文章简介

　　针对当前MBSE面临的挑战，西门子提出新一代集成化MBSE解决方案，包括复杂系统建模，系统模型与专业领域模型的耦合和复杂系统全生命周期管理，三要素相辅相成，完美地解决了当前客户实施MBSE面临的问题。

　　1、当前MBSE面临的挑战

　　MBSE技术快速发展的关键驱动力是系统的复杂性、智能化和全球化的持续演进，已经超越了设计这些系统的人们理解和控制正在创建系统的所有方面的能力。毫无疑问，MBSE在未来的复杂系统研发或设计中具有非常旺盛的生命力。INCOSE在2007年发布的《INCOSE SE Vision 2020》就明确指出：系统工程的未来发展是“基于模型的”。当前人们的环境已经具备实施MBSE的基础，建模角色和能力已经日渐成熟，能够响应这种的需求。系统建模标准的出现，对MBSE的应用和实施产生重大影响。最主要的体现在OMG开发的系统建模语言SysML和ISO 10303-233应用协议：系统工程和设计（AP233）。SysML是一种通用图形建模语言，用于定义、设计、分析和验证复杂系统，并在MBSE工具中得以实现。AP233是一个中立的数据交换标准，支持XMI（XML Metadata Interchange）工具之间交换系统工程数据，它以模块化方式开发以解决系统工程数据的广度问题。而且人们已经具备虚拟开发环境，这些虚拟环境减少了利益攸关者对物理原型机的需求，并加快了新产品的开发时间，同时能够根据客户需求提供可靠的验证。

　　然而MBSE技术发展在取得一些可喜可贺的成果时，也面临了一些新的挑战。

　　挑战一：复杂系统建模，从S到SoS，架构设计细分为架构定义和设计定义

　　从INCOSE在2015年发布的《系统工程手册4.0》来看，它与《系统工程手册3.0》相比，技术流程从之前的11个流程增加到14个流程，主要的变化在概念定义和系统定义阶段。增加了业务/任务分析流程，这让系统工程的起点从利益攸关者的需要和需求定义向前推进了一步，系统工程师需要从一个大视野（big picture）-系统运行环境中来分析在运行概念（OpsCon）下所需的系统能力和用户的运行活动、运行场景等。这就要求MBSE不仅要系统建模，还要对系统与运行环境中其他的系统组成的系统之系统（SoS）进行建模。

　　还有一个重大改变是把架构设计细分为架构定义和设计定义，之前的一个技术流程细分为两个流程。架构定义流程关注“做什么”，定义系统的逻辑功能和行为来满足系统需求，该层级独立于技术实现，这样做的好处是专注于解决问题，并给设计工程师更大的设计权衡空间。而设计定义流程关注于“如何做”，目的是提供关于系统和其组成元素的充分的详细数据和信息，确保系统的实现与系统架构模型和视图中定义的架构元素保持一致。所以在系统工程中虽然不关注于更细节的组件内部设计，但要提供确保系统的实现的物理架构，甚至要生成最终产品的分解结构树，这往往是现行MBSE方法中所忽略的部分。

　　图1 系统工程技术流程发生的变化

　　增加了系统分析流程，开展成本分析、可行性分析以及基于建模与仿真的性能评估，为系统工程师做出明智决策提供数据支撑。系统建模与系统分析的融合，也是目前MBSE方法不太重视的一个地方。

　　挑战二：系统模型如何与专业领域模型耦合？

　　系统模型与专业领域模型的耦合目的有两个：1）系统模型与仿真分析模型的耦合，根据系统工程师的分析请求，开展系统分析，进行闭环验证或性能评估，为系统工程师决策提供支撑；2）系统级成果物，基于模型的方式分配给各领域工程师开展详细设计。

　　图2 系统模型须要与分析模型、设计模型耦合

　　自2007年首次发布至今，SysML在工业界已经实践应用超过10年时间了。在这个过程中，整个工业界收获了系统建模的诸多经验和成果，同时也发现了现版本SysML的一些限制和不足。SysML V2相较于V1版本，其中一个特点就是增加系统模型与专业领域模型间的互操作性以及标准API接口。

　　图3  SysML V2 增加模型互操作性&标准API

　　系统定义早期阶段，系统工程师往往需要开展各种系统分析来辅助其做出明智的决策，需要开展系统建模与仿真来验证其想法。在系统工程师和系统仿真工程师协同过程中，系统工程师关注架构定义，而系统仿真工程师关注具体的系统、元件的建模，很难做到基于模型的有效传递，这也是目前MBSE的挑战之一。

　　系统工程师主要负责系统架构定义，系统工程师在完成系统定义之后需要把如系统架构、组件需求下发到各领域工程师，各领域工程师根据系统层级的成果物作为输入，开展如机械设计、电子/电气设计和软件设计，以及各领域的建模与仿真。领域工程师在完成各领域的详细设计后，把各领域组件的成果物提交给系统工程师，进而系统工程师开展系统集成和验证。这个过程中的挑战是系统定义层级的成果物，很难无缝转移到各领域工程。

　　挑战三：系统全生命周期的数据、模型如何管理？众多利益攸关者如何协同？

　　根据ISO/IEC/IEEE 15288 2015系统生命周期流程标准中的定义，系统工程流程包括四大类流程组：技术类流程组、技术管理类流程组、协议类流程组和组织的项目使能类流程组。其中技术类流程贯穿于系统生命周期的各个阶段，技术流程用于定义系统需求，以将需求转换成有效的产品。技术管理类流程用于建立和演进计划、执行计划、按照计划评估实际的成果和进度，以及对计划执行进行控制，直至系统完全实现。协议流程定义两个组织间建立协议所必要的活动。组织的项目使能流程有助于确保组织通过启动、支持和控制项目来采办并供应产品或服务的能力。要把这四大类流程和相关的人员协同管理起来才能完成系统工程任务。

　　图4 系统生命周期流程

　　这就需要突破传统的重点关注产品详细设计阶段的PLM扩展到关注于系统全生命周期管理的SysLM（System Lifecycle Management）。复杂系统全生命周期管理SysLM涵盖产品全部学科领域和服务；以集成系统生命周期全阶段各领域模型为核心，并对模型和流程进行有效的后台协同支撑，实现系统生命周期所有开发阶段与全部模型（R，F，L，P，…）的互连与追溯。

　　面对以上三个挑战，西门子提出新一代集成化MBSE解决方案。

　　2、新一代集成化MBSE解决方案

　　西门子新一代集成化MBSE解决方案，是贯穿系统/产品全生命周期的，如图5所示。这个过程从最左边开始，最先开始于系统/产品的运行环境-SoS，根据系统/产品与SoS其他元素的相互作用定义出所需的系统/产品的能力，以及产品的范围和利益攸关者提出的约束条件等。这里客户要求的解决方案通常用场景图、用例、运行要求和业务需求来表示。接着根据产品范围选定一组业务需求开始，进入概念设计阶段，把业务需求转化为利益攸关者的需求，并寻找各种实现业务需求的候选概念方案。选定最优的概念方案，把利益攸关者需求转化为系统需求，定义系统顶层功能。开展系统设计定义，定义逻辑架构和物理架构，生成最终产品的分解结构。把系统需求分解到各子系统需求，开展机械设计、电子电气设计和软件设计，并确定出哪些组件不需要开发，可以从外部购买。完成各领域的详细设计，生成机电设计BOM和制造BOM，进入产品构建阶段。等到各组件、子系统实现以后，开展系统集成和验证，最终完成产品的确认，交付给客户。

　　图5 全生命周期的集成化MBSE解决方案

　　集成化MBSE解决方案的落地实现工具有：System Modeling Workbench，用于复杂系统建模；Teamcenter Reqirements，用于需求管理；NX，用于机械设计；Mentor，用于电子电气设计；Polarion + ESD用于软件设计；Simcenter，用于多领域多学科行为建模与仿真分析；Opcenter，用于制造执行和运营维护。其中所有绿色部分涉及到的模型、数据管理，用Teamcenter实现；所有橙色部分涉及到的软件模型、数据管理，用Polarion实现。

　　图6 集成化MBSE解决方案的落地实现工具

　　总的来说，西门子新一代集成化MBSE解决方案具有三个要素，这三个要素相辅相成。要素一：新一代复杂系统建模工作台；要素二：系统模型与专业领域模型的耦合；要素三：复杂系统全生命周期管理。

　　图7 新一代集成化MBSE三要素

　　（1）新一代复杂系统建模工作台

　　为了应对复杂系统建模的挑战，西门子和法国OBEO合作拓展西门子MBSE解决方案，提出了新一代复杂系统建模工作台：System Modeling Workbench，简称SMW。SMW包括它是一个涵盖复杂系统建模和与系统全生命周期管理集成的解决方案。SMW包括：Capella & SysML Designer，并能集成到Teamcenter中。

　　图8 新一代复杂系统建模工作台

　　SMW具有先进的MBSE方法论：Arcadia，目前该方法正在申请成为ISO标准，该方法强调连续性工程和并行工程，并和ISO/IEC/IEEE 15288，IEEE 1220标准中定义的系统工程流程保持一致。该方法在问题域和解决方案域做了明显区分，其中问题域包括两个工程层级活动：运行分析和系统功能分析，主要关注于业务、利益攸关者的需要、系统作为“黑盒”的外部功能分析；而解决方案域也包括两个工程层级活动：逻辑架构和物理架构定义，主要把系统作为“白盒”，开展内部功能分析，以及系统的组成，组成元件如何实现。

　　图9 先进的MBSE方法论：Arcadia

　　与其他方法论相比，Arcadia不仅能够开展复杂系统建模，还能完成SoS建模。运行分析是ARCADIA方法种的最高层级的工程活动，主要定义“系统的用户需要完成什么”，该层级就是SoS建模。它的目标是确定系统的未来用户的业务需要和目标，以保证满足这些业务需要，对运行场景、运行能力和活动进行分析和建模，确保用户运行需求的正确性。

　　与其他方法论相比，Arcadia在逻辑架构层级和物理架构层级做了细分，这和ISO/IEC/IEEE 15288技术流程中的架构定义和设计定义保持一致。在逻辑架构层级主要定义“系统将如何工作以满足期望”。该层级工程活动的目的是确定系统内部的逻辑组件，以及组件间的关系和他们的属性，且定义逻辑组件时，不要考虑技术或实现因素。在物理架构层级，对系统的集成、验证和确认场景以及系统设计进行建模和分析，确保系统功能的正确分配和系统组件需求的正确定义；Arcadia方法还有一个不同之处，还有个最终产品分解结构（End Product Breakdown Structure，简称EPBS）层级，确保构型项的正确识别和构型项信息的向下传递。

　　图10 Arcadia多个工程层级活动

　　（2）系统模型与专业领域模型的耦合

　　从系统工程到各领域工程的衔接过度，是通过定义领域架构来实现的。以系统模型中物理架构的各领域相关部分作为各领域的基础架构，进一步的定义各领域架构，如机械领域架构、电气领域架构或软件领域架构，这些领域架构比系统层级的物理架构更加详细，用于下一阶段的各领域模型之间的集成。根据各领域架构，进一步开展各领域的详细设计，如机械设计、液压设计、电子设计、电气设计、软件设计等。

　　图11 领域架构模型衔接系统工程到各领域工程

　　系统模型与系统仿真模型的耦合

　　西门子Simcenter能够实现基于模型、架构驱动的多领域系统仿真，承接系统工程的架构，在早期系统定义阶段开展需求验证，如图12所示。首先承接系统工程师发出的分析请求（AR），并根据系统架构创建多领域仿真架构。从仿真模型库中选出相应元件模型，配置仿真架构，并开展仿真运行分析。最后把分析结果反馈给系统工程师，为明智决策提供支撑。

　　图12 架构驱动的多领域系统仿真

　　多领域仿真架构模型是对复杂物理系统的组成元素和组件元素间的接口的一种抽象描述。多领域仿真架构模型定义了组成元素间的交互接口，有助于多领域物理系统设计人员集成来自于不同部门的异构行为模型。基于架构开展多领域物理系统动态行为仿真分析，辅助决策者从众多方案中选出最优。

　　当然早期系统定义阶段的仿真验证离不开多学科多领域仿真模型库，Simcenter Amesim具有处理复杂系统建模与仿真分析能力，并拥有巨大的多领域模型库，能够满足机械、电子、电气、液压、气动、传热、电磁等多种学科的耦合建模。

　　图13  Simcenter Amesim：强大而开放的系统仿真平台、丰富的仿真模型库

　　从用户需要到最终交付产品，Simcenter使能功能样机、方案性能样机和详细性能样机多轮验证，消除缺陷在前端，一次制造即成功。

　　图14  Simcenter ：功能样机、方案性能样机和详细性能样机多轮验证

　　系统模型与RAMS模型的耦合

　　NASA的喷气推进实验室JPL在状态分析法（JPL提出的一种MBSE方法）中最早提出系统工程流程和安全性分析流程的结合，如图15所示。这和《系统工程手册4.0》的第10章专业工程活动是一致的，系统工程师不仅要熟悉系统功能分析和架构建模，还要熟悉与系统相关的专业工程，如安全性、可靠性、可用性、维护性等。

　　图15 系统工程流程和系统安全性分析流程的结合

　　西门子针对专业工程，如可靠性(Reliability)、可用性(Availability)、可维护性(Maintainability)以及安全性(Safety)等，提出了新一代RAMS分析工具：MADe。MADe包括：技术可靠性建模和管理Modeling模块，安全风险评估SRA模块，RAM（可靠性、可用性、可维护性分析）模块等，具有FMEA失效模式和效果分析、FTA故障树，临界性分析、阈值保持、RCM以可靠性为中心的评估等功能。

　　图16  MADe的RAMS分析功能

　　RAMS分析是从SMW的逻辑架构定义层级开始的，逻辑架构中的功能链（红色线）作为MADe建立RAMS分析架构的参考，进而在MADe中开展如可靠性分析等。

　　图17  RAMS分析从逻辑架构定义层级开始

　　系统模型与机械领域模型的耦合

　　NX MBSE实现了系统工程师和机械设计/仿真工程师的协同。通过NX物理架构视图建立了各物理组件的连接关系，承接了系统架构，并实现物理组件设计与需求的连接。

　　图18  NX MBSE实现系统工程师和机械设计/仿真工程师的协同

　　在NX中可以构建物理架构视图，能够显示组件间的连接关系，这种连接关系包括装配约束，零件间的测量数据，接头连接，焊缝和布线连接关系等。物理架构视图能够显示各组件的需求的是否验证的状态。

　　图18  在NX 构建物理架构视图

　　系统模型与电子电气领域模型的耦合

　　Captical实现了系统工程到电子电气领域工程基于模型的衔接，实现基于模型、架构驱动的电气工程。在该流程中，前期的产品在产品工程中进行完整的定义，针对任何新的功能系统，采用基于MBSE的建模方法进行系统建模。当然，该建模不仅仅是针对于电子电气，而是包含所有领域的模型。在该模型完成后，其与电子电气部分有关的部分流入到功能建模工具中进行功能的详细设计和捕捉，然后在整个拓扑平台上进行架构设计和功能实施，由此获得各个对象参数详细的评价指标。在完成评估并确定最终的架构设计方案后，把硬件（PCB）、软件及网络、电气连接的结果推送到下游的专业软件进行详细设计。该流程着眼于高效的架构评估，并不把相关专业领域的设计与架构设计本身关联在一起，其特点是高效、简洁、针对性强。其思路是架构设计是总体折衷，是方向和指导，不纠缠于细节。

　　图19  Captical: 基于模型的电子电气系统设计

　　系统模型与软件领域模型的耦合

　　现代嵌入式软件系统被人们广泛应用于安全关键领域，如航空电子、汽车电子、航天电子等。随着嵌入式软件系统的功能和复杂度的不断提高，在更高的抽象层次上进行系统级设计和软硬件协同设计的方法已经成为研究的热点。设计安全关键的嵌入式系统要求充分捕获设计需求并快速构造满足系统功能属性和非功能属性。因此形成一种快速建模和验证的设计方法非常重要。传统软件项目的开发的方法，需要高昂的开发和维护费用，并且在系统集成时期存在较高的风险。而模型驱动的开发方法能够归避这些缺点。在模型驱动的架构方法(Model-Driven Architecture)中，系统的开发和维护通过模型来进行，并贯穿整个软件生命周期。在软件的设计能够对模型进行分析，可以帮助设计人员发现潜在的错误。

　　Simcenter Embedded Software Designer，简称Simcenter ESD，实现了系统工程到软件领域工程基于模型的衔接，实现基于模型、架构驱动的软件工程。Simcenter  ESD支持AADL和SysML专用系统设计语言。用户可以通过导入系统架构，根据系统架构建立软件架构，进而完成后续的需求关联、代码开发、测试验证工作。

　　图20  Simcenter ESD: 基于模型的软件工程

　　（3）复杂系统全生命周期管理（SysLM）

　　系统全生命周期管理，System Lifecycle Management，简称SysLM。SysLM涵盖产品全部学科领域和服务；以集成系统生命周期全阶段各领域模型为核心，并对模型和流程进行有效的后台协同支撑，实现系统生命周期所有开发阶段与全部模型（R，F，L，P，…）的互连与追溯。

　　Teamcenter可以实现全生命周期模型的管理，从详细设计阶段的三维设计模型和三维仿真模型管理，延伸到前期的需求模型、系统模型和系统仿真分析模型管理，如图21所示。

　　图21 全生命周期模型管理

　　Teamcenter 模型生命周期管理（MLM）是一个治理流程，在整个系统生命周期开发中，支持建模工具基于模型存储库中的异构模型上同步创建、读取、更新和删除操作。这是通过模型配置项的管理来完成的，包括模型的版本、变量、配置和基线，模拟、分析结果以及多个地理位置分散的用户所使用的工具。此外，MLM还包括管理与模型、工具和分析结果相关的所有元数据，包括进行更改的人员、进行了哪些更改、何时以及为何，以及有关模型应用的信息。模型生命周期管理系统（MLMS）是一组实现模型生命周期管理过程的元素，可能包括人员、硬件、软件、数据和过程。

　　图22 Teamcenter 实现模型生命周期管理（MLM）

　　Teamcenter通过数字线程技术（Digital Thread）实现模型的全生命周期的追溯关系，并建立权威真相源，支持复杂产品的变更管理和快速设计迭代。

　　图23 Teamcenter 实现模型全生命周期的可追溯

　　3、集成化MBSE的愿景和展望

　　INCOSE MBSE Initiative在2007年6月发布的MBSE 2010-2020战略路线图（图4- 6）提到的目标大多都已经实现。经过10多年的实践探索，MBSE标准、流程、方法和工具等趋于成熟。从SysML、AP233、BPMN、UPDM等MBSE标准的出现，到成熟的MBSE方法&衡量标准和集成系统/软件/硬件模型，这些基本上都已经实现。与仿真、分析和可视化集成的架构模型，西门子在系统建模和系统仿真分析集成，系统与SoS的互操作已经有了完整解决方案，在NX中也实现可视化报告。2015年发布的ISO/IEC/IEEE 15288系统生命周期标准和《系统工程手册4.0》，标志着系统工程理论体系已经成熟。

　　采用MBSE方法进行复杂系统研发能够降低成本，缩短周期时间，已经逐步得到业界的认可。未来可以进一步发展的跨多领域的、分布的&安全的模型存储库，跨广泛权衡控制的设计优化以及基于跨领域相互影响的分析，可以结合MBSE与云协同，云存储技术，高性能计算技术。集成化MBSE是一个体系工程，还有很多新技术值得探索和研究，西门子在MBSE理论研究和技术实现探索上砥砺前行，未来是值得期待的。

　　图24 INCOSE-MBSE战略路线图

　　参考文献：

　　[1]INCOSE-TP-2004-004-02, INCOSE SE Vision 2020 [S].

　　[2]张新国译. 系统工程手册：系统生命周期流程和活动指南[M]. 机械工业出版社, 2017.

　　[2] Sanford Friedenthal, Regina Griego, Mark Sampson, INCOSE Model Based Systems Engineering (MBSE) Initiative [J]. INCOSE 2007 Symposium

　　[3] Sanford Friedenthal, Alan Moore, Rick Steiner. A Practical Guide to SysML: The Systems Modeling Language(Second Edition)[M]. Morgan Kaufmann OMG Press, 2012

　　[4]ISO/IEC/IEEE 15288:2015, Systems and software engineering — System life cycle processes [S].

　　[5]IEEE Std 1220-2005, IEEE Standard for Application and Management of the Systems Engineering Process [S].

　　[6]Pascal Roques, Systems Architecture Modeling with the ARCADIA Method [M]. ISTE Press Ltd and Elsevier Ltd, 2018.