3.4基于模型的系統(tǒng)工程主講人：焦建玲時(shí)間：2024年7月《智能制造導(dǎo)論》第1頁(yè)內(nèi)容提綱第三章智能制造的系統(tǒng)工程技術(shù)一、MBSE的基本概念二、MBSE的建模過(guò)程第2頁(yè)第三章智能制造的系統(tǒng)工程技術(shù)MBSE的內(nèi)涵在2007年，國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)（INCOSE）發(fā)布了《系統(tǒng)工程愿景2020》，將基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）定義為：“通過(guò)形式化的建模方法創(chuàng)建數(shù)字模型，以支持系統(tǒng)從概念設(shè)計(jì)階段開(kāi)始的需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證及確認(rèn)活動(dòng)，并持續(xù)貫穿開(kāi)發(fā)過(guò)程及后續(xù)的整個(gè)生命周期?！敝悄苤圃斓腗BSE是從需求到產(chǎn)品架構(gòu)的數(shù)字化架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)流程和活動(dòng)，是包括相關(guān)過(guò)程、方法和工具的集合，以支持基于模型或模型驅(qū)動(dòng)環(huán)境下的智能制造系統(tǒng)工程。智能制造的MBSE通過(guò)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、存儲(chǔ)能力和信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)智能制造復(fù)雜系統(tǒng)工程中的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的文檔中心向模型中心的轉(zhuǎn)變。第3頁(yè)第三章智能制造的系統(tǒng)工程技術(shù)MBSE的核心環(huán)節(jié)MBSE的核心環(huán)節(jié)包括系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成和系統(tǒng)驗(yàn)證。4系統(tǒng)集成3系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)驗(yàn)證5系統(tǒng)建模1系統(tǒng)分析2對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、行為、功能、性能等方面的描述。主要運(yùn)用建模語(yǔ)言，描述系統(tǒng)的各個(gè)方面，并建立模型之間的關(guān)聯(lián)和約束。通過(guò)系統(tǒng)建模，可以進(jìn)行系統(tǒng)分析，包括對(duì)系統(tǒng)需求、功能、行為、性能等方面的分析。基于系統(tǒng)模型進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組件、接口、交互等方面。將各部分的模型集成到一個(gè)整體模型中，進(jìn)行系統(tǒng)整體性能和行為的分析和驗(yàn)證。通過(guò)系統(tǒng)模型進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證和確認(rèn)，包括驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿(mǎn)足需求、功能是否正確實(shí)現(xiàn)、性能是否符合預(yù)期等方面。MBSE的上述環(huán)節(jié)相互交織，通過(guò)建立和維護(hù)系統(tǒng)模型，支持系統(tǒng)工程全生命周期的各個(gè)階段。第4頁(yè)第三章智能制造的系統(tǒng)工程技術(shù)MBSE的演化（圖源自書(shū)籍《SystemsEngineeringDemystified》）階段一基于文檔的系統(tǒng)工程階段二以文檔為中心的系統(tǒng)工程階段三模型增強(qiáng)系統(tǒng)工程階段四以模型為中心的系統(tǒng)工程階段五基于模型的系統(tǒng)工程從傳統(tǒng)的基于文檔的系統(tǒng)工程方法發(fā)展演變到MBSE，期間大致經(jīng)歷了五個(gè)階段，分別為：基于文檔的系統(tǒng)工程；以文檔為中心的系統(tǒng)工程；模型增強(qiáng)的系統(tǒng)工程；以模型為中心的系統(tǒng)工程和基于模型的系統(tǒng)工程。MBSE演變階段第5頁(yè)第三章智能制造的系統(tǒng)工程技術(shù)發(fā)展階段人員過(guò)程工具階段一基于文檔的系統(tǒng)工程具備系統(tǒng)工程的基本能力已經(jīng)落實(shí)的過(guò)程可能被記錄，也可能不被記錄，但一定會(huì)有一個(gè)過(guò)程被落實(shí)通?；贠ffice工具，如文字處理器、演示應(yīng)用程序和電子表格階段二以文檔為中心的系統(tǒng)工程具備系統(tǒng)工程的基本能力，并在非正式的層面上應(yīng)用符號(hào)與過(guò)程相關(guān)聯(lián)的工件仍然是文檔，但人們開(kāi)始用符號(hào)來(lái)支持文本描述與階段一相同，但能夠使用當(dāng)前的繪圖工具創(chuàng)新構(gòu)成文檔一部分的圖表階段三模型增強(qiáng)的系統(tǒng)工程接受了某種正式的符號(hào)訓(xùn)練；對(duì)MBSE概念的范圍有一定的認(rèn)識(shí)水平真正的模型逐漸從文檔中顯現(xiàn)，知識(shí)被模型和文檔所區(qū)分有多個(gè)工具被用作建模的一部分階段四以模型為中心的系統(tǒng)工程具備使用MBSE和候選工具方面的能力幾乎完全基于MBSE；對(duì)前一階段引入的試點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行衡量和評(píng)估，以展示MBSE方法的有效性首選的工具被選中，并在實(shí)際項(xiàng)目中使用階段五基于模型的系統(tǒng)工程掌握了MBSE及其在組織中的應(yīng)用完全基于模型；MBSE和其他高級(jí)應(yīng)用正在實(shí)施，如模式識(shí)別、定義和應(yīng)用；過(guò)程和能力建模；變體建模等不同類(lèi)型的工具無(wú)縫互操作，例如管理工具與MBSE建模工具交互，后者與數(shù)學(xué)建模工具交互MBSE的不同發(fā)展階段對(duì)人員、過(guò)程和工具要求不同，具體差異總結(jié)如下。MBSE演變階段第6頁(yè)第三章智能制造的系統(tǒng)工程技術(shù)基于文檔的、分離的、手動(dòng)的方法文檔用于信息共享，會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)混亂和誤解手動(dòng)更新的設(shè)計(jì)版本取決于多個(gè)作者的更新，會(huì)導(dǎo)致團(tuán)隊(duì)成員擁有不同的版本多個(gè)文檔是團(tuán)隊(duì)成員和利益相關(guān)者之間手動(dòng)更新的溝通方式原型和文本文檔用于開(kāi)發(fā)文本是像英語(yǔ)一樣的書(shū)面語(yǔ)言，只有簡(jiǎn)單的正式描述結(jié)構(gòu)規(guī)則質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一各開(kāi)發(fā)階段的工程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在位于多個(gè)地方的文檔中，并由多個(gè)作者手動(dòng)更新管理基于文檔的系統(tǒng)工程（DBSE）基于文檔的系統(tǒng)工程（DBSE）的特點(diǎn)MBSE演變階段-基于文檔的系統(tǒng)工程（DBSE）第7頁(yè)第三章智能制造的系統(tǒng)工程技術(shù)基于模型的系統(tǒng)工程（DBSE）的特點(diǎn)基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）基于模型的集成自動(dòng)化方法模型和插圖用于信息共享設(shè)計(jì)版本實(shí)時(shí)自動(dòng)更新，所有團(tuán)隊(duì)成員都擁有當(dāng)前版本模型是團(tuán)隊(duì)成員和利益相關(guān)者溝通的主要方式，并且會(huì)實(shí)時(shí)自動(dòng)更新使用虛擬模型和模擬進(jìn)行開(kāi)發(fā)使用SysML語(yǔ)言并受到嚴(yán)格控制可追蹤的統(tǒng)一質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)每個(gè)開(kāi)發(fā)階段的工程數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在一個(gè)模型中MBSE演變階段-基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）第8頁(yè)第三章智能制造的系統(tǒng)工程技術(shù)MBSE相對(duì)于DBSE具有表達(dá)內(nèi)容清晰性、系統(tǒng)設(shè)計(jì)一體化、知識(shí)利用便捷性、模型可重用性以及系統(tǒng)需求可追蹤管理等優(yōu)勢(shì)。表達(dá)內(nèi)容清晰性

在傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程工作過(guò)程中，系統(tǒng)的初期需求是以文檔為主的方式獲取的，但文字描述具有語(yǔ)義模糊性及理解的差異性。MBSE可以清晰地刻畫(huà)復(fù)雜系統(tǒng)的初期結(jié)構(gòu)、功能和行為等多方面的需求，具有無(wú)二義性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)一體化

MBSE的建立是涵蓋系統(tǒng)的整個(gè)生命周期過(guò)程的，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)，是一個(gè)統(tǒng)一整體的過(guò)程，可以提供完整、一致并可追溯的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而保證系統(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)。知識(shí)利用便捷性

系統(tǒng)生命周期中包含著許多信息的傳遞和轉(zhuǎn)換過(guò)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)換以及再利用更加方便和有效。模型可重用性

對(duì)比傳統(tǒng)以文檔為中心的系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方案，基于模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有更強(qiáng)的模塊化特征，特別是在“面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設(shè)計(jì)”中，同層次模型間耦合度較低，封裝性好。因此，模型的后期結(jié)果可在未來(lái)相關(guān)領(lǐng)域研究中被重用或修改后重用。系統(tǒng)需求跟蹤管理

MBSE可建立需求、功能、系統(tǒng)間的映射關(guān)系矩陣，對(duì)系統(tǒng)需求進(jìn)行跟蹤與管理。設(shè)計(jì)方可根據(jù)關(guān)系矩陣來(lái)確認(rèn)方案與預(yù)期結(jié)果的差異，明確未達(dá)成的需求，并分析需求、功能及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改變對(duì)系統(tǒng)整體的影響。MBSE演變階段-MBSE的優(yōu)勢(shì)第9頁(yè)第三章智能制造的系統(tǒng)工程技術(shù)MBSE的應(yīng)用發(fā)展——發(fā)展路線國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)在《系統(tǒng)工程2020愿景》中提出了MBSE遠(yuǎn)景規(guī)劃，規(guī)劃描繪了2007-2020年MBSE的發(fā)展路線和不同時(shí)期的成熟度，隨著成熟度的不斷提升，架構(gòu)模型在研發(fā)過(guò)程中的價(jià)值越來(lái)越凸顯。INCOSE提出的MBSE發(fā)展路線圖第10頁(yè)第三章智能制造的系統(tǒng)工程技術(shù)MBSE的應(yīng)用發(fā)展——國(guó)際方面在MBSE出現(xiàn)之初，發(fā)達(dá)國(guó)家就積極開(kāi)展MBSE的應(yīng)用實(shí)踐和創(chuàng)新，不僅在國(guó)防、航空航天等多個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的探索和實(shí)踐，并且取得了較大成功。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(guò)程,從運(yùn)行概念到需求到設(shè)計(jì)到生產(chǎn)。NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室制定了2009—2016年MBSE應(yīng)用發(fā)展戰(zhàn)略，提出以模型為中心的集成架構(gòu)。目前已有超過(guò)20個(gè)開(kāi)發(fā)任務(wù)全生命周期應(yīng)用MBSE。洛克希德·馬丁公司采用MBSE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。空客公司在A350系列飛機(jī)的開(kāi)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。第11頁(yè)第三章智能制造的系統(tǒng)工程技術(shù)MBSE的應(yīng)用發(fā)展——國(guó)內(nèi)方面近年來(lái),

MBSE在我國(guó)航空航天領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，多項(xiàng)國(guó)之重器的研發(fā)過(guò)程開(kāi)展了MBSE的應(yīng)用探索。中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院采用RationaDOORS進(jìn)行需求管理,并按照Harmony-SE流程,采用Rhapsody工具完成空中交通防撞系統(tǒng)以及航電系統(tǒng)的系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)與建模。中航工業(yè)西安航空計(jì)算研究所利用MBSE需求分析、功能分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)方法在某型動(dòng)力電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了初步應(yīng)用。中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部將MBSE方法應(yīng)用于載人飛船交會(huì)對(duì)接任務(wù)中,提高了設(shè)計(jì)效率、改善了人員溝通、降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。中航工業(yè)飛行自動(dòng)控制研究所對(duì)MBSE流程進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化定義,明確了系統(tǒng)工程活動(dòng)、輸入輸出及相應(yīng)的崗位角色,并在飛控等復(fù)雜系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)行了MBSE方法論與工具的實(shí)踐。第12頁(yè)二MBSE建模過(guò)程第三章智能制造的系統(tǒng)工程技術(shù)MBSE的建模過(guò)程依賴(lài)于三大支柱：建模方法、建模語(yǔ)言和建模工具。建模方法為整個(gè)過(guò)程提供指導(dǎo)，不僅促進(jìn)建模語(yǔ)言的發(fā)展，也推動(dòng)建模工具的進(jìn)步，同時(shí)直接指導(dǎo)MBSE模型的構(gòu)建。建模語(yǔ)言對(duì)MBSE模型進(jìn)行描述，為模型提供標(biāo)準(zhǔn)化的表達(dá)方式。建模工具在其中扮演著實(shí)現(xiàn)和支持的角色，一方面用于生成和管理MBSE模型，另一方面作為建模語(yǔ)言實(shí)際應(yīng)用的平臺(tái)。建模方法建模語(yǔ)言建模工具M(jìn)BSE模型促進(jìn)促進(jìn)應(yīng)用指導(dǎo)描述生成與管理第13頁(yè)二MBSE建模過(guò)程第三章智能制造的系統(tǒng)工程技術(shù)系統(tǒng)建模語(yǔ)言定義了多種除自然語(yǔ)言之外的符號(hào)系統(tǒng)，包括框圖、線條和箭頭等元素?？驁D由封閉的線條構(gòu)成，內(nèi)部可以劃分為幾個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域填充不同的自然語(yǔ)言信息。線條元素包括直線和折線，并區(qū)分為實(shí)線與虛線。箭頭表示線條和框圖的結(jié)合點(diǎn)，承載如泛化、包含等不同的邏輯關(guān)系，端口可以視為箭頭的一種特殊形式?？驁D、線條、箭頭構(gòu)成了系統(tǒng)建模語(yǔ)言的“骨架”，用自然語(yǔ)言在規(guī)定好的位置表示系統(tǒng)的相關(guān)信息?？驁D01線條02箭頭03第14頁(yè)二MBSE建模過(guò)程第三章智能制造的系統(tǒng)工程技術(shù)國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)與對(duì)象管理組織（OMG）共同提出了一種標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)建模語(yǔ)言，即系統(tǒng)建模語(yǔ)言（SysML）。它是OMG發(fā)布的統(tǒng)一建模語(yǔ)言（UML）在系統(tǒng)工程領(lǐng)域的延續(xù)和擴(kuò)展。與UML相比，SysML增加了代表系統(tǒng)需求可視化建模的需求圖，這是系統(tǒng)工程的關(guān)鍵所在，還增加了顯示系統(tǒng)組件在所有水平上參數(shù)之間關(guān)系的參數(shù)圖。常用的系統(tǒng)建模語(yǔ)言除了SysML外，還有AP233，BPMN，UPDN等。SysML圖結(jié)構(gòu)圖需求圖行為圖塊定義圖內(nèi)部塊圖包圖活動(dòng)圖序列圖狀態(tài)機(jī)圖用例圖參數(shù)圖與UML相同SysML新增的從UML改進(jìn)的圖第15頁(yè)二MBSE建模過(guò)程第三章智能制造的系統(tǒng)工程技術(shù)建模工具主要為系統(tǒng)建模語(yǔ)言提供計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)支持的圖形化環(huán)境。核心功能是支持系統(tǒng)建模語(yǔ)言的應(yīng)用軟件，能在屏幕上展示系統(tǒng)建模語(yǔ)言中的各類(lèi)符號(hào)，供建模者使用。業(yè)界主流的建模工具包括IBMRationalRhapsody、CORE（Vitech公司）、EnterpriseArchitect（SparxSystems公司）、Modelio（開(kāi)源軟件）、MagicDraw（NoMagic，達(dá)索收購(gòu)）等，建模工具廠商結(jié)合自己對(duì)MBSE的理解，開(kāi)發(fā)出各具特色的建模工具。IBMRationalRhapsodyCORE（Vitech公司）ModelioEnterpriseArchitectMagicDraw第16頁(yè)二MBSE建模過(guò)程第三章智能制造的系統(tǒng)工程技術(shù)建模方法詳細(xì)規(guī)定了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中所需的模型構(gòu)建內(nèi)容、各階段模型生成的視圖產(chǎn)品以及模型視圖的時(shí)序關(guān)系，規(guī)定了在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中圖形的使用規(guī)范和模型的組織結(jié)構(gòu)。MBSE的建模方法包括INCOSE面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)工程方法（OOSEM）方法、IBM的RationalTelelogicHarmony-SE、IBM的RUP系統(tǒng)工程方法、Vitech

MBSE建模方法等。不同的建模方法在形式和特點(diǎn)上各異，但核心都基于V模