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泰雷兹MBSE发展历程—Arcadia方法的产生

1、Arcadia方法总体介绍

Arcadia( Architecture Analysis and Design Integrated Approach )是泰雷兹集团探索MBSE多年后的工业结晶,它是一种经过多个工业部门实践检验的、符合系统工程师思维的MBSE方法论。Arcadia在泰雷兹集团内部有着广泛应用,从航空电子、轨道系统、防务系统、卫星系统、地面站到通信系统等都采用该方法开展系统工程的实践。目前Arcadia方法已趋于成熟,在欧盟及国际大型企业有着广泛的应用,采用Arcadia方法的企业已经超过200家,这其中包括研制运载火箭的阿丽亚娜集团,研制航空发动机的Rolls Royce公司,法国核电巨头法马通等。该方法论贴合工程,工业部门应用范围广,这也是西门子选择Arcadia方法作为实践MBSE的原因之一。

泰雷兹MBSE发展历程—Arcadia方法的产生 - 第1张
图1 采用Arcadia实践系统工程的部分企业

2、泰雷兹MBSE发展历程

接下来我们讲述泰雷兹集团探索MBSE的心路历程,主要分为以下几个阶段:

2.1、2000s产品转型:由部件级供应商转型为系统级供应商

早在2000s左右,泰雷兹在市场和产品上面临一次巨大转型,从供应分散的零部件再被第三方集成交付给客户,转型为提供“交钥匙”的整体解决方案和综合系统,如空中交通控制系统,防务任务系统,卫星系统,和通讯基础设施和网络系统等。这种产品的转型带来了工程模式的变化,由之前关注于技术性能需求为主,转变为重点关注交付客户所需的运行能力需求;由之前关注于各领域的局部最优转变为全局解决方案最优,综合考虑机械特性、产品性能、算法处理、电气设计、以及运行环境、产品政策、安全可靠性、人因对交付的系统产品的影响。这就是泰雷兹采用系统工程方法的最初原因-解决综合的系统设计问题。

2.2、2001-2006年:基于模型的方法初体验

2001年前后,泰雷兹基于UML语言、RUP建模流程开始基于模型的方法探索,以取代基于文档的方式,本阶段的成果物之一是MDSysE(Model-Driven System Engineering)软件,基于该软件开展架构设计和分析。

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图2 泰雷兹最初的基于模型的方法:MDSysE

尽管该方法能够涵盖大部分系统工程流程活动,也能指导系统工程师进行系统思考,但是无法支持功能分析。而且UML对于不是建模专家的系统工程师来说,太复杂了,对工程系统层级的属性和特性表达的支持也不够充分。

2.3、2006年-2011年:Arcadia方法的产生

2006年后,泰雷兹对涉及的所有工程人员进行充分的调研,包括运行分析师、需求经理、架构师、软件/硬件开发人员、安全可靠性专家、维护后勤专家以及装配集成人员等。总结出共性问题如下:对客户的需求进行分析,以便准确、更清晰地理解客户的期望、目标和能力,以及解决方案如何满足这些期望;增强架构定义的质量,以及架构师与各领域专家的协同;设计早期能识别出架构定义和设计的缺陷,而不是在后期的集成阶段。

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图3 图形化DSML语言VS SysML语言

泰雷兹发现无论是之前基于UML的MDSysE软件,还是基于UML扩展的SysML语言都满足不了他们对基于模型的方式实施系统工程的需求。最终泰雷兹决定开发属于自己的MBSE方法论和系统建模语言,这样就诞生了Arcadia方法和图形化DSML语言。

图形化DSML语言主要借鉴了75%的UML/SysML,5%的NAF,以及AADL架构描述语言和APTE:外部功能分析方法等,增强了系统工程师进行功能分析的能力,对系统工程师不太熟悉的面向对象概念进行了封装,以简化系统建模难度。图形化DSML语言完全融入到Arcadia方法中,这样系统工程师在掌握MBSE方法流程的同时掌握了图形化DSML语言,不用再单独学习系统建模语言SysML了。

在摸索MBSE方法时,其实泰雷兹也走过弯路,如刚开始的时候Arcadia方法比较死板,严格按照自顶向下(top-down)、每步活动都有严格的操作顺序,必须严格按照所规定的步骤来实施。然而在实践中不同的产品可能采用不同的开发方式,如自底向上(bottom-up)、由内向外(middle-out)、渐进式、迭代式或敏捷式等。

泰雷兹根据这些工程师的多种反馈,不断完善,最终形成了符合工程师思维,贴合工程实践的MBSE方法:Arcadia。

2.4、2011年-2014年:泰雷兹内部推广和应用

随着Arcadia方法不断成熟,泰雷兹也开发了支撑Arcadia实施的建模工具Capella。目前在泰雷兹内部已经有上千人参加过该方法的系统培训,在航空电子、轨道系统、防务系统、卫星系统和地面站、通信系统等领域有着广泛的应用。

泰雷兹MBSE发展历程—Arcadia方法的产生 - 第4张
图4 泰雷兹产品系列

2.5、2014年后,Arcadia方法开源

2014年后,借助于Clarity联盟建立Arcadia方法推广生态圈,该生态圈包含制造型企业、软件开发商、咨询服务公司和高校学术机构等,共同促进该MBSE方法的应用推广和完善。目前Capella的代码也已经开源,成为Polarsys工业组织下的Eclipse平台的一部分。

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图5 Arcadia/Capella开源生态系统

3、Arcadia的特点

ARCADIA是Architecture Analysis and Design Integrated Approach的缩写,它是一种架构分析和设计综合方法,是一种适用于工程系统、硬件和软件架构设计的基于模型的工程方法。该方法强调连续性工程,并和ISO/IEC/IEEE 15288,IEEE 1220标准中定义的系统工程流程应用保持一致,在问题域和解决方案域做了明显区分,其中问题域包括两个工程层级活动:运行分析和系统分析,主要关注于业务需要、系统作为“黑盒”的外部功能分析;而解决方案域包括两个工程层级活动:逻辑架构和物理架构定义,主要把系统作为“白盒”,开展内部功能分析,以及系统的组成,组成元件如何实现。

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图6 Arcadia方法示意图

运行分析是Arcadia方法中的最高层级工程活动,主要研究“系统的用户需要做什么”。主要活动是识别与系统交互的参与者,参与者的活动和活动间的交互关系,以分析用户的需要和需求问题。

系统分析是Arcadia方法中的第二层级工程活动,主要定义“为满足用户需求,系统必须做什么”。主要活动是开展系统外部功能分析,包括在非功能性属性的限制下,识别用户需要的系统功能(如功能描述一般是动宾短语,如“计算最佳路径”,“检测威胁”)。

逻辑架构是Arcadia方法中的第三层级工程活动,主要定义“系统如何工作才能满足客户期望”。主要活动是内部系统功能分析,包括必须执行哪些子功能,并将这些子功能进行组合,来满足上一层级中确定的用户需要的系统功能。以及考虑非功能性约束下,识别出逻辑组件来执行这些内部子功能。

物理架构是Arcadia方法中的第四层级工程活动,主要定义“系统将如何开发和建造”。物理架构层级的目标和逻辑架构层级是一致的,主要目的是定义系统内部如何工作才能满足客户期望,但除此之外,该层级还定义将要建造的系统最终物理架构。它增加了实施和某些技术选择所需的功能,并突出执行这些功能的行为组件(如软件组件)。进一步地,这些行为组件由实施组件(如处理器板卡)来实现,实施组件为行为组件实现提供必要的材料资源。

最终产品分解结构(EPBS)和集成合同是Arcadia方法中的最低层级工程活动,主要定义“期望从每个组件的提供者得到什么”。该层级的流程活动从物理架构层级导出每个组件必须要满足的条件,以满足在前几个层级中建立的架构设计约束和限制。

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本文来源: iMBSE Online,作者:王雷。

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