与传统系统工程相比，基于模型的系统工程（MBSE）充分发挥模型的优势，提高系统全周期信息表示的一致性，增强系统功能性能的早期验证和多学科协同优化设计能力。然而，MBSE在我国的实施面临协调范围广、学习转化成本高、基础建设工作量大等挑战。因此，实现MBSE转型需要长远规划，同步推进系统工程标准和MBSE建模方法研究，整合力量，夯实转型基础，推动MBSE实施。
近年来，各国复杂工程系统的开发任务数量显着增加，涉及的学科和子系统数量增多，性能指标要求不断提高，系统的复杂性不断增加，开发成本仍然很高。美国国家航空航天局（NASA）在2011年指出，系统工程未来将面临严峻的问题：首先，航空航天工程的规模和复杂性逐年增加，但工程师处理能力的增长速度却在加快。复杂的系统问题跟不上系统的复杂性。从逻辑上讲，系统项目各阶段之间、项目之间知识的继承和复用是困难的。国防工业协会（NDIA）也在其2013年年终报告中分析了系统工程面临的问题。除了指出与NASA报告中类似的问题外，还指出系统工程工作成果的利用率和可移植性较差，以及不同领域的具体工作。粒度和成熟度差异很大，集成困难。随着计算机信息技术和工程技术在各个领域的快速发展，使用面向对象、图形化、可视化的系统建模语言描述系统变得越来越容易，模型在系统开发中所占的比例也越来越大。随着时间的推移，基于模型的系统工程（MBSE）应运而生。 MBSE方法可以有效解决基于文档的系统工程方法在参数获取和技术状态管理方面面临的问题。它是有效处理系统复杂性的强大工具。已广泛应用于国外航空、航天、造船等领域。中国也是受到广泛关注的研究和实践热点。
MBSE的发展历史20世纪中后期，许多学者对完美系统模型理论进行了深入研究，发展了各种系统建模思想和理论。具有代表性的系统模型理论包括Tarski模型理论、Klir和Lin的一般系统方法论、Nahm的公理化设计理论等。在过去的几十年里，学者们在模型理论领域取得了令人瞩目的成就，形成了众多基于模型的方法来描述、分析和设计系统。在实践中，一些基于数理逻辑、更加直观、易于理解、易于交流的图形化建模方法正逐渐应用于软件工程和系统工程中。 1993年，美国学者Wymore在《基于模型的系统工程》中提出了通过严格的数学表达式来抽象表达系统工程过程中的各种状态和要素的方法，也在数学模型系统中建立了系统工程的各个方面。状态要素之间的关系是系统工程模型描述方法的雏形。 1997年，对象管理组织（OMG）发布了统一建模语言（UML），用于对软件工程过程进行建模，以提高软件开发效率，降低开发成本。 UML在软件工程中的成功促进了系统工程界对建模方法的认可，即利用可视化、可执行的标准建模语言来提高系统工程过程的效率。 2003年，OMG在UML的基础上进行扩展和重新开发，提出了系统建模语言（SysML）作为系统工程的标准化建模语言，为MBSE的实际应用提供了现实可行的实现。途径和技术支持。 2007年，国际系统工程研究所（INCOSE）在《系统工程 2020 愿景》中提出了MBSE的定义：“对系统需求、设计、分析、验证和确认活动的建模行为的形式化和标准化应用。这种建模应用始于”INCOSE强调MBSE是未来系统工程方法和技术的发展趋势，是系统工程领域的一场革命，并提出了MBSE愿景计划。第一次参加会议。计划2007年至2020年实现MBSE理论与实践体系的逐步成熟，这意味着MBSE将成为未来系统工程的重要发展方向。 INCOSE的MBSE规划路径如图1所示。
图1 INCOSE规划MBSE的发展愿景和路径
与基于模型的设计（MBD）和计算机辅助设计（CAD）等概念不同，MBSE并不专注于解决特定学科的设计问题。 MBSE强调对系统工程过程进行建模，集成系统需求、系统分析、系统设计和系统设计。将验证等过程涉及的分析要素进行建模并有机链接，再现系统演示和设计思路，保持系统信息在整个生命周期的一致性和可追溯性。简而言之，MBD和CAD是面向设计的，而MBSE是面向系统工程的。就MBSE概念的内涵而言，“基于模型”是手段，属于媒体范畴，“系统工程”是业务范畴。因此，MBSE 并不是一种可以立即使用的通用方法。 MBSE在具体应用过程中需要将建模理念与实际业务相结合进行深度定制设计。通过清晰的系统工程业务流程的指导，以模型为工作媒介，合理组织系统工程工作流程，并用模型化的输出来表示系统。最终实现项目各工作节点的结果和结论，实现建模方法。
MBSE典型应用分析2010年，OMG对美国各军工企业MBSE的应用情况进行了调查。结果显示：47.2%的企业已将系统建模融入到业务流程中，24.1%的企业正在制定系统建模应用计划。 19.4%的企业正在考虑制定计划，而只有9.3%的企业根本没有计划。此外，66.3%的企业愿意参与系统建模语言的改进和开发。德国《工业4.0实施计划》将“利用模型掌握系统复杂性”列为未来八个重要活动领域之一。这些数据信息表明，以美国、德国为代表的工业强国充分重视MBSE，并对MBSE进行了广泛的实际应用和不断创新。国内已有相关论文对国外的一些案例进行了解释和介绍。在此，我们围绕MBSE典型应用的目的，对国内外一些典型应用案例进行分类分析。通过MBSE统一系统工程描述基线复杂系统产生的海量信息和数据给系统工程活动的管理和维护带来了许多严重的问题，主要体现在：众多的信息分散在各种文档中，给系统工程活动的管理和维护带来了许多严重的问题。确保完整性和一致性；传统的系统工程文档很难描述复杂、高度动态和交互的活动。表达能力不够，有时会产生歧义，导致工程人员沟通时产生误解。项目细节难以维护和跟进。当某个文档的内容发生改变后，与该文档相关的文档就很难需要进行相应的改变，工作量很大，维护起来也很困难。通过统一的图形建模语言描述复杂的工程系统可以有效缓解甚至解决上述问题。国外针对此类应用已经开展了大量工作。 NASA十大中心明确要求系统演示成果必须是模型。洛克希德·马丁公司潜艇设计团队在新型潜艇电子系统的设计过程中，花了一年的时间将所有原始文档转换为系统模型。建模对象包括对20个项目处的35套子系统、3500个接口需求、500个服务、5000个接口实体模型、15000个模型元素之间的关系进行建模，以描述过去复杂的系统工程过程的变化。难以管理的问题。此外，美国国防部特别注重系统工程开发模式的创新。 2013年，美国国防部“负责系统工程的副助理部长”和“海军航空系统司令部”联合支持美国国防部系统工程研究中心开展“通过MBSE进行系统工程转型”的研究，旨在使用MBSE 来改造当前系统。全面梳理重组研发模式，实现转型升级。通过MBSE加强复杂系统的预先验证。在传统的系统工程过程中，各个专业设计领域都使用专业的模型和仿真方法来验证设计。然而，对于整个系统工程来说，文本描述主要用于描述系统的运行逻辑和状态。这样，整个系统的验证主要依靠物理验证。验证周期长，技术状态无法保证。如果早期系统设计中的问题没有提前发现，进入物理阶段后设计修正的成本将会极高，也会严重影响系统开发进度。利用MBSE方法，通过可执行的动态视图模型，在一些模型执行机制的支持下，可以提前验证系统运行逻辑。例如，IBM Harmony-SE方法主要从“服务请求驱动”的角度来分析复杂的嵌入式系统。针对系统交互和响应问题，将系统活动逻辑和状态转换逻辑转化为时序进行比较和验证，从而保证系统顶层逻辑设计的正确性，进而产生功能分配方案和物理组件接口方案，并提供特定的软件和硬件开发。
此外，通过SysML语言中需求、行为、结构、参数等四类模型之间的关联，可以构建动态可执行的任务整体模型，以验证系统在具体任务中的运行情况尤其是通过技术手段整合系统模型和个体专业模型提升模型计算能力后，整体先进能力能够显着增强。对于此类应用，国内外均已开展工作。国际系统工程学会与美国国家科学基金会合作开展“黎明探测器”立方体卫星的论证、设计和研制，提出国家驱动的需求-行为-结构-参数联合运行的任务分析机器图模型，并集成了部分轨道设计模型（STK）和专业计算模型（Simulink）。通过设计参数和任务参数的调整，可以直接观察对系统整体运行的影响，大大提高了系统的早期验证能力。美国国防高级研究计划局（DARPA）于2014年启动的“自适应车辆制造”（AVM）项目，采用基于模型的系统设计/分析/验证等技术，使项目早期能够基于模型研究和开发阶段。快速论证可行、可靠的整体系统解决方案，避免开发过程中的重复迭代，显着缩短复杂系统的开发周期。国内中航工业与IBM合作，引进IBM Harmony-SE方法和整套工具系统，开展航空系统工程。在其机电一体化项目“智能伺服控制系统”中，将目标系统分为三个顶级用例并进行Harmony。 -SE方法规定的需求分析、功能分析、设计综合等步骤形成包含95个状态的系统可执行功能模型，并通过仿真测试、验证和优化来优化系统设计。中国商飞采用Harmony-SE方法进行大飞机需求功能逻辑验证，解决飞机需求项目多、需求复杂、论证难的问题。通过MBSE集成多专业工具链过去，在缺乏系统模型的情况下，各个专业模型相对分散，难以进行全面的集成应用，也很难进行多学科协同设计。系统模型能够描述系统的整体和顶层信息，通过数据、模型转换和封装方法，从技术角度整合多学科专业模型，成为系统中多学科设计的枢纽。系统工程过程，通过系统模型实现多学科设计。学科协同优化设计。为此，国内外开展了大量工作。 DARPA在自适应车辆制造（AVM）项目中深度应用MBSE，构建了基于模型的设计、分析和验证平台，建立了零部件模型库，提供了模型化和参数化的零部件以及各种模型化零部件。类车材料属性库支持车辆整体系统设计，实现基于模型的仿真和仿真验证，支持车辆性能分析、人机环境分析、机动性分析、可制造性等多个层次的工程分析。分析、采购分析等，形成全面、一体化的系统工程运行环境，提高系统工程效率。洛克希德马丁公司利用MBSE来统一需求管理和系统架构模型，并向后延伸到机械、电子设备和软件的设计和分析，如System、ANSYS软硬件设计和分析、Adams性能分析、SEER的成本分析、等，为航空航天和国防产品构建完整的基于模型的开发环境，促进整个工程链的集成。
北京航天器总体设计部运用MBSE理论指导航天器研制实践。基于协同设计和并行工程理念，建立了适合复杂航天器产品各研制阶段、支持多学科、多专业综合集成的设计环境。 ——协同设计中心，成立了由总体、结构、热控、结构技术、总装技术等相关技术人员组成的综合产品开发团队（IPT），通过协同设计中心开展航天器协同开发。
我国MBSE实施难点分析与思考MBSE实施涉及面广、专业性多、协调难度大。从国外MBSE的实践经验来看，要充分发挥MBSE的优势和效果，不能仅仅停留在系统工程本身，或者仅仅实现系统。项目实施过程中的整体设计文件是建模的，但针对具体问题，MBSE涉及的系统工程规范、标准、技术平台和人员必须整合成一个相互关联、逻辑封闭的整体。例如，要利用MBSE管理复杂系统设计中的各类信息，技术上需要实现MBSE平台与现有的需求管理平台、产品数据管理（PDM）平台等的互联互通，在管理方面，要实现总体和子系统等相关单位接受以MBSE表达的系统设计要求和设计结果；要利用MBSE实现总体方案的早期论证，技术上需要将任务模拟系统接入MBSE平台，并且需要在管理上尽早实现军事需求的确认和对接。上述MBSE实践中遇到的技术和管理工作是保证MBSE有效性的前提，也是制约MBSE实施的难题。这是因为系统工程的实施主体是总体部门，而总体部门往往是最有动力开展MBSE实践的部门。但仅依靠部门整体很难将上述基础工作落到实处。它需要任务需求者和支持单位。信息技术部门、业务主管部门协调配合。任何一个环节的缺失都会极大地影响MBSE实施的绩效，挫伤领导者实施MBSE的信心和决心，甚至导致MBSE实施的整体失败。系统工程难以实现标准化、规范化。 MBSE自诞生以来就受到严格的数学逻辑的支持。与其说MBSE的实施实现了系统工程过程的标准化和规范化，不如说系统工程的标准化和规范化是MBSE实现的基础。 MBSE 无法自动将原本不明确的设计变成详细且逻辑严谨的设计。相反，它迫使设计者通过基于模型的表达和基于信息的验证方法遵循严格的演示过程。表达它以实现论证过程和结果的紧密耦合和完全透明。目前，系统工程被理解为设计艺术。系统工程开发流程不够细化。系统工程各步骤、各阶段的粒度和输出形式的控制仍普遍依靠总工程师和总经理。各级设计人员的经验和规范化、指导性的系统工程操作标准尚不完善。系统工程缺乏标准化、规范化，成为制约MBSE实施的重要瓶颈。 MBSE的强制机制要求设计者在MBSE实施过程中重新审视、重组和总结以往的系统工程流程。然而，过去没有解释清楚的实施过程往往是最难表达清楚的部分。复审过程进一步增加了设计者实施MBSE的工作难度。如何在MBSE实施过程中获得对这些任务的广泛理解和支持也是设计人员必须面对的挑战。系统开发人员的学习和改造成本较高。 MBSE不是单一的工具，而是一个完整的系统工程方法。因此，系统开发者需要付出大量的改造成本来实施MBSE改造。
转型成本体现在两个方面：首先，MBSE的应用过程必须与具体业务领域相结合。目前还没有一种一刀切的方法可以指导MBSE在各个领域的实践，这就需要探索MBSE方法。这是一个试错的过程，需要权衡、比较不同的路径，甚至回到起点重新出发。试错过程中面临的风险是MBSE从业者必须承担的成本；其次，在转型过程中，MBSE从业者必须从头开始构建一个完整的MBSE实现体系，比如MBSE的模型库、模型描述规范、计算公式等。理论上来说，MBSE可以提高整体设计的效率，但这些繁琐的工作任务是提高效率的前提，也是实践MBSE必须付出的成本。方法探索的不确定性和额外的工作量带来的改造成本很容易引起一线开发人员的不满，从而影响MBSE的实施。
我国MBSE发展对策表明坚定信念并逐步实现MBSE转型。 MBSE是系统工程的一次重大变革。需要在技术、管理、标准、人员思维等方面做好充足的准备，任何单位都无法一蹴而就。 NASA喷气推进实验室（JPL）最初实施MBSE用了7年时间，国际系统工程协会实施MBSE的计划也达到了10年。虽然目前国内外MBSE实施单位的先进经验可以借鉴，但真正实现MBSE全面转型仍将是一个漫长的过程。面对这种情况，实现MBSE需要坚定的信念和承受转型过程的能力。在工作开展方面，要以长远目标为牵引，同时在每个阶段提出明确的阶段目标，以当前系统工程面临的一两个难题为抓手，合理控制MBSE实施范围，集中资源，克服制约MBSE实施的各种瓶颈，夯实实施基础，充分显现实施效果，坚定MBSE实施信心，确保各阶段、各环节取得突破。长期目标的实现。系统工程标准化和标准化细化研究必须与建模研究并行迭代推进。 MBSE的实施需要结合研发领域的特点，结合我国系统工程的实际情况进行研究和推进。第一个方面是对目前依靠各级开发人员的经验和智慧的非标准化流程进行重组，实现标准流程的凝结，以实现系统工程业务本身的规范化和标准化。这方面也构成了建模的基础和基础。土壤；二是在标准化、凝练的系统工程流程的基础上，研究探索与之相匹配的标准化建模工作流程的标准和规范，对系统工程各阶段的建模内容、建模粒度和产品进行分析。规范形式等基本问题的定义。通过这两方面研究的并行推进，将形成符合相关研发领域现状和习惯的MBSE标准方法，保证方法研究与实际需求的紧密结合，形成符合相关研发领域现状和习惯的MBSE标准方法。适合我国制度发展现状，符合我国军工发展特色文化和习惯。可用、易用、易用的MBSE解决方案和标准提高了MBSE方法应用的有效性，加速了MBSE的实施。建立项目团队，降低开发者MBSE转型成本。要实现MBSE，必须建立一个由软件供应商、MBSE专业顾问和总体设计人员组成的项目团队：软件供应商负责在各个工程领域实施MBSE建模工具和设计。分析软件集成，实现模型自动传输，减轻一线开发人员负担； MBSE专业顾问负责为开发人员提供方法探索的指导，也可以帮助整体设计人员构建建模的基本单元，让开发人员可以专注于本领域业务相关的设计工作，降低改造成本，构建适合的高效组织开展MBSE研究建议，各司其职，发挥所长，加快推进MBSE研究和应用。经过近10年的发展，MBSE已在国外业界广泛应用，并成为国内的研究热点。与传统系统工程相比，MBSE采用模型来描述系统，从而充分发挥模型的优势，提高系统全周期信息表示的一致性，增强系统功能性能的早期验证和多学科交叉。协同优化设计能力。但MBSE的实施面临协调范围广、学习转化成本高、基础建设工作量大等挑战。
因此，MBSE转型的实现需要有一个阶段性明确的长远规划，系统工程标准研究和MBSE建模方法研究同步推进的策略，以及一支由MBSE研究者、模型开发者和软件供应商组成的团队。主力。从而为转型奠定坚实的基础，推动MBSE的实施。 （责任编辑：徐丽娇） 参考文献（略）
关于作者
本文作者：邓雨辰、毛银轩、卢之昂、夏倩文
作者简介：邓玉辰，中国航天系统科学与工程研究院高级工程师。研究方向为系统工程及系统工程。
注：本文发表于《科技导报》 2019年第7期，敬请关注。