基于模型的系统架构
Modeler
内容简介
本书主要介绍了系统架构的搭建理念、理论和方法，用以支持产品的生产制造，并使产品满足市场需求。书中介绍的方法实现了系统工程从以文档为中心向以模型为中心的转变，强调了模型在设计、分析、制造过程中的重要性，提高了基于模型的系统架构研究方法的完备性。本书希望让更多系统工程领域的人了解基于模型的系统架构理论方法，从而将该方法运用到实际设计研究过程中，使得系统架构设计上升到新的台阶。
作者简介
李浩敏，中国商用飞机有限责任公司系统工程专业总师，CR929 远程宽体飞机系统工程和需求验证团队高级项目经理，中国航空学会会员，SAE S-18 美国汽车工程师协会民用飞机与系统开发和安全性评估委员会委员。
目 录
1引言 1
2示例: 虚拟博物馆参观系统4
3 更好的产品———系统架构设计的价值6
3.1 系统架构设计对制造更好产品的贡献 6
3.2 可以实现的益处 7
3.3 可在企业内部传递的益处 10
3.4 系统架构设计的有利方面 11
3.5 基于模型的系统架构设计的益处 11
4 系统架构的定义 13
4.1 什么是架构?一些现有定义的讨论 13
4.2 对“系统”和“系统架构”的定义建模 15
5 基于模型的系统架构 19
6 架构描述 24
6.1 为什么要花费精力来描述架构? 24
6.2 架构描述 25
6.3 如何获取架构描述? 31
7 架构模式及原则 35
7.1 SYSMOD“Z”字模式 35
7.2 基础架构 42
7.3 内聚与耦合 45
7.4 定义?用途和运行时间的分离 46
7.5 将稳定部件与不稳定部件分开 48
7.6 理想系统 49
7.7 视图与模型 49
7.8 图表布局 51
7.9 系统模型结构 52
7.10 启发法 53
8 需求和用例分析 56
8.1 确定和定义需求 59
8.2 具体说明系统上下文 60
8.3 确定用例 62
8.4 描述用例流 65
8.5 对领域知识建模 66
9 系统架构中的透视图?视角和视图 68
9.1 功能透视图 69
9.2 物理透视图 73
9.3 行为透视图 76
9.4 分层透视图 76
9.5 系统部署透视图 86
9.6 其他透视图 88
9.7 与系统上下文的关系 89
9.8 不同透视图和层次的映射 91
9.9 可追溯性 95
9.10 基于模型的系统架构中的透视图和视图 96
10 典型的架构利益攸关方 100
10.1 需求工程 101
10.2 验证 102
10.3 构型管理 104
10.4 工程学科 105
10.5 项目及产品管理 107
10.6 开发路线图规划员 110
10.7 生产及分销 112
10.8 供方 113
10.9 市场营销与品牌管理 113
10.10 管理人员 115
11 角色 117
11.1 系统架构师角色 118
11.2 系统架构团队 121
11.3 系统架构利益攸关方 122
11.4 招聘系统架构人员 122
11.5 系统架构师的才能发展 124
12 过程 128
12.1 系统架构过程 128
12.2 变更与构型管理过程 134
12.3 系统架构师参与的其他过程 134
13 敏捷方法 135
13.1 迭代 增量和敏捷开发的历史 135
13.2 敏捷环境中的系统架构师 137
14 FAS方法 138
14.1 动机 138
14.2 系统功能架构 140
14.3 FAS方法 142
14.4 FAS启发法 146
14.5 用SysML表示FAS方法 148
14.6 建模工具支持 155
14.7 功能架构到物理架构的映射 159
14.8 使用FAS方法的经验 161
14.9 FAS方法研讨会 162
14.10 非功能需求与功能架构 164
14.11 功能架构的完整性 166
14.12 功能架构与“Z”字模式 168
15 产品线及变体 171
15.1 变体建模的定义 171
15.2 使用SysML进行变体建模 173
15.3 其他变体建模方法 178
16 架构框架 180
16.1 企业架构 181
16.2 系统之系统 182
16.3 架构框架概述 185
16.4 UPDM标准 194
16.5 我们在接触到架构框架时该怎么做 195
16.6 结论 196
17 横切关注点 197
17.1 制胜的非功能性方面 197
17.2 人与系统交互及人为因素工程 198
17.3 风险管理 199
17.4 权衡研究 199
17.5 预算 200
18 架构评估 201
19 让它在组织中发挥作用 206
19.1 系统架构设计的组织结构 206
19.2 作者的经验之谈 210
20 软技能 217
20.1 都与沟通有关 217
20.2 人格类型 226
20.3 跨文化协作技能 229
21 展望: 产品线工程出现后的世界面貌 232
附录A 对象管理组织系统建模语言 234
A.1 图表和模型 235
A.2 结构图 236
A.3 行为图 246
A.4 需求图 253
A.5 使用概要文件扩展SysML 255
A.6 语言架构 257
附录B模型 259
B.1 V模型或系统工程V模型的简史 259
B.2 简单的图解而非全面的过程描述 261
B.3 重要注意事项 263
B.4 现代系统工程V模型的阅读指导 265
参考文献 267
缩略语 276
索引 280
前 言
【译者序】
商用飞机的研制是一项大型且难度系数高的系统工程。在研制初期为满足需求需要搭建一个完备的系统架构，然后实现从产品系统的研发设计向生产制造过渡。随着信息技术的高速发展，基于模型的系统架构由于其结构化和可视化等特点，能够极大地提高设计效率，已经备受业界关注。国内企业对系统架构的重视程度越来越高，但是在构建系统架构模型领域尚处于探索阶段，尤其面对高度复杂的系统，如何形成一个成熟的系统架构是一件极具挑战性的事情。
翻译本书的目的，一是介绍国外有关基于模型搭建系统架构的理念、理论和方法，为我国航空领域科研人员提供一套系统的、全面的教材，满足各类人才对系统架构搭建知识的迫切需求；二是将国内民用飞机研制的重要成果和宝贵经验与本书的建模思想相结合，形成一套科学化、系统化的理论和知识体系；三是提供一套通用技术，促进一系列技术标准的制定，推动系统架构技术体系的形成，促成整个民机产业的体系化和信息化的深度融合。
本书的作者之一蒂姆·威金斯（TimWeikiens）是德国Oose咨询公司执行董事会成员、顾问和培训师，硕士课程讲师，出版商，以及OMG和INCOSE社区的活跃成员。他曾撰写了初的SysML规范，并仍活跃在使用的SysMLV1和下一代SysMLV2的编写工作中。他还参与了许多MBSE活动，在多个有关MBSE主题的会议中都能看见他的身影。作为顾问，他曾为许多来自不同领域的公司提建议。在本书中作者深入浅出地介绍了如何搭建一个明确的、可持续的系统架构以支持产品的生产制造并且使得产品更加满足市场需求。本书内容有利于实现系统工程从以文档为中心向以模型为中心的转变，体现了模型在系统工程中的重要地位，使得模型成为设计、分析、研究系统的不可或缺的工具。当前，有关研究模型的理论知识、技术方法多种多样，本书针对基于模型的系统架构提出了一套系统完整的研究方法。为了能够很好地解决现实出现的复杂问题、紧随时代潮流，针对基于模型的系统架构研究已经有了明显的研究进展，这在本书中有所体现。书中介绍的模型表达方法涵盖了许多标准和框架，能够有助于研制出更为优质的工业产品。在此希望通过此书的翻译，能够让越来越多的人参与到基于模型的系统架构研究当中，在实践中对系统架构进行完善，促进国内系统工程领域的发展。
《基于模型的系统架构》是由李浩敏、张莘艾、汤超、王健、陈冬生、周梦倩、何燕、詹超、邬昊慜、牛威、张峻、王红兵、樊利利、胡仞与、康文文等翻译、编辑和校对的，感谢他们在百忙之中对本书所做的工作。
【前言】
与普遍的看法不同，模型对于系统工程而言并不是新事物。模型是工程师们分析问题和寻求解决方案的良好途径，因此系统模型与系统工程本身一样早已得到应用。传统的方法重视书面说明并视之为“真理之源”，而模型则被视为次要的和描述性的，有时以简图形式反映，有时以正规图表形式示出，一部分在分析软件包内捕获，并且常常只是留存在总工程师的头脑中。将系统工程从以文档为中心的实践方法转换为以模型为中心的实践方法，关键并不在于模型的导入，而在于使模型明晰，并将其推至“前台”，使之成为设计、
分析、沟通和系统描述的权威工具。
当前，众多组织大力研究模型表示法、标准、方法论和技术，希望借助模型驱动的范例来变换系统工程的实践方法。为了管控当今问题的复杂性，为了与当今快速发展的技术保持同步，为了获取与问题、解决方案和基本原理有关的所需知识，为了有效应对变化，全都需要使系统工程与其他工程学科相结合，超越以文档为中心的技术，汲取基于模型的基础所带来的活力。在过去的十多年中，随着精力投入和重点关注，这方面已取得显著的进展。随着系统建模语言（SysML）发展为一组标准化图表，用于补充传统的系统表示法，使得业界在表示法领域取得较大进步。许多著作，包括蒂姆·威金斯经常引用的指南，阐述了使用该表示法获取和沟通系统设计以提高系统团队内部显性和一致性的细节。伴随这些表示法出现了为数众多的标准和框架，以帮助工程团队开发反映关键系统维度的高保真模型。
然而，对于业界就SysML、表示法、标准以及工具所做的所有探讨，存有大量的疑惑。了解SysML符号，绘制SysML图表，并且不等于实施基于模型的系统工程。在系统工程中使用不相关的模型和模拟，也不等于对基于模型的系统工程进行集成。
为了有效地变换到以模型为中心的技术，需要我们后退一步去了解全局背景。图表和其他表示方法并不单独存在，而是相互关联和重叠，从特定的角度沟通系统模型的关键方面。系统架构模型和精细分析模型并不是不相关的，也不存在一个单一的大型统一模型来捕获所有系统问题的所有相关维度。为了向前发展，我们必须怀有全局性的系统观念，并将其用于基于模型的系统工程，寻求相互关系，并开发出一个支持系统工程实践的鲁棒性工具箱。
本书中，四位作者拓宽了我们的视野，并为我们揭示丰富的一组透视图、过程和方法，以使得我们能够为基于模型的系统架构开发出一个有效的统一框架。在业界现有论及SysML的教科书文库的基础上，本书明显超越表示法，将模型、视角和视图作为处理需求、行为和架构等等问题的现代方法的一部分。它与一个涉及过程、方法和工具的更大架构相连接，对于支持以模型为中心的实践方法是关键。本书超越技术空间看到了关键的文化维度，因为向以模型为中心的技术转换远不是一项技术挑战，而是一次组织变革。
本书的四位作者在论述这个更大的框架时，将以模型为中心的实践方法结合在一起，以帮助从业人员开发有内聚力的系统架构———这是我们在项目全生命周期中的一次机会，借此管控问题复杂性、开发可恢复性以及完成关键问题（诸如系统安全性）设计。
毫无疑问，系统工程的未来应是以模型为基础。以文档为中心的技术显然不足以应对当前和未来的挑战。在开发含过程、方法和工具的以模型为中心的有内聚力框架方面，那些属于早期采用者的从业者和组织，无论是自己生产产品，还是为他人提供系统服务，都具有一定的竞争优势。作为一名专业人员，如果我们能够从以文档为中心的系统工程转换为基于模型的系统工程，并且坚持实现“基于模型的系统工程”愿景，我们就能够帮助转换更大的产品生命周期，在质量、成本以及上市时间方面给予重大改进，从而使所有各方都获益。
戴维·朗（DavidLong）
VitechCorporation公司总裁
INCOSE会长(2014—2015）
【序言】
以优异质量和适销成本的系统及时地响应市场需求是一种强大的竞争优势。一旦认同市场需求，运用多个学科来开发针对该市场需求的系统，各学科需要紧密配合，并且每个人都要精确地理解每个学科对系统开发的贡献。有效的沟通以及建立对整个相关系统的理解是成功的关键。组织正在面临越来越动态的环境，同时，面对日益增加的分散式团队和利益攸关方的组织复杂性，面对日趋增加的系统组件及其环境之间更多相关的技术复杂性。在这一背景下，需要有一个可持续的显式系统架构。
每一个对系统开发有贡献的工程学科都需要特定的视图，以便获取所需的洞察力。系统模型能够创建一致性的利益攸关方特定视图集。人们可以利用系统模型快速全面地了解正在开发的系统，这有助于人们选择适当的解决方案，以满足市场需求。所有视图都基于相同的数据基线。无须做任何努力来整合冗余数据、澄清矛盾信息造成的误解或承担产生错误的代价。
要实现一个成功的系统，系统架构师需要合理地塑造系统架构。必须执行多项任务，并且每一项任务都要使用一种有效的方法。本书为系统架构师提供应对日常挑战的工具箱。本书的范围是一个基于模型的环境，无论是已创建且在运行的环境，还是在规划中的环境。本书阐述如何使用SysML建模语言来获得基于模型的架构描述。然而这些概念并不依赖SysML，也可以使用其他建模语言来执行。
本书是关于人员、模型和更好产品的著作，基于我们的信念，通过为参与系统开发的人员建立沟通和洞察能力，基于模型的系统架构就能产生更好的产品。本书提出很多方式和方法，我们将其视为成功完成系统架构工作所需的配料成分；本书陈述基于模型的系统架构，我们将其视为与利益攸关方一起构建优良系统架构工作所需的主干材料。我们将表明，让利益攸关方参与的意义远大于一次正式的评估过程。
系统架构的基本原则是简化。与利益攸关方缺乏简易的概念沟通，系统架构师就无法得到应有的理解，因此系统开发将是失败的。我们向你，亲爱的读者，提出建议，采用简化原则，并将其用于本书陈述的众多方法中。你可自由地仅选择对你的日常工作为适合的方法，至于其他方法，在你发现它们有用之前，先予以忽略。对于系统架构师而言，本书是一个内藏丰富的工具箱，并且不是一种严格的全用或全不用的过程。
经验告诉我们，每个组织将有不同的侧重领域，并且需要不同的方法。鉴于这个原因，我们将已观察到的在业内正在成功应用的多种方法“捆绑”在一起，希望你能从中发现确实适合你当前活动的某些信息。我们业已选择在日常工作中易于使用的并对一般的基于模型的系统架构是重要的那些方法。我们并不苛求提供一整套方法。每一系统架构师都热衷于硬件储备，以拓展其工具箱。而随着时间的推移，当他的某些工具不再适用时，他不得不将其丢弃。
本书的阅读对象为系统架构师、架构师经理以及从事系统架构或对系统架构感兴趣的工程师。本书是一部综合性著作，首次将系统架构这一新兴学科和基于模型的方法以及SysML结合在一起，组成一个完整的框图。重要的组成部分如下：
（1）功能架构以及拉姆和威金斯提出的从通用案例分析中导出架构的“系统功能架构法（FAS）”。
（2）在系统架构上下文中综合来自软件学科的分层架构概念。
（3）对系统变量建模。
（4）不同架构类型（如功能架构、逻辑架构和产品架构）的完整框图以及它们的关系。
（5）关于SysML的简要说明。
（6）附录中给出Ｖ模型的历史综述和关于Ｖ模型的设想。
作为本书的一位典型读者，你可能没有时间从头至尾读完所有各章。因此我们尽可能使每章之间相互独立，为的是当你对某主题产生灵感时，你可单独地或不按某个特定顺序来阅读它们。你可根据需要找到关于特定主题的参阅内容并获得启发，以便在你的日常业务中直接使用所陈述的方法。书中使用一个基于机器人的虚拟博物馆参观方案作为示例系统，演示各个主题。
我们喜欢使用中性语言来成文。由于我们尽量避免在同一个句子中使用两种性别称呼来扰乱阅读的流畅性，因此在不适合使用中性语言之处，我们只使用一种性别称呼。凡合适之处，可随意用“她”代替“他”，或用“他”代替“她”。
我们要感谢INCOSE的德国分会（GfSE）的FAS工作组和 MkS工作组。这两个组的工作为我们提供了新的观念，现在就可在本书中读到这些。我们感谢NoMagic公司在采用Cameo工具系列进行工作时所提供的支持，我们用以创建了SysML模型和图表，并已在本书多章中使用。我们还要感谢埃里克·索达（ErikSolda）允许我们使用机器人示例，感谢马丁·鲁赫（MartinRuch）有关组织界面评估的建议。感谢在工作中影响我们思维方式，帮助我们用外文进行阅读与写作以及为本书推荐参考文献的所有同事，这些参考文献现已成为本书基础的一部分。另外，还要感谢读过或听过本书 部分内容后向我们提出建议和补充性意见的各位人士。
我们感谢所有 MBSE支持者，他们相信 MBSE可以为成功开发复杂系统提供支持。特别感谢杰出的 MBSE专家戴维·朗，他自始至终地提供了帮助，并为本书撰写了前言。
后，感谢威利出版社编辑布雷特·库兹曼（Brett Kurzman）和助理亚历克斯·卡斯特罗（Alex Castro）、凯瑟琳·帕格利亚罗（Kathleen Pagliaro）和巴加维·纳塔拉詹（Bhargavi Natarajan）的大力支持。
蒂姆·威金斯
杰斯克·G.拉姆
斯蒂芬·罗思
马库斯·沃克
资助人
马赛厄斯·迪恩策（MATTHIASDAZER）
瑞士Bernafon AG公司
2015年2月
