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基于模型的系统工程 - 智能制造新概念

未知 2019-10-16 15:13

【英文条目】:model-based systems engineering, MBSE

【中文条目】:基于模型的系统工程

应付新一轮科技革命和产业革命条件下复杂产品研制和全生命期保障的顶层方法学和研发范式是什么?回答这个问题,经历了一个不短的历程。2009年美国INSIGHT杂志在《MBSE:这个新范式》专刊中宣称:MBSE已具备一定条件正式登上历史舞台。目前MBSE的应用领域已从国防军工拓展到众多民用行业,成为未来智能社会所需基础设施的关键使能技术。

英文释义

国际系统工程协会(INCOSE)于2006年发起2007年发布的《SE愿景2020》中的定义:MBSE is the formalized application of modeling to support system requirements, design, analysis, verification and validation activities beginning in the conceptual design phase and continuing throughout development and later life cycle phases(MBSE是建模方法的形式化应用,以支持系统从概念设计阶段开始一直持续到开发阶段和后续生命期阶段的需求、设计、分析、验证和确认活动)。自从2007年初INCOSE面向工业界学术界发起MBSE倡议开始,此定义逐渐被业界普遍接受为MBSE标准定义。

紧接此定义,《SE愿景2020》有如下解释:MBSE是向以模型为中心的一系列方法转变这一长期趋势的一部分,这些方法被应用于机械、电子和软件等工程领域,以期望取代原来系统工程师们所擅长的以文档为中心的方法,并通过完全融入系统工程过程来影响未来系统工程的实践。

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图1:方法学构成要素和外部影响因素

INCOSE于2007年发布2008年更新的《MBSE方法学综述》中从构成一个完整方法学各个要素之间关系的角度对MBSE方法学的解释:MBSE方法学是包括相关过程、方法和工具的集合,以支持基于模型或模型驱动环境下的系统工程。

INCOSE英国分会发布的系统工程系列单张中第九张的主题是“MBSE是什么”。在2012年发布的第一版中除引用INCOSE标准定义外,有解释如下:MBSE使用建模方法分析和记录系统工程生命周期的关键方面,它有广泛的适用范围,横向跨越整个系统生命周期,纵向跨越从体系到单一组件;在2015年发布的第二版引用《系统工程中的SysML》一书中的定义:MBSE是由逻辑连贯一致的多视角系统模型驱动进而实现成功系统的一种方法。

中文定义

以《SE愿景2020》英文定义为基础,综合上面五种定义和解释,本文给出中文定义:基于模型的系统工程是一种形式化的建模方法学,是为了应对基于文档的传统系统工程工作模式在复杂产品和系统研发时的面临的挑战,以逻辑连贯一致的多视角通用系统模型为桥梁和框架,实现跨领域模型的可追踪、可验证和全生命期内的动态关联,进而驱动贯穿于从概念方案、工程研制、乃至使用维护到报废更新的人工系统全生命期内的、以及从体系往下到系统组件各个层级内的系统工程过程和活动(包括技术过程、技术管理过程、协议过程和组织项目使能过程)。除方法学本身外,广义MBSE还包括方法学所需的使能技术(如建模语言)和人员能力,以及方法学的应用环境等所构成的体系。

(1) 英文定义适用范围只列举了系统工程技术过程若干活动;中文定义按新版INCOSE手册和15288标准涵盖系统工程全部过程域所有活动。

(2) 英文定义适用范围只列举了系统生命期若干阶段;中文定义强调所关注对象是人工系统(而非自然系统和生命系统),适用范围覆盖人工系统全生命期所有阶段。

(3) 参照INCOSE英国分会解释,中文定义纳入从体系、系统到组件的层级适用范围。

(4) 参照《SE愿景2020》解释,中文定义纳入从基于文档模式到基于模型模式的范式转移,点出MBSE产生缘由和要解决的问题。

(5)参照《SysML for Systems Engineering》定义和《SE愿景2025》对MBSE发展趋势的阐述,中文定义明确英文定义中的主体——模型或建模的形式化应用的内涵;关于MBSE的主要功能,将英文定义中的保守措辞“支持”改为“驱动”。

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图2:MBSE实施四要素

(6) 英文定义中MBSE是建模的一种形式化应用,INCOSE《MBSE方法学综述》将MBSE具体化为一种方法学。考虑到作为MBSE使能技术的标准建模语言逐渐与MBSE过程和工具相融合的发展趋势,以及《SE愿景2020》从过程和方法、建模标准和架构框架等几方面讨论MBSE的现状和发展趋势,中文定义引入广义MBSE的说法,将英文定义中的“应用”具体化为由图1和图2结合而成广义MBSE体系。

历史渊源

MBSE并不是本世纪才出现的新名词。早在上世纪80年代末,美国系统工程界奠基人之一A. Wayne Wymore教授(他于1961年创立了世界第一个系统工程系——亚利桑那大学系统工程系)一直致力于建立一个关于系统工程的数学理论,他花了六年时间(1987-1993)完成了《基于模型的系统工程》一书。与INCOSE在《SE愿景2020》中对MBSE下的工程定义不同,Wayne教授的MBSE是要建立系统工程的数学基础。

十年后,工程意义上的MBSE崭露头角。1996年ISO和INCOSE启动系统工程数据表达及交换标准化项目,其成果即后来的STEPAP233。 INCOSE于1996年成立模型驱动的系统设计兴趣组。1998年INSIGHT杂志出版《MBSE:一个新范式》专刊,探讨信息模型对软件工具互操作的重要性、建模的技术细节、MBSE的客户价值、跨领域智能产品模型等议题。2001年初INCOSE模型驱动的系统设计工作组决定发起UML针对系统工程应用的定制化项目,即SysML的缘起;2001年7月INCOSE和OMG联合成立OMG系统工程领域专项兴趣组,并于2003年3月发布UML针对系统工程的提案征集。

又一个十年过去, 2007年9月SysML v1.0发布;2007-08年INCOSE发布了两版《MBSE方法学调研综述》;2009年INSIGHT杂志在第二个《MBSE:这个新范式》专刊中宣称:MBSE已具备一定条件正式登上历史舞台。MBSE应用领域拓展到体系工程,而应用行业拓展到航空航天国防军工以外的汽车、轨道交通和医疗器械等民用行业。

MBSE和一大堆相关概念

首先,MBSE与系统工程SE和传统基于文档工作模式的关系。MBSE不是系统工程的一项活动,而是所有系统工程活动都该用到的方法——换言之,MBSE不是SE的一个子集。

MBSE不是(或不仅是)一个过程(《MBSE方法学调研综述》中对过程的定义是为实现特定目标所要完成的一系列任务,定义要做什么,但不规定每项任务怎么做),MBSE有自己的过程,但不取代现有过程,实施MBSE可以更高效率更低成本改善和提升现有过程;MBSE与传统系统工程的根本区别不在于是否建模,而在于是否是形式化建模,即建模过程和方法是否有规范标准,以保证跨领域模型间协同。

其次,MBSE和SysML的关系。MBSE不等于SysML,反过来也一样,SysML不等于MBSE;SysML只是一门语言,不是方法学或工具,而且与方法学和软件工具无关;SysML是一种通用的可视化标准建模语言,是MBSE的使能技术,但MBSE所用的建模语言并不仅限于SysML,其他如AP233、BPMN、UPDM等,而且SysML并不打算、也无法取代其他建模语言在各自专业领域的贡献。SysML只是实施MBSE的起点,绝非终点。

第三,MBSE的适用范围。那种认为MBSE只适用于概念设计阶段的观点是片面的。例如,美军方从2012年开始开发融合MBSE和基于模型工程方法的面向装备全生命期的基于模型系统采办框架。

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图3:MBSE与其他MBx的关系

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图4:MBSE与基于模型技术状态管理的关系

第四,MBSE与其他MBx概念的关系。图3是NASA给出的MBSE与基于模型定义、基于模型项目控制、基于模型制造和运营、基于模型工程(MBe)间的示意关系。图4是达索公司给出的MBSE与基于模型优化、基于模型制造服务、基于模型技术状态管理间的示意关系。这些MBx概念间的关系反映了全生命期内系统和领域建模标准与相应数据表达交换协同标准间的映射关系(图5)。

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图5:产品全生命期数据表达交换协同标准体系

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图6:实施MBSE有助于实现基于模型的协同研制过程

最后,MBSE与PLM/ALM/SLM的关系及MBSE在企业信息化建设中的位置。S(系统)LM=PLM+ALM,MBSE为SLM服务,PLM和ALM是SLM的左膀右臂。在信息化建设中,顶层的基于MBSE的系统工程过程子系统和底层的数据管理和信息协同子系统分别成为复杂产品研制的跨业务跨组织跨地域协同工作平台的中枢神经系统(图6)和经络系统(图7),于是基于文档的传统系统工程二维活动矩阵(表1)构成的篱笆墙网格,被拓展为横跨系统全生命期、系统工程技术域全过程和企业智力资产价值链全过程的三维协同空间(图8)。

近期讨论的“智慧院所”就是站在能力建设的认知维上看待整个三维协同空间,是知识工程在MBSE和MBe新范式下的深入实施和应用,其主体是复杂产品和系统全生命期内的研制组织,目标是研制体系的能力建设,对象是复杂产品和系统全生命期内基于模型的DIKW认知流。

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图7:实施MBSE有助于实现全生命期跨领域多维技术状态管理

表1:基于文档的传统系统工程二维活动矩阵

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图8:基于MBSE新范式的复杂产品和系统全生命期三维协同空间

高歌猛进的十年应用

从2007到2017年,是MBSE在欧美航空航天、国防军工、汽车、轨道交通、医疗器械等行业大规模推广实施的十年,是MBSE在国外从孕育期走向成长期的十年。

在2007年,有《SE愿景2020》、MBSE倡议、《MBSE方法学调研综述》第一版、SysML 1.0发布等标志性事件;而在2017年,SysML 1.5发布、SysML 1.4被接纳为国际标准。十年中,NASA、波音、洛马、空客都有在整个集团高层关注和推动MBSE培训实施及IT环境和文化建设。同时,MBSE进入石化、建筑、健康医疗、智慧城市等行业和领域。2017年1月INCOSE成立油气工作组;5月德州墨西哥湾海岸分会首次会议召开,主题是将MBSE在航空航天最佳实践移植到油气行业。

在信息化软件行业,《MBSE方法学调研综述》中提到的若干领先MBSE方法学(IBM HARMONY SE、INCOSE OOSEM、IBM RUP SE、VITECH MBSE、JPL SA、DORI OPM)在这十年间起起伏伏,经历了市场洗礼。值得一提的是,No Magic公司的解决方案及其MBSE方法学MagicGrid在这期间异军突起。2012年,CIMdata公司提出:系统工程正在成为PLM的理论核心,MBSE是PLM的发展趋势。2017年7月底,达索公司和No Magic公司宣布建立合作伙伴关系,为这一趋势增添新的注解。

在中国,MBSE推广应用也呈加速发展态势。航空率先在全行业引入系统工程和MBSE方法学的实施,目前处于理念培育、工具试用和过程改进前期准备阶段。

航天、船舶、兵器的部分重点单位也开始MBSE初步实施。限于和欧美工业基础的差距,在MBSE方法学乃至广义MBSE体系研发、教育培训、应用推广方面,国内都还处于完全跟随状态,尚处在MBSE孕育期。同等能力的系统工程从业人数,国内和国外还有接近两个数量级的差距。

从2012年两人、2013年一人分别有中国人在海外获得ASEP认证(此三位已回国工作),2014年国内航空行业和大学有人获得ASEP认证、航天行业一人获得中国第一个CSEP认证开始,截止到2017年6月底,已有26位中国人(限在中国境内工作,不包括在海外工作的中国人和华人)获得INCOSE SEP认证(其中13人获ASEP初级认证,13人获CSEP中级认证),成为全球SEP认证增长率最快的地区。值得一提的是,2017年初,《中国商用飞机有限责任公司系统工程手册》出版,提出了中国商飞公司系统工程定义;与欧美已有近十种定制版的系统工程手册指南相比,中国也有了第一个行业/企业/组织定制版的系统工程手册,可喜可贺。

发展方向

从1987年MBSE概念出现至今正好40年,这也是展望系统工程及其新范式MBSE下一个10年、20年的恰当时机。2007年INCOSE IS年会首次发布MBSE发展路线图(图9),目前进展某种程度上已落后于这一路线图中的若干里程碑。从现在开始的下一个10年是实现《SE愿景2020》(2007)和《SE愿景2025》(2014)中所描绘蓝图的关键时期。

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图9:MBSE发展路线图

(1) 首先,系统工程和MBSE的应用领域从人工物理系统(类似于我们常说的技术系统)向人工抽象系统(如商业系统、法律、政治等)、进而向更广泛的人工系统和社会系统(图10)挺进,开始关注社会、经济、生态环境等人类可持续发展的重大议题,正在成为新一轮科技革命和产业革命所导向的智能社会所需的若干基础设施(如物联网、赛博物理系统、智能制造、正向设计和增材制造等先进设计制造一体化技术等)的关键使能技术。

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图10:系统分类(修改自英国学者切克兰德)

(2) 广义MBSE体系内部也将继续加速发展,进一步提升MBSE技术成熟度和能力成熟度。MBSE方法学将沿着基于模型的系统生命期管理→基于模型的产品线/系统族生命期管理→基于模型的企业生命期管理的方向发展。核心的系统建模语言SysML 2.0将完全摆脱UML的衣钵,彻底融入广义MBSE体系,进而与核心的信息建模标准STEP实现无缝集成与映射。在此基础上,MBSE软件环境建设和工具链研发应用、乃至基于MBSE的新一代PLM系统研发也在同步进行。

对于国内企业、IT厂商和学术界而言,单点关键技术的研发突破和追赶超越已越来越多涌现,但MBSE能力提升本身就是个系统工程,虽然有国外最佳实践和经验教训可以借鉴,但它与本国的工业基础能力密切相关,没有捷径可走。

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