基于模型的系統(tǒng)工程概述

朱　靜，楊　暉，高亞輝，姚太克

（中航工業(yè)航空動(dòng)力控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫214063）

基于模型的系統(tǒng)工程概述

朱靜，楊暉，高亞輝，姚太克

（中航工業(yè)航空動(dòng)力控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫214063）

由于航空領(lǐng)域涉及的系統(tǒng)日益高度復(fù)雜，為更好推進(jìn)基于模型的系統(tǒng)工程（M odel Based System Engineering，M BSE）研發(fā)體系，通過從當(dāng)前遇到的問題、推行基于模型的系統(tǒng)工程的必要性、優(yōu)勢、未來的挑戰(zhàn)等方面進(jìn)行了較為詳細(xì)地闡述?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程研發(fā)體系具有知識表示的無二義、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一體化、溝通交流的高效率等優(yōu)勢，是未來發(fā)展的大趨勢。

系統(tǒng)工程；模型；研發(fā)體系；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0　引言

伴隨中國航空工業(yè)的發(fā)展，航空產(chǎn)品經(jīng)歷了從機(jī)械到機(jī)械、電子到機(jī)械、電子、軟件等多學(xué)科高度綜合的過程，其體系也經(jīng)歷了從分立式到聯(lián)合式、綜合式、高度綜合式的發(fā)展歷程。在系統(tǒng)體系的演變歷程中，系統(tǒng)功能的互操作由獨(dú)立向基于共享資源的交互演進(jìn)，接口定義由功能性的聚合、松耦合向高度綜合、緊耦合的方向發(fā)展，集成工作由簡單功能向更加復(fù)雜的功能發(fā)展，系統(tǒng)的互聯(lián)由離散向高度網(wǎng)絡(luò)化的互聯(lián)發(fā)展，系統(tǒng)失效模式由透明化的簡單行為向不透明的復(fù)雜綜合行為發(fā)展。

目前，在航空系統(tǒng)工程實(shí)施過程中，產(chǎn)生的信息均是以文檔的形式來描述和記錄。隨著近年來中國航空型號研制數(shù)量大幅度增加，系統(tǒng)復(fù)雜度和規(guī)模不斷提高，跨學(xué)科、交叉學(xué)科系統(tǒng)的出現(xiàn)，基于文檔的系統(tǒng)工程難以保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)一致性、數(shù)據(jù)的可追溯性等需求。

為了應(yīng)對類似的挑戰(zhàn)，在國際航空領(lǐng)域，NASA在原有系統(tǒng)工程研制模式的基礎(chǔ)上采用了國際系統(tǒng)工程組織（INCOSE）提出的基于模型的系統(tǒng)工程（Model-based Systems Engineering，MBSE）［1］管理新模式和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。基于模型的系統(tǒng)工程思想是通過建立和使用一系列模型對系統(tǒng)工程的原理、過程和實(shí)踐進(jìn)行形式化控制，通過建立系統(tǒng)、連續(xù)、集成、綜合、覆蓋全周期的模型驅(qū)動(dòng)工作模式幫助人們更好地運(yùn)用系統(tǒng)工程的原理，大幅降低管理的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)工程的魯棒性和精確性，將整個(gè)系統(tǒng)工程作為一個(gè)技術(shù)體系和方法，而不是作為一系列的事件。本文通過從當(dāng)前遇到的問題、推行基于模型的系統(tǒng)工程的必要性、優(yōu)勢、未來的挑戰(zhàn)等幾個(gè)方面進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述。

1　TSE的概念

傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程用各種文本文檔構(gòu)建系統(tǒng)架構(gòu)，其中的產(chǎn)出物是一系列基于自然語言的、以文本格式為主的文檔，比如用戶的需求、設(shè)計(jì)方案，當(dāng)然也包括一些用實(shí)物做成的物理模型等。例如火箭的總體布局方案、推進(jìn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案以及彈道方案、分離方案等。把這些文檔串起來的東西是一系列的術(shù)語及參數(shù)，這些術(shù)語對系統(tǒng)進(jìn)行了定性描述。各種參數(shù)是系統(tǒng)的定量描述。各專業(yè)學(xué)科的分析模型從文檔中抽取相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算之后再把相關(guān)參數(shù)寫入文檔，轉(zhuǎn)交給其它學(xué)科和相關(guān)人員。參數(shù)在各文檔之間來回流動(dòng)，這種設(shè)計(jì)流程也被稱作拋過墻的設(shè)計(jì)。很顯然，在這個(gè)過程中，文檔管理的機(jī)制、配置管理的機(jī)制非常重要?？傮w設(shè)計(jì)的工作主要就是抓總和協(xié)調(diào)，并控制這些術(shù)語和參數(shù)。上述描述的系統(tǒng)工程是基于文本的系統(tǒng)工程（Text Based System Engineering，TSE）。TSE的文檔在描述系統(tǒng)架構(gòu)模型時(shí)具有天生的缺陷：TSE的文檔是基于自然語言、基于文本形式，當(dāng)然也包括少量的表格、圖示、圖畫、照片等。由于自然語言并非專門為系統(tǒng)設(shè)計(jì)所發(fā)明，而是要表示大千世界的萬事萬物，還要表示紛繁復(fù)雜的各專業(yè)學(xué)科知識，所以TSE的文檔要依靠相關(guān)工程設(shè)計(jì)的術(shù)語來使各方對系統(tǒng)有共同的理解和認(rèn)識。所以各方的溝通交流要依賴不斷更新的術(shù)語表、詞匯表等，否則就容易產(chǎn)生理解的不一致性。尤其是當(dāng)系統(tǒng)的規(guī)模越來越大、涉及的學(xué)科和參與的單位越來越多時(shí)，這個(gè)問題就更加突出了文檔的電子化、網(wǎng)絡(luò)化并沒有從根本上改變各方對文檔理解的不一致性。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)工程的文檔從過去的紙質(zhì)方式發(fā)展到電子化的處理方式，比如Word、PDF等電子格式，這只是便利了存取、復(fù)制、修改，其編碼格式依然是基于文本的，各方人員從文檔中讀取信息依然是逐行掃描方式。對于相關(guān)各方對文檔的內(nèi)容形成共同一致的理解并沒有根本改觀。也就是說，TSE實(shí)際上并沒有充分地利用信息技術(shù)的進(jìn)步和成就。因此，傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程就是以文檔為中心的系統(tǒng)工程。

2　MBSE的概念和內(nèi)涵

在2007年，國際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)（INCOSE）在系統(tǒng)工程2020年愿景中給出了基于模型的系統(tǒng)工程的定義?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程（Model Based System Engineering，MBSE）是對系統(tǒng)工程活動(dòng)中建模方法應(yīng)用的正式認(rèn)同，以使建模方法支持系統(tǒng)要求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng)，這些活動(dòng)從概念性設(shè)計(jì)階段開始，持續(xù)貫穿到設(shè)計(jì)開發(fā)以及后來的所有的壽命周期階段。從MBSE的定義可見，建模就是運(yùn)用某種建模語言和建模工具來建立模型的過程，仿真是對模型的實(shí)施與執(zhí)行。模型是我們思考問題的基本方法，是設(shè)計(jì)工作的思維基礎(chǔ)。實(shí)際上，各專業(yè)學(xué)科及系統(tǒng)工程一直在使用建模與仿真方法，MBSE并不是對建模方法的首次采用，也就是說，MBSE與傳統(tǒng)系統(tǒng)工程的區(qū)別并不在是否采用建模方法。基于模型的系統(tǒng)工程開發(fā)方法中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、多物理領(lǐng)域建模、集成的仿真計(jì)算環(huán)境、模型和數(shù)據(jù)的管理。

（1）系統(tǒng)工程的關(guān)鍵在于構(gòu)建1個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)模型。在整個(gè)系統(tǒng)工程工作過程中，不僅要在頭腦中建立關(guān)于該系統(tǒng)的全面的概念，而且在現(xiàn)實(shí)中要針對這個(gè)概念建立某種類型的模型，如草圖、文字描述、表格、圖片、圖示、實(shí)物模型等，這些模型統(tǒng)稱為工件，是人們自己思考和與他人溝通交流的工具?，F(xiàn)實(shí)中工件和頭腦中的概念相互啟發(fā)，不斷深化和具體化，最終變成生產(chǎn)人員可以使用的藍(lán)圖，再由生產(chǎn)人員把藍(lán)圖變成最終交付的系統(tǒng)。這實(shí)際上是所有設(shè)計(jì)工作的一般流程，并非系統(tǒng)工程所獨(dú)有，只是系統(tǒng)工程需要考慮的因素更多包含了在設(shè)計(jì)過程中，需要從各方面建立模型來對該系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)刻畫，才能準(zhǔn)確、全面地描述系統(tǒng)。

比如修建1座大廈時(shí)要畫出立面圖、管道圖、電氣圖、樓層分布圖等，這些稱為系統(tǒng)的視圖，分別對應(yīng)相關(guān)的專業(yè)學(xué)科、不同的工作角色及不同的利益相關(guān)者。系統(tǒng)的視圖實(shí)際上是從不同方面描述刻畫了系統(tǒng)的某方面特征。因此，系統(tǒng)的各視圖要緊密關(guān)聯(lián)、保持一致，才能夠保證最終的系統(tǒng)是正確、優(yōu)化的。其中系統(tǒng)架構(gòu)模型的建立至關(guān)重要。系統(tǒng)架構(gòu)模型是對系統(tǒng)整體、全面的描述，相當(dāng)于總體設(shè)計(jì)方案，是整個(gè)研制工作的首要工件，系統(tǒng)架構(gòu)模型與各視圖相互關(guān)聯(lián)，各方人員針對共同的系統(tǒng)架構(gòu)模型來分析和優(yōu)化。因此，系統(tǒng)工程的關(guān)鍵在于構(gòu)建出1個(gè)完整的系統(tǒng)架構(gòu)模型。

（2）基于模型的系統(tǒng)工程用系統(tǒng)建模語言構(gòu)建系統(tǒng)架構(gòu)模型。在MBSE方法中，用系統(tǒng)建模語言來描述系統(tǒng)架構(gòu)模型，作為系統(tǒng)開發(fā)全過程中首要的工件，并且對其進(jìn)行管理、控制，并和系統(tǒng)技術(shù)基線的其它部分進(jìn)行集成。用面向?qū)ο蟮膱D形化、可視化的系統(tǒng)建模語言描述系統(tǒng)的底層元素，進(jìn)而逐層向上組成集成化、具體化、可視化的系統(tǒng)架構(gòu)模型，增加了對系統(tǒng)描述的全面性、準(zhǔn)確性和一致性。借助相關(guān)的軟件環(huán)境及模型和數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，可以對系統(tǒng)架構(gòu)模型進(jìn)行存取操作：系統(tǒng)架構(gòu)模型存儲(chǔ)在1個(gè)共同的數(shù)據(jù)庫中，相關(guān)參數(shù)之間自動(dòng)關(guān)聯(lián)。各學(xué)科的專業(yè)工程師、各種角色都可以基于這個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)模型來工作。從共同的數(shù)據(jù)庫中取數(shù)，并用本學(xué)科的模型及軟件工具來分析［2］。要實(shí)現(xiàn)上述目的，MBSE需要相應(yīng)的理論基礎(chǔ)、建模語言及工具，包括來自軟件工程領(lǐng)域的面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計(jì)思想、系統(tǒng)建模理論、系統(tǒng)建模語言、擴(kuò)展標(biāo)記語言元數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（XMI）、系統(tǒng)工程數(shù)據(jù)的交換標(biāo)準(zhǔn)（AP233）等?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程是開發(fā)和維護(hù)高復(fù)雜系統(tǒng)的關(guān)鍵，其提供支持系統(tǒng)需求分析、功能分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)、需求確認(rèn)和驗(yàn)證活動(dòng)所需的形式化建模方法和模型執(zhí)行手段［3］。MBSE使得復(fù)雜系統(tǒng)由多系統(tǒng)架構(gòu)逐漸綜合形成SoS架構(gòu)。其模塊化、可更換的架構(gòu)元素提供了最好的價(jià)值和互操作性，架構(gòu)元素的重用為跨產(chǎn)品線的一致性提供了保障。MBSE引入了綜合系統(tǒng)模型的概念，通過系統(tǒng)用例、功能、時(shí)序、狀態(tài)、架構(gòu)和接口等模型全面反映系統(tǒng)各方面的屬性信息（包括要求、性能、物理結(jié)構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、成本和可靠性等），為系統(tǒng)工程人員提供1種以圖形化的系統(tǒng)建模語言（Systems Modeling Language，SysML）為基礎(chǔ)的系統(tǒng)行為描述的規(guī)范，對系統(tǒng)的各種需求進(jìn)行可視化的表達(dá)和分析，確保不同專業(yè)、不同學(xué)科、不同角色的工程設(shè)計(jì)人員基于同一模型快速準(zhǔn)確理解、識別、定義、分析、確認(rèn)、分配需求［2］。該方法論強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品開發(fā)周期的早期階段，就著手翔實(shí)地定義系統(tǒng)的需求與功能，并進(jìn)行設(shè)計(jì)綜合和系統(tǒng)驗(yàn)證，其輸入是利益攸關(guān)者需求。再經(jīng)過需求分析、系統(tǒng)功能分析和設(shè)計(jì)綜合，輸出系統(tǒng)需求規(guī)格、產(chǎn)品規(guī)范、ICD以及系統(tǒng)之下1個(gè)或多個(gè)層級元素對應(yīng)的子系統(tǒng)模型?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程方法論強(qiáng)調(diào)“場景驅(qū)動(dòng)”的需求捕捉和分析，通過模型執(zhí)行實(shí)現(xiàn)需求的確認(rèn)和驗(yàn)證，并在流程執(zhí)行過程中實(shí)現(xiàn)需求的跟蹤管理，并使用規(guī)范的建模語言，實(shí)現(xiàn)從系統(tǒng)工程到軟件工程及其它專業(yè)工程的無縫銜接［4］。

3　國外MBSE發(fā)展情況

近年來，國際領(lǐng)先的航空企業(yè)在積極實(shí)踐和推進(jìn)MBSE。例如，空客公司在A350系列飛機(jī)的開發(fā)中全面采用MBSE，在飛機(jī)研制中逐層細(xì)化需求并進(jìn)行功能分析和設(shè)計(jì)綜合，不僅實(shí)現(xiàn)了頂層系統(tǒng)需求分解與確認(rèn)，也實(shí)現(xiàn)了向供應(yīng)商、分包商的需求分配和管理。洛克希德·馬丁公司采用MBSE來統(tǒng)一進(jìn)行需求管理和系統(tǒng)架構(gòu)模型，并向后延伸到機(jī)械、電子設(shè)備以及軟件等的設(shè)計(jì)與分析之中，如：基于MatLab的算法分析以及System C、Verilog、ANSYS的軟硬件的設(shè)計(jì)與分析、Adams的性能分析、SEER的成本分析等，構(gòu)建了完整的基于模型的航空和防務(wù)產(chǎn)品的開發(fā)環(huán)境［5］。羅克韋爾-柯林斯公司采納MBSE方法覆蓋航電全領(lǐng)域的系統(tǒng)定義和系統(tǒng)測試模型。RR公司依據(jù)INCOSE系統(tǒng)工程手冊制定了其自身的系統(tǒng)工程能力框架，涵蓋了系統(tǒng)思考、需求管理、系統(tǒng)定義、接口管理、系統(tǒng)功能分析、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、確認(rèn)和驗(yàn)證等能力，覆蓋了總工程師、項(xiàng)目管理者、總設(shè)計(jì)師、系統(tǒng)工程師、系統(tǒng)設(shè)計(jì)師、開發(fā)工程師、質(zhì)量工程師、服務(wù)工程師等崗位職責(zé)，實(shí)現(xiàn)了從航空動(dòng)力系統(tǒng)到子系統(tǒng)到部件的系統(tǒng)工程迭代。波音公司構(gòu)建了以任務(wù)和需求定義、邏輯和功能集成、功能和邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)為核心的覆蓋產(chǎn)品全生命周期的MBSE過程，從運(yùn)行概念到需求到設(shè)計(jì)到生產(chǎn)［6］。

NASA在多個(gè)新的及已有的項(xiàng)目上積極運(yùn)用MBSE，其目的是顯著提升項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可承受性、縮減開發(fā)時(shí)間、有效管理系統(tǒng)的復(fù)雜性、提升系統(tǒng)整體的質(zhì)量水平。軟件工具提供商也在積極行動(dòng)。IBM公司也開發(fā)了1種方法論，稱為針對系統(tǒng)工程的統(tǒng)一軟件過程（MDSD）軟件提供商積極開發(fā)相關(guān)支撐平臺(tái)［9］。如LMS公司的多領(lǐng)域系統(tǒng)仿真集成平臺(tái)，可用于飛機(jī)開發(fā)的每個(gè)階段（從前期的概念設(shè)計(jì)分析、詳細(xì)設(shè)計(jì)到產(chǎn)品驗(yàn)證）［7］。

4　當(dāng)前存在的現(xiàn)實(shí)問題

隨著系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度的提高，傳統(tǒng)的基于文檔的系統(tǒng)工程將產(chǎn)生大量的各種不同的文檔，其面臨的困難越來越明顯：

（1）信息的完整性和一致性以及信息之間的關(guān)系難于評估和確定，因?yàn)槠渖⒉加诟鞣N不同的數(shù)量巨大的文檔中［8］。

（2）難以描述各種活動(dòng)?；顒?dòng)是動(dòng)態(tài)的，有交互的，僅用文字描述對于相對簡單，參與方不多的活動(dòng)還能勝任，但對于復(fù)雜活動(dòng)就很難描述清楚。

（3）更改的難度很大。由于文檔數(shù)量巨大，要確保更改所有需要更改的內(nèi)容，是1項(xiàng)很難很大的工程。

（4）傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法依賴文檔形式的需求管理。在形成需求后開發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)，并由設(shè)計(jì)師人工建立設(shè)計(jì)結(jié)果與需求之間的鏈接關(guān)系。如果出現(xiàn)不滿足需求的情況，必須作出更改并重新建立鏈接關(guān)系。這一迭代過程隨著設(shè)計(jì)進(jìn)程的推進(jìn)會(huì)在頂層設(shè)計(jì)、子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備級設(shè)計(jì)層次不斷重復(fù)。經(jīng)驗(yàn)表明這一方法存在周期長、驗(yàn)證需求符合性困難、系統(tǒng)間接口不明確以及更改流程復(fù)雜耗時(shí)等諸多問題［7］。

（5）飛機(jī)整機(jī)的設(shè)計(jì)面臨新的問題：一方面是系統(tǒng)本身越來越復(fù)雜，特別是隨著多電飛機(jī)的發(fā)展，智能控制系統(tǒng)的采用越來越多，使得在傳統(tǒng)開發(fā)流程中如何有效地考慮機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)，特別是在開發(fā)階段如何綜合地考慮控制系統(tǒng)和受控對象的耦合成為開發(fā)的關(guān)鍵之一；另一方面是不同研發(fā)部門或供應(yīng)商的系統(tǒng)如何集成，特別是在設(shè)計(jì)的早期如何通過系統(tǒng)的集成確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成熟性是全球航空行業(yè)產(chǎn)品開發(fā)面臨的棘手問題。

5　MBSE的優(yōu)勢

基于模型的系統(tǒng)工程就采用模型的表達(dá)方法來描述系統(tǒng)的整個(gè)生命周期過程中需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng)。基于模型的系統(tǒng)工程的出現(xiàn)就是為了解決基于文檔的系統(tǒng)工程方法的困難，相對于基于文檔的系統(tǒng)工程方法，主要在以下幾個(gè)方面有所改進(jìn)：

（1）知識表示的無二義性。文字的描述經(jīng)常會(huì)因?yàn)閭€(gè)人理解的差異而產(chǎn)生不同的解釋，團(tuán)隊(duì)成員針對文檔在大腦中形成的構(gòu)思模型不可能完全一致。而模型是1種高度圖形化的表示方法，具有直觀、無歧義、模塊化、可重用等優(yōu)點(diǎn)，建立系統(tǒng)模型可以準(zhǔn)確統(tǒng)一地描述系統(tǒng)的功能、詳細(xì)規(guī)范與設(shè)計(jì)等方面，對整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的各細(xì)節(jié)形成統(tǒng)一的理解，尤其是可以提高設(shè)計(jì)人員和開發(fā)人員之間的理解的一致性。系統(tǒng)模型是1種最佳實(shí)踐方法，可以保證團(tuán)隊(duì)成員對此有相同的理解，為解決問題和改進(jìn)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)。

（2）溝通交流的效率提高。隨著系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度的提高，各種文檔越來越多，相對于厚厚的技術(shù)文檔，閱讀圖形化的模型顯然更加便利直觀、無歧義，使得不同人對同一模型具有統(tǒng)一一致的理解，有利于提高系統(tǒng)內(nèi)需要協(xié)調(diào)工作部門之間的溝通與交流的效率，如顧客、管理人員、系統(tǒng)工程師、軟硬件開發(fā)人員、測試人員等［8］。

（3）系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一體化。由于系統(tǒng)模型的建立涵蓋系統(tǒng)的整個(gè)生命周期過程，包括系統(tǒng)的需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng)，是1個(gè)統(tǒng)一整體的過程，可以提供1個(gè)完整的、一致的并可追溯的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而可以保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一體化，避免各組成部分間的設(shè)計(jì)沖突，降低風(fēng)險(xiǎn)。

（4）系統(tǒng)內(nèi)容的可重用性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)最基本的要求就是滿足系統(tǒng)的需求并且把需求分配到各組成部分，因此建立系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型必然會(huì)對系統(tǒng)的各功能進(jìn)行分析并分解到各模塊去實(shí)現(xiàn)，從而對于功能類型相同的模塊不必重復(fù)開發(fā)［9］。

（5）增強(qiáng)知識的獲取和再利用。系統(tǒng)生命周期中包含著許多信息的傳遞和轉(zhuǎn)換過程，如設(shè)計(jì)人員需要提取需求分析人員產(chǎn)生的需求信息進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于模型具有的模塊化特點(diǎn)，使得信息的獲取、轉(zhuǎn)換以及再利用都更加方便和有效。

（6）可以通過模型多角度的分析系統(tǒng)，分析更改的影響，并支持在早期進(jìn)行系統(tǒng)的驗(yàn)證和確認(rèn)，從而可以降低風(fēng)險(xiǎn)，減少設(shè)計(jì)更改的周期時(shí)間和費(fèi)用。與其他工程學(xué)科（軟件、電子等）一樣，系統(tǒng)工程正在進(jìn)化：從基于文檔的方法到基于模型的方法，而這也正是系統(tǒng)工程發(fā)展的必然趨勢［10］。

（7）MBSE和TSE的區(qū)別就在于系統(tǒng)架構(gòu)模型的構(gòu)建方法和工具的不同，以及由此帶來的工作模式、設(shè)計(jì)流程等方面的區(qū)別。也就是說，傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程變成基于模型的系統(tǒng)工程，實(shí)際是從基于文本向基于模型的轉(zhuǎn)變。這個(gè)模型是指用系統(tǒng)建模語言建立的系統(tǒng)架構(gòu)模型，或者說是系統(tǒng)架構(gòu)模型的建模語言從自然語言（文本格式）轉(zhuǎn)向了圖形化的系統(tǒng)建模語言（SysML）。但MBSE并沒完全拋棄過去的文檔，而是從過去以文檔為主模型為輔向以模型為主文檔為輔的轉(zhuǎn)變。

（8）MBSE可以更好地支持V&V（Verification and Validation），由于引入了很多的工具軟件，借助工具軟件的優(yōu)勢，可以大幅提高測試與驗(yàn)證的效率與正確性。同時(shí)可以提高測試與驗(yàn)證的自動(dòng)化水平，降低人工手動(dòng)測試與驗(yàn)證的低級錯(cuò)誤，并提高效率。

（9）MBSE有助于進(jìn)一步突破時(shí)間和空間對設(shè)計(jì)工作的限制。TSE下相關(guān)的設(shè)計(jì)工作要遵循一定的時(shí)間順序，而且還有一定的空間限制。比如：系統(tǒng)工程文檔要按照一定的順序進(jìn)行流轉(zhuǎn)，上一個(gè)專業(yè)學(xué)科分析做完之后，才能夠進(jìn)行下一個(gè)專業(yè)的分析，而且做出樣機(jī)后各方才能進(jìn)行測試等［11］。MBSE下用系統(tǒng)建模語言構(gòu)建出模型后，就能進(jìn)行各種分析和測試，提前協(xié)調(diào)、平衡和優(yōu)化。而且各方圍繞著1個(gè)存儲(chǔ)著系統(tǒng)架構(gòu)模型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)銀行并行開展工作，并且可以支持遠(yuǎn)程及分布式的工作模式，突破設(shè)計(jì)人員地理位置的限制。

6　MBSE未來發(fā)展面對的挑戰(zhàn)

（1）MBSE的推進(jìn)需要行政干預(yù)。基于模型的系統(tǒng)工程的推進(jìn)需要付出巨大努力，并且不是所有系統(tǒng)成員都渴望MBSE的推進(jìn)。對于一些人來說，建立模型并且驗(yàn)證模型純粹是浪費(fèi)時(shí)間，與其花費(fèi)巨大的時(shí)間建模與驗(yàn)?zāi)?，還不如省下時(shí)間開發(fā)新產(chǎn)品。很多諸如此類的觀念是短時(shí)間內(nèi)很難改變的，需要行政力量去干預(yù)并且改變這種觀念?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程是1種新的工作方法，需要完全改變以前的工作習(xí)慣。這其中的阻力之大可想而知。

（2）工具集的集成。每個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，都會(huì)涉及到很多工具軟件，每個(gè)領(lǐng)域會(huì)有1種專門工具。對于系統(tǒng)工程來說，沒有1種工具適用所有領(lǐng)域。比如，在功能與邏輯層，可以采用某種多用途仿真工具即可，但對于物理層建模，就需要其他工具。由于使用了多種不同的工具，首先就會(huì)增加針對不同工具的維護(hù)與培訓(xùn)費(fèi)用［12］。其次，更大的風(fēng)險(xiǎn)在于數(shù)據(jù)如何在多種工具之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)不可忽視的是，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的不可預(yù)知的錯(cuò)誤。不同工具之間數(shù)據(jù)接口的設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)交互也是非常困難。最后，不同工具軟件的聯(lián)合在系統(tǒng)層面的仿真是需要真正面對的難題。

（3）系統(tǒng)開發(fā)向大型化、復(fù)雜化發(fā)展。航空系統(tǒng)產(chǎn)品日益龐大復(fù)雜，復(fù)雜度日益上升，包含的功能越來越多，但是系統(tǒng)組件卻越來越少。同時(shí)，軟件在系統(tǒng)中占的比重越來越大，這就增加了對完整產(chǎn)品需求定義的難度。對于復(fù)雜大系統(tǒng)的要求是減少部件數(shù)量、提高每個(gè)系統(tǒng)部件的能力、部件之間可以松散耦合與緊密集成。只有按照這個(gè)要求才可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效運(yùn)作，同時(shí)才能實(shí)現(xiàn)便于后續(xù)的維護(hù)與擴(kuò)展［13］。

7　結(jié)束語

MBSE使用建立的模型并且仿真，經(jīng)過20年的發(fā)展，已經(jīng)取得了巨大成就。MBSE有著諸多顯而易見的優(yōu)勢，雖然未來的發(fā)展也有挑戰(zhàn)，但挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存。MBSE增加了前后端程序的花費(fèi)，但是也增加了對多種領(lǐng)域工具軟件的需求。總之，MBSE是針對系統(tǒng)工程一系列解決方法中的最佳實(shí)踐方法。這一方法依靠大型軟件平臺(tái)，建立各級別的需求與相應(yīng)的系統(tǒng)方案元素的鏈接，并以圖形化的方式展示設(shè)計(jì)者對系統(tǒng)的認(rèn)識。因?yàn)檗饤壛朔笨d的文檔管理方式，系統(tǒng)模型與需求之間的關(guān)系更加明確，系統(tǒng)更改造成的影響也更加透明。設(shè)計(jì)者之間通過易于理解的圖形交流系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，減少了由誤解造成的隱患?？蓤?zhí)行的功能模型使得在設(shè)計(jì)的各階段都能分析系統(tǒng)對需求的符合性，并驗(yàn)證系統(tǒng)需求是否符合利益相關(guān)方的原始需求。

綜上所述，基于模型的系統(tǒng)工程非常重要，從事MBSE的工作將大有可為。認(rèn)真研究，積極引進(jìn)、消化、吸收，形成具有中國特色的MBSE，為中國國防實(shí)力和綜合國力的提升夯實(shí)基礎(chǔ)。

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（編輯：張寶玲）

Summary of Model Based System Engineering

ZHU Jing，YANG Hui，GAO Ya-hui，YAO Tai-ke
（AVIC Aviation Motor Control System Institute，Wuxi Jiangsu 214063，China）

Since the aviation system becomes more and more complicated，in order to promote the MBSE R&D system，the model based system engineering was detailed，in terms of problems encountered presently，the necessity，advantage and future challenge of putting MBSE into practice.The MBSE R&D system has many obvious advantages，such as no ambiguity of knowledge representation，integration of the system design and high efficiency of communication etc.It is the major trend of the future development.

system engineering；model；R&D system；aeroengine

V 232.3

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.04.003

2016-03-06

朱靜（1980），男，碩士，工程師，從事MBSE相關(guān)研究工作：E-mail：25865349@qq.com。

引用格式：朱靜，楊暉，高亞輝，等.基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）概述［J］.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2016，42（4）：12-16.Zhu Jing，YangHui，GaoYahui，etal.Summaryof ModelBasedSystemEngineering［J］.Aeroengine，2016，42（4）：12-16.