摘要.基于模型系統(tǒng)工程（MBSE）是當(dāng)前工業(yè)界比較關(guān)注的熱點(diǎn)技術(shù),，被認(rèn)為是新一代的系統(tǒng)工程實(shí)施方法,。它采用基于模型的方法支持系統(tǒng)工程規(guī)范來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)的最小化，避免由于產(chǎn)品研發(fā)后期的設(shè)計(jì)變更所帶來的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn),。其中,，模型可以被應(yīng)用于形式化的方法，用于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)品分析,、設(shè)計(jì),、優(yōu)化、驗(yàn)證及確認(rèn)等研發(fā)活動進(jìn)而實(shí)跨領(lǐng)域,、組織,、產(chǎn)品的整合。盡管基于模型的設(shè)計(jì)和開發(fā)已經(jīng)在個(gè)別領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用,，例如,，軟件、機(jī)械,、電子系統(tǒng)等,，其在系統(tǒng)層的實(shí)現(xiàn)整合開發(fā)的目標(biāo)目前還無法實(shí)現(xiàn)。本文將通過針對MBSE的利益相關(guān)人的調(diào)查問卷來分析當(dāng)前中國工業(yè)界相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用狀態(tài),。通過問卷,，初步的了解當(dāng)下國內(nèi)系統(tǒng)開發(fā)工程師對于MBSE的使用、優(yōu)勢,、障礙,、關(guān)注點(diǎn)及趨勢的定位和判斷。

1.介紹

本調(diào)查的目的是系統(tǒng)了解當(dāng)前國內(nèi)工業(yè)界的MBSE的使用情況,、關(guān)注點(diǎn),、障礙及未來發(fā)展趨勢，特別是相關(guān)MBSE工具鏈的開發(fā)情況,。調(diào)研結(jié)果用于對還不了解MBSE相關(guān)概念的系統(tǒng)開發(fā)工程師介紹相關(guān)內(nèi)容并為相關(guān)人員對未來的MBSE工具鏈開發(fā)提出依據(jù),。

Bita (Motamedian2013),、 Mary (Bone& Cloutier 2010)、Schulze(Schulze2015),、Hutchinson(Hutchinsonet al. 2014)和Joseph (Elm& Goldenson 2012)等分別對國外MBSE應(yīng)用,，系統(tǒng)工程應(yīng)用、模型驅(qū)動工程及系統(tǒng)工程業(yè)務(wù)能力進(jìn)行調(diào)研,。盡管這些研究人員的對于世界范圍內(nèi)的調(diào)研對于MBSE的發(fā)展有重大意義,，但是目前關(guān)于中國工業(yè)界的相關(guān)調(diào)研，尤其是相關(guān)MBSE工具鏈的調(diào)研仍是空白,。我們曾提出了對MBSE工具鏈的初步的定義(Luet al. 2017),。為了調(diào)研相關(guān)MBSE工具鏈的性能特征和功能屬性，在這個(gè)報(bào)告中,，我們除了對相關(guān)MBSE的內(nèi)容進(jìn)行調(diào)查外,，還對相關(guān)MBSE工具鏈的相關(guān)技術(shù)及使用進(jìn)行調(diào)研。同時(shí),，這個(gè)問卷提出了一些與MBSE轉(zhuǎn)化有關(guān)的問題,，來為設(shè)計(jì)MBSE轉(zhuǎn)化策略提供線索。

本文的結(jié)構(gòu)如下：首先,，在第二章介紹調(diào)查方法,，在第三章，詳細(xì)地介紹調(diào)研結(jié)果,。最后,，我對調(diào)研結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)。

2.研究方法

我們在相關(guān)社交平臺上對不同的工程領(lǐng)域研發(fā)人員發(fā)布相關(guān)調(diào)查問卷,，每個(gè)問卷中包含50個(gè)與MBSE相關(guān)的問題,。

Table1調(diào)查范圍

該問卷是基于調(diào)查問卷網(wǎng)站問卷星(https://www./)進(jìn)行設(shè)計(jì),，其中包括多選,、單選、矩陣單選等,。表1總結(jié)了被訪者的興趣組,、領(lǐng)域、潛在回答人數(shù)目及相關(guān)社交網(wǎng)絡(luò),。本問卷的發(fā)布期從2017年5月13日到2017年6月30日,。在此期間，我們收到58份反饋,，其中大部分是在前兩周完成，如圖1/a,。如圖1/b,，大多回訪者來自北京,，可能是因?yàn)榇蠖嗥髽I(yè)的研發(fā)部門坐落在北京。

圖1 a反饋人反饋時(shí)間,；反饋人地理位置

3.調(diào)查結(jié)果

1.   

2.   

3.   

3.1 反饋人調(diào)查

為了更好了解反饋人的工作單位及情況,，我們使用五個(gè)問題對反饋人進(jìn)行調(diào)查，即其應(yīng)用領(lǐng)域（圖2/a）,，團(tuán)隊(duì)中的角色（圖2/b）,，領(lǐng)域（圖2/c），對于MBSE的熟知度（圖3/a）,，以及他們在當(dāng)前工作中采用MBSE的情況（圖3/b）,。

我們使用一個(gè)多項(xiàng)選擇題用來分析反饋人的所屬領(lǐng)域。目前,，國內(nèi)對于領(lǐng)域也存在這一種分類叫做 (1) 性能分析; (2) 結(jié)構(gòu)分析,。因此，我們添加這兩個(gè)條目來了解結(jié)構(gòu)和性能的相關(guān)人員對MBSE的關(guān)注程度,具體結(jié)果如(圖2-c)所示,。從調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn),大多反饋人員的主要領(lǐng)域是系統(tǒng)設(shè)計(jì),。

目前，工程師在設(shè)計(jì)過程中承擔(dān)多個(gè)角色也是有可能的,。因此,，我們采用一個(gè)多選題來了解反饋人的角色。從結(jié)果來看,，大多反饋人是系統(tǒng)工程師,，其中將近半數(shù)是管理崗位。

圖2 a-反饋人的應(yīng)用領(lǐng)域;b- 反饋人角色; c-反饋人工具領(lǐng)域

圖3中, 與Bita的調(diào)研結(jié)果進(jìn)行比較 (Motamedian2013), 國內(nèi)反饋人對于MBSE的了解程度明顯落后于世界范圍內(nèi)的調(diào)研結(jié)果,。首先,，專家和高級的反饋人數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于Bita的調(diào)研結(jié)果 (從Bita調(diào)研結(jié)果來看，其反饋人目前已經(jīng)達(dá)到60%的專家等級和14.3%高級等級),。

圖3 a- MBSE的熟知程度; b-是否MBSE應(yīng)用于當(dāng)前工作

3.2  MBSE使用的范圍

本章節(jié)對于MBSE的使用范圍,，使用頻率、使用階段和其關(guān)注點(diǎn)的調(diào)研結(jié)果,。為了調(diào)研MBSE的使用頻率,，我們首先把項(xiàng)目劃分為三種：

• 預(yù)先研究項(xiàng)目

• 研發(fā)項(xiàng)目project

• 真實(shí)產(chǎn)品開發(fā)的全生命周期

我們調(diào)研反饋者在這三類項(xiàng)目使用MBSE的情況。從圖4/a所示,，我們可以觀察到MBSE在預(yù)研和研發(fā)項(xiàng)目中的應(yīng)用較多,。其中， 41%的反饋人沒有在真實(shí)產(chǎn)品的全生命周期過程中采用 MBSE,?！昂娇展I(yè)”似乎比其他工業(yè)應(yīng)用MBSE的情況要好。

圖4 a-擴(kuò)展MBSE使用; b-MBSE使用階段; c- MBSE對于反饋人的主要關(guān)注點(diǎn)

為了理解反饋人在項(xiàng)目中使用MBSE的情況，我們定義了三種階段：

• 調(diào)研階段

• 項(xiàng)目開始

• 項(xiàng)目執(zhí)行

• 完全使用MBSE

僅有半數(shù)的反饋人在這三個(gè)階段完全使用MBSE,。這與MBSE所期待的能夠包含產(chǎn)品的全生命周期的能力相違背,。這可能說明當(dāng)前國內(nèi)對MBSE的理解并不完善。

此外,，我們用問題“你們團(tuán)隊(duì)關(guān)注于MBSE的哪方面?”來調(diào)研MBSE的關(guān)注點(diǎn)(圖4-c) . 根據(jù)反饋人情況,，前三的主要關(guān)注點(diǎn)是系統(tǒng)架構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)、需求管理,、驗(yàn)證和確認(rèn),。

3.3  MBSE工具鏈相關(guān)技術(shù)

為了了解反饋人的研發(fā)團(tuán)隊(duì)對于MBSE工具鏈相關(guān)技術(shù)的定義，我們提出了如下三方面問題包括：系統(tǒng)工程,、建模技術(shù)和整合技術(shù),。

1.        

2.        

3.        

3.1        

3.2        

3.3        

3.3.1  系統(tǒng)工程

首先,與基于文檔的系統(tǒng)工程研發(fā)方法不同的是， MBSE采用的是基于模型的方法來形式化生命周期中的各項(xiàng)設(shè)計(jì)活動,。因而,，MBSE的基礎(chǔ)是系統(tǒng)工程實(shí)踐。在調(diào)研中,，我們從兩方面調(diào)研反饋人對于系統(tǒng)工程的使用情況：系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)的使用頻率及系統(tǒng)工程所使用的視點(diǎn)(ISO/IEC 2007),。

我們比較了系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)的使用頻率，其中使用MBSE的反饋人對MBSE的使用頻率遠(yuǎn)高于不使用MBSE的反饋人,。其中,，架構(gòu)設(shè)計(jì)、功能分析,、需求分析視點(diǎn)為MBSE三個(gè)主要的應(yīng)用,。

圖5 a-系統(tǒng)工程的使用頻率; b-系統(tǒng)工程的使用視點(diǎn)

3.3.2  建模技術(shù)

本章將從七個(gè)方面調(diào)研建模技術(shù)的使用情況：建模頻率，建模目的,，建模語言,，語言圖，建模方法,，建模理論及仿真方法,。

我們基于SaikouDiallo的建模術(shù)語來定義建模方法、理論和仿真方法(Diallo et al. 2015),。

• 建模理論

“什么是模型?”, 如, 有限元分析,。

• 建模方法

“如何建模?”, 如,形式化分析。

• 仿真方法

“如何仿真?”, 如, 離散系統(tǒng)仿真,。

圖6 反饋者建模頻率

從圖6-a結(jié)果所示,，43%的反饋人不使用或者準(zhǔn)備使用建模技術(shù)。僅僅只有16%的反饋人能夠把建模和真實(shí)產(chǎn)品研發(fā)結(jié)合,。從建模目的來看（圖6/b）,，我們發(fā)現(xiàn)仿真和抽象描述問題是兩個(gè)主要的建模目的,。從結(jié)果分析所示，航空工業(yè)和軟件供應(yīng)商目前使用建模技術(shù)最多,。

圖7 建模理論的應(yīng)用

圖8 建模方法的應(yīng)用

三方面用于調(diào)研反饋人對于建模的喜好(圖7到9),。 結(jié)果顯示形式化建模和能量流理論為兩個(gè)最主要的應(yīng)用理論；數(shù)學(xué)建模是最廣泛的建模方法,；而數(shù)值仿真和實(shí)時(shí)仿真為當(dāng)前國內(nèi)應(yīng)用最廣的兩種仿真方法。 

圖9 仿真方法的使用

為了進(jìn)一步分析模型的使用情況,，我們通過兩個(gè)問題對建模語言和語言圖的應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)研,。從調(diào)查結(jié)果圖10所示，M語言和SysML為應(yīng)用最廣的兩個(gè)語言,。在SysML中,，block定義圖應(yīng)用的最廣泛。

圖10建模語言的使用

3.3.3   整合技術(shù)

在這個(gè)部分,，我們將介紹反饋人執(zhí)行集成仿真和工具整合的相關(guān)內(nèi)容的調(diào)查,。

圖11整合平臺的解決方案

我們首先調(diào)研仿真集成平臺相關(guān)信息。High-level architecture (HLA)(Symington, Susan and Morse,Katherine L and Petty 2001), FunctionalMock-up Interface (FMI) (Modelica Association Project “FMI” 2013)and Modelica (Fritzson & Engelson 1998)是目前最主要的是幾種集成仿真手段.如圖11所示,，將近41% 的反饋人自行開發(fā)整合仿真平臺,。很多反饋人同時(shí)使用了不同的仿真技術(shù)。大概26%的反饋人使用FMI來支持其聯(lián)合仿真,。

在工具研發(fā)階段,，工具整合被認(rèn)為是另一個(gè)非常重要的工作。從圖12/a所示,，僅僅5%的反饋人沒有執(zhí)行工具整合,。下面我們從三方面來分析工作整合的相關(guān)內(nèi)容：整合種類、整合技術(shù)和整合的量度,。

圖12 a-工具整合的頻率; b-工具整合的非功能性屬性; c 整合方法; d 整合種類

在調(diào)研中我們定義五種整合方式: (1) 數(shù)據(jù)整合(2) 控制整合(3) 平臺整合(4)流程整合(5)展示整合 (Wasserman 1990).  如圖12-d所示, 最常見的三種整合方式是數(shù)據(jù),、流程和控制整合。

我們同樣調(diào)研了反饋人在工具整合過程中采用的相關(guān)技術(shù),。從圖12/c所示,，我們發(fā)現(xiàn)基于商業(yè)工具的集成是國內(nèi)目前采用最常見的方法。

我們定義了其中非功能的屬性用于描述工具整合能力 (Geraci et al. 1991):

• 互用性（Interoperability）

兩個(gè)或者兩個(gè)以上工具鏈中的元素可以相互置換或者在異構(gòu)系統(tǒng)中交互信息的能力,。

• 追溯性（Traceability）

工具可以處理技術(shù)資源,，系統(tǒng)信息，研發(fā)流程,，社交網(wǎng)絡(luò)之間的追溯關(guān)系的能力,。

• 依賴性（Dependency）

工具可以處理技術(shù)資源，系統(tǒng)信息,，研發(fā)流程,，社交網(wǎng)絡(luò)之間的邏輯關(guān)系的能力。

• 整合能力（Integratedcapability）

工具鏈整合已經(jīng)存在的模型、數(shù)據(jù),、工具的能力,。

• 重用性（Reusability）

重用相關(guān)技術(shù)資源（模型、數(shù)據(jù),、工具）的能力,。

• 設(shè)計(jì)效率（Designefficiency ）

系統(tǒng)使用工具鏈來執(zhí)行他們設(shè)計(jì)任務(wù)的效率。

• 可擴(kuò)展性（Scalability）

工具鏈可以適應(yīng)工程任務(wù)及對其本身需求增長的能力,。

從圖12/b所示,，重用性、追溯能力和設(shè)計(jì)效率是工具鏈研發(fā)過程中需要考慮的最重要的三個(gè)因素,。

3.4  MBSE轉(zhuǎn)化

本章節(jié)將從調(diào)研問卷的結(jié)果來分析影響MBSE工業(yè)轉(zhuǎn)化的相關(guān)因素,，這里MBSE工業(yè)轉(zhuǎn)化指從當(dāng)前的基于文檔的系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法向MBSE方法過度的過程。我們提出的問題涉及文化,、經(jīng)濟(jì),、組織架構(gòu)、個(gè)人學(xué)習(xí)及相關(guān)阻礙幾方面,。

系統(tǒng)思維被認(rèn)為是實(shí)施系統(tǒng)工程的核心能力 (Cloutier et al. 2015),。 為了知道反饋人在工作使用系統(tǒng)思維的頻率，我們提出的問題如下“你在工作中使用系統(tǒng)思維的頻率是什么?”. 如圖13所示,， 我們發(fā)現(xiàn)只有 9% (6 /58)的反饋人完全使用系統(tǒng)思維,。和其他工業(yè)相比，航空工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)思維的頻率較高,。在不同角色的反饋人中,，系統(tǒng)工程師和團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人采用系統(tǒng)思維較多。

圖13 系統(tǒng)思維的使用

本調(diào)查通過問題“反饋人每年的MBSE經(jīng)費(fèi)有多少,？”來調(diào)查當(dāng)前MBSE的經(jīng)費(fèi)支持情況,，從圖14/a所示，我們發(fā)現(xiàn)幾乎半數(shù)的反饋人是沒有經(jīng)費(fèi)支持的,。相關(guān)工業(yè)中,，飛機(jī)工業(yè)的反饋人比其他工業(yè)的經(jīng)費(fèi)要多。目前已經(jīng)使用MBSE的反饋人一般比沒有使用MBSE的反饋人的經(jīng)費(fèi)充足,。

圖14 a- Fundingsused for MBSE; b- organizations for MBSE transitioning; c- Personal learning;d- training

為了了解一個(gè)頂層的組織團(tuán)隊(duì)是否如系統(tǒng)工程轉(zhuǎn)化一樣,，有助于幫助MBSE轉(zhuǎn)化 (Elm & Goldenson 2012)， 我們定義五個(gè)組織架構(gòu)并提出問題,，是否反饋人的部門有如下組織:

• 公司層面有專門負(fù)責(zé)MBSE的團(tuán)隊(duì)

• 在部門中有專門負(fù)責(zé)MBSE的團(tuán)隊(duì)

• 有專門負(fù)責(zé)MBSE的業(yè)務(wù)人員

• 有兼職負(fù)責(zé)MBSE的業(yè)務(wù)人員

• 沒有特殊業(yè)務(wù)人員和部門負(fù)責(zé)MBSE

從圖14-b所示, 在公司層面有頂層部門負(fù)責(zé)MBSE的反饋人使用MBSE的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他幾種組織結(jié)構(gòu),。從行業(yè)來看，航空工業(yè)提供了更多的部門和業(yè)務(wù)人員來支持MBSE,。

我們采用兩個(gè)問題用于調(diào)查反饋者對MBSE的個(gè)人學(xué)習(xí)及訓(xùn)練情況,。結(jié)果顯示大多反饋者認(rèn)為MBSE可以幫助他們提高生產(chǎn)力,、創(chuàng)造力、解決問題的能力及工作興趣,，如圖14/c所示,。從圖14/d所示, 缺乏MBSE相關(guān)培訓(xùn) (建模語言, 建模方法, 工具操作, MBSE理解及系統(tǒng)思維). 大多反饋者僅僅只有一天或者2到5的短期培訓(xùn)。僅有5%（58中5人）有多于一周的培訓(xùn),。

我們采用一個(gè)多選來分析MBSE轉(zhuǎn)化過程中的障礙,。 基于圖15, 三個(gè)最大障礙為 (1)缺乏對MBSE的價(jià)值認(rèn)知 (2) 缺乏使用對應(yīng)工具的技能 (3) 對于文化改變的抵抗。

圖15MBSE轉(zhuǎn)化障礙

4.    結(jié)論

基于模型系統(tǒng)工程是目前比較新穎的技術(shù)旨在代替?zhèn)鹘y(tǒng)的基于文檔的系統(tǒng)工程方法,。大多數(shù)反饋人十分關(guān)注其相關(guān)技術(shù),。然而和世界范圍內(nèi)的應(yīng)用者進(jìn)行比較，中國工業(yè)界對其理解和應(yīng)用相對落后,。從結(jié)果，我們可以總結(jié)如下：

• 首先,，當(dāng)前MBSE的工業(yè)實(shí)踐目前在一些特殊領(lǐng)域比較突出,，例如，航空,。

• 基于調(diào)研結(jié)果,，我們推斷MBSE需要涵蓋整個(gè)項(xiàng)目的生命周期。

• 大多中國工業(yè)界采用整合仿真和工具整合來構(gòu)建他們的MBSE工具鏈,。

• MBSE相關(guān)技術(shù)并非僅僅是“SysML”及“UML”,。

• 最后大多數(shù)反饋人認(rèn)為缺乏對MBSE價(jià)值的理解及缺乏相關(guān)MBSE技能和能力阻礙了MBSE當(dāng)下的轉(zhuǎn)化。

本報(bào)告只是初步對中國MBSE應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研,，其結(jié)果還需要更加詳細(xì)的調(diào)研和數(shù)據(jù)分析來總結(jié)未來的適合國內(nèi)工業(yè)界的MBSE轉(zhuǎn)化策略,。

致謝

作者們致謝為本報(bào)告提出寶貴意見的CCOSE各位專家。重點(diǎn)感謝系統(tǒng)工程, 蘇州同元軟控, 正向設(shè)計(jì)研發(fā)港, 系統(tǒng)工程方法公眾號,。  對于軟件供應(yīng)商尤其感謝 SysGraph Lab,，安懷信，蘇州同元軟控等相關(guān)單位,，真誠感謝這幾家公司對本次調(diào)研所做工作,。

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本文中節(jié)選的同名文章已被INCOSE International Symposium 2018 Oral Presentation接收，中文擴(kuò)展版本在《體系工程》首期發(fā)表,。作者：魯金直等,，聯(lián)系郵箱[email protected]。具體英文調(diào)查請查詢MBSE中文術(shù)語定義平臺  http://139.199.115.152:8181/及CCOSE WIKI wiki.,。