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MBSE方法论之OOSEM

1、OOSEM方法论的基本概念与特征

面向对象的系统工程方法(Object-Oriented Systems Engineering Method,OOSEM)是一种基于模型的系统工程(Model Based Systems Engineering,MBSE)方法,它集成了自上而下和基于模型的方法。该方法使用OMG SysML来支持系统的规范,分析,设计和验证。OOSEM利用面向对象的概念以及传统的自上而下的系统工程方法和其他建模技术,来帮助构建更灵活和可扩展的系统,以适应不断发展的技术和不断变化的需求。OOSEM还旨在简化与面向对象软件开发、硬件开发和测试的集成。

OOSEM提出于1998年,并在洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin Corporation)和系统与软件联盟(Systems and Software Consortium,SSCI)的共同努力下得到进一步发展。在早期开展了一些试点项目来评估该方法的可行性。从2002年开始,INCOSE OOSEM工作组对方法进行了进一步的完善。OOSEM最开始使用的是UML,通过非标定制的方式来标识建模工件。从2006年开始,OOSEM采用了SysML语言,其工具支持也得到了大幅提升。

OOSEM的目标如下:

  • 1) 捕获并分析需求和设计信息,以定义复杂的系统。
  • 2) 与面向对象(Object Oriented,OO)的软件、硬件和其他工程方法集成。
  • 3) 支持系统级重用和设计演进。

如上所述,OOSEM是一种混合方法,它利用了面向对象技术和系统工程基础。此外,它还引入了一些特有的技术,如图1所示。

MBSE方法论之OOSEM - 第1张
图1 OOSEM基础

OOSEM支持如图2所示的SE过程。

MBSE方法论之OOSEM - 第2张
图2 OOSEM在系统开发过程中的活动

OOSEM的核心原则包含一些对系统工程必不可少的公认实践,其中包括:

  • 1) 集成产品开发(Integrated Product Development,IPD),对于增强沟通至关重要;
  • 2) 递归“Vee”生命周期过程模型,该模型适用于系统的每个多个级别 等级制度。

2、OOSEM工作过程

如图3所示,OOSEM包括以下开发活动:

  • 1) 分析涉众需求
  • 2) 定义系统需求
  • 3) 定义逻辑架构
  • 4) 综合候选分配架构
  • 5) 优化和评估备选方案
  • 6) 确认和验证系统
MBSE方法论之OOSEM - 第3张
图3 OOSEM活动和建模产品

这些活动可以在系统的每个层级上递归和迭代地应用,这与典型的“V”型系统工程过程一致。必须应用系统工程的基本原则,例如严格的管理流程(即风险管理、配置管理、计划、度量等)以及多学科团队,以支持每项活动更加有效。

OOSEM采用基于模型的方法和建模语言SysML来表示开发活动所产生的各种产品。它使系统工程师可以精确地捕获,分析和定义系统及其组件,并确保各种系统视图之间的一致性。建模产品还可以在其他应用程序中进行完善和重用,以支持产品线和演进式开发方法。

OOSEM的开发过程详细描述如下:

1)分析涉众需求

此活动捕获“当前”系统和企业的局限性和潜在的改进领域。现状分析的结果用于开发未来的企业以及相关的任务需求。企业模型描述了企业,其组成系统(包括要开发或修改的系统)以及企业的参与者(企业外部实体)。使用因果分析技术分析企业的现状,以确定其局限性,并将其作为推导任务需求和未来企业模型的基础。任务需求是根据任务/企业目标、有效性度量和顶层用例来确定的。 用例和场景捕获了企业功能。

2)定义系统需求

此活动旨在明确支撑任务需求的系统需求。系统被建模为一个黑盒,并与企业模型中定义的外部系统和用户进行交互。系统级用例和场景反映了有关如何使用系统来支撑企业的操作概念。使用带有泳道的活动图对场景进行建模,泳道代表黑盒系统、用户和外部系统。每个用例的场景都用于推导黑盒系统的功能、接口、数据和性能需求。在此活动阶段会更新需求管理数据库,以将每个系统需求追溯到企业/任务级用例和任务需求。

根据需求变更的可能性(这存在于在风险中)来评估需求变化,然后对需求变化进行分析,以确定如何设计系统以适应潜在的变化。典型的例子就是系统界面很可能发生变化或性能要求会提升。

3)定义逻辑架构

此活动包括将系统分解并划分为相互交互的逻辑组件,以满足系统需求。 逻辑组件捕获系统功能。比如由Web浏览器实现用户界面,或由特定传感器实现环境监视器。逻辑架构/设计减轻了需求变更对系统设计的影响,并有助于管理技术变更。

OOSEM提供了将系统分解为逻辑组件的准则。逻辑场景保留了系统黑盒与其环境的交互。此外,逻辑组件的功能和数据会根据划分准则(如内聚性,耦合性,变更设计,可靠性,性能和其他考虑因素)进行重新划分。

4)合成候选的分配架构

分配架构描述了系统物理组件之间的关系,包括硬件,软件,数据和程序。系统节点定义资源的分配。首先将每个逻辑组件映射到系统节点,以解决功能如何分配的问题。划分准则也适用于解决分配问题,例如性能、可靠性和安全性。 然后将逻辑组件分配给硬件、软件、数据和操作程序组件。软件、硬件和数据架构是基于组件的关系派生的。每个组件的需求都可以追溯到系统需求,并在需求管理数据库中进行维护。

5)优化和评估备选方案

此活动在所有其他OOSEM活动中均会执行,用来优化候选架构并进行权衡分析以选择理想的架构。参数模型可用于对性能、可靠性、可用性、生命周期成本和其他的专业工程问题进行建模,且用于分析和优化候选架构,使其达到进行备选方案比较所需的水平。 权衡分析的准则和加权因子可追溯到系统需求和有效性度量。该活动还包括对技术性能指标的监控和潜在风险的识别。

6)确认和验证系统

此活动旨在验证系统设计是否满足其需求,同时确认需求对涉众需求的满足情况。它包括制定验证计划、程序和方法(例如检查、演示、分析和测试)。系统级用例、场景和相关需求是测试用例和相关验证程序开发的主要输入。验证系统也可以采用上述同样的活动和产品进行建模。在此活动期间会更新需求管理数据库,以建立系统需求和设计信息到系统验证方法、测试用例和结果的追溯。

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