基于模型的系統(tǒng)工程概述

本幻燈片中的圖片為教學(xué)中多年的積累，無法逐一列出出處，在此統(tǒng)一鳴謝！本幻燈片僅應(yīng)用于教學(xué)，無任何商業(yè)用途說明：1.1MBSE的歷史背景1.2MBSE的定義1.3MBSE的研究現(xiàn)狀1.4MBSE的關(guān)鍵技術(shù)1.5MBSE的行業(yè)應(yīng)用第1章

基于模型的系統(tǒng)工程概述什么是系統(tǒng)工程？1.1基于模型的系統(tǒng)工程的歷史背景錢學(xué)森教授在1978年指出：“‘系統(tǒng)工程’是組織管理‘系統(tǒng)’的規(guī)劃、研究、設(shè)計、制造、試驗和使用的科學(xué)方法，是一種對所有‘系統(tǒng)’都具有普遍意義的科學(xué)方法?！?《論系統(tǒng)工程》，1982年)系統(tǒng)工程產(chǎn)生于第二次世界大戰(zhàn)期間，在戰(zhàn)后50年代，開始有了初步發(fā)展。60年代，美國的阿波羅登月計劃成功地運用了系統(tǒng)工程的科學(xué)方法，按預(yù)定目標(biāo)第一次把人送到了月球。以此為轉(zhuǎn)機，系統(tǒng)工程受到了世界各國的高度重視，獲得迅速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用到自然科學(xué)和社會科學(xué)的各個領(lǐng)域，開創(chuàng)了系統(tǒng)工程發(fā)展的新時期。系統(tǒng)工程是運用系統(tǒng)方法，對系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃、研究、設(shè)計、制造、試驗和使用的組織管理技術(shù)。系統(tǒng)工程的不同層面1.1基于模型的系統(tǒng)工程的歷史背景系統(tǒng)工程的技術(shù)過程與管理過程基于文檔的系統(tǒng)工程

基于模型的系統(tǒng)工程1.1基于模型的系統(tǒng)工程的歷史背景MBSE方法是系統(tǒng)工程領(lǐng)域的一個重要方向，通過形式化的建模來支持系統(tǒng)開發(fā)全生命周期中的系統(tǒng)工程活動，包括系統(tǒng)的需求、架構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化分析、仿真驗證等過程。相較于傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程，MBSE最大的區(qū)別是從以文檔為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅Ｐ蜑橹行?。通過模型的不斷演進(jìn)，來實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計，具有可視化、可執(zhí)行、無歧義和模型關(guān)系顯性表示的特點。文檔為中心模型為中心物理地收集文檔文檔來自單一模型圖紙是相互獨立視圖彼此一致圖表展示靜態(tài)行為圖表展示可執(zhí)行的和動態(tài)行為數(shù)據(jù)存儲在多個地點和媒介數(shù)據(jù)存儲在一個鏈接庫系統(tǒng)視圖是存儲的系統(tǒng)視圖是動態(tài)產(chǎn)生的需求或設(shè)計變更需要手動修改有關(guān)文檔需求或設(shè)計變更自動修改有關(guān)文檔1.1MBSE的歷史背景1.2MBSE的定義1.3MBSE的研究現(xiàn)狀1.4MBSE的關(guān)鍵技術(shù)1.5MBSE的行業(yè)應(yīng)用第1章

基于模型的系統(tǒng)工程概述MBSE定義與發(fā)展路線1987年，MBSE的概念正式提出。1993年，亞利桑那大學(xué)A.WayneWymore教授發(fā)表了《基于模型的系統(tǒng)工程》一書1996年，ISO和INCOSE啟動了系統(tǒng)工程數(shù)據(jù)表達(dá)及交換標(biāo)準(zhǔn)化項目，其成果即后來的STEPAP233。1998年，INSIGHT雜志出版了《MBSE：一種新范式》專刊，探討信息模型對軟件工具互操作性的重要性等議題。2001年年初，INCOSE模型驅(qū)動的系統(tǒng)設(shè)計工作組決定發(fā)起UML針對系統(tǒng)工程應(yīng)用的定制化項目。2001年7月，INCOSE和OMG聯(lián)合成立了系統(tǒng)工程領(lǐng)域?qū)ｍ椗d趣組，并發(fā)布UMI針對系統(tǒng)工程的提案征集。2000年9月SysML1.0發(fā)布。2007-2008年，INCOSE發(fā)布了兩版《MBSE方法學(xué)調(diào)研綜述》。2009年，INSIGHT雜志在第二個《MBSE：這個新范式》?？行Q：MBSE已經(jīng)具備一定條件正式登上歷史舞臺。1.2MBSE定義2020年，INCOSE給出的MBSE的定義（Systemsengineeringvision2020）：MBSE是建模方法的形式化應(yīng)用，以使建模方法支持系統(tǒng)需求、設(shè)計、分析檢驗與確認(rèn)活動，這些活動從概念設(shè)計階段開始，貫穿整個開發(fā)過程及后續(xù)的生命周期階段。MBSE是向以模型為中心的系列方法轉(zhuǎn)變這一長期趨勢的一部分，這些方法被應(yīng)用于機械、電子和軟件等工程領(lǐng)域，以期望取代原來系統(tǒng)工程師們所擅長的以文檔為中心的方法，并通過完全融入系統(tǒng)工程來影響未來系統(tǒng)工程的實踐。1.1MBSE的歷史背景1.2MBSE的定義1.3MBSE的研究現(xiàn)狀1.4MBSE的關(guān)鍵技術(shù)1.5MBSE的行業(yè)應(yīng)用第1章

基于模型的系統(tǒng)工程概述美國航空航天局(NASA)1.3MBSE的研究現(xiàn)狀歐洲航天局(ESA)1.3MBSE的研究現(xiàn)狀在MBSE標(biāo)準(zhǔn)和全生命周期應(yīng)用方面做了系統(tǒng)性工作;致力于系統(tǒng)全生命周期數(shù)據(jù)一致性和基于模型的驗證。1.3MBSE的研究現(xiàn)狀相比于國外對系統(tǒng)工程及MBSE的研究，國內(nèi)的研究主要集中在21世紀(jì)初。航空工業(yè)集團(tuán)與IBM公司合作，引入IBMHarmony-SE方法和整套工具體系來開展航空系統(tǒng)工程，并通過仿真試驗、驗證、優(yōu)化了系統(tǒng)設(shè)計（圖為2016年航空工業(yè)集團(tuán)下屬企業(yè)的應(yīng)用情況）。1.1MBSE的歷史背景1.2MBSE的定義1.3MBSE的研究現(xiàn)狀1.4MBSE的關(guān)鍵技術(shù)1.5MBSE的行業(yè)應(yīng)用第1章

基于模型的系統(tǒng)工程概述1.4MBSE的關(guān)鍵技術(shù)1.4MBSE的關(guān)鍵技術(shù)建模語言——SysMLSysML是一種可視化建模語言，它由一個提供了在“基于模型的”背景環(huán)境下多種復(fù)雜系統(tǒng)描述方法的工具箱組成。SysML支持包含硬件、軟件、信息、制造等多領(lǐng)域系統(tǒng)的而描述、設(shè)計、分析、驗證等。SysML并不是一個全新的建模語言，而是建立在統(tǒng)一建模語言（UML）的基礎(chǔ)之上。建模方法論——Harmony1.4MBSE的關(guān)鍵技術(shù)Harmony綜合系統(tǒng)和軟件開發(fā)流程該方法由IBM開發(fā)，主要面向嵌入式復(fù)合系統(tǒng)，它集成了系統(tǒng)開發(fā)與軟件開發(fā)有IBMRhapsody工具作為支撐開發(fā)環(huán)境，該環(huán)境兼容UML、SysML等建模語言以及美國國防部標(biāo)準(zhǔn)DODAF等框架主要的工程步驟包括需求分析、系統(tǒng)功能分析、架構(gòu)設(shè)計。建模方法論——OOSEM1.4MBSE的關(guān)鍵技術(shù)OOSEM活動和建模成果物面向?qū)ο笙到y(tǒng)工程方法（OOSEM），支持面向?qū)ο竽Ｊ?，可以集成面向?qū)ο筌浖こ痰膬?yōu)勢。采用自上而下功能結(jié)構(gòu)思想。建模過程通過SysML語言實現(xiàn)，來實現(xiàn)對與系統(tǒng)的說明、分析、設(shè)計、驗證。該方法流程包含6個步驟：分析利益方需要、明確系統(tǒng)需求、明確邏輯架構(gòu)、綜合集成可選分配架構(gòu)、優(yōu)化與評估可選方案、確認(rèn)與驗證系統(tǒng)。任何商用SysML建模工具都可以用來支持面向?qū)ο笙到y(tǒng)工程方法。建模方法論——MagicGrid1.4MBSE的關(guān)鍵技術(shù)MagicGrid2.0流程MagicGrid方法是由NoMagic公司在OOSEM方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合在相關(guān)領(lǐng)域的具體實踐，提出的建模方法，是基于OOSEM思想的在實施過程中的細(xì)化其實施過程由三個階段組成，每個階段有四個步驟，最終固化為表格流程的形式，完成從需求分析到功能架構(gòu)，到系統(tǒng)組件的完整設(shè)計。建模方法論——其他建模方法1.4MBSE的關(guān)鍵技術(shù)通用系統(tǒng)建模方法：將面向?qū)ο蠹夹g(shù)與傳統(tǒng)自頂向下系統(tǒng)建模方法有機結(jié)合，形成具有模型驅(qū)動能力的復(fù)雜產(chǎn)品通用的系統(tǒng)建模方法，目的是構(gòu)建更具柔性和具有可擴展性的系統(tǒng)。并行建模方法：針對特定的需求如安全性等提出，目的在于將滿足特定需求的設(shè)計融于其他主要需求的設(shè)計中。對四個主要的建?；顒硬⑿械剡M(jìn)行建模，分別對應(yīng)一個領(lǐng)域，即需求域、行為域、架構(gòu)域及驗證與確認(rèn)域，并通過一個公共的系統(tǒng)設(shè)計倉庫關(guān)聯(lián)起來?；趯ο?過程的建模方法：Dori教授在系統(tǒng)地分析復(fù)雜產(chǎn)品特點的基礎(chǔ)上提出，認(rèn)為任何事物均可表示為“對象”或“過程”，而每一對象在任何時刻均有一個對應(yīng)狀態(tài)，且狀態(tài)的改變可通過過程的發(fā)生來實現(xiàn)。狀態(tài)分析法：由美國噴氣推進(jìn)實驗室開發(fā)，該方法提出了一套全新的工程系統(tǒng)建模理念。模型以狀態(tài)為核心，狀態(tài)被定義為時變演化系統(tǒng)的瞬時狀況的表示，模型描述狀態(tài)的演變過程。在該方法中，基于模型的需求可以直接映射到工程系統(tǒng)軟件部分的底層。該方法的特點和優(yōu)勢在于，狀態(tài)被明確定義，并且狀態(tài)的估計與狀態(tài)的控制相分離，硬件部分的適配器提供受控系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的唯一接口，并且在架構(gòu)中強調(diào)目標(biāo)導(dǎo)向的閉環(huán)操作，提供到軟件部分的直接映射。建模工具1.4MBSE的關(guān)鍵技術(shù)建模是實現(xiàn)MBSE應(yīng)用的直接技術(shù)手段，所采用的工具在市面上有多款商業(yè)化工具軟件，國外廠商系統(tǒng)架構(gòu)建模工具有IBM的Rhapsody、西門子推廣的Tales工具Capella、DassaultSystèmes的MagicDraw、SparxSystems公司的EnterpriseArchitect（EA）等相關(guān)工具1.1MBSE的歷史背景1.2MBSE的定義1.3MBSE的研究現(xiàn)狀1.4MBSE的關(guān)鍵技術(shù)1.5MBSE的行業(yè)應(yīng)用第1章

基于模型的系統(tǒng)工程概述航空領(lǐng)域1.5MBSE的行業(yè)應(yīng)用JPL研究室與QuadraPiR2E公司合作[11]，通過MBSE方法對基于衛(wèi)星的野火檢測器FireSat系統(tǒng)進(jìn)行了研發(fā)，整個過程包括構(gòu)建200多個熱紅外成像傳感器模型。經(jīng)過5年的應(yīng)用，JPL已經(jīng)完成了對MBSE全過程的初步推廣，實現(xiàn)了設(shè)計全過程的系統(tǒng)模型表達(dá)，并形成了自己的應(yīng)用經(jīng)驗。其中的總結(jié)包括任務(wù)分析，方案權(quán)衡，需求可追溯性，可靠性分析等方面。航天領(lǐng)域1.5MBSE的行業(yè)應(yīng)用美國國防先期研究計劃局（DARPA）2014年啟動“自適應(yīng)運載器制造”（AVM）項目，通過應(yīng)用基于模型的系統(tǒng)設(shè)計/分析/驗證等技術(shù)，使項目在研發(fā)初期就在模型的基礎(chǔ)上快速論證顯著壓縮了復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)周期。AVM計劃中深度應(yīng)用了MBSE，構(gòu)建了基于模型的設(shè)計、分析、驗證平臺，建立了組件模型庫，提供了模型化和參數(shù)化的組件，以及模型化的各類運載器材料的屬性庫，支持運載器整體的系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)基于模型仿真與模擬驗證，支持多個層面的工程分析，包括整車性能分析、人機環(huán)分析、機動性分析、可制造性分析、采購分析等，形成了全面、集成的系統(tǒng)工程運行環(huán)境，提高了系統(tǒng)工程效率。AVM項目中的CPS架構(gòu)汽車領(lǐng)域（福特公司）1.5MBSE的行業(yè)應(yīng)用美國福特公司與佐治亞理工學(xué)院合作