“當前的采辦流程和工程方法阻礙了[滿足]指數(shù)級技術增長,、復雜性和信息獲取需求的能力”國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略,，2018年6月

今天講的東西，對我們更深刻地理解DevOps,、DevStar,、DevSecOps和MBSE以及數(shù)字工程及數(shù)字孿生等概念，如何在數(shù)字空間里僅憑意念彎曲勺子,，更深刻地理解《黑客帝國》電影,，都會有一定的啟發(fā)。

1. 智能CPS給系統(tǒng)工程和軟件工程帶來的挑戰(zhàn)

智能CPS是一種具有自主系統(tǒng)特性的系統(tǒng),，其功能不受人類的直接控制,。例如無人機、工業(yè)機器人,、AGV,、尋找簡易爆炸裝置(IED)的機器人以及無人駕駛汽車。

未來聯(lián)合全域的戰(zhàn)場上,，智能CPS系統(tǒng)會越來越多：

• 陸軍的班排連營級別的不同尺寸的無人機和無人車,；

• 空軍的有人無人協(xié)同和自主聯(lián)網(wǎng)彈藥；

• 海軍的分布式海上作戰(zhàn),，空中,、水面和水下的無人系統(tǒng)；

智能CPS中,，軟件起著重要的作用,。軟件可以在不增加重量或大幅增加功率的情況下增加新功能。它還可以通過電磁波遠程更新,，降低部署成本,，更快地改進系統(tǒng),，使系統(tǒng)更智能更具適應性。但這些好處也帶來了新的挑戰(zhàn)：

• 軟件的規(guī)模和復雜性越來越高

• 網(wǎng)絡安全風險增加

• 快速變化的作戰(zhàn)環(huán)境

• 技術發(fā)展速度越來越快

• 需要更快地交付軟件

• 需要新的方法來驗證和鑒定具有適應性和智能性的裝備系統(tǒng)

2. 系統(tǒng)工程與軟件工程的協(xié)同

我們都知道,，系統(tǒng)工程的最新實踐是MBSE,，軟件工程則是DevSecOps。

這兩者結合起來,，能否解決智能CPS系統(tǒng)的挑戰(zhàn),？

這里面的關鍵洞見是，從DevSecOps的視角將建模仿真活動視為軟件密集型系統(tǒng)工程的一個組成部分,。

上面這句話請大家仔細思考下,。

具體的解決方案是這樣的：

1. 用MBSE對裝備系統(tǒng)進行建模，并根據(jù)反饋快速迭代修改模型,；

2. 為加快驗證和鑒定的速度,，采用DevOps理念自動化模型的生成和部署和測試；

3. 從而實現(xiàn)在物理系統(tǒng)構建前,，就在數(shù)字世界中設計和建造“飛機”的效果

比如,，我們要設計一個可消耗無人機，那么我們可以先用云上的MBSE即服務,，用數(shù)字工程集成環(huán)境中的工具進行進行建模,。

建模的工具可以有Sysml，AADL,，Matlab Simulink工具箱和ANSYS SCADE等,。

這幾個建模工具的關系是這樣的：

1. 用SysML對系統(tǒng)進行具體設計。使用SysML捕獲系統(tǒng)的高級模型,，以及一組系統(tǒng)約束,。這些約束將作為下一步的需求。

2. 用AADL定義系統(tǒng)的體系結構,。它派生自SysML定義和相關的約束,。AADL允許將系統(tǒng)架構更精確地定義為捕獲常規(guī)軟件或硬件行為(線程、設備,、處理器等)的組件集合,。

3. 對系統(tǒng)各部分進行設計。從AADL模型定義中,，可以派生出軟件的低層需求,，如要實現(xiàn)的子程序接口。這些子系統(tǒng)的軟件可以從Simulink,、Ansys SCADE,、Modelica或其他軟件中生成。系統(tǒng)工程師也可以用UML來捕獲要實現(xiàn)的軟件模型，或者直接在他們選擇的編程語言中實現(xiàn)它,。

3. 建模開發(fā)反饋的自動化流水線

建模好后,，模型要能仿真，必須先把模型轉成可運行的軟件程序,。模型可以用多種方式來生成軟件,，包括代碼生成，基于仿真的驗證和鑒定(V&V),，以及數(shù)字孿生模型,。

由于每種建模技術都提供了執(zhí)行模型分析或代碼生成的自動化的接口，這樣我們就可以用devops的自動化流水線集成這些工具來自動化整個過程,。

我們可以用類似下面的流程來簡化模型交換和模型轉換,，并盡可能地自動化整個建模、開發(fā)和運維的流程,。

4. 具體的模型到可執(zhí)行代碼的運行邏輯如下圖

基于模型到可執(zhí)行代碼流水線,，我們可以將這個流水線嵌到更大的一個模型到仿真的流水線中，這樣我們就可以實現(xiàn)建模到仿真的全流程的自動化：

我們可以在Mod2simu流水線中將Modelica轉成FMI,，然后將FMI轉成AADL，然后調用Mod2code流水線,，將AADL生成可執(zhí)行的二進制代碼,，并部署運行。

5. ModDevOps 循環(huán)

美國空軍提出了DevOps的定義,，包括整個系統(tǒng)生命周期：

DevOps是一種軟件工程文化和實踐,，旨在統(tǒng)一軟件開發(fā)(Dev)和軟件操作(Ops)。DevOps運動的主要特點是強烈提倡在軟件構建的所有步驟中實現(xiàn)自動化和監(jiān)控,，從集成,、測試、發(fā)布到部署和基礎設施管理,。

CMU卡耐基梅隆大學的軟件工程學院的研究人員將這個概念結合了MBSE系統(tǒng)工程實踐,，推廣到了ModDevOps，并將ModDevOps定義如下,，我們對空軍DevOps定義的更改用粗體突出顯示：

ModDevOps是一個系統(tǒng)/軟件協(xié)同工程文化和實踐,，旨在統(tǒng)一系統(tǒng)工程(Mod)、軟件開發(fā)(Dev)和軟件操作(Ops),。ModDevOps的主要特點是在系統(tǒng)構建的所有步驟中大力提倡抽象,、自動化和監(jiān)控，從集成,、測試,、發(fā)布到部署和基礎設施管理。

ModDevOps通過定義基于模型的技術如何支持特定的步驟來擴展DevSecOps。ModDevOps改進了典型的DevSecOps循環(huán)：

• 建模Mod：需求規(guī)劃和定義,、系統(tǒng)功能模型屬性,、鑒定計劃，建立多學科的領域模型,，模型間集成點的定義

• 開發(fā)Dev：Dev是一個自動化的軟件工廠,，用來構建仿真代碼和可執(zhí)行文件。第一步是代碼生成：從具有多個目標的模型中生成代碼：生成在目標上運行的功能代碼和中間件代碼,，生成仿真程序,。同時生成用于運維Ops環(huán)節(jié)的Python膠水代碼，作用是監(jiān)視資源消耗和模型間的數(shù)據(jù)交換等,。2. 軟件裝配：將不同的部分組合在一起編譯成目標程序并部署,。

• 運維Ops：用開發(fā)階段生成的Python膠水代碼進行運行時的數(shù)據(jù)采集存儲。然后進行數(shù)據(jù)分析：對存儲的數(shù)據(jù)進行分析生成指標,，并生成相應的驗證和鑒定報告,，用于指導修改系統(tǒng)設計。這個環(huán)節(jié)的采集和分析的數(shù)據(jù)質量至關重要,，因為會影響到下一輪的迭代改進,。

當然，這里面的1-8的環(huán)節(jié)是不斷迭代循環(huán)的,，最終的效果就是同時獲得MBSE和DevOps的優(yōu)點,。

6. 從ModDevOps到TwinOps

有了ModdevOps，我們就可以對無人機進行建模,。

更進一步,，我們可以在虛擬世界，創(chuàng)建多個無人機的數(shù)字孿生,，讓他們直接進行對抗,，驗證不同環(huán)節(jié)。

不同環(huán)節(jié)之間,，可以靈活組合,，實現(xiàn)不同的驗證/鑒定的效果：

• 1-2-3-4: 完整的驗證和鑒定流程

• 1-2: 高層次的需求驗證，SysML Modelica仿真

• 2-(3 4): 低層次需求驗證,，驗證底層程序的控制邏輯

• 1 (3 4): 虛擬集成：控制程序由第三方實現(xiàn),，實現(xiàn)第三方國防承包商之間的AI控制算法的PK。

最后,，基于Mod2Code流水線,，我們可以將程序部署到無人機上運行，同時將無人機的運行狀態(tài)喂給云端的Mod2Simu的數(shù)字孿生模型,，然后將無人機上的運行分析結果和數(shù)字孿生中的運行結果進行對比分析,，從而實現(xiàn)無人機數(shù)字孿生模型的敏捷開發(fā)TwinOps,。

搞明白了上面這幾種組合的玩法，我們就可以去思考如下問題：

• 有人無人LVC實驗

• 基于AI的集群武器系統(tǒng)的虛擬斗獸場

• skyborg的不同任務模塊如何設計和仿真

• 聯(lián)合全域指控下的韌性網(wǎng)絡如何測試

• 太空軍數(shù)字軍種敵方新威脅下如何快速實現(xiàn)任務工程與數(shù)字工程

• 如何在虛擬空間進行殺傷鏈的集成,？

• ......

本文里面涉及到數(shù)字孿生的地方我的理解估計還有點問題,，不過8點多了，要去沙縣小吃吃晚飯了,。