基于MBSE的复杂装备系统设计：理论与实践 课件 1 基于模型的系统工程概述

基于模型的系统工程概述

本幻灯片中的图片为教学中多年的积累，无法逐一列出出处，在此统一鸣谢！本幻灯片仅应用于教学，无任何商业用途说明：1.1MBSE的历史背景1.2MBSE的定义1.3MBSE的研究现状1.4MBSE的关键技术1.5MBSE的行业应用第1章

基于模型的系统工程概述什么是系统工程？1.1基于模型的系统工程的历史背景钱学森教授在1978年指出：“‘系统工程’是组织管理‘系统’的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有‘系统’都具有普遍意义的科学方法。”(《论系统工程》，1982年)系统工程产生于第二次世界大战期间，在战后50年代，开始有了初步发展。60年代，美国的阿波罗登月计划成功地运用了系统工程的科学方法，按预定目标第一次把人送到了月球。以此为转机，系统工程受到了世界各国的高度重视，获得迅速发展，被广泛应用到自然科学和社会科学的各个领域，开创了系统工程发展的新时期。系统工程是运用系统方法，对系统进行规划、研究、设计、制造、试验和使用的组织管理技术。系统工程的不同层面1.1基于模型的系统工程的历史背景系统工程的技术过程与管理过程基于文档的系统工程

基于模型的系统工程1.1基于模型的系统工程的历史背景MBSE方法是系统工程领域的一个重要方向，通过形式化的建模来支持系统开发全生命周期中的系统工程活动，包括系统的需求、架构设计、优化分析、仿真验证等过程。相较于传统的系统工程，MBSE最大的区别是从以文档为中心转变为以模型为中心。通过模型的不断演进，来实现系统的设计，具有可视化、可执行、无歧义和模型关系显性表示的特点。文档为中心模型为中心物理地收集文档文档来自单一模型图纸是相互独立视图彼此一致图表展示静态行为图表展示可执行的和动态行为数据存储在多个地点和媒介数据存储在一个链接库系统视图是存储的系统视图是动态产生的需求或设计变更需要手动修改有关文档需求或设计变更自动修改有关文档1.1MBSE的历史背景1.2MBSE的定义1.3MBSE的研究现状1.4MBSE的关键技术1.5MBSE的行业应用第1章

基于模型的系统工程概述MBSE定义与发展路线1987年，MBSE的概念正式提出。1993年，亚利桑那大学A.WayneWymore教授发表了《基于模型的系统工程》一书1996年，ISO和INCOSE启动了系统工程数据表达及交换标准化项目，其成果即后来的STEPAP233。1998年，INSIGHT杂志出版了《MBSE：一种新范式》专刊，探讨信息模型对软件工具互操作性的重要性等议题。2001年年初，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。2001年7月，INCOSE和OMG联合成立了系统工程领域专项兴趣组，并发布UMI针对系统工程的提案征集。2000年9月SysML1.0发布。2007-2008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已经具备一定条件正式登上历史舞台。1.2MBSE定义2020年，INCOSE给出的MBSE的定义（Systemsengineeringvision2020）：MBSE是建模方法的形式化应用，以使建模方法支持系统需求、设计、分析检验与确认活动，这些活动从概念设计阶段开始，贯穿整个开发过程及后续的生命周期阶段。MBSE是向以模型为中心的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来影响未来系统工程的实践。1.1MBSE的历史背景1.2MBSE的定义1.3MBSE的研究现状1.4MBSE的关键技术1.5MBSE的行业应用第1章

基于模型的系统工程概述美国航空航天局(NASA)1.3MBSE的研究现状欧洲航天局(ESA)1.3MBSE的研究现状在MBSE标准和全生命周期应用方面做了系统性工作;致力于系统全生命周期数据一致性和基于模型的验证。1.3MBSE的研究现状相比于国外对系统工程及MBSE的研究，国内的研究主要集中在21世纪初。航空工业集团与IBM公司合作，引入IBMHarmony-SE方法和整套工具体系来开展航空系统工程，并通过仿真试验、验证、优化了系统设计（图为2016年航空工业集团下属企业的应用情况）。1.1MBSE的历史背景1.2MBSE的定义1.3MBSE的研究现状1.4MBSE的关键技术1.5MBSE的行业应用第1章

基于模型的系统工程概述1.4MBSE的关键技术1.4MBSE的关键技术建模语言——SysMLSysML是一种可视化建模语言，它由一个提供了在“基于模型的”背景环境下多种复杂系统描述方法的工具箱组成。SysML支持包含硬件、软件、信息、制造等多领域系统的而描述、设计、分析、验证等。SysML并不是一个全新的建模语言，而是建立在统一建模语言（UML）的基础之上。建模方法论——Harmony1.4MBSE的关键技术Harmony综合系统和软件开发流程该方法由IBM开发，主要面向嵌入式复合系统，它集成了系统开发与软件开发有IBMRhapsody工具作为支撑开发环境，该环境兼容UML、SysML等建模语言以及美国国防部标准DODAF等框架主要的工程步骤包括需求分析、系统功能分析、架构设计。建模方法论——OOSEM1.4MBSE的关键技术OOSEM活动和建模成果物面向对象系统工程方法（OOSEM），支持面向对象模式，可以集成面向对象软件工程的优势。采用自上而下功能结构思想。建模过程通过SysML语言实现，来实现对与系统的说明、分析、设计、验证。该方法流程包含6个步骤：分析利益方需要、明确系统需求、明确逻辑架构、综合集成可选分配架构、优化与评估可选方案、确认与验证系统。任何商用SysML建模工具都可以用来支持面向对象系统工程方法。建模方法论——MagicGrid1.4MBSE的关键技术MagicGrid2.0流程MagicGrid方法是由NoMagic公司在OOSEM方法的基础上，结合在相关领域的具体实践，提出的建模方法，是基于OOSEM思想的在实施过程中的细化其实施过程由三个阶段组成，每个阶段有四个步骤，最终固化为表格流程的形式，完成从需求分析到功能架构，到系统组件的完整设计。建模方法论——其他建模方法1.4MBSE的关键技术通用系统建模方法：将面向对象技术与传统自顶向下系统建模方法有机结合，形成具有模型驱动能力的复杂产品通用的系统建模方法，目的是构建更具柔性和具有可扩展性的系统。并行建模方法：针对特定的需求如安全性等提出，目的在于将满足特定需求的设计融于其他主要需求的设计中。对四个主要的建模活动并行地进行建模，分别对应一个领域，即需求域、行为域、架构域及验证与确认域，并通过一个公共的系统设计仓库关联起来。基于对象-过程的建模方法：Dori教授在系统地分析复杂产品特点的基础上提出，认为任何事物均可表示为“对象”或“过程”，而每一对象在任何时刻均有一个对应状态，且状态的改变可通过过程的发生来实现。状态分析法：由美国喷气推进实验室开发，该方法提出了一套全新的工程系统建模理念。模型以状态为核心，状态被定义为时变演化系统的瞬时状况的表示，模型描述状态的演变过程。在该方法中，基于模型的需求可以直接映射到工程系统软件部分的底层。该方法的特点和优势在于，状态被明确定义，并且状态的估计与状态的控制相分离，硬件部分的适配器提供受控系统与控制系统之间的唯一接口，并且在架构中强调目标导向的闭环操作，提供到软件部分的直接映射。建模工具1.4MBSE的关键技术建模是实现MBSE应用的直接技术手段，所采用的工具在市面上有多款商业化工具软件，国外厂商系统架构建模工具有IBM的Rhapsody、西门子推广的Tales工具Capella、DassaultSystèmes的MagicDraw、SparxSystems公司的EnterpriseArchitect（EA）等相关工具1.1MBSE的历史背景1.2MBSE的定义1.3MBSE的研究现状1.4MBSE的关键技术1.5MBSE的行业应用第1章

基于模型的系统工程概述航空领域1.5MBSE的行业应用JPL研究室与QuadraPiR2E公司合作[11]，通过MBSE方法对基于卫星的野火检测器FireSat系统进行了研发，整个过程包括构建200多个热红外成像传感器模型。经过5年的应用，JPL已经完成了对MBSE全过程的初步推广，实现了设计全过程的系统模型表达，并形成了自己的应用经验。其中的总结包括任务分析，方案权衡，需求可追溯性，可靠性分析等方面。航天领域1.5MBSE的行业应用美国国防先期研究计划局（DARPA）2014年启动“自适应运载器制造”（AVM）项目，通过应用基于模型的系统设计/分析/验证等技术，使项目在研发初期就在模型的基础上快速论证显著压缩了复杂系统的开发周期。AVM计划中深度应用了MBSE，构建了基于模型的设计、分析、验证平台，建立了组件模型库，提供了模型化和参数化的组件，以及模型化的各类运载器材料的属性库，支持运载器整体的系统设计，实现基于模型仿真与模拟验证，支持多个层面的工程分析，包括整车性能分析、人机环分析、机动性分析、可制造性分析、采购分析等，形成了全面、集成的系统工程运行环境，提高了系统工程效率。AVM项目中的CPS架构汽车领域（福特公司）1.5MBSE的行业应用美国福特公司与佐治亚理工学院合作