基于MBSE的复杂装备系统设计：理论与实践 课件 2.1-2.2-系统设计建模

系统设计建模

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：2.1系统的设计理论与方法2.2系统建模方法论第2章

系统设计建模2.1系统的设计理论与方法2.2系统建模方法论第2章

系统设计建模2.1系统的设计理论与方法——系统化设计方法论系统化设计方法论是德国学者Pahl和Beitz于20世纪70年代创立的一种系统化的方法。系统化设计方法论功能结构图系统化设计方法论力求将基于经验的设计转变为基于科学的设计，其核心是结构化地表达设计过程。2.1系统的设计理论与方法——系统化设计方法论系统化设计方法论是德国学者Pahl和Beitz于20世纪70年代创立的一种系统化的方法。系统化设计方法论功能结构图德国工程师协会在这一设计思想的基础上，制定出标准VDI2221技术系统和产品开发设计方法2.1系统的设计理论与方法——系统化设计方法论系统化设计方法论是德国学者Pahl和Beitz于20世纪70年代创立的一种系统化的方法。系统化设计方法论功能结构图系统化设计方法论将设计过程分为明确任务、概念设计、技术设计和施工设计四个阶段，涵盖了从需求分析开始，通过功能抽象、功能分解、功能求解（实现功能的解题原理）到方案综合、方案评价，再到详细的技术设计、制造及装配设计的全过程。2.1系统的设计理论与方法——系统化设计方法论系统化设计方法论是德国学者Pahl和Beitz于20世纪70年代创立的一种系统化的方法。系统化设计方法论功能结构图该方法概念设计阶段的核心是建立待设计产品或技术系统的功能结构并加以实现。产品首先由总功能描述，总功能可以分解为分功能，各分功能可一直分解到能够实现为止。物料流、能量流、信号流作为输入与输出，将各功能有机地组合在一起就形成了产品的功能结构。2.1系统的设计理论与方法——公理化设计理论公理化设计（AxiomaticDesign,AD）是麻省理工大学SUH教授提出的设计理论。设计域及映射过程公理化设计理论的目标是为设计构建科学基础，将依靠经验和直觉的设计转变为以设计公理为基础的设计，避免了传统的“设计—构造—测试—再设计”的循环过程。公理化设计的核心概念包括：设计域；“Z”字形映射过程；设计公理。2.1系统的设计理论与方法——公理化设计理论公理化设计（AxiomaticDesign,AD）是麻省理工大学SUH教授提出的设计理论。设计域及映射过程公理化设计用四个设计域（用户域、功能域、物理域和过程域）描述整个设计世界，分别由用户需求、功能需求、设计参数和过程变量表示。2.1系统的设计理论与方法——公理化设计理论公理化设计（AxiomaticDesign,AD）是麻省理工大学SUH教授提出的设计理论。设计域及映射过程设计域之间的“Z”字形映射给出了一个自顶向下的设计过程。两个设计域之间的关系通过两种映射类型表达：①相同层级的映射；②不同层级的映射。2.1系统的设计理论与方法——公理化设计理论公理化设计（AxiomaticDesign,AD）是麻省理工大学SUH教授提出的设计理论。设计域及映射过程公理化设计一直是国内外学者的研究热点，近年来，随着系统复杂性的增加，公理化设计在系统设计中的作用越来越明显。一些研究学者在公理设计的基础上，提出了面向大型系统设计的协同设计方法，将系统集成任务与详细的设计任务分开，解决了不同设计团队之间的设计冲突；还有一些学者将公理化设计方法与系统设计结合，提出层次化设计过程来支持复杂系统的概念设计等。2.1系统的设计理论与方法——质量功能展开方法质量功能展开（QualityFunctionDeployment,QFD）方法是日本学者AKAOK于1966年提出的QFD的结构QFD的基本原理：将“质量屋”作为量化分析工具确定用户需求和技术措施之间的关系，对数据进行分析处理，进而确定更能满足用户需求的技术措施（关键措施），从而保证所开发产品的质量。2.1系统的设计理论与方法——质量功能展开方法质量功能展开（QualityFunctionDeployment,QFD）方法是日本学者AKAOK于1966年提出的QFD的结构作为一种顾客驱动的产品系统设计方法与工具，QFD代表了从传统设计方式向现代设计方式的转变，是系统工程思想在产品设计和开发过程中的具体运用。就QFD的本质而言，它是用矩阵展开方法来处理目的和手段关系的分析工具，是一个将顾客的需求转化为设计、零部件、制造和成本的过程。2.1系统的设计理论与方法——质量功能展开方法质量功能展开（QualityFunctionDeployment,QFD）方法是日本学者AKAOK于1966年提出的QFD的结构QFD中最关键的工作是通过构建质量屋的矩阵框架，将相关需求信息录入，在分析评价以后取得输出信息，并实现顾客需求向企业具有竞争优势的技术目标值的转化。质量屋通常由左墙、天花板、房间、屋顶、右墙和地下室等广义矩阵组成。2.1系统的设计理论与方法——质量功能展开方法质量功能展开（QualityFunctionDeployment,QFD）方法是日本学者AKAOK于1966年提出的广义矩阵含义左墙顾客的需求及重要度天花板按照顾客的需求，应该怎么做，采取什么样的方法和手段满足顾客的需求房间顾客需求和技术需求之间的内在关联屋顶各技术需求之间的相关右墙以顾客为视角，对产品的竞争进行科学评价地下室选定产品的质量属性重要度、企业产品和竞争对手相应产品的技术要求满足度等QFD的结构2.1系统的设计理论与方法——质量功能展开方法质量功能展开（QualityFunctionDeployment,QFD）方法是日本学者AKAOK于1966年提出的质量屋是一种确定需求和相应产品或服务性能之间联系方法。质量屋一直是产品开发中连接用户需求与产品属性的经典工具。例如在一个相机产品开发中，市场研究得到了用户对产品的若干需求，如，质量轻、使用方便、可靠、容易拿稳等等。通过市场人员与设计人员共同工作，确定实现不同需求可行的方式。这个过程同时排除掉了一些技术无法实现的需求，就像选择家具。一个完整的质量屋，还包括竞争对手表现、技术指标之间的关系、技术指标重要性得分等信息。2.1系统的设计理论与方法——发明问题解决理论发明问题解决理论（TheoryofInventiveProblemSolving，TRIZ）是苏联学者及其领导的研究小组分析研究了250万件专利的基础上于1946年提出的。TRIZ理论的体系构成1991年，苏联许多有学识的TRIZ专家将TRIZ理论带到了国外，TRIZ创新方法逐渐在全球范围内传播。随着国外对TRIZ理论的大力宣传，中国的学者也开始了解和研究该理论。1999年，牛占文教授第一次在国内介绍TRIZ理论，自此TRIZ理论被引入中国。之后，TRIZ理论才渐渐地被国内各院校学者、科研结构和企业重视。经过70多年的发展，TRIZ已形成了一系列方法与工具，为发明问题解决过程提供支持，特别是提出设计冲突理论、标准解、算法等。2.1系统的设计理论与方法——发明问题解决理论TRIZ理论的体系构成国际著名的TRIZ专家Savransky给TRIZ定义：TRIZ是基于知识，面向人的关于发明问题解决的系统化方法学。发明问题解决理论（TheoryofInventiveProblemSolving，TRIZ）是苏联学者及其领导的研究小组分析研究了250万件专利的基础上于1946年提出的。2.1系统的设计理论与方法——发明问题解决理论TRIZ矛盾矩阵发明问题的标准解决方法首先是将发明问题按其物质-场模型进行分类，然后将各类相似问题的解决方法标准化、体系化。TRIZ提供了39个标准工程参数来确定冲突，40条发明原理用于解决冲突，5类共76种标准建模和解决方法发明问题解决理论（TheoryofInventiveProblemSolving，TRIZ）是苏联学者及其领导的研究小组分析研究了250万件专利的基础上于1946年提出的。2.1系统的设计理论与方法2.2系统建模方法论第2章

系统设计建模2.2系统建模方法论——面向对象的系统工程方法面向对象的系统工程方法（Object-OrientedSystemsEngineeringMethod，OOSEM）：是一种自顶向下的、基于模型的方法，它使用对象管理组织发布的SysML来支持系统的规范、分析、设计和验证。OOSEM的基础2.2系统建模方法论——面向对象的系统工程方法该方法源于20世纪90年代中期，在软件生产力联盟（现在称为系统和软件联盟）与洛克希德·马丁公司的合作中发展而来。OOSEM采用了洛克希德·马丁公司一个大型分布式信息系统开发项目的一部分，其中包括硬件、软件、数据库和手动程序组件。为了进一步发展该方法，INCOSE切萨皮克分会于2000年11月成立了OOSEM工作组。OOSEM已经被总结在各种行业和INCOSE论文中，在《SysML实用指南：系统建模语言》中也对该方法进行了介绍。OOSEM的基础2.2系统建模方法论——面向对象的系统工程方法OOSEM的目标如下：针对特定复杂系统捕获并分析需求和设计信息。与面向对象的软件、硬件及其他工程方法集成。支持系统级重用和设计演进。OOSEM是一种混合方法，它结合了面向对象技术和系统工程基础，并且引入了一些独特的技术，如图所示。OOSEM的基础2.2系统建模方法论——面向对象的系统工程方法系统开发过程环境中的OOSEM活动OOSEM支持SE流程。OOSEM的核心原则涵盖了对于系统工程至关重要的实践。主要包括：①集成产品开发，对于提高沟通效果至关重要；②在系统层次结构的每个层次上，递归应用“V形”生命周期流程模型。2.2系统建模方法论——面向对象的系统工程方法OOSEM基于面向对象的思想，并将传统的自顶向下的系统工程方法和其他建模技术相结合，以支持构建更灵活和可扩展的系统。OOSEM能够适应不断发展的技术和不断变化的需求。OOSEM的基础2.2系统建模方法论——面向对象的系统工程方法OOSEM包括以下开发活动：分析利益相关者需求定义系统需求定义逻辑框架综合候选分配的框架优化和评估备选方案确认和验证系统这些活动与典型的系统工程“V形”过程保持一致，它可以在系统层次结构的每个层级递归和迭代地应用。OOSEM活动和建模2.2系统建模方法论——面向对象的系统工程方法OOSEM开发过程中的活动和成果OOSEM采用基于模型的方法，主要使用SysML作为建模语言，以表达由开发过程产生的各类产品。这使得系统工程师能够准确地捕捉、分析和描述系统及其组件，同时确保不同系统视图之间保持一致。建模成果还可以在其他应用中进一步细化和重复使用，以支持产品线和逐步演进的开发方式。2.2系统建模方法论——面向对象的系统工程方法OOSEM开发过程中的活动和成果1.分析利益相关者需求OOSEM活动对现有系统和体系进行捕捉，找出它们的局限性和可能改进的领域。基于“现状”分析的结果，来制定未来的体系及其相关任务需求。2.定义系统需求OOSEM活动旨在明确支持任务需求的系统需求。系统被认为一个黑盒，系统级用例和场景反映了系统如何支持体系的操作概念，每个用例的场景用于推导出黑盒系统的功能、接口、数据等需求。3.定义逻辑架构OOSEM活动包括将系统分解和划分为满足系统需求的相互作用的逻辑组件，逻辑组件捕捉系统的功能。2.2系统建模方法论——面向对象的系统工程方法OOSEM开发过程中的活动和成果4.综合候选分配的架构分配架构描述了系统物理组件（包括硬件、软件、数据和程序）之间的关系，系统节点定义了资源的分布。5.优化和评估备选架构使用参数模型（用于对性能、可靠性、可用性、生命周期成本和其他专业工程问题进行建模）分析和优化候选架构，以比较替代方案的可行程度。6.确认和验证系统OOSEM活动旨在验证系统设计是否满足其需求，并确认需求是否满足利益相关者的需求。需求管理数据库将进行更新，以追踪系统需求和设计信息到系统验证方法、测试用例和结果。2.2系统建模方法论——对象-过程方法Dori将对象-过程方法（ObjectProcessMethodology，OPM）定义为系统开发、生命周期支持和演化的正式范式。将对象-过程图（OPD）的正式而简单的可视化模型与对象-过程语言（OPL）的受限自然语言句子相结合以表达系统的功能（系统的作用或设计目的）、结构（系统的构造方式）和行为（系统随时间变化的方式）这三者在一个集成的单一模型中。2.2系统建模方法论——对象-过程方法OPM的基本假设：宇宙中的一切最终要么是对象，要么是过程。在建模层面上，OPM以三种类型的实体为基础，即对象、过程和状态，其中对象和过程是更高层次的构建模块，统称为事物。即对象、过程和状态，其中对象和过程是更高层次的构建模块，统称为事物。OPM正式定义的实体如下：对象是已经存在的或在物理上/心理上潜在的事物。过程是对象所经历的转换的特征模式。状态是对象可以存在的情况。2.2系统建模方法论——对象-过程方法下图为系统图（SystemDiagram）标记为SD，是OPM元模型的顶层规范。OPM元模型的顶层规范系统图指定了本体、符号和系统开发过程作为OPM的主要特征（表征）。本体包括OPM中的基本元素、它们的属性和它们之间的关系。例如，对象、过程、状态和聚合都是OPM元素。符号通过OPD图形化（图形）或OPL句子（文本）表示本体。例如，在OPD中，过程用椭圆表示，而对象用矩形表示。2.2系统建模方法论——对象-过程方法下图为系统图（SystemDiagram）标记为SD，是OPM元模型的顶层规范。OPM元模型的顶层规范系统开发流程也在系统图中显示，由用户处理。用户是控制该过程的物理和外部对象。这个过程还需要本体论和符号作为工具（输入），以创建一个系统。2.2系统建模方法论——对象-过程方法聚焦于系统开发系统开发过程的常见顺序阶段：需求细化分析与设计实施使用与维护2.2系统建模方法论——对象-过程方法聚焦于系统开发所有这些过程都使用相同的OPM本体论，这有助于缩小开发过程不同阶段之间的差距。SD1显示了客户和系统架构师，以及实施者作为用户的专业化角色，处理需求规定的子过程。2.2系统建模方法论——对象-过程方法聚焦需求细化特定阶段需求细化的四个子过程：问题定义需求重用需求添加判断是否回溯问题定义：系统架构师和客户定义了系统需要解决的问题，该步骤创建了当前系统需求文档的问题定义部分。2.2系统建模方法论——对象-过程方法聚焦需求细化特定阶段需求细化的四个子过程：问题定义需求重用需求添加判断是否回溯需求重用：系统架构师可以重用适用于当前问题的需求并进行调整。重用有助于实现高质量的系统并减少其开发和调试时间。2.2系统建模方法论——对象-过程方法聚焦需求细化特定阶段需求细化的四个子过程：问题定义需求重用需求添加判断是否回溯需求添加：可重用的构件不仅包括软件或硬件组件，还包括需求。在从现有系统中选择性重用需求之后，系统架构师和客户添加新的需求或更新现有的需求。2.2系统建模方法论——对象-过程方法聚焦需求细化特定阶段需求细化的四个子过程：问题定义需求重用需求添加判断是否回溯判断是否回溯：需求添加过程会得出布尔对象“是否需要回溯？”，该对象确定是否应重新启动系统开发。如果需要，则开发过程回溯会调用整个系统开发过程。否则，需求规定终止，开始分析与设计阶段。2.2系统建模方法论——对象-过程方法聚焦分析与设计聚焦分析与设计改进图中展示了从当前系统的需求文档中创建一个OPL脚本的框架。系统架构师可以选择从以前的系统中重用分析和设计构件，从而为当前系统的分析与设计提供基础。最后，在分析与设计改进的迭代过程中（在SD1.2.1中进行了局部展开），系统架构师可以进行OPL更新、OPD更新、系统动画、通用信息更新或分析与设计终止。迭代用户对表示模型的任何一种模态所做的任何更改都会触发开发环境软件的自动响应，以反映互补模态中的更改。OPD更新（由系统架构师完成）会影响OPD集并立即调用OPL生成，根据新的OPD集更改OPL脚本。相反地，OPL更新（也由系统架构师完成）会影响OPL脚本，从而调用OPD生成，反映OPD集中的OPL变更。2.2系统建模方法论——对象-过程方法聚焦实施图中展示了实施阶段的局部展开首先定义实施配置文件，包括目标语言（如Java、C++或SQL）和工件的默认目录。然后实施骨架生成过程使用当前系统的OPL脚本和内部生成规则来创建实施骨架。生成规则将各种目标语言中的OPL语句类型（模板）和它们相关联的代码模板保存在一起。2.2系统建模方法论——对象-过程方法聚焦实施在实现重用和改进的过程中，实施者的主要任务是修改系统结构和行为方面初始实施的骨架。在测试与调试阶段，将检查生成的实施是否符合由客户和系统架构师共同定义的系统要求，以验证其是否满足需求文档。如果检测到任何差异或错误，则需要重新启动系统开发过程。2.2系统建模方法论——Harmony-SE方法Harmony-SE是一个更大的集成系统和软件开发过程Harmony®的子集。Harmony-SE和Harmony®的开发起源于I-Logix公司，曾是嵌入式市场建模工具的领先提供商。Harmony集成系统和软件开发过程Harmony流程在某种程度上类似于系统设计的经典“V形”生命周期开发模型。该流程假设模型和需求文档工件被维护在一个集中的模型/需求存储库中。2.2系统建模方法论——Harmony-SE方法Harmony-SE是一个更大的集成系统和软件开发过程Harmony®的子集。Harmony-SE和Harmony®的开发起源于I-Logix公司，曾是嵌入式市场建模工具的领先提供商。Harmony集成系统和软件开发过程Harmony流程中的系统工程组件显示在图中的左上角，即Harmony-SE，具有以下主要目标：确定/推导所需的系统功能确定相关的系统状态和模式将系统功能/模式分配给物理体系架构2.2系统建模方法论——Harmony-SE方法Harmony-SE过程元素Harmony-SE流程中的任务流程和工作产品包括以下三个顶层阶段元素：需求分析系统功能分析架构设计2.2系统建模方法论——Harmony-SE方法Harmony-SE过程元素需求分析系统功能分析架构设计需求分析阶段的目的是分析流程的输入，即涉众需求，将涉众需求转换为系统需求。系统需求是定义系统必须做什么（功能需求）及如何执行好（服务需求的质量）。涉众需求的分析和完善需求转变成系统所需