MBSE是现代系统工程的最新发展。曾经的产品设计师利用图板做产品设计。CAD软件的出现，让工程师们甩掉了图板和图纸，其间的效益大家都理解。系统工程师们当前的境遇与以前的产品工程师相似，利用文档做系统论证与设计。MBSE的出现类似于CAD的出现，改用软件进行系统设计与论证。这种设计模式带来的效益将不亚于CAD带给产品设计师的效益。如图1所示。

图1  基于MBSE的复杂系统设计

问题的提出

现代工程系统伴随着技术精细化与管理思想的发展，复杂性迅速增长。其软件密集的特性越来越突出，单位成本急剧增加，研发组织中几乎没有人或单个团队能够理解整个系统。而且，与其相关的运转支撑环境也越来越复杂。这些特点都对复杂产品和系统设计带来了新问题，具体表现如下：

1）高端复杂产品的研发面临严峻的挑战

高端制造业复杂产品及其运转系统已从分立式演变为高度综合式，其复杂性带来开发周期和成本的增加。复杂产品系统的研发需要考虑众多因素，如：产品系统本身、产品系统交付客户后的使用运行环境等。以空客380为例，由于体量的变化，相关的运转支撑环境需要发生相应变化。运送餐食的车辆、产品检修、运送行李等地面设备都需要做相应调整，同时廊桥也需要根据380而重新设计。同样，就战斗机的作战活动来说，也不再是战斗机单一机种的事情，可能需要预警机进行空中指挥预警，由于航程因素需要空中加油机提前到指定空域会合，电子战飞机事先进行电子压制，然后才是战斗机执行战斗任务。在最危险的前线还需要无人机执行任务。

2）系统设计中的庞大信息与数据难以管理

现代工程系统在整体复杂度上有了明显增加，系统设计过程产生的庞大信息与数据开始变得难以管理和维护。而传统的系统工程方法采用文档作为基线来组织系统工程活动，在现代系统工程中会生成各个方面和层面的大量文档，由此引发许多困难：

• 众多信息分散于各个文档，难以保证完整性与一致性；
• 传统工程说明文档对于复杂的、动态交互性强的活动难以描述，表达力不足。有时会产生歧义，导致工程人员交流时的误解；
• 工程细节难以维护与跟进，某处文档内容更改后，与该文档相关的文档都需要相应更改。工作量大，维护困难。

3）系统设计开始前未能全面了解需求

过去的工业品设计过程中，在需求和系统方面花的时间往往很少，而把大部分时间花在做各种仿真和试验上。需求没有分析清楚，工程师就开始进入设计过程。一个实际工作中最典型的问题是：某产品可能一共存在15种场景，结果工程师只是对其中8种场景进行过分析。设计到最后发现还有很多场景没有考虑到，只能重新来过。因此，错误的需求和系统设计，往往会造成南辕北辙的严重后果，浪费大量的人力物力。

4）缺乏准确（无歧义）描述目标的手段

通常，在产品开发的各个阶段，几乎所有人都只是从自己的视角去描绘了一个目标。因此，在各阶段转换的过程中存在信息断层。例如，从需求转化到产品功能定义，往往没有明确统一的交付物，各个阶段各个学科应用的工具、模型、描述方式均不相同，无法互通数据。而这些描述性文档，往往会由于阅读者专业背景的限制，造成理解偏差。如何通过构建统一明确的模型，来减少各个学科和阶段的信息交互偏差，是现代工程系统开发必须要解决的关键问题之一。

5）早期验证发现问题不到位

在复杂产品的设计中，如果能早期就对系统进行验证，及时发现错误并予以纠正，可节约大量纠错成本，有效提高产品质量并缩短产品开发周期。但由于缺少早期验证手段，使得现在在复杂系统设计过程中发现问题的时间很晚。

问题解决思路

基于MBSE方法建立系统开发体系是一条比较成熟的路线。通过进行需求定义、功能分解、系统综合及系统仿真，对系统问题进行全面表达，将顶层系统问题逐层分解成可被硬件、软件解决的各个子问题，将子问题的解决方案逐层集成整合到系统中以解决顶层系统问题，从而构建出一个基于模型的产品研制环境。

• 采用系统工程方法——从上到下进行定义与分解，再从下到上进行集成与整合验证，以应对复杂系统与体系的设计；
• 引入MBSE中的“模型”，实现对象模型化，从而保证从上到下定义分解过程保持最本源共识；
• 系统的表达由“以文档为中心”转变为“以模型为中心”，基于统一建模语言的一系列系统模型成为全生命期各阶段产品表达的“集线器”，可以被各学科、各角色研发人员和计算机所识别，为研发组织内的高效沟通和协同奠定了基础；
• 通过需求模型、结构模型和行为模型解决目标共识的问题；
• 为了保证需求定义、功能分解、系统综合与整合验证过程不失真，从系统开发早期开始，就从多个维度和多个层级进行全过程系统的仿真验证。

建设方案

根据建设思路，可以采用成熟的需求管理、系统设计和系统仿真等工具作为系统开发体系的信息化支撑平台，同时系统开发体系还应包括系统工程方法论、软件应用模式、更佳实践和模型库。

系统设计工具通过标准建模语言SysML构建需求模型、功能模型和架构模型。通过需求管理工具实现需求管理，系统设计工具实现功能到架构的分解和分配，通过模型的执行，实现系统需求和功能逻辑的验证和确认，并采用系统仿真工具实现系统联合仿真。

• 根据使用需求、运行方案等，识别需求和验证策略，给出结构化的需求体系。建立追踪体系，输出需求规范和用例模型；
• 分析系统静态结构和动态活动，完成需求和功能逻辑的验证和确认，输出系统功能模型；
• 选择更优架构，基于模型开展功能分解和分配，识别系统内外接口。通过模型的执行，实现系统需求和功能逻辑的验证和确认；
• 利用系统仿真工具进行系统及体系的统一建模与联合仿真，实现功能（性能）样机的协同。

基于模型的系统工程（MBSE）的流程

设计工具

根据系统开发整体业务框架，基于模型的设计工具主要由以下几个方面的能力构成：

• 完成需求图、结构图和行为图的SysML建模，可与需求管理工具无缝集成；
• 一种可视化编程环境，具有完整的、可定制的代码自动生成能力；
• 统一的设计和开发环境，可进行系统调试和验证，是可扩展的体系结构；
• 系统建模与仿真，在设计初期考虑系统功能的影响，对各个功能子系统进行多方案评估。

预期效果

MBSE引入特定的建模语言与工具、建模规范与流程，以模型为基线来组织系统工程活动。工程中所有相关人员如利益方、设计方、实践方、验收方等，都能够着眼于公共认同的系统模型，需求定义、结构分析、功能分析、性能分析、仿真验证等活动全部围绕着系统模型进行。不断利用该模型来指导工程，也不断通过工程实践的反馈，来维护更新模型，以使模型与工程并行前进。

基于MBSE的系统开发体系有助于理解、组织、管理复杂产品开发，贯穿于产品生命周期的各个阶段，从早期需求，到确定产品的功能，再到建立技术架构，完整考虑产品开发相关技术和业务的各方面因素，譬如性能、成本、采购、制造等。

基于MBSE体系解决的问题涵盖多种领域、多个学科，并提供产品在各层次和各方面的定义。MBSE能带来以下好处：

• MBSE的表达能力强大，能够做到信息与知识表达的无歧义性；
• 模型是一个可以传承知识和成果的载体，是持续积累进而功力增强的基础；
• 建立的系统模型具备一致性与完整性。系统模型涵盖工程全生命周期，包括需求、设计、分析、验证与确认过程，所有层级之间可贯穿、可追溯；
• 提供一个科学严谨的系统描述方式和直观的系统表达，有助于驾驭一个大而复杂的系统和体系，可大幅度提升大型复杂系统的功能和性能；
• 提供多视角、多剖面进行系统的审视，有助于在设计初期进行验证确认，降低风险与设计修改成本；
• 系统仿真使得仿真技术的应用从单学科、零组件级向多学科、系统级乃至体系级进化，真正实现对研发早期阶段和系统工程全过程的支持，实现客户需求在复杂产品系统全生命期各阶段的分析、定义、追踪和验证；
• 有助于大团队协作。大战役需要多人多团队共同参与，基于一个统一模型来对话，可降低协同工作难度。