基于模型的系統工程技術探析

楊躍

（航天江南集團有限公司 貴州貴陽 550009）

隨著中國科學技術進步的持續快速健康發展，在此社會背景條件下，航天領域亦因此能夠得到一個良好的產業發展新契機，大大地推動和促進了未來航天高科技領域信息產業的迅速發展，而航天領域所涉及的產品也在此背景下逐漸從機械向著更為先進的發展趨向邁進，即將電子、機械等多個學科融合于一體方向發展，而在系統發展過程中，也逐漸從分立式向著綜合方面邁進。對此，航天領域所涉及的系統工程，在實際運行過程中，需要對所產生的各類信息數據，通過文檔的形式來進行具體的描述與記錄。但隨著科學技術的快速發展，各類航天模型層出不窮，這導致相關系統的復雜度、規律、難度等也隨著時代的推移不斷增多，如若航天領域依舊采取以往文檔系統工程的形式對航天領域各類系統進行管控，很難保證相關系統穩定性與統一性［1］。針對此，相關部門應在基于模型的系統工程的基礎上，通過構建更為優質系統，建立完善、連續、集成等特性于一體的全生命周期的模型驅動的工作模式，以幫助工作人員更好地開展各項工作，提升自身工作質量，降低對各類系統在管理維護期間管理的技術難度性與工作復雜性，提高管理系統工程精準性與效率，也就是說，需要我們將系統工程理論的研究建設是作為一套技術體系與科學技術方法有機結合，而絕非簡單是作為一系列事件。

1 MBSE概念

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

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無明顯歧義性的結構化信息快速表達，提高了信息快速表達的效果率與信息質量，進而又有助于快速提升企業協同辦公效率，增強了信息迅速獲取、轉化傳遞等應用能力，所以，企業在開始進行新產品項目研發設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架設計、系統動靜態的仿真模型等，進行系統全方位多角度的數字化建模分析之后，以此來確定產品模型與設計模型是否準確合理，同時，系統也將實現整個設計與方案數據的顯性化、規范化及分解，系統的設計評價指標也更為科學、精準且更為全面，大幅度提升了員工整體工作學習效率，減少在系統設計集成、驗證產品期間出現的需要反復進行分析研究與修改制作流程的情況發生，進而將幫助整個產品實現從系統設計到成品制作整個流程的一氣呵成，同時，還可保證產品在全工程生命周期里的產品研制過程質量穩定與制造效率優質［2］。

2 MBSE現存的問題

隨著科學技術快速發展，系統類型也越來越豐富，規模也隨之不斷擴大，在此背景下，系統規模與復雜程度不斷提升。傳統系統運行方式主要是基于文檔的系統工程的方式，將大量信息數據儲存在不同類型的文檔當中，但這樣的數據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。文檔數據處理模式很難將活動很好表達出來，而且活動本身都是動態的，并未靜態不曾改變，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出來，不僅無法將活動的具體情況展現出來，還可能會誤導員工，進而影響到后續工作［3-4］。此外，通過文檔形式對大量數據管理，雖然也能實現有效管理，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，而且處理結果很可能無法達到預期的效果。另外，傳統的系統工程在設計期間主要是依賴文檔方式對所有信息數據開展管理工作，在此過程中，工作人員需要根據實際需求構建系統框架，之后再有設計師通過人工建立設計結果與需求之間的聯系，以此來實現有效管控數據的目的。如若在管控設計系統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系，以此確保最終效果能夠達到預期。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不斷重復的現象，進而影響到工作人員的工作效率。

3 MBSE的優勢

3.1 MBSE在知識表達的無二義性

由于傳統對數據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，從而導致同樣的文字得出不同的結論。而對數據分析與研究過程中，團隊成員針對同一個文檔所表達的含義，在大腦中所形成的結構模型不可能完全一致，甚至還可能出現完全不相干的兩個結構。但通過構建模型的方式，讓數據通過更為具體、直觀、無歧義等模型方式展現在所有成員面前，這更有助于提高工作效率與質量，而且這類系統模型構建形式可以將系統的統一性、系統性、準確性通過模型的方式形象地展現出來，其中包含系統功能、各個部分詳細數據，都能夠通過模型方式展現出來，以此確保所有成員對于系統內部的理解統一性，進而為處理系統中所存在的問題，提高系統優質性具有積極意義［5］。

3.2 有助于提高溝通交流效率

由于系統隨著時代的不斷進步，各類現代化技術層出不窮，雖然能提高系統穩定性與全面性，而且還能實現提高系統工作效率與質量的目的，但因為系統所接觸的內容不斷增多，這時系統所需要解決的問題與內容也不斷增多，這就導致系統規模與復雜性也隨之不斷攀升，各類文檔數量也隨之不斷增多，這對于工作人員來說，無疑增加了員工在處理數據期間的難度，而且在面對大量的技術與文檔，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現系統運行期間所存在的問題，并針對觀察結果，科學制定解決對策，以保證系統運行質量。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，自身具備較強專業性之外，還需要參與系統管控各個部門之間，提高溝通與交流的效率，這有助于提高系統運行效果優質性。

3.3 系統設計的一體化

由于系統所涉及內容眾多，所以對系統工程設計之前，工作人員需要對系統有一個全面了解，而且其自身具備較強綜合能力，能夠準確地根據系統運行情況，作出更為精準的判斷與操作。但因為系統模型監理過程中，因系統本身所涵蓋內容眾多，包含了整個生命周期的全過程，不僅包含了系統的基本要求，還有對系統今后發展需求、設計、分析等各類活動內容都包含于一體，由此可以得出，系統設計是一個統一的整體過程，可以提供一個完整且可以實現追溯的系統設計，以實現系統設計一體化，同時，避免系統組合在一體期間出現系統各部分之間設計出現沖突，從而導致效果不佳的情況發生。

3.4 系統內容的可重用性

系統設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量，所以在系統設計期間，設計師必須要滿足系統設計的基本要求，并且各類要求根據實際情況，科學分配各個部分，分別進行處理與設計，以保證系統設計合理性。因此，對系統設計模型建立期間，由于模型構建目的就是幫助工作人員更好地設計系統，提高系統穩定性與全面性，因此在構建系統模型期間，必須保證模型優質性，而且各個部分數據清晰標注在模型之中，以便工作人員對模型進行分析，并對系統模型中各項功能分解到模型各個部分當中，分別對系統功能進行開發，以防相同內容與模塊被重復開發與研究的情況發生，以此確保系統優質性。

3.5 增強知識的獲取與再利用

由于系統本身所涵蓋的內容眾多，因系統全生命周期所涵蓋的內容也是繁雜多樣的，其中包含需要信息數據的轉化與傳遞。因此，系統設計師實際開展系統設計之前，需要了解系統具體用途，再根據需求，以及對提取自身所需要信息數據分析結果，科學地對系統開展設計工作，以保證系統設計優質性。由于模型具有模塊化的特點，對此，科學運用系統模型，有助于獲取信息，同時，還能對數據進行轉化、傳遞，甚至對數據進行再利用，都具有積極作用［6］。

3.6 對系統模型的多角度分析

因系統所使用范圍較廣，導致其所涉及技術、內容也是繁雜多樣，為保證系統運行效果，提高系統構建順利且高效，應事先針對系統實際情況，科學構建系統模型，并針對模型進行全面且多角度分析，解決系統模型在運行過程中存在的問題，以此提升系統實際運行期間的效果。同時，需要在早期進行系統的驗證與確認，以此降低風險，減少后續設計更改所需要的時間，以及系統設計整改所產生的成本。與其他工程類學科一樣，系統工程發展過程中，同樣需要進行改革與優化，應將系統從文檔方式向著基于模型方法邁進，這是為了提升系統運行效果，減少風險發生的概率，同時，也是系統工程實現可持續發展的必然趨勢。

4 航天產品MBSE應用發展啟示

如何推動MBSE工程應用，實現數字化與航天產品高度融合，決定了航天領域數字化發展過程中航天產品是否能夠在航天領域快速發展背景下占據主導地位。而將MBSE方法科學貫穿于整個航天產品研制工作中，有助于提升產品型號設計效果與質量，確保產品生產效率等具有諸多優勢。而且基于模型的系統工程方法，實際應用過程中，其主要強調了表征復雜系統的范圍模型體系為核心，在產品全生命周期進行模型化展現期間，通過對模型不斷進行推演與分析，以此來實現對復雜系統的設計工作，同時，還確保系統運行質量與效果。因此，對航天產品設計期間，借助給予模型的系統工程方法，以及在全生命周期的產品模型基礎之上，以多類型模型組合于一體的方式表達設計效果與理念，并通過仿真手段，來實現產品的數字化設計與驗證，將設計中所存在的質量缺陷盡可能消除，以此提升航天產品細致化設計，同時確保型號產品質量的優質性。

5 結語

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