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基于模子的系统工程的基本原理
 
外洋把基于模子的系统工程(Model-Based Systems Engineering,MBSE)视为系统工程的“反动”、“系统工程的将来”、“系统工程的转型”等。海内中航产业集团也展开了相干研讨和运用。本文起首对“系统工程是构造管理的手艺”那一界说停止剖析,从根子上探讨系统工程的素质是什么,进而从体系建模的角度熟悉系统工程取体系建模手艺的干系,从体系建模手艺的颠覆性生长去对照MBSE和传统系统工程,剖析MBSE的基本原理,说明其上风。
 
系统工程包孕手艺历程和管理历程两个层面,手艺历程遵照剖析-集成的系统论思绪和渐进有序的开辟步调,即V型图所示。管理历程包孕技术管理历程和项目管理历程。工程体系的研制,本质是竖立工程体系模子的历程,正在手艺历程层面重要是体系模子的构建、剖析、优化、考证事情,正在管理历程层面,包孕对体系建模事情的计划、构造、指导、掌握。因而,系统工程这类“构造管理的手艺”,实质上应当包孕体系建模手艺和建模事情的构造管理手艺两个层面,个中体系建模手艺包孕建模言语、建模思绪和建模东西。传统系统工程(Traditional Systems Engineering,TSE,也是Text-Based Systems Engineering的简称)自发生以来,体系建模手艺中的建模言语转变较小。基于模子的系统工程正在建模言语、建模思绪、建模东西上有严重改变,相对传统系统工程有诸多弗成替换的上风,是系统工程的颠覆性手艺。
 
一、体系建模手艺是系统工程的重要组成局部
(一)工程体系建模是工程体系研制事情的中心
   
工程体系研制历程,就是竖立工程体系模子的历程。用户提出的需求是工程体系研制事情的“第一鞭策”,设想部门把这些需求“翻译”为体系架构模子(功用模子),再联合手艺供应商的零部件模子,构成一个均衡、优化、集成、联动的体系模子,进而获得可以或许让工人运用的物理模子(蓝图及工艺规程)。各个条理的模子、各个局部的模子、各个专业的模子,必需停止优越天追溯、集成,今后各方对模子的修正完美皆以此为根蒂根基和平台。并且,体系模子是不是相符实际,需求络续天经由过程体系仿真、实验、考证、确认去停止模子的修正完美。因而可以说,工程体系模子是工程研制事情的结果和中心。
 
工程体系研制也是一个借助体系模子去实现手艺相同的历程。由于庞大工程体系研制历程中,各到场方之间要停止优越天合作、合作,分工协作的根蒂根基是手艺相同,手艺相同的根蒂根基是体系模子。好比,用户背设想部门提出要求,设想部门提出解决方案(设计方案),两边提出的都是模子,是体系模子的差别视图。那是一个需求模子和设想模子相同的历程,是一个义务提出方给出“界说”,义务承接方给出“阐明”的历程[3]。整体设想部门和分系统设想部门之间的手艺相同,也是相似的历程。
 
全部工程体系建模事情,包孕体系建模历程和建模事情的构造管理,构造管理效劳于体系建模历程。工程体系建模事情必需停止优越天管理,即计划、构造、指导、掌握。计划,重要就是肯定全部庞大工程体系研制即体系建模各个方面的事情,和这些事情之间的逻辑干系、合作干系、工夫干系等。构造,就是肯定这些事情由哪些单元哪些人去完成。指导,就是指导和鼓励所有的单元和小我私家,而且和谐处理相干的抵牾取抵触。掌握,就是对建模事情停止监控、催促,确保按计划完成,也就是林林总总的手艺评审、搜检等。
 
(二)系统工程包孕手艺工程和管理工程

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手艺历程就是从用户的纸面需求酿成什物产物的历程。左侧是一个自上而下、从用户需求最先将体系逐层剖析为分系统、单机、零部件、原材料的历程;右侧是把最低条理的零部件自下而上逐级停止组装、集成、考证,构成体系,托付用户,知足用户需求的历程。手艺历程的输入是用户的需求文档,供应商的原材料、零部件及其手艺信息等;输出是导弹系统的设计方案和航行样机,航行样机根据设计方案而制造出来。全部手艺历程存在两条线的转变,一是信息这条线,把用户的需求文档和零部件信息酿成了终究的设计方案(也是一大堆信息、文档、标记),二是什物这条线,把种种原材料、零部件酿成可以或许航行、根基知足用户需求的样机。
 
管理历程包孕技术管理历程和项目管理历程,离别从导弹系统的手艺计划和项目展开的角度,对手艺历程中的各项运动停止构造管理。由于手艺历程的各个步调、子历程,是由差别的团队、机构、职员完成,需求从手艺的角度停止和谐、管理,以确保设计方案的手艺正确性、可行性,技术管理历程就是对这些运动从手艺的角度停止计划、构造、和谐、掌握的历程,重要包孕手艺计划、手艺掌握、手艺评价、手艺决议计划等。技术管理历程的每个环节,皆要掩盖到V型图的所有步调。项目管理历程正在技术管理历程之上,把庞大工程体系研制看成一个项目去管理,为手艺历程肯定了手艺、本钱、进度三要素相平衡的目的、计划,背手艺历程提出要求、供应资本、供应保障,并正在实行历程停止掌握。手艺历程和管理历程是系统工程互相联络、不可分割的两个条理。
 
(三)系统工程对体系建模手艺异常倚重
 
庞大工程体系研制包孕体系建模事情和体系建模事情的构造管理工作,那两样事情如何展开,就是系统工程要领。系统工程这类构造管理的手艺,不只包孕建模事情的构造管理手艺,也包孕体系建模的手艺,由于管理的根蒂根基是相同,庞大工程中相同的根蒂根基是体系模子,体系模子一定由人应用体系建模手艺去构建。系统工程这类手艺,实质上包孕体系建模手艺和体系建模事情的构造管理手艺。
 
体系建模事情和体系建模事情的构造管理工作相辅相成,并以体系建模事情为中心。图1中,技术管理历程的八个方面(手艺计划、手艺状况管理、接口管理等),都是盘绕着体系建模事情而展开的,固然重要是对人的管理,是对人与人之间盘绕、借助体系模子而展开的手艺相同的管理。那两个方面,又以体系建模事情(即手艺历程)为中心,有什么样的手艺历程和建模手艺,便发展出什么样的管理,由于技术管理是为手艺历程效劳的,建模事情的管理是为建模事情效劳的。
 
二、体系建模手艺的生长和MBSE提出的大配景
(一)建模思绪
 
人们研制庞大工程体系,就是要得到工程体系的设计方案,设计方案一定以某种语言文字、标记、线条、图示等去示意,也一定将这些标记固化到某种载体上,以便承载、生存、通报,前者即建模言语,后者即建模东西(包孕建模载体)。全部设想、研制事情又一定要遵照一个同一的、同等的思绪,也就是建模思绪。体系建模手艺便包孕建模言语、建模东西、建模思绪,全部研制历程就是人取体系建模手艺的充裕联合,是人对体系建模手艺的有用运用。
 
(二)体系建模手艺的生长转变
 
纵观系统工程发生、生长的汗青,能够发明建模东西这个维度发作了伟大的转变,表现正在计算机、网络及一系列的计算机辅助手艺(CAX)、PDM(产物数据管理)等,CAX是计算机和网络替代了人的手工绘图和图纸的通报,PDM是传统设想流程的上网(相似网上报销把线下的报销流程挪到了网上),没有从根本上改动人与人之间的相同言语题目,没有很好天处理人与人之间的常识相同题目。
 
相比之下,工程体系建模言语的转变较小,仍旧是自然语言为主(也包孕FFBD、IDEFx等建模言语),并没有从根本上改动系统工程。由于系统工程的中心是要从用户需求推导出设计方案,那中央的中心问题是差别范畴的人之间的常识相同,而相同所依附的是建模言语,建模言语的转变不克不及知足工程体系建模的需求,如体系模子的多视图集成、软硬件模子的集成、快速天仿真等。
 
(三)MBSE的界说
 
基于模子的系统工程是对建模(运动)的形式化运用(formalized application of modeling),以便支持系统要求、设想、剖析、考证和确认等运动,这些运动从观点设想阶段最先,连续贯串到设想开辟和厥后的所有寿命周期阶段。MBSE相对TSE的特性表现正在建模言语、建模思绪、建模东西三个方面,正在体系建模条理上的重要区分是体系模子的集成化水平和可执行水平的大幅度进步。
 
 
 

TSE

MBSE

建模言语

自然语言为主

体系建模言语为主

建模思绪

以体系的功用剖析为主线

以体系实体的层层剖析为主线

建模东西

计算机(安装了自然语言编纂软件),以处置惩罚文本文档为主

计算机(安装了体系建模言语编纂软件),以处置惩罚图形化、可视化、形式化的模子为主

体系模子

一本一本的讲演“离散”组成,靠手动、野生联系关系

存储正在计算机的模型库中,主动联系关系

 
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(四)MBX是MBSE泛起的大配景
近年去,国际工程界提出了林林总总的模子驱动或基于模子的要领,能够归纳综合为Model-3X或MBX(相对已往所提的CAX,即一系列的计算机辅助手艺,如CAD、CAE等),涉及到各种体系及体系寿命周期的各个阶段、各个方面的事情,INCOSE对这些要领停止了整合,并用MBSE“这杆大旗”停止了席卷,提出了MBSE的界说,并联合工具管理构造,正在UML的基础上开辟出了适宜于形貌工程体系的体系建模言语(SysML),软件提供商也开辟了响应的支撑SysML的东西,而且把SysML的建模东西和已有的专业剖析软件如NASTRAN、ANSYS、CAD等停止了集成,提出了MBSE的整体解决方案,具有了现实开辟型号的各方面的根蒂根基。
 
三、MBSE的基本原理和三个支柱
(一)MBSE对系统工程中的手艺历程停止了颠覆性革新
 
MBSE仍旧照样系统工程,层层剖析、综合集成的思绪并没有转变,中心就是接纳形式化、图形化、联系关系化的建模言语及响应的建模东西,革新了系统工程的手艺历程(即体系建模历程、V型图的左半边),充分利用了计算机、信息技术的上风,展开建模(露剖析、优化、仿真)事情,为右边的体系实现、实地考证奠基更加坚固的根蒂根基,从而提拔全部研制历程的效力。
 
MBSE用面向工具的、图形化、可视化的体系建模言语形貌体系的底层元素,进而逐层向上构成集成化、具体化、可视化的体系架构模子。相对传统的系统工程的自然语言、文本情势的形貌,这种方法增添了对体系架构形貌的全面性、准确性和一致性。应用这种方法,系统工程历程的三个阶段离别发生三种图形:正在需求剖析阶段,发生需求图、用例图及包图;正在功能分析取分派阶段,发生递次图、运动图及状态机(state machine)图;正在设想综合阶段,发生模块界说图、内部块图及参数图等。这些图形由体系建模言语的语法和语义去界说,既便于人的浏览,也便于计算机明白和处置惩罚。其好处是,自上而下天正在体系的不同层次重复运用那一历程,能够深切到体系最底层,把形貌最底层元素的图形言语集成起来,构成一个完好的体系架构模子。
 
(二)建模言语——SysML
 
体系建模言语划定了多少种除自然语言中的标记,包孕框图、线条、箭头等。框图就是关闭的线条,能够正在框图内分开出多少个地区,用自然语言填写差别的信息。并且差别的地区也由体系建模言语的笼统语法及计算机支持东西付与差别的寄义,为数据之间的联系关系奠基根蒂根基;线条包孕直线、折线等,也辨别实线和虚线;箭头是线条和框图的联合点,示意差别的寄义,如泛化、包罗等,端口也能够算作是箭头的一种。自然语言黑白形式化的,由人去处置惩罚。框图、线条、箭头是形式化的,由计算机去处置惩罚,人能够正在计算机及网络上停止很容易天编纂。
 
框图、线条、箭头组成了体系建模言语的“骨架”,然后正在示意体系的相干信息时,便用自然语言去正在划定好的位置去填写。好比正在框图中,能够填写块的名字、块的属性、块的行动等,正在线条上填写泛化、包罗等干系。体系建模言语的“骨架”,把系统工程中的观点给“可视化”了,如“导弹包罗弹头、发动机、掌握平分体系”那句话,用线条和箭头把示意导弹的块和示意弹头、发动机、掌握平分体系的块给连起来了,就是把它们的干系给“可视化”了,一览无余,很容易明白。同理,正在运动图中,能够把电源分系统取弹头、掌握分系统之间的电流活动给示意出来。体系建模言语把TSE下停止功能分析的FFBD图、状态机图、表格等示意法给规范化、统一化了,归入了全部大系统中。
 
体系建模言语正在常识的示意和处置惩罚方面有若干长处:一是相当于正在现有的各个学科之间、各种职员之间竖立了一门新的通用言语,各门学科的常识皆能够“翻译”转换成体系建模言语的情势。二是能够对常识停止图形化、可视化的示意,便于读者的明白。三是便于计算机的处置惩罚(因为体系建模言语形式化、联系关系化的特性)。因而,体系建模言语便于型号体系研制中常识的明白、继续、重用和集成,便于各方的手艺相同。
 
(三)建模东西
 
MBSE的建模东西重要就是支持系统建模言语绘图的计算机和网络情况,固然中心是支持系统建模言语的软件。屏幕上显现出体系建模言语的种种标记,给建模者浏览,底层应用体系建模言语的语法对相干数据停止了联系关系,并构成模型库。并且能够构建分布式的建模情况,轻易研制团队的协同设想。
 
形象天道,正在MBSE下,工程体系模子的相干信息,实现了从Word文档背Excel的改变,由于Excel中的数据,能够正在差别单元格之间竖立联系关系,这些单元格能够散布正在差别的表格间、差别的Excel文件中。设计人员正在设想、建模时,便没必要存眷种种模子元素的一致性、同步修正等,能够把重要精神放正在创造性思索上。
 
同时,国际体系工程界曾经制定了相干数据转换尺度,可以或许和已有的种种软件剖析东西停止数据交流,好比,专业的热学剖析软件、力学剖析软件,能够从体系建模言语构建的体系模子中取数,停止剖析、盘算、优化后再把数据写回体系模子中,实现络续天迭代优化,大幅度进步工程剖析的效力。
 
(四)建模思绪
 
建模思绪就是设想团队如何应用体系建模言语的种种图形去竖立体系模子,也就是事情流程。现在重要的要领包孕:IBM Telelogic Harmony-SE、Weilkiens System
Modeling (SYSMOD) method、INCOSE Object-Oriented Systems Engineering Method (OOSEM)等。事情流程依赖于各个设想单元的特性,也取设想的型号种别有关。
 
各行各业的型号研制单元,如航空航天等,正在运用MBSE,大概从TSE转向MBSE时,建模思绪、事情流程的研讨、探究、试用,应该是重点事情和前置性事情,由于体系建模言语是同一的,建模东西固然各个提供商各有特性,但素质是一样的,因而,要害便在于凭据本单元型号及组织机构特性,研讨合适本身的建模思绪和事情流程,那需求正在试点型号中探究运用,然后停止推行。
 
四、MBSE相对TSE的上风
 
型号研制的要求是“快好省”,本节议论如何从MBSE的特性到相对TSE的上风。
 
(一)应对需求蠕变,低落手艺风险
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用户自己所处的情况(如作战的敌手)正在络续天转变,并且用户对这些情况的熟悉也存在一个历程,因而,型号研制历程中,需求蠕变是不可避免的,并且那曾经逐步成为研制事情“拖降涨”的主因。MBSE接纳了多少方面的手腕去应对需求蠕变:包孕运用需求方和研制方皆可以或许明白的体系建模言语去停止需求剖析,理顺要求图中的种种图形的干系、理清用户方种种脚色、林林总总的要求,并记录在案,可随时查询、修正;正在计算机中竖立需求和体系模子中别的模子元素之间的干系,如设想、测试用例、用例等,而且停止静态的保护等等。
 
MBSE中的体系模子有显着的分层,对手艺停止了“断绝”,因而能够快速正确天对体系的不同层次的手艺途径停止挑选、对照(如对某种能够禁运的原材料预备一种替换质料),有效地应对手艺攻关中的滞后题目,能够在此基础上做出更科学的决议计划,低落手艺风险。
 
(二)赶早停止全系统仿真
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我们正在型号设想历程中,实际上是用对模子研讨去反应对现实体系的研讨。体系仿真就是让体系模子的各个要素“动起来”,看是不是相符设想的目标。TSE下的仿真主如果单学科(如力学、热学),没法实现全系统的集成仿真,不克不及快速有效地正在模子端周全、静态天辨认设想中的题目。正在MBSE下,运用体系建模言语及支撑软件,能够竖立静态可执行的体系模子,充裕天施展了计算机大容量、快速盘算等机能,正在计算机中对体系模子停止全系统仿真、随时仿真、全周期仿真,实时发明设想的题目并修正。www.30064com金沙澳门官网
 
(三)实现软硬件的协调开辟
 
跟着微电子技术及芯片手艺的生长,软件正在航天型号中施展着愈来愈主要的感化,数据采集、处置惩罚、状况判断、决议计划、掌握、实行大量天靠软件完成,其数目及范围也急剧增添。现在的型号研制,是先把体系的初步设计完成以后,才构成型号软件的需求说明书,一旦软件的开辟中碰到某些不容易战胜的题目,则会对体系的总体方案构成伟大的打击。
 
MBSE正在对体系停止逐级天分块时,其实不辨别软件和硬件,直至最底层才把逻辑部件分配给响应的硬件部件、软件部件和操纵顺序等,如许有助于体系功用正在软件硬件之间的公道和优化分派,可以或许得到越发优化、均衡的体系模子。
 
(四)提拔研制单元常识管理的才能
 
型号研制是一个常识的明白(明白用户的需求)、继续(继续以往的设计方案)、重用(重用科学研究中发明的规律)、集成(把各个学科的规律集成正在一个型号中)的历程,因而,从建模的角度看,型号研制事情便成了模子的明白、继续、重用和集成。
 
关于研制单元来讲,成熟型号的常识(设计方案、诀窍)是最珍贵的资产,因而常识管理是高科技企业的中心才能之一。正在MBSE下,成熟型号的常识是以体系建模言语模子的情势示意和存储的,便于捕捉、查询、明白、重用,并且重用的级别能够大幅度天进步,相似设想软件时能够间接拿来一个模块停止重用。
 
(五)增进建模事情的管理
 
正在MBSE下,技术管理的局部工作会变得轻易。由于系统工程不但是手艺历程、建模历程,借包孕技术管理历程,也就是对体系模子停止保护、管理等事情。MBSE下体系模子的各个方面的信息是联系关系在一起的,管理起来很轻易。通常涉及到型号设计方案(体系模子)的管理和保持的事情,都邑变得对照轻易,如手艺状况管理、材料管理、接口管理、衡量研讨等。
 
五、结论取启迪
(一)MBSE是系统工程的颠覆性手艺
 
系统工程作为“发明体系的要领和手艺”,作为庞大工程体系研制构造管理的手艺,固然包孕体系建模手艺和体系建模的构造管理手艺,由于管理的根蒂根基是相同,庞大工程中相同的根蒂根基是体系模子,体系模子的根蒂根基是体系建模手艺,体系建模事情中包罗着体系建模手艺,即建模言语、建模思绪和建模东西。
 
作为一种手艺,系统工程究竟照样要不断向前生长的,其偏向是什么值得卖力研讨。时至今日,工程体系建模手艺发作了伟大改动,包孕建模言语、建模思绪、建模东西皆发作了改动,也可以说系统工程曾经参与到需求剖析历程、设想历程、实验历程。因而,应充裕天正视手艺历程中的体系建模手艺,充分认识东西、手艺、管理的辩证关系。因而,我们能够从庞大工程体系建模的角度去从新熟悉系统工程:系统工程是一种竖立庞大工程体系模子的手艺(要领),包孕体系建模手艺(用于构建体系模子的建模言语、建模思绪和建模东西)和对建模事情停止构造管理的手艺。
 
MBSE正在建模言语这个条理停止了方向性、根本性的改变,充分利用了信息技术、软件工程等方面的手艺,也相应了型号愈来愈庞大的需求,正在型号研制理论中开端得到了运用并考证了其上风。因而,综合各方面身分看,MBSE是系统工程的颠覆性手艺。