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MBSE基于模型的系统工程


时间: 2020-07-06    来源: 楚凡科技

  MBSE是建模方法的形式化应用,以使建模方法支持系统要求、设计、分析、验证和确认等活动,这些活动从概念性设计阶段开始,持续贯穿到设计开发以及后来的所有寿命周期阶段


国外把基于模型的系统工程(Model-Based Systems Engineering,MBSE)视为系统工程的“革命”、“系统工程的未来”、“系统工程的转型”等。国内中航工业集团也开展了相关研究和应用。本文首先对“系统工程是组织管理的技术”这一定义进行分析,从根子上探究系统工程的本质是什么,进而从系统建模的角度认识系统工程与系统建模技术的关系,从系统建模技术的颠覆性发展来对比MBSE和传统系统工程,分析MBSE的基本原理,阐明其优势。
系统工程包括技术过程和管理过程两个层面,技术过程遵循分解-集成的系统论思路和渐进有序的开发步骤,即V型图所示。管理过程包括技术管理过程和项目管理过程。工程系统的研制,实质是建立工程系统模型的过程,在技术过程层面主要是系统模型的构建、分析、优化、验证工作,在管理过程层面,包括对系统建模工作的计划、组织、领导、控制。因此,系统工程这种“组织管理的技术”,实质上应该包括系统建模技术和建模工作的组织管理技术两个层面,其中系统建模技术包括建模语言、建模思路和建模工具。传统系统工程(Traditional Systems Engineering,TSE,也是Text-Based Systems Engineering的简称)自产生以来,系统建模技术中的建模语言变化较小。基于模型的系统工程在建模语言、建模思路、建模工具上有重大转变,相对传统系统工程有诸多不可替代的优势,是系统工程的颠覆性技术
随着人们所研制的工程系统越来越复杂,传统系统工程(Traditional Systems Engineering,TSE)越来越难以应对,与此同时,以模型化为代表的信息技术也在快速发展,因此在需求牵引和技术推动下,基于模型的系统工程(Model-Based Systems Engineering,MBSE)应运而生了。
传统系统工程中,系统工程活动的产出是一系列基于自然语言的文档,比如用户的需求、设计方案。这个文档又是“文本格式的”,所以也可以说传统的系统工程是“基于文本的系统工程”(Text-Based Systems Engineering,TSE)。在这种模式下,要把散落在各个论证报告、设计报告、分析报告、试验报告中的工程系统的信息集成关联在一起,费时费力且容易出错。
2007年,国际系统工程学会(INCOSE)在《系统工程2020年愿景》中,正式提出了MBSE的定义:MBSE是建模方法的形式化应用,以使建模方法支持系统要求、设计、分析、验证和确认等活动,这些活动从概念性设计阶段开始,持续贯穿到设计开发以及后来的所有寿命周期阶段。
在具体实现上,INCOSE联合对象管理组织(OMG)在统一建模语言(Unified Modeling Language,UML)的基础上,开发出了适宜于描述工程系统的系统建模语言的(System Modeling Language,SysML),软件提供商也开发了相应的支持SysML的工具,并且把SysML的建模工具和已有的专业分析软件如FEA、CAD等进行了集成,提出了MBSE的整体解决方案,具备了实际开发工程系统的基础。NASA、波音、洛马也积极采用MBSE开发各类工程系统,取得了很好的效果。
建模工具是工程实践中重要的工具。马克思说,“最蹩脚的建筑师从一开始就比最灵巧的蜜蜂高明的地方,是他在用蜂蜡建筑蜂房以前,已经在自己的头脑中把它建成了”。工程系统的研制过程,实际上是建立工程系统模型的过程,也是一个借助模型来实现技术沟通的过程。工程研制中建立并使用工程系统模型,需要合适的建模语言、建模工具和建模思路,因此,系统工程工具、建模工具,是系统工程的重要组成部分。
建模仿真工具的发展进步推动了系统工程的发展,使其从“基于文本”向“基于模型”发展。MBSE的提出,实质是基于自然语言的系统工程转到模型化的系统工程,把人们对工程系统的全部认识、设计、试验、仿真、评估、判据等全部以模型的形式进行保存和利用。
1、MBSE促进工程系统和系统工程从伴生到融合
MBSE下系统模型成为各专业学科模型的集线器。各专业学科的模型已经被大量应用于工程设计的各个方面,但模型缺乏统一的编码,也无法共享,建模工作仍处于“烟囱式”的信息传递模式,形成了一个个的“模型孤岛”,没有与系统工程工作流良好结合。在MBSE下,系统模型成了各学科模型的“集线器”,各方人员围绕系统模型开展需求分析、系统设计、仿真等工作,便于工程团队的协同工作。这就使整个设计团队可以更好地利用各专业学科在模型、软件工具上的先进成果。
2、MBSE推动系统工程的智能化发展
MBSE出现后,系统工程的本质没有变,只是运行的形态发生了变化。MBSE下,工程研制工作由过去的“80%劳动、20%创造”转变为“20%劳动、80%创造”。如同能战胜人类围棋高手的AlphaGo软件,其实质是让机器模仿人,发挥机器海量存储、高速计算、不知疲劳的优点,代替人从事繁重、繁杂、重复性的脑力劳动,实现人与计算机的更优化的分工,从而推动系统工程向智能化发展

 

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