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对系统建模(MBSE)语言的理解

1 业务流程

在系统研发尤其是复杂系统研发过程中,概念设计已经越来越显示出其重要性,因为只有真正做好概念设计,才可以摆脱逆向设计思想,采用真正的正向设计方法和手段。另外,传统的基于文件的系统工程已经难以驾驭需求定义、功能定义、架构设计、方案设计、方案权衡等过程,基于模型的系统工程为解决复杂系统的设计问题提供了有效途径,尤其是解决需求定义、功能定义、架构设计等这些概念设计必须解决的问题。

RFLP(Requirement、Function、Logical、Physical)是系统工程的几个关键模型,同时也是基于模型的系统工程(MBSE)的流程应用,它支持复杂产品的全生命周期开发管理与协同运作,将客户需求、产品功能结构、系统逻辑关系、组成产品的零部件有效的进行关联管理。

对系统建模(MBSE)语言的理解 - 第1张

图1 飞机功能定义流程

在整个基于R、F、L、P设计流程中,F部分代表了正向设计的核心,也代表了基于模型的系统工程(MBSE)的核心。或者说一个企业是否拥有功能定义和分析流程可以完全代表这个企业是否具备正向设计的能力。就像上面所述,功能定义(或者说功能、架构定义)主要发生在系统概念设计(总体设计)的阶段,功能定义从某种程度上来说,也是产品或系统总体设计的主要内容。上图是飞机功能架构定义(飞机总体设计)流程示例。

2 系统建模语言、方法、工具

要对系统进行建模(例如功能建模、架构建模)必须有相应的建模语言、建模方法来进行系统建模和系统设计,并有相应的工具进行建模活动和管理活动,这样才可以让基于模型的系统工程不仅停留在理论上,还可以应用在实践中。系统建模主要包括语言、方法、工具等三个方面。

对系统建模(MBSE)语言的理解 - 第2张

图2 系统建模语言、方法、工具

3 对系统建模语言的误解

目前很多用户认为,如果我们使用系统建模工具就必须要学会UML语言和SysML语言,这是对系统建模语言的非常深的误解。大家知道,如果我们使用需求管理工具、产品数据管理(PDM)工具、产品全生命周期管理(PLM)工具,我们无需了解其建模语言是JAVA还是C++,我们只需要会使用这些工具,知道怎样操作需求的建立和追溯、操作对BOM管理和更改就可以了,那么为什么进行系统建模却必须学会和使用SysML语言呢?

这个问题的出现主要是我们把基于业务的工具使用、IT开发这两个领域混淆在了一起。语言的使用原则上是工具开发人员的职责范畴,尤其是业务人员如果真的去学习系统建模语言,对于业务人员来说学习成本非常高,一定会占用其业务方面的精力。当然,如果业务人员去扩展其他领域(例如建模语言)的知识,对业务人员也是有帮助作用的,但是一味地去强调语言,而忽视业务方面知识的了解和提升是我们进行MBSE过程的一个误区。

当然我们如果了解一下这些语言的发展和演变,对我们了解MBSE的发展过程还是有一定的好处的,那么我们首先需要了解的就是,目前所有主流的系统建模工具都支持系统建模语言,或者可以理解成这些主流工具都是用SysML语言写出来的。因此,我们在选择系统建模(MBSE)工具的时候,就无需纠结哪些工具是否支持SysML语言了,我们要做的只是应该基于本企业的历史和现状,来选择适合本企业的工具就足够了。

对于语言来说,最早的系统建模语言是UML语言。UML为“软件”系统建立可视化模型,为“软件”系统建立构件,为“软件”系统建立文档。国际系统工程学会(INCOSE)和对象管理组织(OMG)在对UML2.0的子集进行重用和扩展的基础上,提出一种新的SysML系统建模语言(Systems Modeling Language),SysML语言2006年被采纳,2012年发布规范。

SysML 1.0以UML建模语言为基础,但是SysML 1.0也有一些局限,尤其是在UML语言以“软件”为主的应用范围和架构方面。即使更新的SysML 1.6也有同样类似的问题。因此,SysML 2.0版本于2019年11月结束了征求建议阶段,开发工作已经正式提上日程,根据OMG的计划,大约在2022年正式发布。

SysML 2.0对UML语言有了颠覆性的提升,比较全面地解决了系统工程的软、硬两个方面的问题,最重要的是有效利用企业原有知识和经验,新的语言与历史语言会实现并存。同时,SysML 2.0更多地支持了三维的模型,此外,还通过模型和视图分离的管理技术和建模技术,增加了对模型的数据管理的支持,完全实现在单一数据源基础上对模型数据的全方位追溯。

4 总结

对于方法来说,只有语言没有方法也很难去对系统进行建模的工作。Arcadia方法论是法国泰雷斯(Thales)公司提出的,并因此形成了基于DSML(Domain Specific ModelingLanguage)语言、Arcadia方法论、Capella建模工具的目前世界上为数不多的全系统MBSE平台解决方案之一。

对于工具来说,Capella 提供了一整套建模环境使用户可以完全按照 Arcadia 方法进行复杂系统设计。该工具自 2005 年开始被广泛应用于 Thales 公司所设计的航电、轨交、航天以及雷达系统等。Capella工具的主要特点是基于图形化建模,为工程师开发系统、软件和硬件体系结构提供了丰富的方法指导和更高的效率。Capella 支持大约十多种不同类型的图表类型,包括数据流图、场景图、状态和模式图、组件分解图、功能分解图等。例如,Thales 公司为波音、空客等公司研制的机载娱乐系统就是基于Arcadia方法和Capella工具的具体实践。

对系统建模(MBSE)语言的理解 - 第3张

图3 基于Arcadia方法的四层架构定义

西门子的SMW系统建模工作台(System Modeling Workbench),是复杂系统建模(功能模型、架构模型)解决方案,这个解决方案将Teamcenter产品组合与用于工程的SysML通用建模语言和Capella集成在一起,尤其是Capella 工具提供了一整套建模环境,使用户可以完全按照 Arcadia 方法进行复杂系统功能架构设计。也就是说,使用这个工具无需学会SysML语言,只需要熟悉系统建模业务方法,和这个工具的简单操作。

本文来源:iMBSE Online,作者:窦云江。

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