• 航天领域应用MBSE方法的思考和建议（中）
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摘要：基于模型的系统工程（MBSE）是从需求到产品架构的数字化架构设计技术流程和活动，包括相关过程、方法和工具的集合，为解决需求分析、功能分析和架构设计一致性问题提供了有效途径。

编者注：基于模型的系统工程（MBSE）是从需求到产品架构的数字化架构设计技术流程和活动，包括相关过程、方法和工具的集合，为解决需求分析、功能分析和架构设计一致性问题提供了有效途径。中国航天科技集团有限公司开展了MBSE的学习、研究和探索实践，我们邀请技术专家撰写了MBSE系列文章，介绍实施方法、工具、国内外应用现状、工作难点和实施建议。本篇为上篇。

1 MBSE概述

1.1 MBSE概念

INCOSE于2007年发布的《系统工程愿景2020》中定义MBSE为：“采用形式化的建模手段，建立数字模型，支持系统的需求、设计、分析、验证和确认活动，这些活动开始于概念设计阶段，并持续贯穿整个开发过程和后续的生命周期阶段”。MBSE方法学是从需求到产品架构的数字化架构设计技术流程和活动，是包括相关过程、方法和工具的集合，以支持基于模型或模型驱动环境下的系统工程。

在MBSE的概念中，系统模型是一种集成框架，是整个系统的设计成果的生态系统，如图1所示。

图1 MBSE生态环境

近来出现一种观点，认为将基于SysML的系统架构模型与CAD/CAE模型利用系统工程方法组合起来，称之为“广义MBSE”，而将基于SysML建模的工作称为“狭义MBSE”。实际上基于SysML的系统架构模型与CAD/CAE/CAM模型二者之间有明确的界限，后者专注于解决具体的学科设计问题，应属于“设计工程（Design Engineering）”范畴，采用的是“基于模型的工程（Model-Based Engineering，MBE）/制造（Model-Based Manufacture，MBM）”方法。而与之相对的是，MBSE不专注于解决具体学科设计问题，而是更强调面向系统工程过程的建模，将系统需求、系统分析、系统设计、系统验证等过程中涉及的业务要素进行模型化并且形成有机联系，用以表达设计师对任务或装备系统级的设计构思，体现系统论证的过程思路，保持全生命周期系统信息的一致性与可追溯性，属于系统工程范畴。因此，本文采用狭义的MBSE概念进行论述。

简而言之，基于CAX的MBD/MBE/MBM方法是面向具体产品的详细设计，而 MBSE方法是面向概念化系统设计，二者的应用定位和解决问题的方法途径是有一定区别的。

然而，MBSE与MBD/MBE/MBM并非完全割裂、互不相关。MBSE方法应用在概念设计/架构设计活动中，其工作产品（通用系统架构模型）可用来牵引和组织MBD/MBE/MBM方法产生的工作产品（CAX模型），二者是相互衔接、互联互通的关系。

1.2 SysML的前世今生

SysML是目前MBSE方法中应用最为广泛的主流系统架构建模语言。它支持对复杂装备和广泛的系统开展规范化的分析、设计、验证和确认工作。

由于UML在软件工程领域得到广泛的应用，并具有强大的抽象建模能力和扩展能力，2001年1月，INCOSE模型驱动系统设计工作组决定为面向系统工程的应用而定制UML。INCOSE和维护UML规范的对象管理组（OMG）于2001年7月联合成立了系统工程领域特别兴趣组（SEDSIG），并于2003年3月发布了UML for Systems Engineering Requestfor Proposal。

OMG SysML v.1.0规范由OMG于2007年9月作为可用规范发布，并于2017年由国际标准化组织（ISO）发布为完整的国际标准，即ISO/IEC19514:2017（信息技术——对象管理组系统建模语言）。OMG SysML的当前版本是v1.6，于2019年12月发布。

OMG于2017年12月8日发布了SysML v2提案请求（RFP），结合从应用语言的经验中获得的语言增强功能，包括UML配置文件、元模型以及配置文件和元模型之间的映射。SysML v2的第二个RFP于2018年6月发布。其目的是增强基于模型的系统工程工具的互操作性。

1.3 MBSE实施应用必要性

航空航天等高端装备面临产品对象、研制过程和研制组织的多重复杂性的特征，涉及多种学科的综合应用，构成装备的系统、子系统、部件等数量庞大并且关联接口众多。以往基于文本工具的系统工程模式呈现出碎片化或孤岛效应，数字模型难以连续传递和自动解析转换，不利于开展大系统的协同研发和综合验证，经常需要进行费时、昂贵的物理验证，易造成跨阶段返工，周期延长等不可预判的后果，导致成本不断增加。目前复杂装备的研制已越来越多地采用多企业、跨地域联合研制的模式，基于文档的协同方式面对当前复杂的网络化研制模式，出现了更多的问题和不可预测性。MBSE方法是军工复杂装备领域这几年研究、探索和应用的重点方向，被认为是能够摆脱对文档的依赖、提前实现方案和系统级优化的一种有效的方法。

为了建设航天强国，实现数字化转型的目标，除了跟踪学习欧美航天企业先进的技术与业务模式，我们还要克服旧有的思维模式和长期形成的习惯，积极主动地研究、探索和应用包括MBSE等新兴的技术与方法，最终形成能有效支撑航天任务创新发展的技术能力与业务模式。

2 MBSE的实施方法和工具综述

目前已推出的MBSE方法论和相关的工具都不少，下表是几类较常见的MBSE方法和工具。

由于认识到了在未来工业体系发展中，基于模型的系统工程方法将会发挥重要的牵引作用，一些工业软件公司分别自主研发或直接收购一些MBSE工具软件，如工业软件的巨头公司达索系统收购了No Magic 公司的MBSE产品MagicDraw，另一巨头公司西门子收购了Thales公司的MBSE产品Capella。随着这两种MBSE方法和软件工具分别与达索和西门子系统的逐步融合与发展，将会形成更加完善和有竞争力的生态环境，预计在未来的用户数量增加、工具方法的完善等方面逐步占据有利的地位。这对我们国内航空航天业等用户的选择和MBSE生态环境的建设，都会产生一定的影响。

为了预防中美贸易战等因素而导致国外的MBSE软件被禁用这种情况的发生，对国内自主的MBSE工具的研究和应用亦应重视，可以重点关注国内有关高校、研究院所自主研发推出的相关MBSE的软件工具和方法体系。