1、引言
挑戰
系統開發的復雜性推高了航空航天的開發成本和周期，傳統的研制流程存在以下問題：1）基于文檔設計，容易產生二義性；2）各設計階段的設計結果割裂；3）缺陷大多在后期發現，發現和修復成本高；4）試驗滯后于設計，試驗效率較低，試驗結果離散；5）后期發現問題后優化和改進空間少 。
國內首次研制大涵道比商用航空發動機面臨巨大的風險與挑戰，主要體現在研發難度大、研制周期長、極高的安全性要求。
解決問題方向
隨著信息技術飛速發展，基于模型的系統工程便應運而生。利用基于模型的系統工程方法（Model based Systems Engineering，MBSE）在開發的早期階段，就通過模型逐步定義需求和功能，設計系統架構及進行相應的驗證工作，并將這些模型統一存儲在模型庫中。
作為系統工程領域一種新興的方法，基于模型的系統工程由于諸多明顯優勢的存在，正成為復雜系統設計的基礎。
2、基于模型的系統工程方法論介紹
INCOSE的《MBSE方法論調查Survey on MBSE Methodologies》中關于“方法論Methodology”的定義包括“PMTE”四個元素，分別是：過程Process、方法Method、工具Tool、環境Environment。
圖1 MBSE落地基本要素[1]
根據“PMTE”，方法論可以提供解決某項問題的完整方案框架，落實到某項具體的復雜系統設計問題上，MBSE作為解決復雜系統設計的完整方案框架，也必須提供過程Process、方法Method、工具Tool，并明確這些元素可以有效開展和使用的環境。
通?；谀Ｐ偷南到y工程（MBSE）方法論封裝了建模語言、建模過程、建模工具，下面介紹工程中常用的MBSE方法論。
面向對象的系統工程方法（OOSEM）
OOSEM起源于90年代開始的洛馬公司的軟件供應商聯盟，2000年INCOSE建立OOSEM工作小組；OOSEM是一種將面向對象的分析技術和系統工程理論基礎充分結合的一種自頂向下的場景驅動的MBSE方法論。
OOSEM的兩個核心原則是：綜合產品研制理念Integrated Product Development；采用遞歸的V型生命周期模型Recursive “Vee” Lifecycle Process Model。
OOSEM的活動如下圖所示：
圖2 OOSEM方法論[1]
OOSEM的關鍵活動包括：分析利益相關方的要求和需要Analyze Stakeholders’ Needs、定義系統需求、定義邏輯架構、對已分配的備選架構進行綜合并分析、對備選綜合架構進行評估和優化、確認和驗證系統設計Validate and Verify System。
IBM Harmony-SE方法論
Harmony-SE方法論的主要目標包括：
1) 確定Identify或者衍生Derive必要的功能Functionality；
2) 確定Identify系統狀態States和模式Modes之間的相互關聯關系；
3) 將系統功能或者工作模式分配給架構。
圖3 Harmony SE方法論[1]
Harmony-SE方法論主要包括以下三個頂層過程元素：
1) 需求分析，針對系統用例進行識別和初步分析，其過程輸出包括系統場景和用例Scenarios and Usecases。
2) 系統功能分析，輸出用例模型Usecase Model和運行合約Operational Contracts，運行合約描述系統與外界交互的邏輯和接口規范。通過用例一致性分析Usecase Consistency Analysis建立用例協作模型Usecase Collaboration Model，將用例融合在一起，以形成對系統功能的全方位考察。
3) 架構設計，輸出系統架構模型和伴生的運行合約Allocated Operational Contracts，包括ICD和設計規范Design Specification。
Harmony-SE的過程可以在“Telelogic Rhapsody”軟件環境中實現，Rhapsody是一個基于模型的設計環境。
ARCADIA方法論
ARCADIA（Architecture Analysis and Design Integrated Approach）方法是由THALES開發的MBSE方法，在THALES內部有著廣泛而深入的應用。ARCADIA使用可視化的建模語言DSML（Domain Specific Modeling Language），對復雜系統進行運行分析、系統分析、邏輯架構設計、物理架構設計和產品構建策略設計。
圖4 ARCADIA方法論[2]
ARCADIA采用“視點驅動”的分析方式，支持將所有與系統設計相關的分析內容都以“視點”的形式應用到系統模型之上，成為系統描述的一部分。目前，THALES已將支持ARCADIA方法的核心建模工具Capella開源出來。
Vitech MBSE Methodology
Vitech MBSE方法論的域結構如下：
圖5 CORE方法論[1]
Vitech提出分層遞進式的MBSE模式，即“洋蔥模型”，強調對系統進行工程設計時先在同一個層級上水平進行分析和設計之后再垂直推進到下一個更加詳細的層級，這樣做的目的是在進行更加詳細的設計之前保證每一個層級上設計的完整性、一致性，進而保證逐漸推進設計深度時的設計結果收斂性。
基于域結構的“洋蔥模型”如下圖：
圖6 CORE方法論的洋蔥模型[1]
完整性和收斂性是洋蔥模型的重要原則，系統工程團隊在完成一個層級的設計并推進到下一個層級之前要保證設計結果的完整性，這樣在每進行一個層級的設計時都可以把設計更改和迭代控制在本層級，或者至多“上一個層級”，保證設計結果的收斂性。
3、MBSE發展和應用現狀
2007年， INCOSE給出了MBSE的明確定義，并首次提出了MBSE的規劃路線。規劃指出了MBSE五大核心建設步驟，具體包括：1）提出MBSE標準；2）發展成熟的MBSE方法和指標集成系統硬件、軟件模型；3）搭建集成仿真、分析、可視化于一體的架構模型；4）建立具有明確定義的MBSE理論、本體、形式化體系；5）構建跨領域的分布式的可靠的模型庫。
在航空發動機行業，普惠公司采用基于模型的系統工程的方法，在發動機整機和FADEC系統中進行功能邏輯建模，通過對發動機整機的行為、邏輯進行分析，確保發動機整機需求捕獲完整、正確，并基于邏輯架構對需求進行分解和分配。
Rolls-Royce公司根據INCOSE發布的系統工程手冊，從自身特征出發，制定了相應的系統工程能力框架。該框架涵蓋了需求管理、系統思考、系統定義、系統功能分析、系統架構設計、接口管理以及相應的確認和驗證能力，與包含項目管理者、總工程師、總設計師、系統工程師、系統設計師、質量工程師、開發工程師等在內的多種崗位角色建立了聯系，進而實現了從航空動力系統到子系統最后再到部件的工程迭代。在完善的體系框架下，Rolls-Royce公司進一步推進了系統工程在型號項目中的實踐與應用。具體的，他們航空發動機研制中采用了需求管理工具，由此建立了客戶需求和試驗之間的動態關聯，并最終取得了巨大成功。
4、結束語
從理論與最佳實踐可以看出，MBSE是解決復雜度逐步加大的航空設備研制的最佳手段。以空客、波音、洛克希德·馬丁及羅羅等為代表的國外知名航空企業已率先推進MBSE，構建了以產品需求為核心基礎的研制過程平臺與體系，并在型號工程推廣中取得了顯著的成效，國內航空工業也在積極推進數字化/信息化能力建設和MBSE。商發經過了前期概念導入、項目試點，相關工作正在探索推進。
參考資料
[1] INCOSE Survey of MBSE Methodologies. INCOSE, 2008.
[2] A Model-Based Engineering Method for System, Software and Hardware Architectural Design. Thales, 2015.
