终于有人把MBSE讲明白了

以下文章来源于数字化从业笔记 ，作者数字化从业笔记

导读：基于模型的系统工程(MBSE)作为未来工业研发数字化的重要发展方向之一，需要大量相关技术人才支撑其在各行各业的应用。从目前来看，国内掌握MBSE技术的人才数量远远低于需求量，各行业MBSE实践项目受制于人才短缺的现象明显。

来源：数字化从业笔记，已授权转载

可预见的未来几年，随着行业应用需求的增强，将会有越来越多的技术人员投入MBSE方向。这些技术人员的来源，要么是原本各研发岗位上的工程师，通过学习这方面的技术应用到研发工作中；或者是应届毕业生或其他技术方向从业者转向MBSE领域。

不管未来这些技术人员来自哪个方向，在最初接触MBSE这一概念的时候，都不可避免的要了解这一领域方方面面的概念和知识，来实现“入门”。

鉴于此，特将近期做的一次科普性质的MBSE培训部分内容整理如下，希望能够通过一篇文章，用最简单、易懂的语言讲清楚MBSE，为希望了解MBSE的人提供一个大概轮廓和入门导航。

1. 什么是MBSE

基于模型的系统工程(MBSE)是相对于传统基于文档的系统设计而言的，传统设计方式中，系统方案设计阶段多数通过撰写方案设计文档来对系统进行定义，如下图所示：

MBSE(基于模型的系统工程) = 用数字化建模代替写文档进行系统方案设计，把设计文档中描述系统结构、功能、性能、规格需求的名词、动词、形容词、参数全部转化为数字化模型表达。

以下例子可帮助直观理解如何从文档转换到数字化模型：

1) 名词（描述系统结构）

基于文本的设计：

“该系统由发动机、通信系统、控制系统、生命保障系统等子系统构成”

MBSE中的数字化模型表达：

2) 动词（描述系统行为）

基于文本的设计：

“系统的启动过程为：首先启动发动机，然后依次检查控制系统、生命保障系统、通信系统状态，如一切正常，则进入工作状态；如发现异常，则由操作人员进行故障排查。”

MBSE中的数字化模型表达：

3) 参数（对系统规格、系统性能等的定量描述）

基于文本的系统设计：

“需求A：系统总重量不能超过100kg。”

MBSE中的数字化模型表达：

4) 形容词（需要被量化）

形容词是文档中的特殊产物，在模型中不存在对应内容。

原因在于形容词是模糊描述，无法明确表达，也意味着无法准确验证。因此，理论上，在系统设计和需求规格描述中，不应该使用形容词。否则可能导致下图中的后果：

2. 为什么要做MBSE

1) 当前的挑战

在当前航空、航天、汽车等行业，对工业产品易用性、舒适性、安全性等方面要求的提高，导致当前工业产品电气化、智能化程度越来越高，产品复杂度的量级不断跃升。

基于文本的系统设计方式存在天然局限，导致其越来越难以应对当前的复杂产品设计挑战，比如：

1. 基于自然语言描述的设计文档一致性差，沟通效率低且容易出现歧义；
2. 自然语言容易引入形容词等模糊描述，很难保证准确性
3. 文本描述的设计元素之间无法实现追溯分析，当出现设计变更时很难对变更影响进行准确评估
4. 基于文本的设计方案无法进行前期仿真验证
5. 设计方案无法与详细设计阶段的数字化模型（如CAD）关联...

而MBSE技术的出现为应对这些问题提供了有效的应对手段。

2) MBSE带来的价值

一项新技术最终的价值体现，一般有：

• 节省成本，省钱
• 提高效率，省时间
• 保证产品质量，提高产品竞争力
• 产品质量提升→产品问题减少→研发周期&运维成本降低→省钱&省时间
• 产品竞争力提高→销量提升→企业利润提高

基于上述几个角度，我们分别从几个系统设计活动– 需求分析&验证、系统设计、系统验证，来具体分析MBSE到底可以为企业带来哪些价值：

（红色代表文本无法实现而MBSE能够实现的功能，蓝色代表MBSE相对文本的优势功能）

3. 怎么做MBSE？示例

MBSE是系统设计工作通过数字化设计手段的实现，因此在工作流程上与传统系统工程并无太大差异，仍然分为需求分析、系统设计、系统验证、需求确认四个步骤。

具体实现方式案例如下：

1) 需求分析

实现需求条目化分类，并对特殊需求（性能需求）进行量化描述：

需求类型示例

需求量化描述

2) 系统设计

依照特定的系统设计逻辑方法，完成系统功能、结构设计，以及参数化表征，并将设计内容与需求进行关联，确保追溯关系完整。

系统设计

系统设计与需求的关联追溯

3) 系统验证

基于数字化系统设计模型进行系统仿真，根据设计需求进行系统验证工作

系统模型仿真验证

4) 需求确认

将设计参数值与量化的需求约束进行验证

需求确认

4. 掌握MBSE需要学习哪些内容

MBSE的三大支撑：方法论、系统设计语言、系统建模工具。

1) MBSE方法论

MBSE方法论是设计师进行系统设计活动的指南，不同行业、不同产品在实际产品研发方面都有其特殊的地方，因此在方法论方面会有不同的选择。

以下提供了当前MBSE方法论方面能够查找到的部分公开资料，可作为企业在实践MBSE项目时的参考。

企业在实际项目中选择哪一种方法论、对方法论做哪些特定的裁剪，需要基于企业当前研发流程的实际需求来分析和确定，而不能直接照搬某个“理论模型”。

关于MBSE方法论，2008年有相关研究汇总了当时的相关理论 - "Survey of Model-BasedSystems Engineering (MBSE) Methodologies", 报告中涵盖了以下6类不同的MBSE方法论：

• INCOSE Object-Oriented SystemsEngineering Method (OOSEM)
• IBM Rational Telelogic Harmony-SE
• IBM Rational Unified Process for Systems Engineering (RUP-SE)
• Vitech Model-Based Systems Engineering (MBSE) Methodology
• JPL State Analysis (SA) Methodology | JPL State Analysis (SA)
• Dori Object-Process Methodology (OPM)

在此之后，作为补充，http://www.omgwiki.org/MBSE中的“Methodology and Metrics”文章里又增加了几类MBSE方法论的介绍，包含：

• Weilkiens Systems Modeling Process (SYSMOD)
• Fernandez Process Pipelines in OO Architectures (PPOOA)
• An Ontology for State Analysis: Formalizing the Mapping to SysML
• ISO-15288, OOSEM and Model-Based Submarine Design
• Alstom ASAP Methodology
• Pattern-Based Systems Engineering (PBSE)
• Arcadia, a model-basedengineering method

以上这些仅仅为MBSE方法论的部分内容，在此之外，仍有一些公司或研究者针对特定应用场景提出了自己的方法论。比如，当前在国内工程界应用广泛的MagicDraw工具，其母公司NoMagic(现被达索析统公司收购)也独立提出自己的MagicGrid方法论。

2) 系统设计语言

系统设计语言是描述系统设计的标准"语法"，当前MBSE领域主流的系统设计语言是OMG维护和发布的SysML – System Modeling Language，该语言基于UML发展而来，并专门针对系统设计领域特点进行了扩展。

(SysML虽为主流MBSE建模语言，但仍有部分软件工具通过非SysML语言进行模型描述，此处不做展开。)

SysML是一种图形化设计语言，共包含9类图，如下所示：

9类图分别用来描述系统设计过程中的需求、系统结构、系统行为和系统参数:

3) 系统建模工具

目前国内工程领域主要的MBSE工具为NoMagic(达索) MagicDraw和IBM Rhapsody，其他如Sparx Systems的Enterprise Architecture, 达索CATIA RFLP, Siemens PLM, ANSYS Scade等也有部分应用。

更多MBSE建模工具可参考：

• https://mbse4u.com/sysml-tools
• https://mbseworks.com/mbse-tools

MBSE建模工具的选择需要考虑因素过多，需要根据不同企业具体情况具体分析，此处不做过多展开。

5. 学习资料推荐

1) 系统工程理论

INCOSE Systems Engineering Handbook 4thEd.

NASA Systems Engineering Handbook

ISO 15288: Systems and software engineering –System life cycle processes

2) SysML语言

Delligatti L. SysML distilled: A brief guideto the systems modeling language[M]. Addison-Wesley, 2013.

Friedenthal S, Moore A, Steiner R. Apractical guide to SysML: the systems modeling language[M]. Morgan Kaufmann,2014.

OMG Systems Modeling Language v1.5

更多可参考OCSMP认证考试参考书：

https://www.omg.org/ocsmp/study-material.htm

3) 案例资料

Douglass B P. Agile systems engineering[M].Morgan Kaufmann, 2015.

Architecting Spacecraft with SysML

http://sysml-models.com/spacecraft/

Thirty Meter Telescope System Model in SysML

https://github.com/Open-MBEE/TMT-SysML-Model

MagicGrid – Book of Knowledge

4) 其他资源参考

https://sysmlforum.com/sysml-overview/

http://www.omgwiki.org/MBSE/

转自公众号：PLM之神