基于模型的系統(tǒng)工程技術(shù)探析

楊躍

（航天江南集團有限公司 貴州貴陽 550009）

隨著中國科學(xué)技術(shù)進步的持續(xù)快速健康發(fā)展，在此社會背景條件下，航天領(lǐng)域亦因此能夠得到一個良好的產(chǎn)業(yè)發(fā)展新契機，大大地推動和促進了未來航天高科技領(lǐng)域信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，而航天領(lǐng)域所涉及的產(chǎn)品也在此背景下逐漸從機械向著更為先進的發(fā)展趨向邁進，即將電子、機械等多個學(xué)科融合于一體方向發(fā)展，而在系統(tǒng)發(fā)展過程中，也逐漸從分立式向著綜合方面邁進。對此，航天領(lǐng)域所涉及的系統(tǒng)工程，在實際運行過程中，需要對所產(chǎn)生的各類信息數(shù)據(jù)，通過文檔的形式來進行具體的描述與記錄。但隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各類航天模型層出不窮，這導(dǎo)致相關(guān)系統(tǒng)的復(fù)雜度、規(guī)律、難度等也隨著時代的推移不斷增多，如若航天領(lǐng)域依舊采取以往文檔系統(tǒng)工程的形式對航天領(lǐng)域各類系統(tǒng)進行管控，很難保證相關(guān)系統(tǒng)穩(wěn)定性與統(tǒng)一性［1］。針對此，相關(guān)部門應(yīng)在基于模型的系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建更為優(yōu)質(zhì)系統(tǒng)，建立完善、連續(xù)、集成等特性于一體的全生命周期的模型驅(qū)動的工作模式，以幫助工作人員更好地開展各項工作，提升自身工作質(zhì)量，降低對各類系統(tǒng)在管理維護期間管理的技術(shù)難度性與工作復(fù)雜性，提高管理系統(tǒng)工程精準(zhǔn)性與效率，也就是說，需要我們將系統(tǒng)工程理論的研究建設(shè)是作為一套技術(shù)體系與科學(xué)技術(shù)方法有機結(jié)合，而絕非簡單是作為一系列事件。

1 MBSE概念

航天領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)發(fā)展演變過程中，與民用航天及相關(guān)高新技術(shù)產(chǎn)品研究本身具有相當(dāng)復(fù)雜性、系統(tǒng)性。而在對軍用航天產(chǎn)品進行研發(fā)生產(chǎn)過程管理中，需要嚴(yán)格遵循航空航天系統(tǒng)工程中的各種要求、方法而開展，但近幾年，隨著科學(xué)技術(shù)體系快速不斷地發(fā)展，航天系統(tǒng)工程難度、規(guī)模等不斷在增大，對于航空航天等相關(guān)工程專業(yè)的要求也隨之不斷攀升，這必然導(dǎo)致了總體、分系統(tǒng)、單機等之間各種指標(biāo)與信息接口等的更替更為迅速頻繁，這無疑加大了系統(tǒng)工程設(shè)計難度?；谀Ｐ驮O(shè)計的系統(tǒng)工程方法論（Model Based System Engineering，MBSE），該方法論作為一種完全基于模型設(shè)計的工程綜合化研究方法，其目標(biāo)的主要特點是能夠通過一種形式化的工程建模仿真方法，再能夠結(jié)合一種標(biāo)準(zhǔn)化的工程建模仿真語言而構(gòu)建，以此框架來滿足實現(xiàn)建模仿真語言需求目標(biāo)的同時，還應(yīng)能夠同時體現(xiàn)對系統(tǒng)功能、邏輯體系等基本架構(gòu)功能的有效檢驗測試與綜合驗收，從而實現(xiàn)驅(qū)動產(chǎn)品貫穿從產(chǎn)品設(shè)計開始到產(chǎn)品最終實物驗證完成的整個開發(fā)過程，降低了產(chǎn)品實物在驗證完成期間容易出現(xiàn)各種問題，從而最終影響產(chǎn)品到最后整個驗證產(chǎn)品開發(fā)的實際效果，以此全面提升整個產(chǎn)品的研發(fā)過程效率質(zhì)量與成果質(zhì)量，降低產(chǎn)品在研發(fā)完成期間面臨的各類成本風(fēng)險與技術(shù)風(fēng)險，而這恰恰是讓MBSE 逐漸演變成為一個復(fù)雜的系統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)系統(tǒng)的必經(jīng)之路。

MBSE 模式與適基類似于文檔的研制模式相比較，MBSE 的這一項研制模式更為簡捷直觀，而且更能夠輕松實現(xiàn)無明顯歧義性的結(jié)構(gòu)化信息快速表達(dá)，提高了信息快速表達(dá)的效果率與信息質(zhì)量，進而又有助于快速提升企業(yè)協(xié)同辦公效率，增強了信息迅速獲取、轉(zhuǎn)化傳遞等應(yīng)用能力，所以，企業(yè)在開始進行新產(chǎn)品項目研發(fā)設(shè)計初期使用的這兩項研制新模式，也基本就是通過一種基于模型的構(gòu)架設(shè)計、系統(tǒng)動靜態(tài)的仿真模型等，進行系統(tǒng)全方位多角度的數(shù)字化建模分析之后，以此來確定產(chǎn)品模型與設(shè)計模型是否準(zhǔn)確合理，同時，系統(tǒng)也將實現(xiàn)整個設(shè)計與方案數(shù)據(jù)的顯性化、規(guī)范化及分解，系統(tǒng)的設(shè)計評價指標(biāo)也更為科學(xué)、精準(zhǔn)且更為全面，大幅度提升了員工整體工作學(xué)習(xí)效率，減少在系統(tǒng)設(shè)計集成、驗證產(chǎn)品期間出現(xiàn)的需要反復(fù)進行分析研究與修改制作流程的情況發(fā)生，進而將幫助整個產(chǎn)品實現(xiàn)從系統(tǒng)設(shè)計到成品制作整個流程的一氣呵成，同時，還可保證產(chǎn)品在全工程生命周期里的產(chǎn)品研制過程質(zhì)量穩(wěn)定與制造效率優(yōu)質(zhì)［2］。

2 MBSE現(xiàn)存的問題

隨著科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，系統(tǒng)類型也越來越豐富，規(guī)模也隨之不斷擴大，在此背景下，系統(tǒng)規(guī)模與復(fù)雜程度不斷提升。傳統(tǒng)系統(tǒng)運行方式主要是基于文檔的系統(tǒng)工程的方式，將大量信息數(shù)據(jù)儲存在不同類型的文檔當(dāng)中，但這樣的數(shù)據(jù)處理方式不僅操作繁瑣，而且困難度隨著時間的推移不斷增大。而且，因信息完整性與一致性，以及信息之間的關(guān)系，通過文檔的方式很難做到完全把控，甚至還會增加工作人員的工作量。文檔數(shù)據(jù)處理模式很難將活動很好表達(dá)出來，而且活動本身都是動態(tài)的，并未靜態(tài)不曾改變，還具有一定交互作用，如若簡單使用文字的方式將整個活動表達(dá)出來，不僅無法將活動的具體情況展現(xiàn)出來，還可能會誤導(dǎo)員工，進而影響到后續(xù)工作［3-4］。此外，通過文檔形式對大量數(shù)據(jù)管理，雖然也能實現(xiàn)有效管理，但管理效果與MBSE 還是有一定差距的，一旦員工需要對文檔內(nèi)容進行整改，對于工作人員而言，所需要做的工作繁多，而且處理結(jié)果很可能無法達(dá)到預(yù)期的效果。另外，傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程在設(shè)計期間主要是依賴文檔方式對所有信息數(shù)據(jù)開展管理工作，在此過程中，工作人員需要根據(jù)實際需求構(gòu)建系統(tǒng)框架，之后再有設(shè)計師通過人工建立設(shè)計結(jié)果與需求之間的聯(lián)系，以此來實現(xiàn)有效管控數(shù)據(jù)的目的。如若在管控設(shè)計系統(tǒng)期間不滿足需求的情況下，必須做出更改，以及重新建立鏈接的關(guān)系，以此確保最終效果能夠達(dá)到預(yù)期。而這樣操作的劣勢，不但會讓員工工作難度提升，而且很多步驟可能會出現(xiàn)不斷重復(fù)的現(xiàn)象，進而影響到工作人員的工作效率。

3 MBSE的優(yōu)勢

3.1 MBSE在知識表達(dá)的無二義性

由于傳統(tǒng)對數(shù)據(jù)管控方式主要是以文檔形式進行，但因為每一個人的成長環(huán)境、能力等各不相同，所以即便給予不同人同樣的文字描述，也會因為每一個人所理解所存在的差異性，從而導(dǎo)致同樣的文字得出不同的結(jié)論。而對數(shù)據(jù)分析與研究過程中，團隊成員針對同一個文檔所表達(dá)的含義，在大腦中所形成的結(jié)構(gòu)模型不可能完全一致，甚至還可能出現(xiàn)完全不相干的兩個結(jié)構(gòu)。但通過構(gòu)建模型的方式，讓數(shù)據(jù)通過更為具體、直觀、無歧義等模型方式展現(xiàn)在所有成員面前，這更有助于提高工作效率與質(zhì)量，而且這類系統(tǒng)模型構(gòu)建形式可以將系統(tǒng)的統(tǒng)一性、系統(tǒng)性、準(zhǔn)確性通過模型的方式形象地展現(xiàn)出來，其中包含系統(tǒng)功能、各個部分詳細(xì)數(shù)據(jù)，都能夠通過模型方式展現(xiàn)出來，以此確保所有成員對于系統(tǒng)內(nèi)部的理解統(tǒng)一性，進而為處理系統(tǒng)中所存在的問題，提高系統(tǒng)優(yōu)質(zhì)性具有積極意義［5］。

3.2 有助于提高溝通交流效率

由于系統(tǒng)隨著時代的不斷進步，各類現(xiàn)代化技術(shù)層出不窮，雖然能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與全面性，而且還能實現(xiàn)提高系統(tǒng)工作效率與質(zhì)量的目的，但因為系統(tǒng)所接觸的內(nèi)容不斷增多，這時系統(tǒng)所需要解決的問題與內(nèi)容也不斷增多，這就導(dǎo)致系統(tǒng)規(guī)模與復(fù)雜性也隨之不斷攀升，各類文檔數(shù)量也隨之不斷增多，這對于工作人員來說，無疑增加了員工在處理數(shù)據(jù)期間的難度，而且在面對大量的技術(shù)與文檔，通過MBSE，以閱讀圖形化的模型，能夠幫助工作人員以更為直觀的方式了解各個部分及實際運行期間的情況，這更有助于工作人員發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行期間所存在的問題，并針對觀察結(jié)果，科學(xué)制定解決對策，以保證系統(tǒng)運行質(zhì)量。在此過程中，不僅需要員工自身對于模型有一個全面的了解，自身具備較強專業(yè)性之外，還需要參與系統(tǒng)管控各個部門之間，提高溝通與交流的效率，這有助于提高系統(tǒng)運行效果優(yōu)質(zhì)性。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計的一體化

由于系統(tǒng)所涉及內(nèi)容眾多，所以對系統(tǒng)工程設(shè)計之前，工作人員需要對系統(tǒng)有一個全面了解，而且其自身具備較強綜合能力，能夠準(zhǔn)確地根據(jù)系統(tǒng)運行情況，作出更為精準(zhǔn)的判斷與操作。但因為系統(tǒng)模型監(jiān)理過程中，因系統(tǒng)本身所涵蓋內(nèi)容眾多，包含了整個生命周期的全過程，不僅包含了系統(tǒng)的基本要求，還有對系統(tǒng)今后發(fā)展需求、設(shè)計、分析等各類活動內(nèi)容都包含于一體，由此可以得出，系統(tǒng)設(shè)計是一個統(tǒng)一的整體過程，可以提供一個完整且可以實現(xiàn)追溯的系統(tǒng)設(shè)計，以實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計一體化，同時，避免系統(tǒng)組合在一體期間出現(xiàn)系統(tǒng)各部分之間設(shè)計出現(xiàn)沖突，從而導(dǎo)致效果不佳的情況發(fā)生。

3.4 系統(tǒng)內(nèi)容的可重用性

系統(tǒng)設(shè)計的目的就是為了幫助人更好地開展工作，提高人的工作效率與質(zhì)量，所以在系統(tǒng)設(shè)計期間，設(shè)計師必須要滿足系統(tǒng)設(shè)計的基本要求，并且各類要求根據(jù)實際情況，科學(xué)分配各個部分，分別進行處理與設(shè)計，以保證系統(tǒng)設(shè)計合理性。因此，對系統(tǒng)設(shè)計模型建立期間，由于模型構(gòu)建目的就是幫助工作人員更好地設(shè)計系統(tǒng)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與全面性，因此在構(gòu)建系統(tǒng)模型期間，必須保證模型優(yōu)質(zhì)性，而且各個部分?jǐn)?shù)據(jù)清晰標(biāo)注在模型之中，以便工作人員對模型進行分析，并對系統(tǒng)模型中各項功能分解到模型各個部分當(dāng)中，分別對系統(tǒng)功能進行開發(fā)，以防相同內(nèi)容與模塊被重復(fù)開發(fā)與研究的情況發(fā)生，以此確保系統(tǒng)優(yōu)質(zhì)性。

3.5 增強知識的獲取與再利用

由于系統(tǒng)本身所涵蓋的內(nèi)容眾多，因系統(tǒng)全生命周期所涵蓋的內(nèi)容也是繁雜多樣的，其中包含需要信息數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化與傳遞。因此，系統(tǒng)設(shè)計師實際開展系統(tǒng)設(shè)計之前，需要了解系統(tǒng)具體用途，再根據(jù)需求，以及對提取自身所需要信息數(shù)據(jù)分析結(jié)果，科學(xué)地對系統(tǒng)開展設(shè)計工作，以保證系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)質(zhì)性。由于模型具有模塊化的特點，對此，科學(xué)運用系統(tǒng)模型，有助于獲取信息，同時，還能對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化、傳遞，甚至對數(shù)據(jù)進行再利用，都具有積極作用［6］。

3.6 對系統(tǒng)模型的多角度分析

因系統(tǒng)所使用范圍較廣，導(dǎo)致其所涉及技術(shù)、內(nèi)容也是繁雜多樣，為保證系統(tǒng)運行效果，提高系統(tǒng)構(gòu)建順利且高效，應(yīng)事先針對系統(tǒng)實際情況，科學(xué)構(gòu)建系統(tǒng)模型，并針對模型進行全面且多角度分析，解決系統(tǒng)模型在運行過程中存在的問題，以此提升系統(tǒng)實際運行期間的效果。同時，需要在早期進行系統(tǒng)的驗證與確認(rèn)，以此降低風(fēng)險，減少后續(xù)設(shè)計更改所需要的時間，以及系統(tǒng)設(shè)計整改所產(chǎn)生的成本。與其他工程類學(xué)科一樣，系統(tǒng)工程發(fā)展過程中，同樣需要進行改革與優(yōu)化，應(yīng)將系統(tǒng)從文檔方式向著基于模型方法邁進，這是為了提升系統(tǒng)運行效果，減少風(fēng)險發(fā)生的概率，同時，也是系統(tǒng)工程實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。

4 航天產(chǎn)品MBSE應(yīng)用發(fā)展啟示

如何推動MBSE工程應(yīng)用，實現(xiàn)數(shù)字化與航天產(chǎn)品高度融合，決定了航天領(lǐng)域數(shù)字化發(fā)展過程中航天產(chǎn)品是否能夠在航天領(lǐng)域快速發(fā)展背景下占據(jù)主導(dǎo)地位。而將MBSE方法科學(xué)貫穿于整個航天產(chǎn)品研制工作中，有助于提升產(chǎn)品型號設(shè)計效果與質(zhì)量，確保產(chǎn)品生產(chǎn)效率等具有諸多優(yōu)勢。而且基于模型的系統(tǒng)工程方法，實際應(yīng)用過程中，其主要強調(diào)了表征復(fù)雜系統(tǒng)的范圍模型體系為核心，在產(chǎn)品全生命周期進行模型化展現(xiàn)期間，通過對模型不斷進行推演與分析，以此來實現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計工作，同時，還確保系統(tǒng)運行質(zhì)量與效果。因此，對航天產(chǎn)品設(shè)計期間，借助給予模型的系統(tǒng)工程方法，以及在全生命周期的產(chǎn)品模型基礎(chǔ)之上，以多類型模型組合于一體的方式表達(dá)設(shè)計效果與理念，并通過仿真手段，來實現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計與驗證，將設(shè)計中所存在的質(zhì)量缺陷盡可能消除，以此提升航天產(chǎn)品細(xì)致化設(shè)計，同時確保型號產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)性。

5 結(jié)語

綜上所述，航天作為高端制造行業(yè)，其發(fā)展效果直接關(guān)系到國家經(jīng)濟、科技水平等重要手段。我國在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展背景下，向著航天強國邁進，就應(yīng)不斷對航天產(chǎn)品進行深入研究，分析并解決產(chǎn)品研制期間所存在的問題，科學(xué)引用新型設(shè)計理念與方法，并結(jié)合當(dāng)前航天行業(yè)發(fā)展情況及今后的發(fā)展需求，科學(xué)地將基于模型的系統(tǒng)工程方法與航天產(chǎn)品研制工作融合于一體，以此形成適合當(dāng)前的航天產(chǎn)品的MBSE 研制模式，進而實現(xiàn)提升科研生產(chǎn)效率與質(zhì)量管控能力。