基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）解決方案探討

劉紅皊 江西洪都航空工業(yè)集團有限責任公司 南昌市 330024

0 引言

系統(tǒng)工程作為一種研制管理方法，自20世紀60年代以來就常用在國外航天和國防領(lǐng)域。構(gòu)建系統(tǒng)模型是系統(tǒng)工程的核心，傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程，是基于各種文本文檔進行系統(tǒng)架構(gòu)模型構(gòu)建的，模型構(gòu)建過程中的方案設(shè)計和概念開發(fā)都是依靠文件進行的。在需求規(guī)格、接口控制文件、產(chǎn)品規(guī)范等的撰寫過程中，開發(fā)人員需要耗費大量的時間和精力。并且由于文件中存在隱含的需求，在判識和傳遞上很難確保一致，加大了需求變更所造成的影響以及覆蓋分析的難度。而且在系統(tǒng)的早期階段，一旦疏忽邏輯設(shè)計及系統(tǒng)需求的確認和驗證，那么后續(xù)的需求變更會導致巨大的影響，同時工程的開發(fā)周期和成本也會大大增加。

MBSE使用系統(tǒng)建模語言（SysML）構(gòu)建系統(tǒng)架構(gòu)模型。通過以建模語言表達的系統(tǒng)靜態(tài)視圖代替大量文檔，包括參數(shù)、架構(gòu)和接口，以及系統(tǒng)的動態(tài)行為。SysML作為系統(tǒng)工程的標準建模語言，具有圖形化且易于計算機處理的優(yōu)勢，在運用于復雜系統(tǒng)的分析、設(shè)計和驗證時，不僅能夠提高系統(tǒng)的質(zhì)量，還能有效提升系統(tǒng)工程信息在工具之間交換方面的能力，同時能減少系統(tǒng)或軟件與其它工程學科間的語義差異。近幾年，MBSE方法已經(jīng)成為系統(tǒng)工程界研究與應用的熱點。其作為一種新的范式，被美國航空航天局、歐空局等政府組織、IBM等軟件和方案提供商積極在項目中加以應用和研究。

相比基于文檔的系統(tǒng)工程（TSE），MBSE的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點：

（1）知識表示的無二義性；

（2）一體化的系統(tǒng)設(shè)計；

（3）系統(tǒng)內(nèi)容的可重用性；

（4）提高溝通交流的效率；

（5）增強知識的獲取和再利用；

（6）通過模型可對系統(tǒng)進行多角度分析，支持早期進行系統(tǒng)驗證和確認，可降低風險，減少設(shè)計更改帶來的時間周期和費用等。

總之，可以說系統(tǒng)工程的未來是“基于模型的”。

1 基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）概述

1.1 系統(tǒng)工程的主要思想

系統(tǒng)工程是一門專業(yè)學科方法論，用在系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)、技術(shù)管理、系統(tǒng)運行使用和退役等各方面。它面向系統(tǒng)全生命周期，從型號的概念論證、設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)使用、綜合保障直到系統(tǒng)退出等各個過程，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工程的全生命周期

系統(tǒng)工程的核心是提供用戶滿意的產(chǎn)品，它的關(guān)鍵在于需求分析、功能分析和架構(gòu)設(shè)計，為了提升系統(tǒng)工程能力，迫切需要提升需求分析、管理、表達和驗證手段，開展需求工程工作。圖2中的模型僅展示了SE的主要技術(shù)過程，沒有展示轉(zhuǎn)移、運行、維護和退出過程。

圖2 基于ISO/IEC/IEEE 15288標準的SE過程V-Mode模型

1.2 需求工程

需求工程是一套進行需求管理、需求開發(fā)和需求確認的方法論，而DOORS是進行需求管理的工具之一。作為由IBM開發(fā)的一款專業(yè)的需求管理軟件，DOORS可作為系統(tǒng)的需求管理解決方案。需求工程流程包括需求開發(fā)流程和DOORS管理流程。需求開發(fā)流程是一個頂層架構(gòu)，是進行需求捕獲、需求分析和需求分解等需求開發(fā)過程所應遵循的基本方法，是DOORS應用的基礎(chǔ)，如圖3所示。

圖3 可遞歸的需求開發(fā)流程

其目標是確保需求開發(fā)的完整性；使需求之間建立簡單清晰的關(guān)系，便于需求的跟蹤管理；使流程可遞歸和可擴展。DOORS管理流程是一套與DOORS相關(guān)的管理規(guī)則，是需求開發(fā)流程活動在DOORS中的實踐，目標是有效控制與管理DOORS中的需求條目。主要包括需求確認、需求發(fā)布和需求變更等流程。

DOORS應用主要圍繞流程、系統(tǒng)架構(gòu)和標準與模板三方面開展工作。系統(tǒng)架構(gòu)規(guī)定了型號項目的頂層需求、各專業(yè)需求及其它各種需求在DOORS中的組織方式，目標是使各種需求以與需求開發(fā)流程相一致的邏輯關(guān)系進行呈現(xiàn)，便于查找、建立關(guān)系，提高管理效率；并提供一致的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和接口，便于數(shù)據(jù)移植和其它擴展應用工具的開發(fā)。標準或規(guī)范規(guī)定了需求開發(fā)過程中應遵循的一套規(guī)則，以便需求數(shù)據(jù)在DOORS中的組織和管理。包括需求編寫規(guī)范、需求編碼標準、需求分類標準和需求屬性定義標準等。模板是標準的實現(xiàn)，目的是簡化工作、統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

1.3 IBM Rational DOORS介紹

與其他需求管理平臺不同的是，IBM Rational DOORS面向開發(fā)者、管理者、測試人員以及整個產(chǎn)品生命周期。應用于項目中，DOORS可以進行需求文件的鏈接管理、多個項目間共享文件、可疑鏈接檢測及需求條目的權(quán)限管理等。

1.4 IBM Rational Rhapsody介紹

IBM Rational Rhapsody支持嵌入式和實時系統(tǒng)軟件設(shè)計開發(fā)，且提供一種可視化的開發(fā)環(huán)境。基于UML/SysML的模型驅(qū)動下的集成開發(fā)環(huán)境，Rhapsody可實現(xiàn)將與平臺無關(guān)的應用模型部署到實時嵌入式操作系統(tǒng)。此外，其具有的種類眾多、功能強大的Add-Ons擴展模塊也可滿足客戶不同的應用需求。

1.5 SimulationX介紹

SimulationX作為多學科領(lǐng)域建模、模擬仿真的通用工具，可用于分析評價技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)各個部件相互作用。它具有強大的標準元件庫和后處理系統(tǒng)，同時還能提供面向用戶的模塊和版本及眾多軟件接口，能滿足用戶在不同領(lǐng)域的各種需求。在每個工業(yè)領(lǐng)域，利用SimulationX都能完成一些精細和復雜的研發(fā)任務(wù)。

2 MBSE解決方案

整合后的系統(tǒng)工程V模型，如圖4所示，以航空產(chǎn)品V型開發(fā)流程主線，以需求工程、仿真工程、設(shè)計工程、制造工程、試驗工程、交付工程為階段，融合現(xiàn)有碎片化的解決方案，消除單一供應商解決方案的局限性，提升系統(tǒng)工程整體業(yè)務(wù)的協(xié)同性及解決方案開發(fā)、業(yè)務(wù)規(guī)劃與咨詢能力。

圖4 整合后的系統(tǒng)工程V模型

基于模型的系統(tǒng)工程設(shè)計包括需求分析、功能分析與架構(gòu)設(shè)計和多學科聯(lián)合仿真三個方面。

2.1 需求分析

需求的屬性包括標識、類別和狀態(tài)等，采用DOORS工具進行需求管理。需求分析過程是建立在對系統(tǒng)需求的充分理解之上，可能會出現(xiàn)更改需求情況，目的也是為了不斷更新和完善系統(tǒng)需求。

2.2 功能分析與架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)功能分析是一個反復迭代的過程，可通過狀態(tài)機圖、活動圖等多個視圖來完成功能架構(gòu)設(shè)計。系統(tǒng)架構(gòu)模型的設(shè)計是整個研制工作的首要條件，可以理解為系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。由于系統(tǒng)架構(gòu)模型與視圖的關(guān)聯(lián)性，對同一個系統(tǒng)架構(gòu)模型，各方參與者可進行模型分析和優(yōu)化。將系統(tǒng)需求從DOORS導入到建模工具Rhapsody中進行功能分析和系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計。

2.3 多學科聯(lián)合仿真

仿真是對模型的實施與執(zhí)行，在功能分析與架構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，將Rhapsody的分析和建模結(jié)果導入到SimulationX工具中進行多領(lǐng)域不同類型的聯(lián)合仿真。

3 結(jié)束語

MBSE能夠提升需求驅(qū)動的正向設(shè)計能力，從“需求滿足”到“需求驅(qū)動”，建立基于需求的研發(fā)體系，實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新；能夠更直觀清晰反映功能邏輯，是對需求含義和內(nèi)容的補充，即完善需求內(nèi)容；系統(tǒng)設(shè)計意圖通過模型表達和傳遞，有利于不同團隊人員達成共識，避免歧義在后期顯現(xiàn)；雖然MBSE會增加設(shè)計階段的工作量，但有助于把需求分析清楚，減少返工，從總體上縮短工程周期和降低成本。