支持工作流程自動化的Python接口，還提高了應用的生產力和效率
在全新基于Web的、完全協作式解決方案Ansys medini? Cybersecurity SE中實現威脅分析和漏洞管理的自動化，從而降低信息安全風險
通過基于Web的SysML v2平臺Ansys System Architecture Modeler (SAM)? Enterprise，將軟件、安全性和仿真直接結合到一款解決方案中，提供綜合全面的MBSE方法論
智能自動化和綜合數據管理，使整個企業的團隊能夠更無縫地工作。
展開 自主可控的MBSE建模與仿真平臺（S-MASP）
二、MBSE方法論
2.1 常見的MBSE方法論
建模方法論是MBSE里重要的一環，也是大部分人員開始接觸MBSE的切入點。例如，2012年，中航工業與IBM開展合作引入HarmonySE方法論開始，航空工業集團內部掀起了一股學習MBSE的熱潮。其中大部分工程技術人員接觸MBSE都是從HarmonySE開始的。HarmonySE方法[4]是IBM Rhapsody工具及相關產品主推的方法論，以SysML模型為基礎，它核心強調需求分析及基于用例的功能分析，由系統的動態行為分析權衡得到系統的靜態架構（圖5）。
圖5 HarmonySE方法論
以SysML為核心的方法論除harmony SE外，推廣應用較多還有INCOSE提出的OOSEM
[5]
（Object-Oriented Systems Engineering Method）（圖6），Dassault的Magicdraw提出的MagicGrid（圖7）
[6]
。
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。
展開 
行業案例 | MBSE解決方案（四）：基于SysML的武器裝備系統建模與驗證
2
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 行業案例 | MBSE解決方案（一）：面向裝備系統論證和方案階段研制的協同設計和驗證平臺
所謂以文檔為中心，一方面是指設計過程中各階段的設計成果以文檔形式呈現并在各階段之間傳遞，另一方面也表示該方法中各階段的信息加工處理以手工方式為主，缺乏必要的計算機輔助設計和驗證手段。隨著系統的規模和復雜程度的不斷提高，傳統的基于文檔的系統工程必將產生越來越多的各種不同的文檔，信息的查找、理解及更改都困難重重。通過在產品研制過程中引入基于模型的系統工程理念，在方法論的指導下，借鑒各行業系統工程應用最佳實踐，使用先進的系統工程工具，配合一定的管理手段，能夠在一定程度上解決裝備系統研制面臨的嚴峻問題。
為了應對復雜裝備系統研制的挑戰，需要構建新一代復雜系統建模工作環境，形成一個涵蓋復雜系統建模、仿真和與系統全生命周期管理集成的解決方案。采用MBSE方法進行系統研制，在設計階段早期，應用建模和仿真手段實現需求的早期驗證，保證設計過程的正確性。MBSE持續貫穿整個武器系統的生命周期過程，開展體系建模、系統建模、專業領域建模，實現系統整個設計過程的模型化表達，并采用模型仿真手段，提升需求分析和驗證能力，降低型號驗證風險。
展開 MBSE: 基于 SysML 的載人登月可靠性安全性需求分析
MBSE 的方法論有很多，最著名的是 V 型的 Harmony 系統工程方法[6]，從系統需求出發開始正向設計，再通過仿真進行反向驗證。除此之外，IBM 公司提出了統一軟件開發過程(RPU)[7]，Vitech 公司提出了自己的 MBSE 方法[8]，國際系統工程學會也提出了以目標為導向的系統工程方法[9]等。這些方法論將需求分析、功能行為設計和設計驗證等有效組織起來，使全系統的設計可追溯、易管理。可以看出，需求分析是進行 MBSE 的首要步驟，同時需求分析和系統設計在 MBSE 的全流程之中也是緊密耦合的。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。目前，在航空[12,13]、汽車[14]與航天[15,16]等領域，都是結合自身工程實際，在上述方法的基礎上通過適當的裁剪或改進，完成系統設計。
從方法論和應用層面來看，系統需求分析有較為成熟的體系，尤其是系統正常功能的設計。即從利益攸關者的要求出發，逐層分解、推導，給出子系統或分系統的設計要求。
2. 基于模型的可靠性、安全性分析
隨著 MBSE 在工程領域的成功運用，基于模型的可靠性、安全性分析方法也越來越得到重視。作為系統工程的一部分，可靠性安全性分析也應該融入到 MBSE 的流程之中。
在現有的文獻中，以基于 SysML 的設計模型為基礎，開展了許多關于基于模型的可靠性安全性分析方法的研究，形成了包括文獻[17, 18]在內的方法論。
展開 MBSE | 一文詳解基于ModelCenter的全流程解決方案
多學科設計優化就是專門解決這類問題的方法。
圖表1: 飛行器設計中的多學科耦合問題
多學科設計優化的英文是Multidisciplinary Design Optimization，縮寫為MDO。
根據美國航空航天協會(AIAA: American Institute of Aeronautics and Astronautics)的多學科優化技術委員會(MDO-TC: Technical Committee)的討論，MDO有如下三種定義。
是一種通過充分搜索和利用系統中相互作用的協同機制來設計復雜系統和子系統的方法論。
是指在復雜系統設計過程中，必須對學科(或子學科)相互作用進行分析，并且充分利用這些相互作用進行系統優化合成的優化設計方法。
是指當設計中每個因素都影響另外的所有因素時，確定該改變哪個因素及改變到什么程度的一種設計方法。
值得一提的是，除了MDO的提法，我們也可能會看到多學科系統設計優化(MSDO: multidisciplinary system design optimization)和多學科設計分析與優化(MDAO: Multidisciplinary Design Analysis and Optimization)等提法，他們其實指的都是同一類概念。MDO是如何發展起來的呢？
1982年，美籍波蘭裔人Sobieszczanski-Sobieski. J在研究大型結構優化問題求解的論文中，首次提出了MDO的概念和相關的設計方法，引起了關注, 他也成為了MDO的奠基人。
展開 