節(jié)選自《「基于模型的系統(tǒng)工程」的發(fā)展歷程》，因篇幅有限，完整報(bào)告文末領(lǐng)取。

當(dāng)下，人們熱衷于討論基于計(jì)算機(jī)的建模、模型、數(shù)據(jù)庫(kù)和敏捷設(shè)計(jì)方法。然而，很少有人會(huì)耐心地審視和理解大量的技術(shù)創(chuàng)新，這些技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)明是我們當(dāng)下發(fā)展MBSE 技術(shù)的重要基石。從近幾十年 MBSE 相關(guān)技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，現(xiàn)在的 MBSE 方法是「站在巨人的肩膀上」所提出的技術(shù)創(chuàng)新。如圖1所示，MBSE 發(fā)展分為五個(gè)階段，在下文中將進(jìn)行一一介紹。

MBSE孕育期

MBSE 可以理解為一種工程模型，在 MBSE 啟蒙期前，也曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)各類工程模型，這段時(shí)間我們定義為 MBSE 孕育期，如圖2所示。被認(rèn)為最早的具備工程特性的模型出自迦勒底的一個(gè)叫哥弟的工程師之手。

他在公元 4000 年前，在一個(gè)石板上畫(huà)出了一個(gè)要塞的圖形，這個(gè)石板現(xiàn)存于巴黎的盧浮宮。從石板上可以很清晰地看出它所表達(dá)的含義，木頭、蓬草、石頭等。公元前 5 世紀(jì)，希臘數(shù)學(xué)家阿基米德、畢達(dá)哥拉斯和歐幾里得創(chuàng)建幾何學(xué)。希臘建筑師堅(jiān)持對(duì)幾何學(xué)的研究，并于公元前 4 世紀(jì)，將幾何應(yīng)用于帕臺(tái)農(nóng)神廟的建立。

在公元前的最后幾個(gè)世紀(jì)，羅馬建筑師馬庫(kù)斯·維特魯威發(fā)表題為《建筑學(xué)》的十卷論文，直到 19 世紀(jì)，這份著作都起到了十分重要的作用。公元 1100 年，宋代李誡創(chuàng)作了建筑學(xué)著作《營(yíng)造法式》，該書(shū)成為北宋官方頒布的一部建筑設(shè)計(jì)、施工的規(guī)范書(shū)。

在 18 世紀(jì)，法國(guó)數(shù)學(xué)家、設(shè)計(jì)師 Gaspard Monge 提出了采用幾何技術(shù)解決工程設(shè)計(jì)問(wèn)題的思想。法國(guó)政府對(duì)他的貢獻(xiàn)十分認(rèn)可，并將其思想和相關(guān)資料秘密保存了將近 20 年。最終到 1795 年，他才被允許在大學(xué)中建立了工程師的培訓(xùn)體系，將他的思想向普通工程師推廣。

18 世紀(jì)初葉，美國(guó)國(guó)家國(guó)防教育機(jī)構(gòu)建立了圖形化研究中心，Christian Zoeller 在 1807 年開(kāi)設(shè)了首批繪圖課程。在1926 年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究所、美國(guó)工程教育協(xié)會(huì)、美國(guó)機(jī)械工程協(xié)會(huì)提出了建立機(jī)械制圖規(guī)范草本。在 MBSE 孕育期，科學(xué)家關(guān)注的工程模型偏向于幾何模型，目的也是基于幾何技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)于工程問(wèn)題的解決。

MBSE啟蒙期：20世紀(jì)60年代

直到 20 世紀(jì) 60 年代，MBSE 技術(shù)進(jìn)入啟蒙期。這段時(shí)間對(duì)商業(yè)及工業(yè)計(jì)算領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，是最富有成效的十年。作者對(duì)這么早的時(shí)候提出、被人們接受、并進(jìn)行大量實(shí)踐，感到十分驚訝。因?yàn)?#xff0c;在這段時(shí)期，大型計(jì)算機(jī)還被認(rèn)為是一種新興技術(shù)，沒(méi)有多少人能真正了解其全部潛力。隨著不斷提出新理論、硬件和軟件，大型機(jī)被廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)，具體案例如下：

• 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

• 早期用戶參與被認(rèn)為是關(guān)鍵的成功因素

• 功能分解和定義模塊化的規(guī)則

• 定義早期的形式化方法

• 首次提出軟件生命周期

**數(shù)據(jù)庫(kù)。**MBSE 生命周期的橫軸向集成及管理，在很大程度上依賴于信息存儲(chǔ)技術(shù)，而近些年信息存儲(chǔ)技術(shù)的成功又歸功于最早期數(shù)據(jù)庫(kù)的成熟。隨著硬件性能的不斷提升，早期的計(jì)算機(jī)科學(xué)家開(kāi)始研究軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的人因要素。當(dāng)新一代編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出來(lái)時(shí)，人類程序員不再需要像機(jī)器一樣思考，他們可以更加專注于編寫(xiě)代碼的過(guò)程。

這真是一幅因?yàn)樘鎸?shí)而讓人感到滑稽的諷刺畫(huà)：管理者離開(kāi)滿是忙碌程序員的房間說(shuō)道：「開(kāi)始編程吧，我去看看我們的客戶想要什么。」它表現(xiàn)了當(dāng)時(shí)技術(shù)界普遍存在的傲慢，并不是所有人認(rèn)為早期用戶參與軟件項(xiàng)目是項(xiàng)目成功的關(guān)鍵因素。

**形式化方法。**在新興的 IT 行業(yè)中，程序員團(tuán)隊(duì)如何一起工作和相互溝通是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。結(jié)構(gòu)化編程和對(duì)形式化方法的研究始于這個(gè)階段，這對(duì) MBSE 的發(fā)展至關(guān)重要。

常遭人詬病的軟件開(kāi)發(fā)生命周期瀑布模型也出現(xiàn)在這個(gè)時(shí)候，這個(gè)新概念消除了人們認(rèn)為軟件開(kāi)發(fā)是隨之任之的藝術(shù)形式的錯(cuò)覺(jué)，并為后續(xù)的系統(tǒng)及軟件生命周期研究提供了一個(gè)基礎(chǔ)參考模型。北約科學(xué)委員會(huì)（NATO Science Committee）于1968 年和 1969 年召開(kāi)了兩次具有里程碑意義的會(huì)議，推動(dòng)了這一勢(shì)頭的發(fā)展。

**模塊化。**物理系統(tǒng)的模塊化為大規(guī)模生產(chǎn)帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，同時(shí)促進(jìn)了工業(yè)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。它將系統(tǒng)分解為具有明確定義和接口的單元并通過(guò)它們的交互來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。在 David Parnas（1972）的研究中，首次提出將模塊化應(yīng)用于軟件的設(shè)計(jì)模式。同時(shí)，Stevens，Myers 和 Constantine（1974）提出了更加便捷的系統(tǒng)分解方法。

**康威定律。**Melvin Conway 在 1968 年發(fā)表了他的假設(shè)（Conway 1968）:

Any organization that designs a system will inevitably produce a design whosestructure is a copy of the organization’s communication structure.

系統(tǒng)認(rèn)知和項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建對(duì)系統(tǒng)研發(fā)所帶來(lái)的效果從古至今是一樣的。如果項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在定義工作模塊之前就已經(jīng)創(chuàng)建了，那么產(chǎn)品系統(tǒng)的主要組件數(shù)量和特性將根據(jù)組織結(jié)構(gòu)來(lái)定義（例如，系統(tǒng)的三個(gè)分包商建議用一個(gè)系統(tǒng)分解為三個(gè)主要系統(tǒng)組件或工作包）。這樣的組織并不一定是壞事，但是它表明模塊化定義的規(guī)則并沒(méi)有推動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能組件的分解，從而導(dǎo)致模塊化定義要次優(yōu)于生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)。

MBSE上升期：20世紀(jì)70年代

在 20 世紀(jì) 70 年代，計(jì)算機(jī)的體積隨著計(jì)算能力的提高而減小。對(duì)于這個(gè)仍處于起步階段的新興行業(yè)，技術(shù)人員渴望找到提高工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量的方法，以及更加優(yōu)秀的計(jì)算機(jī)技術(shù)和方法。在這十年里，我們首次認(rèn)識(shí)到在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，人和時(shí)間不是可互換的資源。這一時(shí)期的技術(shù)包括：

• CASE/計(jì)算機(jī)輔助軟件工程（從需求工程開(kāi)始）

• 結(jié)構(gòu)化方法 (Dahl, Dijkstra and & Hoare 1972)

• 面向?qū)ο蠓椒?(Dahl, Myhrhaug and Nygaard 1970) 迭代和進(jìn)化的生命周期

• 程序規(guī)格復(fù)核和檢查

• 成熟度網(wǎng)格

CASE。當(dāng)計(jì)算機(jī)被應(yīng)用于工業(yè)創(chuàng)新時(shí)，計(jì)算機(jī)精英也在尋找將它應(yīng)用于軟件開(kāi)發(fā)的方法。CASE 工具提出一種可以擺脫單調(diào)乏味和容易出錯(cuò)的編碼工作方式。DanTeichroew 和 E.A.Hershey 創(chuàng)建的 PSL/PSA（問(wèn)題陳述語(yǔ)言 / 問(wèn)題陳述分析器），是一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，用于維護(hù)系統(tǒng)需求，并描述它們與后續(xù)設(shè)計(jì)和研發(fā)文檔的關(guān)系。這套系統(tǒng)通常被認(rèn)為是最早的 CASE 工具之一。

他們提出的目標(biāo)很明確：「引入軟件開(kāi)發(fā)支持基礎(chǔ)設(shè)計(jì)框架，以中央計(jì)算機(jī)化數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，提供一套完整的設(shè)計(jì)工具」。在這一階段，這些系統(tǒng)主要服務(wù)于文檔管理工作。但由于其功能逐漸完善，許多研究和開(kāi)發(fā)工作都在朝著根據(jù)特定計(jì)算環(huán)境的功能要求來(lái)設(shè)計(jì)可執(zhí)行軟件的最終目標(biāo)邁進(jìn)。

隨之而來(lái)的是更多復(fù)雜的工具，但這些模型定義及用他們替換代碼花費(fèi)了數(shù)年的時(shí)間。CASE 工具是 MBSE 的祖先，他們的發(fā)明人和倡導(dǎo)人提出利用術(shù)語(yǔ)及規(guī)范來(lái)定義所需模型在其軟件中解決實(shí)際問(wèn)題的愿景和總體目標(biāo)。

他們通過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式來(lái)促進(jìn)溝通和資源協(xié)調(diào)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，目前領(lǐng)域研發(fā)軟件之間互操作性所帶來(lái)的集成問(wèn)題有很大的技術(shù)限制。然而，功能建模和自動(dòng)代碼生成技術(shù)推動(dòng)了 CASE 工具的普及，這些方法構(gòu)成了現(xiàn)代 MBSE 的基礎(chǔ)，這套技術(shù)的兩位主要貢獻(xiàn)者是 Wayne Wymore 和 MackAlford 。

前者提出了數(shù)學(xué)系統(tǒng)理論，支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程，該理論稱為T(mén)ricotyledon 理論。Tricotyledon 理論基于集合論提出一種描述系統(tǒng)及需求的語(yǔ)言。用該語(yǔ)言可以建立狀態(tài)機(jī)節(jié)點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型，以描述需求與需求之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。后者發(fā)明了 R-Nets 對(duì)系統(tǒng)中的信息流進(jìn)行建模，支持完整性和一致性的自動(dòng)化檢查，以及需求文檔的自動(dòng)生成。同時(shí)，解釋性結(jié)構(gòu)模型被提出來(lái)提供系統(tǒng)圖論的迭代應(yīng)用，用于描述元素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系的文本式表達(dá)。

**面向?qū)ο蠓椒ā?*該方法提供了現(xiàn)實(shí)世界映射到軟件虛擬世界的落地方法。同時(shí)，科學(xué)家在軟件開(kāi)發(fā)生命周期中提出了關(guān)于迭代開(kāi)發(fā)流程的訴求。在 2009 年，很多研究人員認(rèn)為系統(tǒng)工程的成功與否與能否應(yīng)用這些實(shí)踐有關(guān)。

**工程評(píng)審方法。**通過(guò)引入同行評(píng)審的方法，防止個(gè)人做出錯(cuò)誤判斷并提升交付產(chǎn)品質(zhì)量。Cosby 的質(zhì)量成熟度網(wǎng)格包含不確定性、覺(jué)醒、啟蒙、智慧和確定性這 5個(gè)階段，是隨后的成熟度模型的先驅(qū)。所有這些研究都有助于實(shí)現(xiàn)在 MBSE 的全生命周期里的無(wú)縫溝通。

MBSE發(fā)展期：1980–2010

在 80 年代初期，海外研究人員發(fā)現(xiàn)能一勞永逸地解決所有軟件工程問(wèn)題的方法是不存在的。許多技術(shù)創(chuàng)新仍在不停支持工業(yè)軟件解決工業(yè)問(wèn)題的技術(shù)革新。幾個(gè)MBSE 的典型技術(shù)在這個(gè)階段被提出，因此我們稱這個(gè)階段為發(fā)展期。其中有幾個(gè)亮點(diǎn)技術(shù)，值得一提：

• 統(tǒng)一建模語(yǔ)言（OMG）于1997年結(jié)束了面向?qū)ο蠓椒?zhēng)論

• 軟件重用

• 配置管理

• CMM和CMMI（SEI）

• 架構(gòu)

• 敏捷方法

**UML。**在20世紀(jì)80年代末和90年代活躍于軟件開(kāi)發(fā)行業(yè)的人都記得面向?qū)ο蠓椒ǖ臓?zhēng)論，因?yàn)槊總€(gè)領(lǐng)域牽頭人都嘗試引入他們自己特殊的建模符號(hào)：云型與矩形等等。在對(duì)象管理組織（OMG）的努力下，建立了一套統(tǒng)一建模符號(hào)，即UML，于1997年問(wèn)世。

UML嵌入了狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖表規(guī)范。這種規(guī)范擁有自己的交互式圖形輸入、仿真工具和代碼生成工具。這種「狀態(tài)機(jī)」在CASE工具的研發(fā)中，取得了一個(gè)重大進(jìn)步，因?yàn)樗鼘?duì)于精度和符號(hào)語(yǔ)義的關(guān)注，可以為不同的領(lǐng)域概念，提供不同的圖形化符號(hào)與分層式模型結(jié)構(gòu)。這些新特性很好地支持紙張、屏幕和對(duì)模型大小的認(rèn)知限制等問(wèn)題（語(yǔ)義相關(guān)概念將在下一章 SysML2.0 與KARMA語(yǔ)言章節(jié)介紹）。

**SysML1. X及其他建模語(yǔ)言。**INCOSE在與OMG的合作中發(fā)揮了重要作用，將系統(tǒng)特定的元素引入建模語(yǔ)言，從而產(chǎn)生了SysML。在MBSE的領(lǐng)域中，人們已經(jīng)將經(jīng)常使用的SysML建模語(yǔ)言集成至MBSE工具，類似建模語(yǔ)言還有OPM，BPMN，EAST/ADL，UPDM等，各類語(yǔ)言在各自領(lǐng)域承擔(dān)了統(tǒng)一符號(hào)化表達(dá)的重任。

**重用。**面向?qū)ο蠹夹g(shù)的支持者經(jīng)常依靠軟件或代碼重用控制軟件生命周期成本。如今，在MBSE環(huán)境中也有類似模型重用的概念，重用技術(shù)高度依賴于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、檢索和版本控制的相關(guān)要素，而且在開(kāi)發(fā)管理方面還需要研發(fā)人員遵循于良好的設(shè)計(jì)規(guī)范。

模式（Patterns）是一種從面向?qū)ο笊鐓^(qū)中產(chǎn)生的軟件工程問(wèn)題解決域。模式在許多學(xué)科被廣泛應(yīng)用，最著名的是Alexander在城市規(guī)劃和建筑方面的工作，其實(shí)現(xiàn)了代碼生成中的主動(dòng)重用和「最佳10實(shí)踐」。

**配置管理。**如前所述，MBSE的生命周期應(yīng)用高度依賴于控制基線和修訂控制系統(tǒng)。

**質(zhì)量。**軟件質(zhì)量一直是業(yè)界關(guān)注的首要問(wèn)題。能力成熟度模型（CMM）最早發(fā)表于1993年。INCOSE曾提出倡議，將系統(tǒng)工程的關(guān)鍵過(guò)程和活動(dòng)納入一個(gè)集成的CMMI。MBSE要求這些模型進(jìn)一步成熟，以定義維護(hù)生命周期模型的橫向及縱向規(guī)劃。

**架構(gòu)。**架構(gòu)的早期定義集中于領(lǐng)域分析、產(chǎn)品線和戰(zhàn)略管理等領(lǐng)域。Leveson的工作表明，安全（人和自然環(huán)境）等因素必須包含在早期的系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)過(guò)程中，這就需要在架構(gòu)設(shè)計(jì)中盡力考慮所有利益相關(guān)方的關(guān)注點(diǎn)及對(duì)應(yīng)視角。

**相關(guān)工程方法。**關(guān)于工程方法的討論很多，涵蓋了原型設(shè)計(jì)、敏捷設(shè)計(jì)和精益工程等不同主題，它們都表明MBSE落地依賴于規(guī)范和工程實(shí)現(xiàn)之間存在的緊密聯(lián)系。其中，形式化方法的眾多支持者更加關(guān)注模型的價(jià)值。

在軟件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的研發(fā)人員也面臨類似的挑戰(zhàn)——他們研究的重點(diǎn)是在集成建模環(huán)境中，研究基于模型的一體化開(kāi)發(fā)（數(shù)據(jù)集成、模型集成等類似概念），即是否可以一種模型包打天下（這部分的難點(diǎn)將在下節(jié)中介紹）。圖3中描述了過(guò)去50年中取得的研究進(jìn)展。

他們追求的目標(biāo)是使用更高的抽象層次將軟件開(kāi)發(fā)重用率提升到最高，使模型不再是方法論的一部分，而是代表一種支持完整軟件生命周期的范式，并使軟件開(kāi)發(fā)人員更加接近用戶領(lǐng)域（參見(jiàn)DCI）。對(duì)MBSE來(lái)說(shuō)，類似的觀點(diǎn)可能是我們最終是否能夠用具體的產(chǎn)品和其他系統(tǒng)元素來(lái)代替「代碼」。

正如圖3中所示，在早期研發(fā)過(guò)程中，采用純代碼及文檔配合的研發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)基于文檔的研發(fā)過(guò)程。隨著建模技術(shù)被初步應(yīng)用于軟件及系統(tǒng)研發(fā)，工程師采用以文檔為中心的研發(fā)模式，使文檔、模型及代碼有機(jī)配合，提高研發(fā)效率。在這期間，部分代碼進(jìn)行模型化表達(dá)，實(shí)現(xiàn)代碼即是模型。

隨后，建模技術(shù)的不斷發(fā)展促使研發(fā)方法從文檔為中心向模型增強(qiáng)方法轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)構(gòu)建一定抽象能力的模型并實(shí)現(xiàn)模型與代碼的雙向同步。在這種設(shè)計(jì)方法中，文檔的應(yīng)用將逐步弱化。

當(dāng)使用以模型為中心的研發(fā)方法時(shí)，采用建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)研發(fā)過(guò)程中的代碼及方案的自動(dòng)化生成，實(shí)現(xiàn)模型即為代碼和方案，這個(gè)階段文檔將逐步地被模型取代。最終，實(shí)現(xiàn)基于模型的系統(tǒng)工程的研發(fā)方法，實(shí)現(xiàn)工程師構(gòu)建模型即自動(dòng)生成代碼及方案，到這個(gè)階段，設(shè)計(jì)人員就不需要關(guān)注代碼了。

2010 年以后，迎來(lái)了 MBSE 的調(diào)整及復(fù)蘇期。本章節(jié)，將從 INCOSE 國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)角度，介紹這一時(shí)期所提出的 MBSE 相關(guān)概念。MBSE 利用統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、形式化及圖形化模型實(shí)現(xiàn)從概念定義、方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證到工程實(shí)施的產(chǎn)品研發(fā)周期全過(guò)程管理，其核心是建立起以模型為中心的系統(tǒng)工程管理體系。

國(guó)際系統(tǒng)工程協(xié)會(huì)（INCOSE）于 2007 年發(fā)布的《SE 愿景 2020》中，對(duì)基于模型系統(tǒng)工程提出定義：

「MBSE is the formalized application of modeling to support systemrequirements, design, analysis, verification and validation activitiesbeginning in the conceptual design phase and continuing throughoutdevelopment and later life cycle phases」（對(duì)建模的形式化應(yīng)用，用來(lái)支持系統(tǒng)的需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)活動(dòng)，這些活動(dòng)開(kāi)始于概念設(shè)計(jì)階段并持續(xù)到整個(gè)開(kāi)發(fā)及以后的生命期階段。）

自從 2007 年初，INCOSE 面向工業(yè)界及學(xué)術(shù)界發(fā)起MBSE 倡議開(kāi)始，此定義逐漸被業(yè)界普遍接受為 MBSE 標(biāo)準(zhǔn)定義。針對(duì)此定義，《SE 愿景 2020》中有如下解釋：以模型為中心的產(chǎn)品研發(fā)方法被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子和軟件等工程領(lǐng)域，并將取代原來(lái)系統(tǒng)工程所提倡的以文檔為中心的設(shè)計(jì)方法，而 MBSE 正是向以模型為中心的產(chǎn)品研發(fā)方法轉(zhuǎn)變的重要一環(huán)。

INCOSE 英國(guó)分會(huì)在 2012 年發(fā)布的系統(tǒng)工程系列「MBSE 是什么」技術(shù)報(bào)告的第一版中除引用 INCOSE 標(biāo)準(zhǔn)定義外，對(duì)MBSE 定義有如下解釋：MBSE 使用建模方法分析和記錄系統(tǒng)工程生命周期的關(guān)鍵要素，它有著極強(qiáng)的適用范圍，橫跨整個(gè)系統(tǒng)生命周期，縱跨體系、系統(tǒng)及單一組件；

在2015 年發(fā)布的第二版引用《系統(tǒng)工程中的 SysML》一書(shū)中的定義：MBSE 是由邏輯連貫一致的多視角系統(tǒng)模型驅(qū)動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)研發(fā)成功的技術(shù)手段。其相比于基于文檔的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，具有如下特點(diǎn)：

設(shè)計(jì)要素表達(dá)無(wú)歧義性。產(chǎn)品研發(fā)的相關(guān)信息描述經(jīng)常會(huì)因個(gè)人的知識(shí)差異而產(chǎn)生不同的理解。由于模型是一種高度圖形化的表示方法，具有圖形化、統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化等優(yōu)點(diǎn)，建立系統(tǒng)模型進(jìn)行精準(zhǔn)統(tǒng)一地描述系統(tǒng)工程相關(guān)信息，可以提高參與人員之間理解的一致性，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)信息的無(wú)歧義表達(dá)。

研發(fā)人員溝通交流效率的提高。隨著系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜程度的提高，各種文檔越來(lái)越多，相對(duì)于厚厚的技術(shù)及研發(fā)文檔，閱讀圖形化的模型更加直觀，再配以適當(dāng)?shù)淖⑨?#xff0c;使得不同的人對(duì)統(tǒng)一建模規(guī)范的同一模型具有統(tǒng)一的理解，同時(shí)也使計(jì)算機(jī)更好地理解相應(yīng)模型的信息描述，有利于提高系統(tǒng)研發(fā)各部門(mén)之間的溝通、交流及協(xié)調(diào)的效率提升及計(jì)算機(jī)輔助管理能力。

體系、系統(tǒng)、子系統(tǒng)及組件的一體化設(shè)計(jì)。由于系統(tǒng)模型的建立涵蓋了產(chǎn)品研發(fā)的整個(gè)生命周期，包括系統(tǒng)的任務(wù)定義、體系設(shè)計(jì)、系統(tǒng)能力分解、需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、架構(gòu)設(shè)計(jì)及分析、系統(tǒng)驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng)。因此能提供一個(gè)完整的、一致并可追溯的一體化設(shè)計(jì)方法，對(duì)于保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)一致性管理、追溯性管理及復(fù)雜度管理，避免各部分的設(shè)計(jì)沖突具有十分重要的意義。

增強(qiáng)設(shè)計(jì)知識(shí)的自動(dòng)化捕捉能力和可重用性。系統(tǒng)研發(fā)生命周期中，包括很多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信息創(chuàng)建、刪除、修改、查詢等過(guò)程，如設(shè)計(jì)人員需要提取客戶所提出的需求信息來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于模型具有模塊化及統(tǒng)一數(shù)據(jù)源特點(diǎn)，使得信息的捕捉、獲取、轉(zhuǎn)換以及再利用都更加方便、有效。

可以進(jìn)行多視角信息表達(dá)、分析及驗(yàn)證。通過(guò)模型底層的唯一數(shù)據(jù)源統(tǒng)一信息表達(dá)，支持研發(fā)信息的多視角表達(dá)及分析。基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及分析方法，支持各部分變更對(duì)系統(tǒng)本身可能造成的影響分析，并可以在早期進(jìn)行系統(tǒng)的驗(yàn)證和確認(rèn)，從而降低設(shè)計(jì)變更所帶來(lái)的時(shí)間和費(fèi)用上的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

INCOSE 于 2007 年發(fā)布 2008 年更新的《MBSE 方法學(xué)綜述》中，對(duì) MBSE 方法學(xué)完整的研發(fā)體系及其各要素之間關(guān)系進(jìn)行了解釋：MBSE 頂層體系愿景包括研發(fā)流程、方法論、語(yǔ)言和工具，以支持基于模型、模型中心或模型驅(qū)動(dòng)環(huán)境下的系統(tǒng)工程。以《SE 愿景 2020》英文定義為基礎(chǔ)，結(jié)合 MBSE 方法學(xué)綜述，本章節(jié)結(jié)合林雪萍先生所提出中文 MBSE 定義對(duì) MBSE 概念進(jìn)行中文描述：

基于模型的系統(tǒng)工程是一種采用形式化建模技術(shù)的正向設(shè)計(jì)方法，用于取代傳統(tǒng)的基于文檔系統(tǒng)工程的研發(fā)模式，以統(tǒng)一的體系、系統(tǒng)、領(lǐng)域、項(xiàng)目規(guī)劃及生命周期管理的多架構(gòu)視角，包括體系工程視角系統(tǒng)工程視角（需求、功能、邏輯、物理、架構(gòu)及驗(yàn)證）等模型集為集成研發(fā)框架，實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域研發(fā)信息的可驗(yàn)證、可追蹤、可共享的全生命期內(nèi)的數(shù)據(jù)及知識(shí)的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，進(jìn)而貫穿于從概念方案、工程研制、報(bào)廢更新的系統(tǒng)全生命期、以及從體系、系統(tǒng)、子系統(tǒng)及系統(tǒng)組件的各層級(jí)系統(tǒng)工程過(guò)程和活動(dòng)（包括技術(shù)過(guò)程、技術(shù)管理過(guò)程、協(xié)議過(guò)程和組織項(xiàng)目使能過(guò)程）。

英文定義中 MBSE 是一種狹隘的形式化建模技術(shù)的工程應(yīng)用，INCOSE《MBSE 方法學(xué)綜述》將 MBSE 具體化為一種方法學(xué)。考慮到作為 MBSE 使能技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言逐漸與 MBSE 過(guò)程和工具相融合的發(fā)展趨勢(shì)，以及《SE 愿景 2020》從過(guò)程和研發(fā)流程、方法論、建模語(yǔ)言和建模工具等幾方面討論出的 MBSE 的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，中文定義引入廣義 MBSE 的說(shuō)法，將英文定義中的狹義概念具體化為由圖 4 和圖 5 結(jié)合而成廣義MBSE 方法學(xué)。

因此，對(duì)于相關(guān)的 MBSE 技術(shù)，集成相關(guān)研發(fā)流程、工具、方法論和建模語(yǔ)言等要素，實(shí)現(xiàn)具備跨語(yǔ)言數(shù)據(jù)集成，是下一代 MBSE 建模語(yǔ)言解決生命周期數(shù)據(jù)互用性及多視角、全要素大一統(tǒng)集成和開(kāi)放性等問(wèn)題的核心要求。2019 年，ISO/IEC/IEEE 準(zhǔn)備發(fā)布《系統(tǒng)及軟件工程的基于模型的系統(tǒng)及軟件工程方法及工具》標(biāo)準(zhǔn)，這意味著 MBSE 技術(shù)正在走向成熟。

SysML2.0 和 KARMA 語(yǔ)言。目前，INCOSE 和 OMG 等組織的專家研發(fā)的SysML2.0 語(yǔ)言與洛桑聯(lián)邦理工、瑞典皇家理工、北京理工大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京中科蜂巢科技有限公司等機(jī)構(gòu)合作開(kāi)發(fā)的 KARMA 語(yǔ)言采用均文本式建模方式。其中KARMA 語(yǔ)言已推進(jìn)在多家高校、國(guó)內(nèi)外航天、航空、兵器、電子等相關(guān)工業(yè)部門(mén)、國(guó)內(nèi)外多個(gè)國(guó)家級(jí)（歐盟級(jí)）及省部級(jí)（瑞士創(chuàng)新項(xiàng)目）科研項(xiàng)目落地驗(yàn)證。

SysML2.0和 KARMA 語(yǔ)言均采用文本及語(yǔ)義式建模方法，其核心的目標(biāo)如上文所述實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言的統(tǒng)一描述及表達(dá)。下面將以 SysML1.6 及 KARMA 和 SysML2.0 的比較來(lái)闡述為何新一代建模語(yǔ)言逐漸由圖形化規(guī)范向語(yǔ)義為主的規(guī)范模式改進(jìn)。

如圖 6 所示，MBSE 語(yǔ)言的目的是實(shí)現(xiàn) MBSE 形式化。MBSE 形式化，即使用 MBSE相關(guān)語(yǔ)言、技術(shù)和工具，采用形式化（計(jì)算機(jī)可讀、可理解）的表達(dá)方式，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模型化表達(dá)。參考本團(tuán)隊(duì)的相關(guān)文章，MBSE 形式化包括：

具體語(yǔ)法用來(lái)顯示特定域建模語(yǔ)言中的圖形化表達(dá)或文本化表達(dá)，例如圖 6 中語(yǔ)言中（1，+，2）可以被看成是文本式的具體語(yǔ)法（文本化表達(dá)），而 1+2 所代表的抽象語(yǔ)法是數(shù)字 1 與 2 之間相加（模型的組成元素之間的描述規(guī)則）。UML 語(yǔ)言中class 類的圖標(biāo)代表指定類（圖形化表達(dá)）。

抽象語(yǔ)法定義了建模語(yǔ)言的組成元素及他們之間所構(gòu)成的關(guān)系的連接規(guī)則。如SysML 需求圖中需求模塊之間可以通過(guò)六類關(guān)系進(jìn)行連接，其中的連接規(guī)則要求即為抽象語(yǔ)法。

語(yǔ)義定義模型在領(lǐng)域中的含義。其中包括語(yǔ)義定義域（什么含義）及語(yǔ)義映射（如何賦予模型含義），具體解釋如圖中例子。例如，以圖中的 1+2 作為一個(gè)模型的例子。（1，+，2）可以被看成是文本式的具體語(yǔ)法。而 1+2 所代表的抽象語(yǔ)法是數(shù)字1 與 2 之間可以添加 「＋」（模型的組成元素之間的描述規(guī)則）。這個(gè)例子中的語(yǔ)義定義域是自然數(shù)的運(yùn)算，通過(guò)語(yǔ)義映射來(lái)執(zhí)行運(yùn)算。因此，1+2 的含義阿拉伯?dāng)?shù)字的加法，即為 3。

在以上概念基礎(chǔ)上，介紹現(xiàn)在 SysML1.6 與 KARMA 語(yǔ)言或 SysML2.0 的區(qū)別。

如圖7所示，SysML1.X 為圖形化語(yǔ)言，因此規(guī)范中規(guī)定了圖框代表什么，模型中涵蓋哪些內(nèi)容，其對(duì)應(yīng)的圖標(biāo)是什么。基于 SysML 規(guī)范，各建模工具開(kāi)發(fā)各自模型庫(kù)。這會(huì)為使用建模工具來(lái)建模的過(guò)程中帶來(lái)若干問(wèn)題：

由于各工具采用技術(shù)路線不同，因此可能存在對(duì)規(guī)范的理解不同，可能出現(xiàn)基于相同規(guī)范，但是在不同建模工具實(shí)施方法不同，如同樣基于 SysML 規(guī)范，時(shí)序圖在 Magic draw 中采用的表達(dá)與Rhapsody 中采用的表達(dá)（同步信息組件的固定語(yǔ)法不同，條形及圓角框）不一樣，雖然兩個(gè)工具中所描述的本質(zhì)信息都相同，但是從前端表現(xiàn)上不同；

為了可以實(shí)現(xiàn)不同 SysML 工具之間的交互，基于 SysML 規(guī)范，研發(fā)了 XMI （ XML MetadataInterchange）的文本語(yǔ)言。XMI 文本語(yǔ)言本質(zhì)與 SysML1.X 上所描述的內(nèi)容相同，但是卻是兩種不同語(yǔ)言；

在使用 XMI 進(jìn)行 SysML 建模工具的模型交互過(guò)程中事實(shí)上集成的是 XMI 語(yǔ)言，而非 SysML 語(yǔ)言。這同樣對(duì)建模工具提出了較高要求，即需要支持兩種語(yǔ)言的語(yǔ)言解釋器及編譯器。為了解決這種問(wèn)題，SysML2.X 和 KARMA 語(yǔ)言，采用文本式（語(yǔ)義式）建模規(guī)范，將圖形化表達(dá)和語(yǔ)義文本表達(dá)集成，因此在建模工具中只需要使用一種語(yǔ)言即可。

結(jié)合 MBSE 發(fā)展史可以發(fā)現(xiàn)，從 MBSE 啟蒙期到上升期（1960 到 1970），專家和學(xué)者更加關(guān)注的工業(yè)需求是如何將代碼及系統(tǒng)采用模型化手段表達(dá)支持重用等。直到MBSE 發(fā)展期（1980 到 2010），隨著 OMG 及 INCOSE 逐漸確定了圖形化規(guī)范，各種方法及工具百花齊放，MBSE 開(kāi)始在企業(yè)中初步應(yīng)用，但是在應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)圖形化的問(wèn)題。在 2010 到 2030 甚至更遠(yuǎn)，采用語(yǔ)義化建模手段實(shí)現(xiàn)生命周期的模型集成，使現(xiàn)有MBSE 真正落地。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的「基于模型的系统工程」的发展历程的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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