基于模型的系统工程（MBSE）解决方案探讨

刘红皊 江西洪都航空工业集团有限责任公司 南昌市 330024

0 引言

系统工程作为一种研制管理方法，自20世纪60年代以来就常用在国外航天和国防领域。构建系统模型是系统工程的核心，传统的系统工程，是基于各种文本文档进行系统架构模型构建的，模型构建过程中的方案设计和概念开发都是依靠文件进行的。在需求规格、接口控制文件、产品规范等的撰写过程中，开发人员需要耗费大量的时间和精力。并且由于文件中存在隐含的需求，在判识和传递上很难确保一致，加大了需求变更所造成的影响以及覆盖分析的难度。而且在系统的早期阶段，一旦疏忽逻辑设计及系统需求的确认和验证，那么后续的需求变更会导致巨大的影响，同时工程的开发周期和成本也会大大增加。

MBSE使用系统建模语言（SysML）构建系统架构模型。通过以建模语言表达的系统静态视图代替大量文档，包括参数、架构和接口，以及系统的动态行为。SysML作为系统工程的标准建模语言，具有图形化且易于计算机处理的优势，在运用于复杂系统的分析、设计和验证时，不仅能够提高系统的质量，还能有效提升系统工程信息在工具之间交换方面的能力，同时能减少系统或软件与其它工程学科间的语义差异。近几年，MBSE方法已经成为系统工程界研究与应用的热点。其作为一种新的范式，被美国航空航天局、欧空局等政府组织、IBM等软件和方案提供商积极在项目中加以应用和研究。

相比基于文档的系统工程（TSE），MBSE的优势主要体现在以下几点：

（1）知识表示的无二义性；

（2）一体化的系统设计；

（3）系统内容的可重用性；

（4）提高沟通交流的效率；

（5）增强知识的获取和再利用；

（6）通过模型可对系统进行多角度分析，支持早期进行系统验证和确认，可降低风险，减少设计更改带来的时间周期和费用等。

总之，可以说系统工程的未来是“基于模型的”。

1 基于模型的系统工程（MBSE）概述

1.1 系统工程的主要思想

系统工程是一门专业学科方法论，用在系统设计与实现、技术管理、系统运行使用和退役等各方面。它面向系统全生命周期，从型号的概念论证、设计开发、生产使用、综合保障直到系统退出等各个过程，如图1所示。

图1 系统工程的全生命周期

系统工程的核心是提供用户满意的产品，它的关键在于需求分析、功能分析和架构设计，为了提升系统工程能力，迫切需要提升需求分析、管理、表达和验证手段，开展需求工程工作。图2中的模型仅展示了SE的主要技术过程，没有展示转移、运行、维护和退出过程。

图2 基于ISO/IEC/IEEE 15288标准的SE过程V-Mode模型

1.2 需求工程

需求工程是一套进行需求管理、需求开发和需求确认的方法论，而DOORS是进行需求管理的工具之一。作为由IBM开发的一款专业的需求管理软件，DOORS可作为系统的需求管理解决方案。需求工程流程包括需求开发流程和DOORS管理流程。需求开发流程是一个顶层架构，是进行需求捕获、需求分析和需求分解等需求开发过程所应遵循的基本方法，是DOORS应用的基础，如图3所示。

图3 可递归的需求开发流程

其目标是确保需求开发的完整性；使需求之间建立简单清晰的关系，便于需求的跟踪管理；使流程可递归和可扩展。DOORS管理流程是一套与DOORS相关的管理规则，是需求开发流程活动在DOORS中的实践，目标是有效控制与管理DOORS中的需求条目。主要包括需求确认、需求发布和需求变更等流程。

DOORS应用主要围绕流程、系统架构和标准与模板三方面开展工作。系统架构规定了型号项目的顶层需求、各专业需求及其它各种需求在DOORS中的组织方式，目标是使各种需求以与需求开发流程相一致的逻辑关系进行呈现，便于查找、建立关系，提高管理效率；并提供一致的数据结构和接口，便于数据移植和其它扩展应用工具的开发。标准或规范规定了需求开发过程中应遵循的一套规则，以便需求数据在DOORS中的组织和管理。包括需求编写规范、需求编码标准、需求分类标准和需求属性定义标准等。模板是标准的实现，目的是简化工作、统一数据结构。

1.3 IBM Rational DOORS介绍

与其他需求管理平台不同的是，IBM Rational DOORS面向开发者、管理者、测试人员以及整个产品生命周期。应用于项目中，DOORS可以进行需求文件的链接管理、多个项目间共享文件、可疑链接检测及需求条目的权限管理等。

1.4 IBM Rational Rhapsody介绍

IBM Rational Rhapsody支持嵌入式和实时系统软件设计开发，且提供一种可视化的开发环境。基于UML/SysML的模型驱动下的集成开发环境，Rhapsody可实现将与平台无关的应用模型部署到实时嵌入式操作系统。此外，其具有的种类众多、功能强大的Add-Ons扩展模块也可满足客户不同的应用需求。

1.5 SimulationX介绍

SimulationX作为多学科领域建模、模拟仿真的通用工具，可用于分析评价技术系统内各个部件相互作用。它具有强大的标准元件库和后处理系统，同时还能提供面向用户的模块和版本及众多软件接口，能满足用户在不同领域的各种需求。在每个工业领域，利用SimulationX都能完成一些精细和复杂的研发任务。

2 MBSE解决方案

整合后的系统工程V模型，如图4所示，以航空产品V型开发流程主线，以需求工程、仿真工程、设计工程、制造工程、试验工程、交付工程为阶段，融合现有碎片化的解决方案，消除单一供应商解决方案的局限性，提升系统工程整体业务的协同性及解决方案开发、业务规划与咨询能力。

图4 整合后的系统工程V模型

基于模型的系统工程设计包括需求分析、功能分析与架构设计和多学科联合仿真三个方面。

2.1 需求分析

需求的属性包括标识、类别和状态等，采用DOORS工具进行需求管理。需求分析过程是建立在对系统需求的充分理解之上，可能会出现更改需求情况，目的也是为了不断更新和完善系统需求。

2.2 功能分析与架构设计

系统功能分析是一个反复迭代的过程，可通过状态机图、活动图等多个视图来完成功能架构设计。系统架构模型的设计是整个研制工作的首要条件，可以理解为系统的总体设计方案。由于系统架构模型与视图的关联性，对同一个系统架构模型，各方参与者可进行模型分析和优化。将系统需求从DOORS导入到建模工具Rhapsody中进行功能分析和系统架构设计。

2.3 多学科联合仿真

仿真是对模型的实施与执行，在功能分析与架构设计的基础上，将Rhapsody的分析和建模结果导入到SimulationX工具中进行多领域不同类型的联合仿真。

3 结束语

MBSE能够提升需求驱动的正向设计能力，从“需求满足”到“需求驱动”，建立基于需求的研发体系，实现产品创新；能够更直观清晰反映功能逻辑，是对需求含义和内容的补充，即完善需求内容；系统设计意图通过模型表达和传递，有利于不同团队人员达成共识，避免歧义在后期显现；虽然MBSE会增加设计阶段的工作量，但有助于把需求分析清楚，减少返工，从总体上缩短工程周期和降低成本。