模型化
——新時(shí)代提高我國(guó)系統(tǒng)工程能力的必由之路

近年來(lái)，工程系統(tǒng)復(fù)雜性對(duì)系統(tǒng)工程能力的挑戰(zhàn)愈發(fā)突出，為了有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜性挑戰(zhàn)，模型化的理念與手段成為系統(tǒng)工程未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵。

系統(tǒng)工程遇到的挑戰(zhàn)與系統(tǒng)工程模型化概念的提出

決定系統(tǒng)工程能力的要素。系統(tǒng)工程是從需求出發(fā)，以多學(xué)科融合為手段，通過(guò)分析、綜合、驗(yàn)證等過(guò)程，產(chǎn)出一個(gè)滿足需求、整體性能優(yōu)化的工程系統(tǒng)。

我國(guó)航天在20 世紀(jì)50 年代末到60 年代中期初步形成了系統(tǒng)工程理念，經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，在20 世紀(jì)90 年代，航天系統(tǒng)工程理論和實(shí)踐走向成熟。遵循系統(tǒng)工程要求，踐行系統(tǒng)工程方法是中國(guó)航天成功實(shí)現(xiàn)“載人航天”“探月工程”“北斗導(dǎo)航”等舉世矚目的重大工程的堅(jiān)強(qiáng)保證。

工程的復(fù)雜性決定了對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)知不可能一次到位，需要經(jīng)過(guò)一個(gè)不斷完善的過(guò)程，需要工程各部分之間進(jìn)行多輪的交互迭代，來(lái)保證系統(tǒng)各層級(jí)能夠及時(shí)適應(yīng)系統(tǒng)整體的最新要求，直到最后在整體上實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)。在這個(gè)過(guò)程中，對(duì)系統(tǒng)的正確認(rèn)知以及系統(tǒng)各層級(jí)的迭代能力極大程度上決定了系統(tǒng)工程的能力。

中國(guó)航天幾十年來(lái)踐行系統(tǒng)工程方法，通過(guò)合理的組織體系設(shè)置、嚴(yán)格的型號(hào)研制程序、嚴(yán)密的管理保障辦法實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)工程的成功運(yùn)行，成就了中國(guó)航天一系列輝煌成果。

系統(tǒng)的復(fù)雜性對(duì)系統(tǒng)工程能力提出了挑戰(zhàn)。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)的迅速發(fā)展，人類社會(huì)的諸多生活場(chǎng)景發(fā)生改變，很多領(lǐng)域的人造系統(tǒng)逐步具備了網(wǎng)絡(luò)化特征，具備了感知與學(xué)習(xí)能力，過(guò)程中產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。同時(shí)，系統(tǒng)與外部的聯(lián)系更加緊密，呈現(xiàn)出體系性的特征。

這樣的背景下，以航天為代表的國(guó)防科技重大工程，其工程任務(wù)愈加復(fù)雜，工程規(guī)模愈加巨大，系統(tǒng)復(fù)雜性問(wèn)題愈來(lái)愈突出，對(duì)系統(tǒng)工程能力帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)：

第一是如何對(duì)愈加復(fù)雜的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效認(rèn)知的問(wèn)題。隨著工程系統(tǒng)的復(fù)雜性愈來(lái)愈高，如何保證系統(tǒng)總體層級(jí)的共像認(rèn)知與基礎(chǔ)層級(jí)的個(gè)性認(rèn)知不出現(xiàn)脫節(jié)？

第二是系統(tǒng)工程運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)信息與知識(shí)的有效迭代問(wèn)題。在工程的體系性愈來(lái)愈復(fù)雜、對(duì)工程的各類要求變的越來(lái)越多的情況下，如何確保系統(tǒng)各層級(jí)的迭代快速而準(zhǔn)確？

這兩方面問(wèn)題倘若不能得到有效解決，系統(tǒng)工程能力將無(wú)法確保實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)，系統(tǒng)工程的效果也將大打折扣。

基于模型的系統(tǒng)工程是保障系統(tǒng)工程能力的技術(shù)保證?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程（MBSE）是國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)（INCOSE）提出的概念。國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)所定義的模型有兩項(xiàng)鮮明的特征：第一，模型面向從概念階段就開始的系統(tǒng)工程全周期；第二，模型是被系統(tǒng)各部門進(jìn)行迭代論證的依據(jù)。這兩個(gè)特征，一方面為工程總體部、系統(tǒng)總體部等部門開展系統(tǒng)工程工作提供了全新的技術(shù)手段；另一方面MBSE以電子化的模型介質(zhì)直接實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工程工作跨領(lǐng)域、跨部門的傳遞與分發(fā)，為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的迭代提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

MBSE 對(duì)系統(tǒng)認(rèn)知與系統(tǒng)迭代兩方面的支撐作用對(duì)于系統(tǒng)工程具有意義重大。第一，MBSE 在技術(shù)層面上增強(qiáng)了系統(tǒng)級(jí)信息表征與信息迭代能力，能夠?qū)⒐こ處煹臅r(shí)間和精力解放到專業(yè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，有利于提高系統(tǒng)的技術(shù)先進(jìn)性；第二，MBSE 對(duì)于系統(tǒng)信息與知識(shí)迭代能力的增強(qiáng)能夠提高系統(tǒng)工程效率，在研制任務(wù)更為艱巨的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)工程進(jìn)度和周期可控；第三，MBSE 能夠增強(qiáng)各個(gè)系統(tǒng)層級(jí)認(rèn)知和表征能力，并能夠?qū)⑾到y(tǒng)層級(jí)與基礎(chǔ)層級(jí)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，支持基于模型的多層級(jí)提前驗(yàn)證，有助于提前發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)工程成功率；第四，MBSE 在系統(tǒng)級(jí)提供了模型化的載體與模型化的知識(shí)，增強(qiáng)了知識(shí)繼承和復(fù)用的能力，能夠避免重復(fù)建設(shè)，提高工程建設(shè)的效益。

未來(lái)系統(tǒng)工程模型化發(fā)展設(shè)想

系統(tǒng)工程模型化三要素

MBSE 強(qiáng)調(diào)為系統(tǒng)工程師開展系統(tǒng)級(jí)工作提供模型化的工作抓手。對(duì)于系統(tǒng)工程全過(guò)程來(lái)說(shuō)，既包括系統(tǒng)工程師的工作，也包括專業(yè)工程師、專業(yè)設(shè)計(jì)師、工藝師等系統(tǒng)工程鏈條上各個(gè)崗位的工作，這些工作都需要以模型為抓手，提高工作效率。

本質(zhì)上，對(duì)系統(tǒng)工程而言，模型的作用一是提高對(duì)領(lǐng)域的認(rèn)知與表達(dá)能力，二是為跨領(lǐng)域認(rèn)知的聯(lián)系與迭代提供技術(shù)上的可實(shí)現(xiàn)性，從而提高整合多域認(rèn)知的系統(tǒng)整體認(rèn)知能力。

面向這兩個(gè)能力，系統(tǒng)工程的模型要往前發(fā)展需要遵循三個(gè)發(fā)展維度：

模型的深度。模型的深度是建模行為對(duì)領(lǐng)域信息表征深刻性的程度，是模型表達(dá)能力的體現(xiàn)，決定了模型是否能夠?qū)︻I(lǐng)域開展工作需要表征與處理的信息與知識(shí)要素及邏輯關(guān)系進(jìn)行充分的形式化表征與說(shuō)明。模型深度是系統(tǒng)信息與知識(shí)迭代充分性的保證，倘若模型深度不夠，建模表征只浮于表面的形式，未能真正深入領(lǐng)域工作內(nèi)容，未能切中領(lǐng)域工作的要義，未能切實(shí)符合領(lǐng)域工作需要，那么建模的深度是不夠的，這樣的模型用以開展系統(tǒng)信息與知識(shí)迭代的充分性是不能保證的。

模型的廣度。模型的廣度是建模行為在系統(tǒng)工程全鏈條工作中覆蓋性的程度，決定了在系統(tǒng)工程全局工作中以基于模型的手段開展的工作領(lǐng)域的范圍。模型廣度是系統(tǒng)信息與知識(shí)迭代全面性的保證，倘若模型廣度不夠，模型化支撐的系統(tǒng)認(rèn)知范圍就比較窄，其他非模型化工作領(lǐng)域認(rèn)知就難以整合進(jìn)來(lái)，系統(tǒng)信息與知識(shí)迭代的全面性就不能保證。另一方面來(lái)說(shuō)，模型的廣度也決定了基于模型能夠開展的系統(tǒng)工程驗(yàn)證回路的長(zhǎng)短，模型覆蓋范圍越大，對(duì)方案提前驗(yàn)證的支持能力也就越強(qiáng)；

模型的集成度。模型的集成度是系統(tǒng)工程各領(lǐng)域之間建模行為實(shí)現(xiàn)聯(lián)系與互通的程度，決定跨域模型聯(lián)通與互操作的實(shí)時(shí)性與效率。集成度高的模型之間能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)連通或互操作，集成度低的模型需要人工手段實(shí)現(xiàn)跨域模型信息集成。模型的集成度是系統(tǒng)信息與知識(shí)迭代快速性的保證，倘若模型的集成度不夠，跨域模型之間信息連通與交換的實(shí)時(shí)性和效率就會(huì)比較低，系統(tǒng)信息與知識(shí)迭代的快速性就難以保證。

在復(fù)雜系統(tǒng)研制這個(gè)大的方向上，模型化方法與技術(shù)應(yīng)用是未來(lái)發(fā)展的大趨勢(shì)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外提出了各類概念，基于模型的工程（MBE）、基于模型的企業(yè)（MBE）、體系結(jié)構(gòu)框架（DoDAF、UAF 等）、基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）、基于模型的設(shè)計(jì)（MBD）、數(shù)字孿生（Digital Twins）等概念層出不窮，其本質(zhì)都是不同深度、廣度與集成度的模型應(yīng)用在項(xiàng)目采辦、體系工程、系統(tǒng)工程、先進(jìn)設(shè)計(jì)、智能制造等領(lǐng)域的具象化的工程實(shí)踐。

我國(guó)系統(tǒng)工程要往前發(fā)展，要實(shí)現(xiàn)模型化的系統(tǒng)工程，模型一定是全壽命周期、全域和全時(shí)的，要能包括工程實(shí)踐的各個(gè)階段，這就需要以模型深度、廣度與集成度為著力點(diǎn)，開展模型化系統(tǒng)工程的能力建設(shè)。

模型化系統(tǒng)工程能力建設(shè)的三個(gè)階段

幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)部分研究力量已經(jīng)開展過(guò)MBSE 方法、語(yǔ)言與工具初步研究，探索了使用SysML等系統(tǒng)建模語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)需求、功能、架構(gòu)與參數(shù)進(jìn)行建模描述的方法研究，并面向部分實(shí)際系統(tǒng)構(gòu)建了系統(tǒng)模型，并打通了與部分物理級(jí)模型的數(shù)據(jù)接口，形成了一些成果，下一步需要推進(jìn)模型化系統(tǒng)工程的工程化。

模型化系統(tǒng)工程的工程化要求從工程實(shí)際出發(fā)，加強(qiáng)模型化理論與方法的本土化與實(shí)踐化，遵循模型深度、廣度、集成度三個(gè)維度的技術(shù)發(fā)展路徑，分步驟在型號(hào)系統(tǒng)工程運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)模型化工程應(yīng)用，從系統(tǒng)認(rèn)知能力與系統(tǒng)信息知識(shí)迭代能力兩方面逐步增強(qiáng)我國(guó)系統(tǒng)工程能力。

圍繞系統(tǒng)工程能力發(fā)展要求，系統(tǒng)工程模型化發(fā)展的能力建設(shè)從開始到逐步成熟分為以下三個(gè)階段。

模型使能的系統(tǒng)級(jí)認(rèn)知增強(qiáng)階段。構(gòu)建工程總體、系統(tǒng)總體的系統(tǒng)工程工作模型與程序規(guī)范，實(shí)現(xiàn)總體工作的模型化運(yùn)行。重點(diǎn)發(fā)展系統(tǒng)總體工作中模型的深度，提高系統(tǒng)層認(rèn)知能力以及系統(tǒng)層的信息知識(shí)迭代能力，信息與知識(shí)迭代的快速性和充分性得到根本上增強(qiáng)，需要構(gòu)建規(guī)范的、有效的系統(tǒng)工程工作模型，當(dāng)前在系統(tǒng)工程層級(jí)，國(guó)外理念和語(yǔ)言在國(guó)內(nèi)水土不服的情況比較突出，需要在充分吸收和理解MBSE 內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，深入結(jié)合我國(guó)系統(tǒng)工程實(shí)踐，對(duì)系統(tǒng)工程工作內(nèi)容和要素進(jìn)行深度研究，對(duì)系統(tǒng)工程工作的規(guī)則與模式進(jìn)行深度提煉，把這些工作實(shí)踐的共性模型提煉出來(lái)，為總體部門實(shí)踐應(yīng)用打下一個(gè)好的基礎(chǔ)，根本上改變我們開展系統(tǒng)工程工作的方式與載體。

系統(tǒng)級(jí)與基礎(chǔ)層級(jí)認(rèn)知的互相牽引階段。擴(kuò)大系統(tǒng)工程模型化工作范圍、加長(zhǎng)模型化認(rèn)知的總體鏈條。重點(diǎn)發(fā)展系統(tǒng)工程全鏈條工作中模型的廣度、集成度，并進(jìn)一步發(fā)展模型的深度，提高系統(tǒng)層認(rèn)知與各基礎(chǔ)層級(jí)認(rèn)知的聯(lián)系能力，以及更長(zhǎng)鏈條的信息與知識(shí)迭代能力，信息與知識(shí)迭代的快速性、全面性、充分性得以增強(qiáng)。將規(guī)范的模型化系統(tǒng)工程工作與基于模型的專業(yè)設(shè)計(jì)工作統(tǒng)一融合進(jìn)入模型化的標(biāo)準(zhǔn)工作程序。由于系統(tǒng)工程專業(yè)多樣復(fù)雜，單一建模手段難以覆蓋全局，需要認(rèn)識(shí)到，模型化的系統(tǒng)工程要求認(rèn)知的一致性和運(yùn)用的實(shí)踐性相融合，認(rèn)知一致性是共性一致，運(yùn)用的實(shí)踐性是個(gè)性實(shí)踐，需要重點(diǎn)研究將系統(tǒng)工程工作的領(lǐng)域本體模型與各基礎(chǔ)專業(yè)層級(jí)的本體模型的關(guān)聯(lián)與融合，構(gòu)建共性，以保障各專業(yè)個(gè)性化開展的實(shí)踐工作模型最后能夠?qū)崿F(xiàn)與系統(tǒng)的整體認(rèn)知相統(tǒng)一。

廣泛模型化支持下的可復(fù)用可重構(gòu)的系統(tǒng)工程整體認(rèn)知階段。將系統(tǒng)工程全鏈條模型實(shí)現(xiàn)緊密融合。重點(diǎn)發(fā)展系統(tǒng)工程全鏈條工作中模型的集成度與深度，進(jìn)一步提升模型廣度，提高系統(tǒng)工程整體認(rèn)知與整體的信息迭代能力，系統(tǒng)工程全局的信息與知識(shí)迭代的快速性、充分性、全面性得到體系性增強(qiáng)。將系統(tǒng)工程工作與各基礎(chǔ)層級(jí)工作模型進(jìn)行固化抽象，構(gòu)建成體系的跨域模型庫(kù)，支持跨域模型實(shí)時(shí)連通與互操作，實(shí)現(xiàn)模塊化、可復(fù)用、易重構(gòu)的系統(tǒng)工程與專業(yè)工作融合，實(shí)現(xiàn)模型化系統(tǒng)工程能力的跨越式發(fā)展。

堅(jiān)持通過(guò)系統(tǒng)工程模型化提高系統(tǒng)工程能力，為航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)鍛造堅(jiān)實(shí)的能力基礎(chǔ)

強(qiáng)大的科學(xué)、技術(shù)基礎(chǔ)和重大工程實(shí)現(xiàn)能力以及強(qiáng)大的研制、生產(chǎn)、試驗(yàn)和驗(yàn)證能力是航天強(qiáng)國(guó)必須具備的能力。我國(guó)航天已經(jīng)進(jìn)入深空大發(fā)展的時(shí)代，在任務(wù)更加復(fù)雜、工程難度更高的情況下，我們要堅(jiān)定應(yīng)用模型化的優(yōu)勢(shì)持續(xù)加強(qiáng)系統(tǒng)工程能力，結(jié)合技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)制定針對(duì)性的發(fā)展路徑，為航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)鍛造堅(jiān)實(shí)的能力基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)偉大的強(qiáng)國(guó)夢(mèng)貢獻(xiàn)力量！