概要
在航空器、航天器、艦艇、導(dǎo)彈、航母編隊、空天系統(tǒng)等多個層次復(fù)雜工程中應(yīng)用MBSE，不僅要理解系統(tǒng)工程（SE）的理念，更要掌握建模與仿真（Modeling and Simulation, M&S）技術(shù)，而且還要將SE與M&S融入工程相關(guān)的機電熱磁控環(huán)等功能分支以及項目管理、質(zhì)量控制、技術(shù)狀態(tài)等業(yè)務(wù)分支，覆蓋復(fù)雜產(chǎn)品和體系的全生命周期（從概念設(shè)計到工程、制造和運行使用等）的每個階段，從而能夠為決策提供有力的支持，進(jìn)而擴(kuò)展到數(shù)字樣機、數(shù)字孿生等應(yīng)用領(lǐng)域。
圖 1 日益復(fù)雜的系統(tǒng)
實施MBSE本身就是一個系統(tǒng)工程，不是簡單地引進(jìn)一些新工具就能自動地呈現(xiàn)出來優(yōu)勢，而是需要在用戶需求和企業(yè)戰(zhàn)略的指導(dǎo)下，通過組建幾十到幾百人的多學(xué)科團(tuán)隊，采用系統(tǒng)工程、項目管理、建模仿真等方法、手段，循序漸進(jìn)地開展項目。
為了幫助讀者理解安托解決方案的能力，本文嘗試統(tǒng)一概念、明確思路、拋磚引玉，使讀者找到解決問題的技術(shù)途徑，為企業(yè)創(chuàng)造出更大的價值。
工程的定義
工程是一項創(chuàng)造性實踐活動， 各種技術(shù)要素和諸多非技術(shù)要素按照特定目標(biāo)及功能要求所形成的、完整的集成系統(tǒng)。工程活動的核心是構(gòu)建出一個新的存在物，這也是工程活動的基本標(biāo)志。
系統(tǒng)工程的含義
系統(tǒng)工程從需求出發(fā)，綜合多種專業(yè)技術(shù)，通過分析、綜合、試驗和評價的反復(fù)迭代過程，開發(fā)出一個整體性能優(yōu)化后的系統(tǒng)。系統(tǒng)工程本體是實現(xiàn)各學(xué)科溝通的橋梁，能夠把每個產(chǎn)品或體系作為整體來理解，是Think about the end before the beginning（未雨綢繆，Omega Alpha Association的座右銘）。
圖 2 系統(tǒng)工程概念范疇
系統(tǒng)工程在工程中有很重要的地位，不過它的邊界是模糊的，例如它包括設(shè)計，但是并不做設(shè)計的具體工作；它包括制造，但是也不做產(chǎn)品制造操作實施。系統(tǒng)工程包括產(chǎn)品全生命周期中各個階段工作的管理，屬于管理學(xué)科領(lǐng)域。系統(tǒng)工程實施的主體單位是型號或項目總體部門。
換句話說，系統(tǒng)工程解決方案并不能直接提出如何設(shè)計制造產(chǎn)品，而是先提供產(chǎn)品實施的通用平臺，然后按照行業(yè)實踐、項目實踐、顧問經(jīng)驗等幫助客戶快速確立平臺的配置，無論是眾多建模思路中的一個方法還是多種設(shè)計流程的某個特例，都是需要先明確服務(wù)于產(chǎn)品的迭代研制方法及這種方法的具體表達(dá)（平臺）。所以掌握通用平臺的功能和細(xì)節(jié)是持續(xù)的基礎(chǔ)工作，代表著最底層的可能性；快速確立配置是交流總結(jié)后的工程優(yōu)選，行業(yè)上的不同地位不同業(yè)務(wù)決定優(yōu)選結(jié)果，是可能性的原型化，屬于自己方案的概念模型。然后根據(jù)不同項目的需要，繼續(xù)詳細(xì)設(shè)計、實施、測試、交付、維護(hù)等工程內(nèi)容。在項目結(jié)束后，一般才會構(gòu)建出服務(wù)于產(chǎn)品的SE原型以及附加的M&S規(guī)則。
系統(tǒng)工程不是“復(fù)雜的工程”或“系統(tǒng)性的工程”的稱號，不能把某個航天器重大工程叫做復(fù)雜的系統(tǒng)工程或把企業(yè)實施數(shù)字孿生當(dāng)成是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，一定要確立：系統(tǒng)工程不是工程本身，而是實施工程的方法、過程和手段。系統(tǒng)工程英文為Systems Engineering，也表達(dá)了Engineering是engineer的動名詞，動詞engineer包括策劃、設(shè)計、建造、運行等過程，動名詞表達(dá)實施過程的行為、方法以及相應(yīng)的步驟、流程、程序。這和Electrical Engineering、Computer Engineering、Spacecraft Engineering等名詞屬性的“工程”有著本質(zhì)區(qū)別。綜上，某個航天器重大工程可以叫做首個使用MBSE方法的重大工程。
建模與仿真的含義
實際事物具有難以捉摸的復(fù)雜性，不易觀察其變化基本規(guī)律，不易找到如何統(tǒng)一的對待辦法。抽象是提取其主要共同特征，排除構(gòu)成復(fù)雜性的非主要特征，并據(jù)此分類，對具有共同特征的一類事物采用相同辦法對待。這個提取物就是區(qū)別于實際事物本身的所謂模型，而抽象的操作則稱為建模。為不同目的建模其結(jié)果不同，例如，玩具模型是為了愉悅兒童，風(fēng)洞模型是用于觀察物體外形與流動氣體之間的關(guān)系。模型是一個物理、數(shù)學(xué)或其他方式的邏輯表達(dá)，依托某種確定的形式（如文字、符號、圖標(biāo)、實物、數(shù)學(xué)公式等）提供關(guān)于系統(tǒng)的知識。建立模型的方法和過程則稱為建模。
圖 3 各種類型的模型
正向系統(tǒng)開發(fā)是認(rèn)識不斷深化，系統(tǒng)逐步滿足使用要求的遞歸逼近過程。人們不可能一開始就對系統(tǒng)所涉及的各種專業(yè)技術(shù)，各部分之間的信息、能量、物質(zhì)交換關(guān)系，以及使用環(huán)境中的行為特點有清晰的認(rèn)識，必須遵循認(rèn)識論的“分析-實踐-再分析-再實踐”反復(fù)的認(rèn)識過程。認(rèn)識過程的具現(xiàn)化為需求分析、功能分析與分配、設(shè)計綜合和設(shè)計驗證，通常稱為系統(tǒng)工程過程。而承擔(dān)認(rèn)識過程的主體為人和結(jié)果。無論是基于文檔的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程還是基于模型的系統(tǒng)工程，都涉及到對原有實際事物的抽象建模，并不是原有的系統(tǒng)工程只有文檔以及紙張，之前的工程項目只能使用文檔進(jìn)行系統(tǒng)需求分析和概念設(shè)計，其在概念建模、專業(yè)分析、三維設(shè)計、仿真工具上都大量應(yīng)用，只不過描述模型的工具不統(tǒng)一、不規(guī)范，僅靠訓(xùn)練過的設(shè)計師去串起所有環(huán)節(jié)。
圖 4 基于模型的系統(tǒng)工程所具有的協(xié)同優(yōu)勢
明確模型是認(rèn)知后，系統(tǒng)工程方法說明研究系統(tǒng)需要借用模型，有了模型需要進(jìn)行運作，也就是仿真，根據(jù)仿真結(jié)果修改模型，再進(jìn)行仿真，根據(jù)一系列仿真的結(jié)果，得出現(xiàn)有系統(tǒng)的調(diào)整，進(jìn)而迭代系統(tǒng)設(shè)計、建造方案。這是系統(tǒng)工程研究解決實際問題的工作過程。無論何時的系統(tǒng)工程方法，都有這樣的過程，只不過傳統(tǒng)基于文檔的結(jié)果傳遞和孤立的單學(xué)科單專業(yè)仿真無法快速迭代、提高復(fù)用率。
在解決系統(tǒng)問題時，項目一般構(gòu)建兩類模型：一是使用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、材料、生物等知識，建立不同學(xué)科，不同領(lǐng)域以及跨學(xué)科的機理模型，二是在實驗范圍內(nèi)用統(tǒng)計數(shù)學(xué)方法從大量實驗數(shù)據(jù)中擬合得到的達(dá)標(biāo)現(xiàn)有認(rèn)知規(guī)律的唯象模型。體系層使用唯象模型多一些，更抽象一些，例如CEP模型或毀傷模型，VVA后的模型對裝備有預(yù)言能力。系統(tǒng)層使用分解能力的機理模型更多，例如航天器在軌7年如何形成的，VVA后的模型對裝備有描述能力。
MBSE
基于模型的系統(tǒng)工程（model based systems engineering，MBSE）是建模方法的形式化應(yīng)用，以使建模方法支持系統(tǒng)要求、設(shè)計、分析、驗證和確認(rèn)等活動，這些活動從概念性設(shè)計階段開始，持續(xù)貫穿到設(shè)計開發(fā)以及后來的所有壽命周期階段。
圖 5 MBSE典型的V模型
系統(tǒng)工程的管理可以管理流動、競爭，但是它管不了集成，集成有自己確定的、無歧義的規(guī)律。只有基于建模活動后的模型集成才可能以更高效率運用知識。遺憾的是支持設(shè)計知識集成的模型目前還缺乏縱觀全局的研究。現(xiàn)狀是各行各業(yè)都用自己的知識模型，這就使得在設(shè)計中，達(dá)到既要滿足物質(zhì)需求，又要滿足精神需求和社會需求的知識集成目標(biāo)變得非常困難。
概念模型是對真實世界的第一次抽象，是構(gòu)建后續(xù)模型和制造新存在物的基本參照對象，包含數(shù)學(xué)模型、圖表模型、邏輯模型、實物模型等。INCOSE定義的MBSE，旨在進(jìn)一步強調(diào)和突出概念模型在系統(tǒng)工程中的地位和作用，把原來文本化的需求、概念設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)榛赟ysML的概念模型，只是運行的形態(tài)發(fā)生了部分變化，最大的區(qū)別體現(xiàn)于工具、效率的不同，進(jìn)而導(dǎo)致組織、流程的變革，其實并沒有引起系統(tǒng)工程本質(zhì)的變化。
圖 6 從概念模型進(jìn)化為真實產(chǎn)品
只是隨著M&S向全系統(tǒng)、全過程、全方位的發(fā)展，MBSE必然貫穿于系統(tǒng)的全生命周期，當(dāng)然在解決系統(tǒng)問題的不同階段還必然需要各學(xué)科、各專業(yè)的建模與仿真工具，但各學(xué)科、各專業(yè)的建模過程將統(tǒng)一規(guī)則、快速迭代、提高模型復(fù)用度，提高系統(tǒng)需求分析、設(shè)計、驗證與確認(rèn)的效率。如果沒有外部刺激或頂層規(guī)劃，概念模型的構(gòu)建是沒有動力的，新的需求分析、設(shè)計工具對系統(tǒng)工程師、內(nèi)部人員乃至用戶都提出了更高的要求，利益相關(guān)方都必須掌握SysML便于溝通，勢必增加系統(tǒng)投資和學(xué)習(xí)培訓(xùn)壓力，對總體人員還好，對專業(yè)設(shè)計師是很苛刻的要求。如果專業(yè)設(shè)計師看不懂SysML，明確需求、提高溝通交流效率的出發(fā)點是不成立的，更別談模型的數(shù)字連續(xù)了。
圖 7 以模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)仿真驗證
擴(kuò)展來說，數(shù)字孿生能夠獲悉、知曉裝備在運行使用中的健康狀態(tài)，進(jìn)而在虛擬環(huán)境下仿真、試驗，得出對裝備未來行為、狀態(tài)、決策結(jié)果的預(yù)測性結(jié)論，傳感器、互聯(lián)網(wǎng)、AI技術(shù)發(fā)展加速了數(shù)據(jù)獲取、分發(fā)、決策的速度，虛實雙向關(guān)聯(lián)、互動已成為用戶期望的及時準(zhǔn)確裝備維護(hù)、使用活動的標(biāo)配。數(shù)字孿生離不開建模與仿真技術(shù)，而大而全的建模與仿真技術(shù)是MBSE的基石和出發(fā)點。數(shù)字孿生必將脫胎于MBSE技術(shù)體系，成為其有機組成。
圖 8 數(shù)字孿生示意
原有的系統(tǒng)工程過程已經(jīng)很好的廠所，無需建設(shè)一個全新的系統(tǒng)，而是在已有信息系統(tǒng)上增加新功能或局部改造已有的某個系統(tǒng)，循序漸進(jìn)，確保MBSE建造過程不影響現(xiàn)有系統(tǒng)的正常運行。一般來說，安托建議在補充概念模型的基礎(chǔ)上，充分考慮性能、費用、進(jìn)度和風(fēng)險等因素，進(jìn)行業(yè)務(wù)需求梳理、過程再造、組織形式設(shè)計等工作，把分散在各處的多學(xué)科項目團(tuán)隊人員協(xié)同起來，使用建模與仿真手段，通過流程和數(shù)字量傳遞的承載形式，力爭MBSE系統(tǒng)的設(shè)計、建造目標(biāo)一次成功。
綜上，MBSE是SE與M&S融合發(fā)展的階段產(chǎn)物，沒有M&S的支持，SE則很難發(fā)揮其應(yīng)用的作用，同樣，沒有M&S和SE的支撐，MBSE則失去了理論和實踐基礎(chǔ)。MBSE不受制于系統(tǒng)處于什么階段，原有模型不會被拋棄，需要補充的是概念模型。無論MagicGrid用的SysML還是DoDAF用的UPDM，都是描述簡化、抽象后的系統(tǒng)概念模型，在算力支撐下進(jìn)行多次仿真試驗，從而進(jìn)一步了解系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)和行為。SysML只是實施MBSE的起點，而非終點。