模型的系统工程和系统建模语言SysML浅析论文

下面就是小编给大家带来的模型的系统工程和系统建模语言SysML浅析论文，本文共5篇，希望能帮助到大家!本文原稿由网友“Michael1491”提供。

篇1：模型的系统工程和系统建模语言SysML浅析论文

关于模型的系统工程和系统建模语言SysML浅析论文

所谓系统，是指由相互关联、相互制约、相互作用的一些部分所组成的具有某种功能的有机整体。系统工程是以系统理论为依据，以整个系统为研究对象，从全局统一考虑，运用运筹学、概率学与统计学、控制论、信息论、管理学、经济学及计算机科学等科学理论与方法去权衡解决问题，实现系统整体性价比最优的一门学科。

在系统工程初期阶段，系统产生的信息均是以文档的形式来描述和记录。但是随着系统的规模和复杂程度的不断提高，这种基于文档的系统工程面临的困难越来越突出，如信息表示不准确，容易产生歧义、难以从海量文档中查找所需信息、无法与其他工程领域的设计相衔接(如软件、机械、电子等、。

为了解决这些问题，基于模型的系统工程MBSE(ModelBasedSystemsEngineering、便产生了，这也正是未来系统工程发展的必然趋势。为了支持基于模型的系统工程MBSE，国际系统工程学会INCOSE以及对象管理组织OMG在对统一模型语言UML进行重用和扩展的基础上，推出一种标准的系统建模语言SysML(SystemsModelingLanguage、，消除了不同模型语言在表达法及术语上的不同，规范了符号和语义。同统一模型语言(unifiedmodelinglanguage，UML、主导了软件工程设计一样，SysML也将是统一系统工程的建模语言。

1系统工程概述

《方法论》(Discoursdelaméthode、是法国著名哲学家、科学家和数学家勒内・笛卡儿在1637年出版的著名论著。笛卡儿在方法论中提出了一套研究问题的方法，其中最典型的观点就是把要研究的复杂问题，分解成比较简单的小问题，再把小问题从简单到复杂排列，先解决容易的问题。如果每一个小问题都解决好了，再组合起来的大问题自然就解决好了。

笛卡儿的理论和观点对西方人的思维方式，行为模式以及科学研究方法产生了极大的影响。在十九世纪六十年代以前，西方科学研究的方法，基本都是按照笛卡儿的方法论进行的。《方法论》对西方近代科学文化的飞速发展，起了极大的促进作用。一直到美国阿波罗号登月工程的出现，科学家们才发现，有的复杂问题根本无法分解，即使分解了，各个小问题之间也有关联和冲突，必须以复杂的、整体的方法来解决，因此系统工程方法出现了，方法论的方法才被综合性的系统工程方法所取代。

简单地讲，系统工程就是开发解决问题的系统的思想方法，按照这样的方法和步骤就可以帮助人们了解一个系统，对于复杂的系统就不会使人感到无从下手。

2基于模型的系统工程

基于模型的系统工程MBSE(Model-BasedSystemsEngineering、就是采用模型的表达方法来描述系统的整个生命周期过程中需求、设计、分析、验证和确认等活动。

随着系统的规模和复杂程度的提高，传统的基于文档的系统工程将产生大量的各种不同的文档，它面临的困难越来越明显：

1、信息的完整性和一致性以及信息之间的关系难于评估和确定，因为它们散布于各种不同的数量巨大的文档中。

2、难于描述各种活动。活动是动态的，有交互的，仅用文字描述对于相对简单，参与方不多的活动还能胜任，但对于复杂活动就很难描述清楚了。

3、更改的难度很大。由于文档的数量巨大，要确保所有需要更改的内容都得到更改，将是个很难很大的工程。

基于模型的系统工程MBSE的出现就是为了解决基于文档的系统工程方法的困难，相对于基于文档的系统工程方法，它主要在以下几个方面有所改进：

1、知识表示的无二义性。文字的描述经常会因为个人理解的差异而产生不同的解释，而模型是一种高度图形化的表示方法，具有直观、无歧义、模块化、可重用等优点，建立系统模型可以准确统一地描述系统的`各个方面，如功能、详细规范与设计等，对整个系统内部的各个细节形成统一的理解，尤其是可以提高设计人员和开发人员之间的理解的一致性。

2、沟通交流的效率提高。随着系统的规模和复杂程度的提高，各种文档越来越多，相对于厚厚的技术文档，阅读图形化的模型显然更加便利直观、无歧义，使得不同人对同一模型具有统一一致的理解，有利于提高系统内各个需要协调工作部门之间的沟通与交流的效率，如顾客、管理人员、系统工程师、软硬件开发人员、测试人员等。

3、系统设计的一体化。由于系统模型的建立是涵盖系统的整个生命周期过程的，包括系统的需求、设计、分析、验证和确认等活动，是一个统一整体的过程，可以提供一个完整的、一致的并可追溯的系统设计，从而可以保证系统设计的一体化，避免各组成部分间的设计冲突，降低风险。

4、系统内容的可重用性。系统设计最基本的要求就是满足系统的需求并且把需求分配到各个组成部分，因此建立系统的设计模型必然会对系统的各个功能进行分析并分解到各个模块去实现，从而对于功能类型相同的模块就不必重复开发了。

5、增强知识的获取和再利用。系统生命周期中包含着许多信息的传递和转换过程，如设计人员需要提取需求分析人员产生的需求信息进行系统的设计。由于模型具有的模块化特点，使得信息的获取、转换以及再利用都更加方便和有效。

6、可以通过模型多角度的分析系统，分析更改的影响，并支持在早期进行系统的验证和确认，从而可以降低风险，降低设计更改的周期时间和费用。同其他工程学科(软件、电子等、一样，系统工程正在进行进化：从基于文档的方法到基于模型的方法，而这也正是系统工程发展的必然趋势。

3系统建模语言SysML

在SysML推出以前，系统工程使用的建模语言工具和种类很多，如IDEF0、行为图、N2图等。这些建模语言使用的符号和语义各不相同，各自为政，彼此之间互不支持，无法互操作和重用。系统工程缺乏一种强大的“标准的”建模语言，严重限制了系统工程和其他学科之间的有效沟通，影响了系统工程的质量和效率。

为了支持基于模型的系统工程MBSE，是国际系统工程学会(Interna?tionalCouneilofSystemsSystemsEngineering，INCOSE、和对象管理组织(Ob?jectManagementGroup，OMG、联合提出的一种通用的针对系统工程应用的“标准系统建模语言”SysML(SystemsModelingLanguage、[3]，它可以支持系统工程应用的多领域系统包含硬件、软件、信息等系统的需求分析、系统设计、功能描述、系统验证等。

系统工程经过多年的发展，逐渐在各个层次的理论研究和工程实践中提出了许多标准，如图2所示为系统工程的标准框架。一般从方法学上来讲，系统工程的实施可以分为5个层次，从顶层设计到具体实施分别是过程标准、体系结构框架、建模方法、建模与仿真标准、数据交换标准，以及最底层的数据库。SysML正是建模与仿真层的“标准建模仿真语言”。

SysML作为系统工程领域一种新的系统建模语言，主要是以软件工程领域事实上的标准--统一模型语言UML(unifiedmodelinglanguage、为基础，集成了面向对象和面向过程的可视化设计语言的优势，修改扩充了活动图及需求图，并将配置图集成到装配图中，是系统工程领域推广的标准系统建模语言。

SysML的设计目的是要解决系统工程中面临的建模问题，为系统设计师提供一种简单易学、功能强大的建模语言。SysML对于系统设计分析中系统的需求分析、结构分析、行为描述、参数分配和属性约束等描述特别有效，它支持结构化和面向对象的多种方法和多种过程。SysML在重用UML2.1的基础上，对其进行了特定的扩充和修改。重叠部分表示SysML重用UML的部分，可见SysML在UML的基础上还有特定的扩充和修改，UML中还有很多要素是不为SysML所用的要素。如图4所示是SysML图形分类，SysML一共定义了三类共9种图形来描述模型的各个方面特征。分别是需求图、结构图和行为图。结构图包括方框图、内部块图、包图和参数图，其中参数图是SysML新增的图形，方框图、内部块图是在UML的基础上扩展和修改的，包图是重用UML的图形;行为图包括活动图、顺序图、状态机图和用例图，其中只有活动图是在UML的基础上扩展和修改的，其它都是重用UML的图形。为了加强需求的分析设计，需求图也是SysML新增的图形。

4SysML在系统建模中的应用

限于篇幅，本文仅以汽车的刹车系统ABS系统为例，运用SysML系统模型语言简单描述一下该系统的结构、活动、参数和需求等。

第一步，描述需求。为了加强对系统需求的分析设计，SysML新增了需求图。需求是指系统必须满足的能力或条件，一个需求能够分解成多个子需求。需求图能够描述系统的详细需求以及分系统的需求、各需求之间以及需求和其他建模元素之间的关系。SysML用requirements说明需求，需求图有点类似于类图，有两个属性：text和id。text是需求的文本描述，id是需求的标识符。如图5所示为刹车系统的需求，详细的需求描述又分为两项，一项为制动距离，具体为在干燥平整的了路面上车辆应在150英尺范围内完成从60公里/小时到停止的制动。另一项是反锁死行为的需求描述，具体即在所有的刹车条件下，刹车系统都应该阻止轮胎锁死。

第二步，描述系统的结构。如图6所示是用SysML的包图描述ABS系统的结构。ABS系统主要是由电子设备中心处理器、反锁死控制器、电子液压阀门、牵引力探测器和刹车调节器组成。牵引力探测器和刹车调节器是反锁死控制器的组成部分，代号为d1和m1，同时可以看出牵引力探测器有信息传给电子设备中心处理器，刹车调节器控制电子液压阀门。通过这个图，可以看出ABS系统的组成结构以及各部分相互之间的关联。如图7所示是用SysML的内部块图描述反锁死控制器的内部关系。可见反锁死控制器有两个子单元，即牵引力探测器和刹车调节器。牵引力探测器输出一个控制信号c2到刹车调节器的输入端。

第三步，描述系统的行为，即活动。SysML的行为图有四个图形：顺序图、活动图、状态机图和用例图。由于这个系统较小，行为比较简单，我们只用活动图就可以描述清楚系统的行为。如图8所示是用SysML的活动图描述反锁死控制的活动行为。可见反锁死控制活动相关的有两个子单元(两个泳道、，即牵引力探测器和刹车调节器。当牵引力探测器发现牵引力丢失后就发送控制信号c2给刹车调节器控制刹车的力度。

第四步，通过参数图分析各系统参数之间的关系。参数图也是SysML新增的图形，参数关系没有方向，只是说明了一个属性值的变化对其他的属性值有影响。参数约束关系可以描述系统的各属性之间的相互关系，可以是基本的数学操作符，也可以是相互关系的数学表达式。如图9所示为直线行车的动力参数图，其中e1是刹车力度等式;e2是加速度等式;e3是速度等式;e4是距离等式。分别可见f=(tf*bf、*(1-tl、;f=m*a;a=dv/dt;v=dx/dt。系统中经常重复利用的各种参数、变量或者某个模块都应该在包图中定义出来，图9中的各个变量(tf、bf、m、a、t、v、tl等、就应在包图中定义。

限于篇幅，本文举的这个例子是对简单小系统的描述过程，建模和分析过程比较简单。对于复杂大系统通常也是这个过程，即从系统的需求分析开始，只不过系统需要逐级分解描述各个分系统的需求、结构、行为以及各个分系统之间的关系。需要说明的是，SysML是标准建模语言，而不是标准过程或方法。不同的系统工程应用领域要求不同的过程，SysML独立于任何一种系统工程过程和方法，但支持任何过程和方法。

5结论

本文简要介绍了基于模型的系统工程和SysML模型语言并以汽车的ABS系统为例建立了基于SysML的系统模型。限于篇幅SysML的其他图形以及图形的混合用法没有介绍。

SysML是是国际系统工程学会(InternationalCouneilofSystemsSystemsEngineering，INCOSE、和对象管理组织(ObjectManagementGroup，OMG、联合提出的一种通用的针对系统工程应用的“标准系统建模语言”，能对系统工程的各种问题建模。消除了不同模型语言在表达法及术语上的不同，规范了符号和语义。目前系统工程领域的各工具开发商都在致力于SysML建模与仿真环境的开发，市场上也已经有不少相关产品，相信同统一模型语言(unifiedmodelinglanguage，UML、主导了软件工程设计一样，SysML也将统一系统工程的建模语言。SysML的广泛应用必将提高系统工程之间以及和其他学科之间的有效沟通，将有力地推动系统工程理论和实践的发展。

篇2：简谈基于模型的系统工程概述论文

简谈基于模型的系统工程概述论文

0引言

伴随中国航空工业的发展，航空产品经历了从机械到机械、电子到机械、电子、软件等多学科高度综合的过程，其体系也经历了从分立式到联合式、综合式、高度综合式的发展历程。在系统体系的演变历程中，系统功能的互操作由独立向基于共享资源的交互演进，接口定义由功能性的聚合、松耦合向高度综合、紧耦合的方向发展，集成工作由简单功能向更加复杂的功能发展，系统的互联由离散向高度网络化的互联发展，系统失效模式由透明化的简单行为向不透明的复杂综合行为发展。

目前，在航空系统工程实施过程中，产生的信息均是以文档的形式来描述和记录。随着近年来中国航空型号研制数量大幅度增加，系统复杂度和规模不断提高，跨学科、交叉学科系统的出现，基于文档的系统工程难以保证产品数据一致性、数据的可追溯性等需求。

为了应对类似的挑战，在国际航空领域，NASA在原有系统工程研制模式的基础上采用了国际系统工程组织(INCOSE)提出的基于模型的系统工程(Model-basedSystemsEngineering，MBSE)[1]管理新模式和实现技术。基于模型的系统工程思想是通过建立和使用一系列模型对系统工程的原理、过程和实践进行形式化控制，通过建立系统、连续、集成、综合、覆盖全周期的模型驱动工作模式帮助人们更好地运用系统工程的原理，大幅降低管理的复杂性，提高系统工程的鲁棒性和精确性，将整个系统工程作为一个技术体系和方法，而不是作为一系列的事件。本文通过从当前遇到的问题、推行基于模型的系统工程的必要性、优势、未来的挑战等几个方面进行了较为详细的阐述。

1TSE的概念

传统的系统工程用各种文本文档构建系统架构，其中的产出物是一系列基于自然语言的、以文本格式为主的文档，比如用户的需求、设计方案，当然也包括一些用实物做成的物理模型等。例如火箭的总体布局方案、推进系统、控制系统等分系统的设计方案以及弹道方案、分离方案等。把这些文档串起来的东西是一系列的术语及参数，这些术语对系统进行了定性描述。各种参数是系统的定量描述。各专业学科的分析模型从文档中抽取相关参数进行计算，计算之后再把相关参数写入文档，转交给其它学科和相关人员。参数在各文档之间来回流动，这种设计流程也被称作抛过墙的设计。很显然，在这个过程中，文档管理的机制、配置管理的机制非常重要。总体设计的工作主要就是抓总和协调，并控制这些术语和参数。上述描述的系统工程是基于文本的系统工程(TextBasedSystemEngineering,TSE)。TSE的文档在描述系统架构模型时具有天生的缺陷：TSE的文档是基于自然语言、基于文本形式，当然也包括少量的表格、图示、图画、照片等。由于自然语言并非专门为系统设计所发明，而是要表示大千世界的万事万物，还要表示纷繁复杂的各专业学科知识，所以TSE的文档要依靠相关工程设计的术语来使各方对系统有共同的理解和认识。所以各方的沟通交流要依赖不断更新的术语表、词汇表等，否则就容易产生理解的不一致性。尤其是当系统的规模越来越大、涉及的学科和参与的单位越来越多时，这个问题就更加突出了文档的电子化、网络化并没有从根本上改变各方对文档理解的不一致性。

2MBSE的概念和内涵

在，国际系统工程学会(INCOSE)在系统工程愿景中给出了基于模型的系统工程的定义。基于模型的系统工程(ModelBasedSystemEngineering,MBSE)是对系统工程活动中建模方法应用的正式认同，以使建模方法支持系统要求、设计、分析、验证和确认等活动，这些活动从概念性设计阶段开始，持续贯穿到设计开发以及后来的所有的寿命周期阶段。从MBSE的定义可见，建模就是运用某种建模语言和建模工具来建立模型的过程，仿真是对模型的实施与执行。模型是我们思考问题的基本方法，是设计工作的思维基础。实际上，各专业学科及系统工程一直在使用建模与仿真方法，MBSE并不是对建模方法的首次采用，也就是说，MBSE与传统系统工程的区别并不在是否采用建模方法。基于模型的系统工程开发方法中涉及到的关键技术有系统架构设计、多物理领域建模、集成的仿真计算环境、模型和数据的管理。

3国外MBSE发展情况

近年来，国际领先的航空企业在积极实践和推进MBSE。例如，空客公司在A350系列飞机的开发中全面采用MBSE，在飞机研制中逐层细化需求并进行功能分析和设计综合，不仅实现了顶层系统需求分解与确认，也实现了向供应商、分包商的需求分配和管理。洛克希德・马丁公司采用MBSE来统一进行需求管理和系统架构模型，并向后延伸到机械、电子设备以及软件等的设计与分析之中，如：基于MatLab的算法分析以及SystemC、Verilog、ANSYS的软硬件的设计与分析、Adams的性能分析、SEER的成本分析等，构建了完整的基于模型的航空和防务产品的开发环境[5]。罗克韦尔-柯林斯公司采纳MBSE方法覆盖航电全领域的系统定义和系统测试模型。RR公司依据INCOSE系统工程手册制定了其自身的系统工程能力框架，涵盖了系统思考、需求管理、系统定义、接口管理、系统功能分析、系统架构设计、确认和验证等能力，覆盖了总工程师、项目管理者、总设计师、系统工程师、系统设计师、开发工程师、质量工程师、服务工程师等岗位职责，实现了从航空动力系统到子系统到部件的系统工程迭代。波音公司构建了以任务和需求定义、逻辑和功能集成、功能和逻辑架构设计为核心的覆盖产品全生命周期的MBSE过程，从运行概念到需求到设计到生产。

NASA在多个新的及已有的项目上积极运用MBSE，其目的是显著提升项目的经济可承受性、缩减开发时间、有效管理系统的复杂性、提升系统整体的质量水平。软件工具提供商也在积极行动。IBM公司也开发了1种方法论，称为针对系统工程的统一软件过程(MDSD)软件提供商积极开发相关支撑平台。如LMS公司的多领域系统仿真集成平台，可用于飞机开发的每个阶段(从前期的概念设计分析、详细设计到产品验证)。

4当前存在的现实问题

随着系统的规模和复杂程度的提高，传统的基于文档的系统工程将产生大量的各种不同的文档，其面临的困难越来越明显：

(1)信息的完整性和一致性以及信息之间的关系难于评估和确定，因为其散布于各种不同的数量巨大的文档中。

(2)难以描述各种活动。活动是动态的，有交互的，仅用文字描述对于相对简单，参与方不多的活动还能胜任，但对于复杂活动就很难描述清楚。

(3)更改的难度很大。由于文档数量巨大，要确保更改所有需要更改的内容，是1项很难很大的工程。

(4)传统的系统设计方法依赖文档形式的需求管理。在形成需求后开发系统架构，并由设计师人工建立设计结果与需求之间的链接关系。如果出现不满足需求的情况，必须作出更改并重新建立链接关系。这一迭代过程随着设计进程的推进会在顶层设计、子系统设计和设备级设计层次不断重复。经验表明这一方法存在周期长、验证需求符合性困难、系统间接口不明确以及更改流程复杂耗时等诸多问题。

(5)飞机整机的设计面临新的问题：一方面是系统本身越来越复杂，特别是随着多电飞机的发展，智能控制系统的采用越来越多，使得在传统开发流程中如何有效地考虑机电一体化系统开发，特别是在开发阶段如何综合地考虑控制系统和受控对象的耦合成为开发的关键之一;另一方面是不同研发部门或供应商的系统如何集成，特别是在设计的早期如何通过系统的集成确保系统设计的成熟性是全球航空行业产品开发面临的棘手问题。

5MBSE的优势

基于模型的系统工程就采用模型的表达方法来描述系统的整个生命周期过程中需求、设计、分析、验证和确认等活动。基于模型的系统工程的出现就是为了解决基于文档的系统工程方法的困难，相对于基于文档的系统工程方法，主要在以下几个方面有所改进：

(1)知识表示的无二义性。文字的描述经常会因为个人理解的差异而产生不同的解释，团队成员针对文档在大脑中形成的构思模型不可能完全一致。而模型是1种高度图形化的表示方法，具有直观、无歧义、模块化、可重用等优点，建立系统模型可以准确统一地描述系统的功能、详细规范与设计等方面，对整个系统内部的各细节形成统一的理解，尤其是可以提高设计人员和开发人员之间的理解的一致性。系统模型是1种最佳实践方法，可以保证团队成员对此有相同的理解，为解决问题和改进系统提供基础。

(2)沟通交流的'效率提高。随着系统的规模和复杂程度的提高，各种文档越来越多，相对于厚厚的技术文档，阅读图形化的模型显然更加便利直观、无歧义，使得不同人对同一模型具有统一一致的理解，有利于提高系统内需要协调工作部门之间的沟通与交流的效率，如顾客、管理人员、系统工程师、软硬件开发人员、测试人员等。

(3)系统设计的一体化。由于系统模型的建立涵盖系统的整个生命周期过程，包括系统的需求、设计、分析、验证和确认等活动，是1个统一整体的过程，可以提供1个完整的、一致的并可追溯的系统设计，从而可以保证系统设计的一体化，避免各组成部分间的设计冲突，降低风险。

(4)系统内容的可重用性。系统设计最基本的要求就是满足系统的需求并且把需求分配到各组成部分，因此建立系统的设计模型必然会对系统的各功能进行分析并分解到各模块去实现，从而对于功能类型相同的模块不必重复开发。

(5)增强知识的获取和再利用。系统生命周期中包含着许多信息的传递和转换过程，如设计人员需要提取需求分析人员产生的需求信息进行系统的设计。由于模型具有的模块化特点，使得信息的获取、转换以及再利用都更加方便和有效。

(6)可以通过模型多角度的分析系统，分析更改的影响，并支持在早期进行系统的验证和确认，从而可以降低风险，减少设计更改的周期时间和费用。与其他工程学科(软件、电子等)一样，系统工程正在进化：从基于文档的方法到基于模型的方法，而这也正是系统工程发展的必然趋势。

(7)MBSE和TSE的区别就在于系统架构模型的构建方法和工具的不同，以及由此带来的工作模式、设计流程等方面的区别。也就是说，传统的系统工程变成基于模型的系统工程，实际是从基于文本向基于模型的转变。这个模型是指用系统建模语言建立的系统架构模型，或者说是系统架构模型的建模语言从自然语言(文本格式)转向了图形化的系统建模语言(SysML)。但MBSE并没完全抛弃过去的文档，而是从过去以文档为主模型为辅向以模型为主文档为辅的转变。

(8)MBSE可以更好地支持V&V(VerificationandValidation)，由于引入了很多的工具软件，借助工具软件的优势，可以大幅提高测试与验证的效率与正确性。同时可以提高测试与验证的自动化水平，降低人工手动测试与验证的低级错误，并提高效率。

(9)MBSE有助于进一步突破时间和空间对设计工作的限制。TSE下相关的设计工作要遵循一定的时间顺序，而且还有一定的空间限制。比如：系统工程文档要按照一定的顺序进行流转，上一个专业学科分析做完之后，才能够进行下一个专业的分析，而且做出样机后各方才能进行测试等。MBSE下用系统建模语言构建出模型后，就能进行各种分析和测试，提前协调、平衡和优化。而且各方围绕着1个存储着系统架构模型数据的数据银行并行开展工作，并且可以支持远程及分布式的工作模式，突破设计人员地理位置的限制。

6MBSE未来发展面对的挑战

(1)MBSE的推进需要行政干预。基于模型的系统工程的推进需要付出巨大努力，并且不是所有系统成员都渴望MBSE的推进。对于一些人来说，建立模型并且验证模型纯粹是浪费时间，与其花费巨大的时间建模与验模，还不如省下时间开发新产品。很多诸如此类的观念是短时间内很难改变的，需要行政力量去干预并且改变这种观念。基于模型的系统工程是1种新的工作方法，需要完全改变以前的工作习惯。这其中的阻力之大可想而知。

(2)工具集的集成。每个复杂的系统，都会涉及到很多工具软件，每个领域会有1种专门工具。对于系统工程来说，没有1种工具适用所有领域。比如，在功能与逻辑层，可以采用某种多用途仿真工具即可，但对于物理层建模，就需要其他工具。由于使用了多种不同的工具，首先就会增加针对不同工具的维护与培训费用。其次，更大的风险在于数据如何在多种工具之间进行转换，同时不可忽视的是，在数据转换时会产生大量的不可预知的错误。不同工具之间数据接口的设计与数据交互也是非常困难。最后，不同工具软件的联合在系统层面的仿真是需要真正面对的难题。

(3)系统开发向大型化、复杂化发展。航空系统产品日益庞大复杂，复杂度日益上升，包含的功能越来越多，但是系统组件却越来越少。同时，软件在系统中占的比重越来越大，这就增加了对完整产品需求定义的难度。对于复杂大系统的要求是减少部件数量、提高每个系统部件的能力、部件之间可以松散耦合与紧密集成。只有按照这个要求才可以实现系统的高效运作，同时才能实现便于后续的维护与扩展。

7结束语

MBSE使用建立的模型并且仿真，经过的发展，已经取得了巨大成就。MBSE有着诸多显而易见的优势，虽然未来的发展也有挑战，但挑战与机遇并存。MBSE增加了前后端程序的花费，但是也增加了对多种领域工具软件的需求。总之，MBSE是针对系统工程一系列解决方法中的最佳实践方法。这一方法依靠大型软件平台，建立各级别的需求与相应的系统方案元素的链接，并以图形化的方式展示设计者对系统的认识。因为摒弃了繁缛的文档管理方式，系统模型与需求之间的关系更加明确，系统更改造成的影响也更加透明。设计者之间通过易于理解的图形交流系统设计方案，减少了由误解造成的隐患。可执行的功能模型使得在设计的各阶段都能分析系统对需求的符合性，并验证系统需求是否符合利益相关方的原始需求。

综上所述，基于模型的系统工程非常重要，从事MBSE的工作将大有可为。认真研究，积极引进、消化、吸收，形成具有中国特色的MBSE，为中国国防实力和综合国力的提升夯实基础。

篇3：模型系统工程在航空工业中的应用论文

有关模型系统工程在航空工业中的应用论文

引言

目前航空工业，跨行业、多学科交叉的网络组织存在很大不确定性。一些系统界面定义的不够明确，经常出现“贫组织”或“富组织”现象;复杂系统缺乏先进、快速响应的管理理论。由此，我们和国际先进水平的差距不仅仅在技术层面，更体现在方法论层面。

1、航空工业的新特点和新思考

一方面，人员、技术储备相对薄弱，面对一些复杂项目，我们就显得力不从心、毫无头绪;另一方面，航空装备组件间、系统间的相互作用与影响也呈现出前所未有的复杂关系;同时，传统系统工程很难能看到元素间的相互作用与关系,无法体现具体的流程走向,一旦某个环节出现问题,寻找根本原因就变得错综复杂;面对如此形势，我们用传统系统工程就显得捉襟见肘。

而基于模型系统工程，会通过自上而下有效的贯彻需求管理，能打通专业、领域之间的隔阂，让各部门、各专业真正的成为一个整体。研究发现，有效的使用系统工程可实现管理流程的交互集成、实现对系统复杂性的有效解决。

2、基于模型系统工程的方法

系统工程是一个跨学科的方法和手段，它采用整体至上的思维方式，专注于定义客户需要和功能需求。可以说系统工程是一个视角、一个流程、更是一个方法论。

基于模型的系统工程是一种系统工程方法，是对建模的形式化应用，以满足系统需求定义、架构分析、设计、验证和确认。目前大数据、跨学科高度交叉是我们面临的问题，基于模型系统工程正是解决这些问题的方法论。它通过可执行的用例模型、架构分析模型、用例活动图等完成需求分析、系统功能分析和集成设计，完成了从设计到仿真、制造到验证的实践过程。

3、基于模型系统工程的应用

3.1系统生命周期中的应用

在系统生命周期中主要有概念开发阶段、工程开发阶段、生产和部署阶段和运行及保障阶段。

概念开发阶段，主要活动有从分析利益攸关者的需要进行需求分析、制定系统工程管理计划框架和运行概念。这个阶段尤为重要，许多项目不够重视，导致项目成本增加、进度延期或项目失败。

工程开发阶段，主要活动有分析系统/子系统需求，进行详细设计。可采用TOP-DOWN(自上而下)的方式进行架构设计。

生产及部署阶段，主要活动有软硬件实践，单元测试，子系统集成验证和系统验证。通过BOTTOMUP(自下而上)的方式，分别进行对应计划的验证，以解决生产问题、降低成本、提高产品/系统时效性。

运行和保障阶段，可以有计划的引入产品更改，以提高系统适应力。尤其在解决保障性问题、降低运营成本、延长系统寿命方面可以进行V型模型多层次迭代应用，实现产品的持续更改，促进产品的.更新换代和升级。

总之，通过基于模型系统工程的应用，可以降低项目风险、加强供应链沟通和提高劳动生产率等目的。

3.2基于模型的知识库建立

主要思想是在集成数字化环境下，通过对产品特征、工艺特征、质量特性的归纳和提取，制定统一的开发、设计、生产、维护标准和流程，并完成单元测试和系统验证。可以说建立具有决策能力的知识库，是基于模型系统工程的核心内容，也能为将来的“智能制造”提供大数据支持。

结论

通过对航空领域形势的分析，提出了基于模型系统工程的应用前景。为促进我国航空工业的发展提出了可行性建议，采用“基于模型系统工程”的方法，使复杂系统开发流程化、系统管控体系化、系统风险显性化，以实现我国航空工业的“弯道超车”。

篇4：模型的系统工程在航天器研制中的研究与实践论文

1引言

航天器研制是一项多学科、多专业相结合的大型系统工程，具有技术难度大、投入资金多、质量与可靠性要求高、协作单位多、研制风险高和管理难度大等特点。我国航天工业经过几十年的发展，逐步形成了一套独具特色的航天器研制系统工程管理模式。近年来，随着一批重大工程的启动，航天器研制出现了一些新的特点：①研制数量大幅增加，研制周期不断缩短;②性能指标要求不断提升，新产品、新技术不断涌现;③多产品并举，大规模协同，耦合关系复杂。

传统的航天器研制模式都是基于文档的，但由于航天器研制是一项涉及多学科融合的系统工程，不同设计人员所关注的领域不同，从文档中读取信息很容易产生理解的不一致性，在产品设计过程中经常出现反复迭代修改等情况。虽然近年来，已从过去的纸质形式转换为电子形式，但并未从根本上改变这一状况。

2MBSE的内涵

在INCOSE发布的远景规划中，MBSE成为系统工程未来发展的重要方向。根据规划，MBSE主要经过3个阶段，实现MBSE的标准化，-20是MBSE理论体系走向成熟化阶段，在系统的架构模型中集成分析、仿真、可视化，并定义出完善的MBSE理论体系，到2025年，在各个领域应用MBSE方法。

最早提出MBSE概念的INCOSE给出了如下定义：

“基于模型的系统工程是通过形式化的建模手段，从概念设计阶段开始就能够支持系统需求、设计、分析、验证和确认等活动，并持续贯穿整个开发过程和后续的生命周期阶段”。

篇5：模型的系统工程在航天器研制中的研究与实践论文

3.1航天器研制过程中对MBSE理论的创新与发展

在继承国外实践成果的基础上，结合我国航天器研制的具体情况，对MBSE理论进行创新与发展。

1)通过主模型贯穿于产品全生命周期

虽然从定义中，指出MBSE贯穿于整个产品研制的全过程，但就目前而言，在国内外的相关研究和实践中，MBSE的应用范围仅局限在产品的系统设计阶段(即方案设计阶段)。在该阶段，通过系统建模语言(SysML)来支持产品设计初期阶段的需求、功能和结构等过程的建模。但在后续的详细设计阶段，各个学科之间就完全割裂开来，此时SysML已无法适用。

2)融入“模型驱动”的思想

MBSE虽然是通过模型的不断演化、迭代来实现产品设计，但MBSE仍然存在着不足：①建模工作量繁重，几乎所有的建模过程均需要手工完成，对建模的自动化和智能化支持较少;②建模质量无法保证，由于建模需要手工完成，建模质量的高低依赖于设计人员的经验，建模质量无法保证;③建模的效率低，尤其对于航天器这种大型复杂产品的建模，建模数量多，类型复杂，建模效率很低。

在现有的MBSE体系基础上，融入“模型驱动”的思想，实现由MBSE向模型驱动的系统工程(Model-DrivenSystemEngineering，MDSE)转变。两者之间的区别为MBSE是通过“人工”驱动建模，而MDSE是通过“模型”智能化驱动建模，即利用现有的经验知识，通过有效的推理策略进行知识推理，自动化、智能化地实现相关模型的推理，并进一步生成模型，以达到减少大量复杂和重复的工作，更好地重用知识。这种知识隐含在现有的产品研制过程中，需要对其进行深入挖掘才能提炼出来，并且这一过程的实现不是一蹴而就的，而是逐步不断完善的过程。

3.2MBSE在航天器研制过程中的应用实践

在对MBSE理论创新和发展的同时，应用MB-SE理论指导航天器研制实践，以开创一条适合我国国情的航天器研制管理模式。

1)建立、健全完善的系统工程研制流程体系

系统工程活动及其流程是系统工程体系的核心。根据当前航天器研制任务形势，明确系统工程各阶段任务划分和实施要求，对关键技术活动开展集中攻关，不断开展系统工程流程的梳理和优化，针对总体设计要素，提出所需的建模工具和手段，梳理建立航天器总体与结构协同设计流程、总体与热控的协同设计流程、热控三维设计流程、基于模型的跨专业协同设计流程、有效载荷快速设计流程、构型布局设计实现流程、总体总装设计流程、结构协同设计流程等。同时，借鉴先进的信息化技术和手段，实现高效的信息表达、数据管理、数据传递，为航天器研制流程的上下贯穿提供根本性保障。

2)以IDS为统一数据源的MBSE，解决MBSE应用范围窄的问题

结合我国航天器研制的自身特点，提出了以设备接口数据单(InterfaceDataSheet，IDS)为统一数据源的MBSE，即在后续的设计阶段，各个学科之间仍然可以通过统一数据源IDS进行协调设计，将MBSE的适用范围扩展到整个产品设计阶段。

3)充分利用现有知识，实现由MBSE向MDSE的转变

在充分借鉴信息化技术的基础上，结合自身实际情况，充分利用现有的设计知识，将多年积累的经验和知识，如设计禁忌、设计要素、设计流程等融合到一个集成的航天器总体设计集成环境，然后，根据不同的设计阶段和设计情境，通过有效的推理策略进行推理，智能化地实现航天器研制过程建模。

在此，开展了三维设计环境下基于IDS的设备自动建模、设备快速布局、基于卫星电缆网设计系统(SatelliteCableDesignSystem，SCDS)数据的快速布线布缆、总装设计等功能，从源头上保证了设计数据的一致性，有力地提升了航天器研制的规范化、标准化、自动化程度，加强了技术状态控制，优化了研制流程，实现了真正的'模型驱动。

4)基于模型的跨专业协同设计模式

MBSE概念的提出，虽然改变了原有的协同设计模式，但各学科、各专业之间的协同仍然是靠人工来协调。为此，在MBSE的基础上，结合当前航天器研制模式，一方面，基于IDS统一数据源开展了总体-结构-热控协同设计，有效解决了传统模式下人工协商多、复核复算多和设计精度难以保证的问题。另一方面，建立了基于多级骨架关联设计的并行机制，通过建立上下游专业设计对象之间、专业内部设计对象之间的关联关系，实现当上游设计发生变化时，下游设计可以自动更新，从而加快设计迭代周期，提高设计效率和质量。

5)基于MBD的全三维数字化产品定义

MBSE提出将“基于模型”的思想贯穿于整个产品研制的全生命周期，但在产品设计阶段，传统的数字化产品的定义是“二维+三维”形式，即所建的三维模型仅仅作为几何模型，而尺寸、公差、粗糙度、热处理方法等工艺信息仍然在二维图纸上表示，这就导致了在制造环节中仍然要以二维工程图作为制造的唯一依据，整个的制造体系仍然为传统的二维体系，这种产品定义模式无法保证产品定义唯一性。

基于模型定义(Model-BasedDefinition，MBD)的数字化设计与制造技术已经成为制造业信息化的发展趋势，它是将三维产品的制造信息与三维设计信息共同定义到产品的三维模型中，以改变目前三维模型和二维工程图并存的局面，保证产品定义的唯一性。目前，国外MBD技术的应用已经比较成熟，其中的杰出代表波音公司，在787型客机研制过程中，全面采用了MBD技术，并将MBD模型作为制造的唯一依据，完全抛弃了二维工程图样。MBD技术并不是简单地在三维模型上进行标注，而是通过一系列规范的方法更好地表达设计思想，以此打破“设计-制造”之间的隔阂，一方面，能容易地被设计人员所理解，另一方面，又能方便地被计算机处理。

6)航天器系统工程标准规范体系建设

在MBSE方法中，需要一套完善的航天器系统工程标准规范体系作为支撑，这是MBSE实施的执行依据。在梳理现有的标准规范的基础上，重点开展了航天器系统工程标准规范体系框架设计，进一步消除系统工程标准规范体系中的薄弱环节。

通过研究国外相关标准和规范，结合航天器研制的特点，在航天器研制模式探索过程中，构建了符合自身特点的航天器数字化研制标准体系。

航天器数字化研制标准体系是由若干个相互依存、相互制约的数字化标准组成的具有特定功能的有机整体，企业综合管理信息化标准和基础运维标准作为整个体系的支撑标准，主要包括基础类和应用类两大类标准，其中基础类标准主要为概念术语标准;应用类标准包括数字化设计、制造、装配、试验信息交换标准、数字化设计标准、基于数字化产品的制造标准、数字化测试试验标准、数字化产品管理标准等，涵盖了基础、设计、制造、总装、试验、数据管理六大类别。

4结束语

MBSE代表着未来系统工程的最新进展和未来的发展方向。但应该指出的是，MBSE还处于探索阶段，在具体的实施过程中，还会遇到各种各样的问题。需要结合我国航天器研制特点和当前发展要求，制定出长远的发展规划。同时，还应密切关注国内外研究机构在这一领域的进展，进一步吸收和消化国内外的研究成果，形成具有我国航天特色的MBSE，提高我国航天器研制能力和航天器总体设计水平。

系统工程的建模问题

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