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模型驱动下的系统工程:提高工程效率,加快系统研发迭代周期

2021-09-10 16:48:01中国商报网 收藏0 评论0 字数3,292 分享

1978年,钱学森在《文汇报》上发表《组织管理的技术——系统工程》,指出“系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法,是一种对所有系统都具有普遍意义的方法”。

随着研究的系统越来越复杂,传统的系统工程的局限性逐渐被暴露,本文对比传统的系统工程方法,分析了基于模型的系统工程(MBSE)在系统形式化描述方面的优势及发展期望,提出应用MBSE指导信息物理系统的构建将是系统工程发展的新思路。

西方在总结大型系统建造过程中形成的工程实践经验的基础上,形成了一套规范的工程建造组织管理方法,称作系统工程(system engineering)。

钱学森将系统工程思想引入中国,并结合在中国的工程实践,形成了具有中国特色的系统工程思想,指导了航天乃至中国各行业的发展。

随着模型驱动的系统开发方法的兴起,人们将模型驱动与系统工程相结合,提出了基于模型的系统工程方法(model based system engineering,MBSE)。

从系统工程到MBSE

工程、技术与科学

工程中要运用技术手段与科学知识,技术为科学发现提供了工具支持,而科学又会促进技术的更新换代。

关于工程、技术和科学的关系,钱学森有独到的见解。

如钱学森把系统科学分为4个层次——工程技术、技术科学、基础科学以及哲学指导。

工程技术是人们直接改造客观世界的技术,即系统工程;技术科学是为系统工程提供理论方法的科学,包括运筹学、控制论、信息论等;基础科学是揭示系统客观规律的科学,称作系统学;而哲学指导是马克思主义系统论。

MBSE是系统工程方法的一种,属于工程技术的范畴。

西方经典系统工程思想

国际系统工程协会(INCOSE)的系统工程手册中指出,系统工程研究的目标和范围是人造系统(man-made systems)。

系统工程的实质是使能技术、总体技术,其价值在于规划并指导了系统的构建过程,但它不是系统实现所依托的具体技术。

NASA系统工程手册中将这些过程分为技术过程和技术管理过程,INCOSE系统工程手册中还包括协议过程和组织的项目使能过程。

技术过程构成了系统的生命周期阶段模型,即经典的V模型,而V模型中的阶段定义又来源于著名的霍尔系统工程三维结构。

霍尔系统工程三维结构

霍尔三维结构在时间维上采用还原分解的思路,逻辑维上对每一阶段采用结构化的系统分析的思路,知识维则明确了系统工程是一种普适的方法论。

钱学森系统工程思想

钱学森结合中国的工程实践经验,对西方的系统工程思想进行了扩展,主要体现在以下3点:

1)提出了包含工程系统工程(对应于西方的系统工程理论)、信息系统工程、军事系统工程、经济系统工程、环境系统工程、社会系统工程等在内的14个系统工程方向。

2)提出了总体设计部思想。强调构建的系统需要放到它从属的更大系统层面去协调,各分系统需要放到整个系统层面去协调。

3)提出了从定性到定量综合集成方法,这可视为MBSE思想的萌芽。该方法主要是针对非线性的复杂大系统提出的系统工程方法,当定量分解已无法描述系统时,需要专家的定性经验判断与建模仿真的定量评估相结合来开展系统研究。

综合集成方法用于决策支持问题研究

模型工程(Model Engineering, ME),是以模型从构建、评估、使用到维护的全生命周期为对象,以最小的代价保证模型全生命周期可信和高质量的系统化、标准化、可量化的方法论体系,包括理论、方法、技术、标准及工具,包括模型全生命周期中的数据、知识、行为、过程、人/组织等的分析、管理和优化。

2016年美国国家基金委(NSF)等部门发布研究报告,将模型工程列为复杂工程系统建模仿真的方向之一。模型工程是针对建模仿真(Modeling and Simulation, M&S)领域对模型的需求而提出的,但对其他需要构建和使用模型的领域也具有借鉴意义。

关键技术

1、通用技术

模型工程通用技术分为模型全生命周期过程建模及模型全生命周期管理两个方面。模型全生命周期建模指的是建立模型全生命周期中各阶段活动的结构框架模型,揭示每个生命周期阶段所需要的关键要素、关键数据、关键步骤以及对应的管理要求,可以作为模型构建及模型评估的重要参考。

2、模型构建技术

(1)模型需求获取和管理

准确的需求分析是构建可信模型的第一步,需求获取和管理技术是模型工程中重要环节,需求获取的目标是提取、描述、解析和验证用户需求,需求管理是将用户的需求与模型实现进行动态关联,将用户需求指标按照系统层级逐步分解,实现需求变动与模型参数的快速追踪。

(2)模型定义和建模语言

模型定义过程是对模型特点的概括描述,包括对模型实现层面更加细节的定义,系统的组织架构、组件模型的功能描述、组件模型的输入输出、组件模型交互规则等。对模型的定义及构建需要为工程师设计一种统一的高级建模语言,能够同时兼顾对系统架构的描述以及模型内部行为状态的表达。模型工程目前支持一体化复杂系统建模仿真语言——X语言,贯通从模型需求分析至仿真执行的全部过程,可更好地支持MBSE。

(3)过程管理建模

模型工程从两个方面保障模型可信,一个方面是针对模型事后的VV&A,用于检验模型是否可信,另一个方面是针对建模过程中的规范管理,解决如何才能构建一个可信模型的问题,通过对模型构建过程建模,设计不同阶段的管理标准,确保模型构建过程的规范性。

3、模型管理技术

(1)模型库

搭建一个可扩展的模型库是实践模型工程的核心。实现对大量异构模型的存储维护,模型库需解决对模型的统一描述、模型的分类、识别多学科模型的关键特征、针对需求高效检索识别可用模型等问题。不同于一般的数据库,模型库需要存储模型的实例以及模型关系知识网络等。

(2)模型演化

模型演化是模型工程提出的一个重要概念。模型将进行不断的调整和修改,包括元模型中参数、状态、功能以及领域知识中的约束和规则等,称为模型的演化。由于系统本身的复杂性,在演化过程中各种关系的变化复杂,需要对模型元素及其关系进行全面地跟踪和管理,以确保模型演化的正确性。

(3)模型重配置

根据需求的多样性及由于内部及环境的不确定性而引起的对模型功能机性能要求的变化,需要快速地对模型进行重构或配置。模型重构是在不改变模型主要外部功能的情况下,对其内部结构进行调整,完成模型的性能进一步优化,便于理解、维护和移植。。

(4)模型即服务

借鉴云计算共享模式思想,异构模型及其执行引擎可以进行统一的集成封装,进而通过云平台作为服务进行分享。模型及其仿真引擎经过服务化封装,便于部署和执行、维护。

(5)模型组合

主要研究如何利用已有的模型组件,根据系统需求,正确地组合成复杂的模型,内容包括模型组件的标准化封装、模型智能匹配、模型关系管理、模型动态组合、模型一致性验证、模型服务化等。

4、模型分析及评价技术

(1) 模型VV&A技术

分别是模型VV&A定性分析方法、定量分析方法与综合分析方法。模型工程是为了提出一种可量化的规范化的复杂系统模型可信评估技术框架。

(2)模型工程全过程评价技术

针对模型构建过程进行精细化、标准化管理是保障模型可信的重要方面,包括模型工程过程管理、模型工程质量管理、模型配置管理等内容。从实施、过程、质量等方面对模型全生命周期各项活动进行管理和控制。对模型构建过程不同阶段设定具体指标,采用专家经验打分、量化考核以及历史评分等对实施过程进行评价,结合模型VV&A技术,而给出模型可信度的最终评价。

(3)模型成熟度定义及评估技术

模型成熟度是模型工程提出的一个重要理念,对于模型组合、共享、重用以及可信评估具有重要参考价值。模型工程借鉴软件工程中软件成熟度的评级标准,设计了对模型成熟度进行评级的指导标准。

5、支撑技术

模型工程的实施需要一个集成化的支撑环境及相应的软件工具,以支持开展模型工程各类活动,如网络化协同工作、需求管理、过程模型构建与维护、模型库管理、定性及定量分析与评估、数据集成、知识管理、模型验证与仿真实验等等。可以应用于制造行业、经济金融、社会管理、军事领域、人工智能、工业互联网等领域。

责任编辑:辛文