MBSE應用于系統研發的效能分析

姚 元,周傳睿,梁 浩

(南京電子技術研究所, 江蘇 南京 210039)

0 引 言

從20世紀60年代開始,系統工程 (SE) 在航天、國防等領域一直被用于對復雜系統的研發管理[1-5]。傳統的系統工程以文檔和實物等形式為依托。以系統工程的典型V型模型為例,系統的設計階段主要包括需求分析與規格定義、系統功能與架構設計、子系統設計等,該階段自頂向下,根據需求將任務進行分解,再將任務下發到不同部門,各部門之間的信息傳遞載體主要為書寫文檔、數據等。系統的實現階段主要包括零部件、組件、設備、子系統再到整個系統的集成,集成完成以后進行技術測試和確認交付等。

隨著國防技術的不斷發展,系統的規模和復雜度都在不斷增長,傳統基于文檔的系統工程 (TBSE) 難以滿足復雜系統的研制需求[5]。一般而言,系統復雜度越高,研發文檔數量越多,出現問題的風險就會越大,傳統TBSE的不足也就越加凸顯。在系統設計階段,各部門內部的文檔書寫習慣以及數據表達格式等存在差異,不同的學科領域可能使用不同的術語或公式,導致部門內外之間信息傳遞過程的效率降低。部門研發人員在閱讀技術文檔時費時費力,甚至產生誤解,導致各部門協同效率大大降低。在實物集成階段,常規通過對實物樣機進行測試的方式雖然真實有效,但也存在弊端。一方面,如果設計方案中存在的問題在實物集成階段才被發現,解決問題的成本和周期會大大增加。另一方面,實物樣機與產品的設計方案以及責任單位之間的映射關系不嚴格、不規范,在出現問題時,不利于問題的追查定位與回溯。

隨著信息技術及數字建模仿真技術的快速發展,基于模型的系統工程 (MBSE)[6-12]成為近年來復雜系統設計和技術管理的研究熱點。與傳統TBSE不同,MBSE采用數字模型來承載信息,具備知識統一表述、溝通交流效率高、知識再利用增強、系統研發風險減小等潛在優勢,有望大幅提升復雜系統研發的效益[11-14]。

然而,在許多實際系統研發案例中,應用MBSE并沒有獲得期望中的高得益,有些案例中甚至出現效果不及TBSE的情況。文獻[12]通過文獻計量學分析,對2022年以前出版的MBSE重要文獻進行了調查,認為當前處于開發和應用第二代MBSE技術的初期階段,未進入技術成熟期。從技術發展階段上解釋了MBSE應用不及預期的根源,但缺少細化的原因分析。探究MBSE應用不及預期的原因并提出改進建議十分重要。但目前針對以上問題的分析較少,往往歸咎于MBSE尚處于發展完善階段[12]、設計師接納新設計模式動力不足、投入精力不夠等,卻忽視了實際系統研發場景與期望應用場景的差異、應用MBSE的代價等因素,導致所采取的改進措施效果不甚理想。

本文建立了一種應用MBSE的效能模型,從得益和代價兩個方面分析了相比傳統的TBSE,MBSE帶來的效能提升指標,用以表征MBSE在系統研制過程中發揮作用的有效程度;使用提出的效能模型針對應用MBSE不及預期的原因進行了分析;基于得益最大化且代價最小化原則,提出了MBSE應用于系統研發以及MBSE試點和推廣的相關建議。

1 應用MBSE的效能模型

1.1 基本效能模型

為了比較應用MBSE相比傳統TBSE帶來的效能差異,給出基本效能模型

E=G-L

(1)

式中:E表示應用MBSE相比應用TBSE的效能變化,主要體現為以系統研發成功為基本前提的成本和周期變化;G表示應用MBSE的得益與應用TBSE的得益之差,包括研發效率提升和質量改善的變化等;L表示應用MBSE的代價與應用TBSE的代價之差,包括學習成本、人力物力資源消耗的變化等。

1.2 應用MBSE的得益

1.2.1 應用MBSE的期望得益Ge

諸多文獻均提到了應用MBSE相比傳統TBSE可以帶來的益處,本文將其定義為應用MBSE的期望得益Ge,即聲稱、預計可以獲得的研發質量的改善。期望得益Ge主要包括以下內容:

(1) 消除歧義,統一語言,提升溝通效率

在傳統TBSE中,由于個人理解的不同,文字描述有時會產生不同的解讀,造成歧義和誤解。MBSE使用統一、規范、嚴格的模型對系統的功能、接口等進行準確描述。直觀、無歧義的模型可以有效避免信息傳遞過程中可能產生的多義性,從而提高團隊成員之間信息理解的一致性。此外,MBSE模型可以在多學科、多領域之間互聯且協同,有利于不同領域的設計人員以易于理解的方式描述各子系統之間的接口規范以及關聯關系,提高跨學科、跨領域的溝通交流效率[9]。

(2) 需求、狀態變更關聯傳遞

在傳統TBSE中,當需求、技術狀態發生變更時,需要人工更改相關聯的所有文檔。當相關文檔數量較多時,變更工作量大且容易發生遺漏,導致不同文檔內容相互之間不一致。MBSE拋棄了傳統的文檔管理方式,更加明確了系統模型和需求之間的關系,各系統模型之間相互聯動,當發生需求、狀態變更時,各類變更自動關聯、傳遞,系統更改帶來的影響也更透明。

(3) 及早發現問題,支持跨系統設計

MBSE可以通過模型對系統進行多角度分析,在設計的早期進行系統驗證,從而降低風險,同時縮短設計更改周期。在系統視角層面,MBSE通過構建數字化設計成果,可以通過工具輔助自動生成任意跨系統視角視圖,幫助工程師在系統間發現問題,彌合傳統手段下因系統視角缺失導致的設計遺漏、系統間數據不匹配等問題。

(4) 降低重復開發工作量

MBSE模型嚴格、規范,具有模塊化特征,可以重復利用,避免功能類型相同模塊的重復開發,并使得系統研發過程中的信息獲取以及再利用變得便捷高效,進而實現系統設計重用、設計自動化,提高設計效率[9]。對同一個項目產品的生命周期維度,系統前期的架構設計成果可以向后期詳細設計成果(軟件接口、電原理圖、線纜圖等)進行模型傳遞,避免人為二次勞動。

1.2.2 應用MBSE的實際得益Gr

將MBSE應用于某個具體系統的研發時,實際能收獲到的相比于傳統TBSE的益處,與其期望或者聲稱的得益Ge往往存在一定差距。本文將某個具體系統實際能獲得的研發質量上的改善定義為應用MBSE的實際得益Gr,定義

Gr=rGe

(2)

式中:r表示應用MBSE的實際得益與期望得益的匹配度,0

(1) 系統的復雜度

與TBSE相比,MBSE可以滿足具有更高復雜性產品的系統開發要求,因此產品越復雜,基于MBSE研發模式的得益越高。但是當某個具體系統的復雜度不夠高時,應用MBSE相比于TBSE,獲得的得益會較低。以系統復雜度C為因變量,應用MBSE相比于TBSE的實際得益曲線如圖1所示。隨著系統復雜度增高,應用MBSE得益越高。但是在一定的復雜度門限CT以下,應用MBSE相比于TBSE的得益非常低。只有系統復雜度超過門限CT后,MBSE的實際得益才迅速提升,并逐漸接近MBSE的期望得益。

圖1 應用MBSE相比TBSE的得益隨系統復雜度的變化

值得注意的是,系統的復雜度是一個相對概念,而非絕對概念。同一個系統的復雜度C會因不同研發團隊的專業能力、研發經驗等因素的不同而存在差異。以雷達系統為例,某個大型雷達系統對沒有雷達設計經驗的研發團隊而言,復雜度非常高,但是對擁有豐富雷達設計經驗的團隊而言,其復雜度則可能為中等。在相對復雜度不高的情況下,應用MBSE相比于TBSE的得益也會相應降低。

(2) 系統面臨的實際瓶頸問題

系統研發過程中會遇到許多瓶頸問題,如需求變更頻繁、溝通交流效率低下、關系協調困難、技術風險高等。不同的系統所面臨的研發瓶頸問題并不相同。

一方面,當某個具體系統的主要瓶頸問題,與MBSE期望所能解決的問題完全匹配時,應用MBSE將獲得較高的得益。反之,當其主要瓶頸問題與應用MBSE的期望得益不匹配時,應用MBSE將難以獲得期望的得益。另一方面,當系統研發中存在MBSE所能解決的問題,但是這些問題并不是核心關鍵問題時,應用MBSE解決該問題所獲得的實際得益也較低。例如,當研發團隊成員彼此溝通交流經驗豐富,依托傳統TBSE模式已經形成了高效、準確的溝通渠道與方式時,MBSE所期望的消除溝通歧義性得益將變得較低;而當研發團隊成員彼此較為陌生,缺乏溝通交流經驗且專業跨度較大時,MBSE所期望的消除溝通歧義性得益將會較高。

1.3 應用MBSE的代價

應用系統工程本身也需要付出人力、物力、時間等資源代價。同樣,相比TBSE,應用MBSE也可能付出一定的額外成本,主要包括建模成本、學習成本、試錯成本以及匹配成本等,即

L=Lm+Ls+Lf+Lo

(3)

1.3.1 建模成本Lm

復雜產品往往包含多個子系統,不同子系統之間關聯關系不同,每個子系統內部的功能特性也不同,內在機理難以具體描述,因此具有很高的復雜度,使得建立可信的復雜產品模型需要面對高昂的建模成本。

復雜產品的研制任務往往具有復雜性、多元性、自主性等特點。系統模型的建立通常以系列化、通用化、標準化為指導思想,需要制定一系列建模的標準規范,并按照統一的規范開發各種仿真系統。建模過程中,需要投入總體到分系統的上下游產業鏈內的產品研制人員與數字化建模實施人員,需要配備為相應規范、系統模型、建模工具提供支撐的供應商和科研院所等。需要各研究部門、生產和管理部門共同協作完成,且該過程需要覆蓋從需求分析到設計論證、生產加工、組裝、測試,直到最終交付、維護的完整生命周期,導致利用建模手段研究復雜工程體系的全過程需要大量的人力、物力以及時間成本。

1.3.2 學習成本Ls

應用MBSE的前提是學習理解并熟練掌握MBSE。

傳統TBSE已經在國內系統研發中應用了幾十年,隨著系統研發實踐的不斷深入,各企業結合實際情況在標準TBSE流程基礎上進行了改良與裁剪,各自形成了非常成熟、深度匹配的企業流程規范。研發團隊學習TBSE的成本付出較低。

MBSE作為系統工程最新的發展方向,正處于發展變化之中,其自身比較復雜,而且與各企業系統研發的實際情況匹配還不夠深入,研發團隊學習MBSE原理需要付出額外的時間、金錢和人力成本,并且學習越深入,學習成本越高。

此外,對MBSE工具的熟練掌握也需要付出學習成本。MBSE工具包括建模工具以及軟件,對這些新型工具的學習也需要付出一定的成本。相比之下,在傳統TBSE中,對文檔類設計工具的掌握已成為設計師的基本必備技能,學習成本相對小很多。

1.3.3 試錯成本Lf

應用MBSE的試錯成本主要包括:

(1) 未正確理解和應用MBSE的試錯成本

MBSE作為系統工程的新興發展方向,其自身的知識體系較為復雜,對其概念內涵、運行機理的理解尚未形成統一、規范、成熟的標準。同時,目前主流MBSE方法基本來自國外[10],如IBM的Harmony-SE、Vitech MBSE方法論以及INCOSE面向對象的系統工程方法等。方法論的外源性導致國內研發人員在學習MBSE方法論過程中容易存在一定的認識障礙。不具備資深MBSE研究經驗的設計人員,很容易進入傳統的研究路徑并對MBSE抵觸。當對MBSE的理解與運用掌握存在偏差時,會因為錯誤的應用方式而帶來一定的試錯成本。例如建立模型的顆粒度不滿足要求需要重新建模,機械套用MBSE流程導致不達標等。

(2) MBSE設計工具不夠完善導致的試錯成本

當前面向MBSE的建模及設計軟件和工具仍處于發展完善之中,一些設計工具存在模型運行速度慢、不支持協同建模設計、不支撐復雜系統的全要素動態行為仿真、與其他設計工具交互困難等問題,還需要設計師在試用中反饋問題以促進MBSE設計工具的優化迭代和完善。設計師在試用這些尚未完善的MBSE設計工具時,就會造成額外的試錯成本。

1.3.4 過度應用成本Lo

MBSE作為系統工程最有前途的發展方向之一,往往被寄予厚望,希望被廣泛應用于系統研發的各個方面。然而,大量系統研發的工程實踐表明,在系統研發中應用系統工程并不是越多越好,因為應用系統工程本身也需要付出人力、物力、時間等資源代價。實踐表明,系統工程付出占項目總付出的比例為14%左右時[5],可以獲得收益和代價的最佳平衡。在系統工程上的投入超過14%時,系統研發會因為在MBSE上付出了過多的投入而造成額外的進度拖期和成本超支。

1.3.5 應用MBSE代價的時間遞減性

上述應用MBSE的各類代價,均會隨著MBSE技術的逐漸成熟與日益推廣而逐步降低。在應用初期,需要建立大量模型,對MBSE接觸不多、對MBSE理解不深入、 MBSE設計工具不夠完善、對MBSE應用過度,往往導致各類成本均較高。

在應用中后期,隨著模型庫里的內容逐步豐富,建模技術的不斷成熟和規范化,以及模型可重用特征帶來的模型重復利用率提升,建模成本將會越來越低。當MBSE普及程度比肩TBSE時,MBSE相比于TBSE的學習成本就可以忽略不計,而隨著對MBSE理解的深入和MBSE設計工具的逐步完善,試錯成本也會越來越低。當系統工程師對MBSE持有理性的期望時,其過度應用成本也會降低。

總而言之,應用MBSE的成本和代價主要集中于初級階段。隨著時間的推移,各類代價將呈現穩定下降的趨勢,如圖2所示。

圖2 應用MBSE的代價隨時間逐漸降低

2 應用MBSE效能未及預期原因分析

基于應用MBSE的效能模型,可以解釋為何在許多實際系統研發案例中,應用MBSE并沒有獲得期望的高于TBSE的效能。當得益G小于代價L,致使總效益E<0時,應用MBSE并不能獲得更好的系統研發效果和體驗。

應用MBSE未達到預期效能的典型情況包括:

(1) 選擇了相對簡單的系統應用MBSE,導致相比于TBSE的得益較低。

(2) 所選擇系統面臨的主要風險與挑戰與MBSE所能解決的問題匹配度不高,導致相比于TBSE的得益較低。

(3) 系統可復用的模型較少,需要重新建立大量的模型,導致建模成本較高。

(4) 選擇缺乏MBSE知識背景的設計師開展MBSE的學習和應用,導致學習成本較高。

(5) 選用的MBSE設計工具成熟度較低,導致試錯成本較高。

(6) 對MBSE的效能預期過高,過度應用MBSE導致成本較高。

3 應用MBSE的優化建議

基于應用MBSE的效益分析模型,為了指導系統研發實踐,提高應用MBSE相比于傳統TBSE的效益,提出以下建議。

3.1 最大化得益

(1) 選擇具有合適復雜度的系統應用MBSE

在嘗試對某特定系統應用MBSE之前,首先需要評估TBSE的適用性,根據產品研發的復雜度和成熟度,決定是否應用MBSE。對簡單或成熟類型的系統,當TBSE已經可以很好解決該系統研發所面臨的技術管理等問題,且應用MBSE獲得的得益較少時,建議優先考慮傳統的TBSE。只有當系統復雜度較大,超出TBSE的應用范疇時,應用MBSE才更為必要。

(2) 評估MBSE與所選系統主要矛盾之間的匹配性

當系統研發面臨多專業的溝通協調、數量龐大的需求管理、頻繁的需求變更、數量巨大的文檔及其版本更迭等主要矛盾時,應用MBSE是合適的。而當系統研發中上述問題并不突出(用傳統的TBSE就能很好解決),甚至上述問題并不存在時,應用MBSE得益不高。

3.2 最小化代價

(1) 保證一定的模型重用度

完善模型相關的開發標準,包括模型的描述組件標準、建模語言標準、模型接口標準、模型關聯關系描述標準等,建立一套領域相關性低,能夠實現多學科、多團隊并行開發的建模方法,保證MBSE能較好運用于不同復雜度系統的研發,并降低建模成本。

(2) 保證設計師對MBSE具備一定的掌握程度

首先,已經具備一定系統工程技術能力的骨干需將所學知識進行傳授。其次,應讓更多的員工參與到系統工程的相關培訓和學習當中,加強考核。最后,各部門員工應按計劃保障項目的開展。新員工將重點放在相關工具軟件的學習應用上,老員工則將重點放在工程經驗的傳承上,新老員工一起完成軟件的學習和相關模型的建立,同時保障項目的應用推廣。

(3) 保證MBSE設計工具的基本可用性

加大對MBSE軟件研發的投入,通過自主研發,不斷降低對國外建模工具等的依賴,降低MBSE工具和軟件的使用成本。

(4) 適度應用MBSE

對MBSE的發展熱潮持理性態度,保持對應用MBSE所能帶來得益的合理預期,努力將系統研發中對應用MBSE的投入占系統研發總投入的比重控制在14%左右,以避免過度應用MBSE造成的成本。

(5) 提升企業的整體數字化水平

企業在系統研發中應用MBSE時,其付出的代價受到企業的整體數字化水平影響,包括數字化氛圍、數字基礎設施完備程度等,數字化水平越高,應用MBSE的阻力及代價越小,故需要努力提升企業的整體數字化水平。

3.3 明確試點應用和推廣應用的區別

一般而言,應用MBSE的過程分為試點和推廣兩個階段。如果不加以區分,可能產生錯誤的應用MBSE的預期。

試點階段的主要目標,并不是單純演示和證明應用MBSE相比于TBSE的優勢和先進性,而應充分考察應用MBSE的得益和付出的代價,為后續推廣應用階段提供有參考價值的指導建議。在試點階段,為了便于快速打通MBSE的流程,通常會選取相對成熟和簡單的系統進行應用,并安排新人使用還不夠完善的MBSE設計工具進行嘗試。依據上文分析,此種試點配置往往會導致應用MBSE相比于TBSE的得益較低、代價較高,往往難以形成更好的研發體驗和示范。此時,不能因為試點效果不佳而否定MBSE,因為試點階段的主要目標在于走通流程、仔細考察應用MBSE的得益和代價,以指導后續推廣階段的應用。

在推廣階段,則需要按照得益最大化、代價最小化原則,仔細評估將MBSE應用于某一個特定系統后可能獲得的得益和付出的代價,并竭力提高得益、降低代價。若經過評估和策劃仍不能保證得益超過代價時,選擇傳統TBSE則更為明智。

4 結束語

MBSE作為系統工程最新的發展方向,為解決系統研發所面臨的日益增長的系統復雜度問題帶來了有潛力的解決方案。本文主要針對應用MBSE不及預期的問題進行探究。首先,建立了一種MBSE的效能分析模型,提供了定量評估MBSE在系統研制過程中發揮作用的有效程度的解決方案。模型從得益和代價兩個方面分析了相比于傳統TBSE,MBSE帶來的效能變化。接著,結合模型對應用MBSE不及預期的問題給予了解釋。基于得益最大化和代價最小化原則,提出了MBSE應用于系統研發的優化建議,并對MBSE的試點和推廣提供參考意見。

時至今日,國內MBSE的應用依然處于初級階段,大量相關問題亟待解決。MBSE的未來發展需要大量的基礎理論和方法的研究,并在長期的工程實踐中不斷完善和優化。