基于模型的系统工程技术探析

杨跃

（航天江南集团有限公司 贵州贵阳 550009）

随着中国科学技术进步的持续快速健康发展，在此社会背景条件下，航天领域亦因此能够得到一个良好的产业发展新契机，大大地推动和促进了未来航天高科技领域信息产业的迅速发展，而航天领域所涉及的产品也在此背景下逐渐从机械向着更为先进的发展趋向迈进，即将电子、机械等多个学科融合于一体方向发展，而在系统发展过程中，也逐渐从分立式向着综合方面迈进。对此，航天领域所涉及的系统工程，在实际运行过程中，需要对所产生的各类信息数据，通过文档的形式来进行具体的描述与记录。但随着科学技术的快速发展，各类航天模型层出不穷，这导致相关系统的复杂度、规律、难度等也随着时代的推移不断增多，如若航天领域依旧采取以往文档系统工程的形式对航天领域各类系统进行管控，很难保证相关系统稳定性与统一性［1］。针对此，相关部门应在基于模型的系统工程的基础上，通过构建更为优质系统，建立完善、连续、集成等特性于一体的全生命周期的模型驱动的工作模式，以帮助工作人员更好地开展各项工作，提升自身工作质量，降低对各类系统在管理维护期间管理的技术难度性与工作复杂性，提高管理系统工程精准性与效率，也就是说，需要我们将系统工程理论的研究建设是作为一套技术体系与科学技术方法有机结合，而绝非简单是作为一系列事件。

1 MBSE概念

航天领域科学技术发展演变过程中，与民用航天及相关高新技术产品研究本身具有相当复杂性、系统性。而在对军用航天产品进行研发生产过程管理中，需要严格遵循航空航天系统工程中的各种要求、方法而开展，但近几年，随着科学技术体系快速不断地发展，航天系统工程难度、规模等不断在增大，对于航空航天等相关工程专业的要求也随之不断攀升，这必然导致了总体、分系统、单机等之间各种指标与信息接口等的更替更为迅速频繁，这无疑加大了系统工程设计难度。基于模型设计的系统工程方法论（Model Based System Engineering，MBSE），该方法论作为一种完全基于模型设计的工程综合化研究方法，其目标的主要特点是能够通过一种形式化的工程建模仿真方法，再能够结合一种标准化的工程建模仿真语言而构建，以此框架来满足实现建模仿真语言需求目标的同时，还应能够同时体现对系统功能、逻辑体系等基本架构功能的有效检验测试与综合验收，从而实现驱动产品贯穿从产品设计开始到产品最终实物验证完成的整个开发过程，降低了产品实物在验证完成期间容易出现各种问题，从而最终影响产品到最后整个验证产品开发的实际效果，以此全面提升整个产品的研发过程效率质量与成果质量，降低产品在研发完成期间面临的各类成本风险与技术风险，而这恰恰是让MBSE 逐渐演变成为一个复杂的系统产品研发系统的必经之路。

MBSE 模式与适基类似于文档的研制模式相比较，MBSE 的这一项研制模式更为简捷直观，而且更能够轻松实现无明显歧义性的结构化信息快速表达，提高了信息快速表达的效果率与信息质量，进而又有助于快速提升企业协同办公效率，增强了信息迅速获取、转化传递等应用能力，所以，企业在开始进行新产品项目研发设计初期使用的这两项研制新模式，也基本就是通过一种基于模型的构架设计、系统动静态的仿真模型等，进行系统全方位多角度的数字化建模分析之后，以此来确定产品模型与设计模型是否准确合理，同时，系统也将实现整个设计与方案数据的显性化、规范化及分解，系统的设计评价指标也更为科学、精准且更为全面，大幅度提升了员工整体工作学习效率，减少在系统设计集成、验证产品期间出现的需要反复进行分析研究与修改制作流程的情况发生，进而将帮助整个产品实现从系统设计到成品制作整个流程的一气呵成，同时，还可保证产品在全工程生命周期里的产品研制过程质量稳定与制造效率优质［2］。

2 MBSE现存的问题

随着科学技术快速发展，系统类型也越来越丰富，规模也随之不断扩大，在此背景下，系统规模与复杂程度不断提升。传统系统运行方式主要是基于文档的系统工程的方式，将大量信息数据储存在不同类型的文档当中，但这样的数据处理方式不仅操作繁琐，而且困难度随着时间的推移不断增大。而且，因信息完整性与一致性，以及信息之间的关系，通过文档的方式很难做到完全把控，甚至还会增加工作人员的工作量。文档数据处理模式很难将活动很好表达出来，而且活动本身都是动态的，并未静态不曾改变，还具有一定交互作用，如若简单使用文字的方式将整个活动表达出来，不仅无法将活动的具体情况展现出来，还可能会误导员工，进而影响到后续工作［3-4］。此外，通过文档形式对大量数据管理，虽然也能实现有效管理，但管理效果与MBSE 还是有一定差距的，一旦员工需要对文档内容进行整改，对于工作人员而言，所需要做的工作繁多，而且处理结果很可能无法达到预期的效果。另外，传统的系统工程在设计期间主要是依赖文档方式对所有信息数据开展管理工作，在此过程中，工作人员需要根据实际需求构建系统框架，之后再有设计师通过人工建立设计结果与需求之间的联系，以此来实现有效管控数据的目的。如若在管控设计系统期间不满足需求的情况下，必须做出更改，以及重新建立链接的关系，以此确保最终效果能够达到预期。而这样操作的劣势，不但会让员工工作难度提升，而且很多步骤可能会出现不断重复的现象，进而影响到工作人员的工作效率。

3 MBSE的优势

3.1 MBSE在知识表达的无二义性

由于传统对数据管控方式主要是以文档形式进行，但因为每一个人的成长环境、能力等各不相同，所以即便给予不同人同样的文字描述，也会因为每一个人所理解所存在的差异性，从而导致同样的文字得出不同的结论。而对数据分析与研究过程中，团队成员针对同一个文档所表达的含义，在大脑中所形成的结构模型不可能完全一致，甚至还可能出现完全不相干的两个结构。但通过构建模型的方式，让数据通过更为具体、直观、无歧义等模型方式展现在所有成员面前，这更有助于提高工作效率与质量，而且这类系统模型构建形式可以将系统的统一性、系统性、准确性通过模型的方式形象地展现出来，其中包含系统功能、各个部分详细数据，都能够通过模型方式展现出来，以此确保所有成员对于系统内部的理解统一性，进而为处理系统中所存在的问题，提高系统优质性具有积极意义［5］。

3.2 有助于提高沟通交流效率

由于系统随着时代的不断进步，各类现代化技术层出不穷，虽然能提高系统稳定性与全面性，而且还能实现提高系统工作效率与质量的目的，但因为系统所接触的内容不断增多，这时系统所需要解决的问题与内容也不断增多，这就导致系统规模与复杂性也随之不断攀升，各类文档数量也随之不断增多，这对于工作人员来说，无疑增加了员工在处理数据期间的难度，而且在面对大量的技术与文档，通过MBSE，以阅读图形化的模型，能够帮助工作人员以更为直观的方式了解各个部分及实际运行期间的情况，这更有助于工作人员发现系统运行期间所存在的问题，并针对观察结果，科学制定解决对策，以保证系统运行质量。在此过程中，不仅需要员工自身对于模型有一个全面的了解，自身具备较强专业性之外，还需要参与系统管控各个部门之间，提高沟通与交流的效率，这有助于提高系统运行效果优质性。

3.3 系统设计的一体化

由于系统所涉及内容众多，所以对系统工程设计之前，工作人员需要对系统有一个全面了解，而且其自身具备较强综合能力，能够准确地根据系统运行情况，作出更为精准的判断与操作。但因为系统模型监理过程中，因系统本身所涵盖内容众多，包含了整个生命周期的全过程，不仅包含了系统的基本要求，还有对系统今后发展需求、设计、分析等各类活动内容都包含于一体，由此可以得出，系统设计是一个统一的整体过程，可以提供一个完整且可以实现追溯的系统设计，以实现系统设计一体化，同时，避免系统组合在一体期间出现系统各部分之间设计出现冲突，从而导致效果不佳的情况发生。

3.4 系统内容的可重用性

系统设计的目的就是为了帮助人更好地开展工作，提高人的工作效率与质量，所以在系统设计期间，设计师必须要满足系统设计的基本要求，并且各类要求根据实际情况，科学分配各个部分，分别进行处理与设计，以保证系统设计合理性。因此，对系统设计模型建立期间，由于模型构建目的就是帮助工作人员更好地设计系统，提高系统稳定性与全面性，因此在构建系统模型期间，必须保证模型优质性，而且各个部分数据清晰标注在模型之中，以便工作人员对模型进行分析，并对系统模型中各项功能分解到模型各个部分当中，分别对系统功能进行开发，以防相同内容与模块被重复开发与研究的情况发生，以此确保系统优质性。

3.5 增强知识的获取与再利用

由于系统本身所涵盖的内容众多，因系统全生命周期所涵盖的内容也是繁杂多样的，其中包含需要信息数据的转化与传递。因此，系统设计师实际开展系统设计之前，需要了解系统具体用途，再根据需求，以及对提取自身所需要信息数据分析结果，科学地对系统开展设计工作，以保证系统设计优质性。由于模型具有模块化的特点，对此，科学运用系统模型，有助于获取信息，同时，还能对数据进行转化、传递，甚至对数据进行再利用，都具有积极作用［6］。

3.6 对系统模型的多角度分析

因系统所使用范围较广，导致其所涉及技术、内容也是繁杂多样，为保证系统运行效果，提高系统构建顺利且高效，应事先针对系统实际情况，科学构建系统模型，并针对模型进行全面且多角度分析，解决系统模型在运行过程中存在的问题，以此提升系统实际运行期间的效果。同时，需要在早期进行系统的验证与确认，以此降低风险，减少后续设计更改所需要的时间，以及系统设计整改所产生的成本。与其他工程类学科一样，系统工程发展过程中，同样需要进行改革与优化，应将系统从文档方式向着基于模型方法迈进，这是为了提升系统运行效果，减少风险发生的概率，同时，也是系统工程实现可持续发展的必然趋势。

4 航天产品MBSE应用发展启示

如何推动MBSE工程应用，实现数字化与航天产品高度融合，决定了航天领域数字化发展过程中航天产品是否能够在航天领域快速发展背景下占据主导地位。而将MBSE方法科学贯穿于整个航天产品研制工作中，有助于提升产品型号设计效果与质量，确保产品生产效率等具有诸多优势。而且基于模型的系统工程方法，实际应用过程中，其主要强调了表征复杂系统的范围模型体系为核心，在产品全生命周期进行模型化展现期间，通过对模型不断进行推演与分析，以此来实现对复杂系统的设计工作，同时，还确保系统运行质量与效果。因此，对航天产品设计期间，借助给予模型的系统工程方法，以及在全生命周期的产品模型基础之上，以多类型模型组合于一体的方式表达设计效果与理念，并通过仿真手段，来实现产品的数字化设计与验证，将设计中所存在的质量缺陷尽可能消除，以此提升航天产品细致化设计，同时确保型号产品质量的优质性。

5 结语

综上所述，航天作为高端制造行业，其发展效果直接关系到国家经济、科技水平等重要手段。我国在科学技术快速发展背景下，向着航天强国迈进，就应不断对航天产品进行深入研究，分析并解决产品研制期间所存在的问题，科学引用新型设计理念与方法，并结合当前航天行业发展情况及今后的发展需求，科学地将基于模型的系统工程方法与航天产品研制工作融合于一体，以此形成适合当前的航天产品的MBSE 研制模式，进而实现提升科研生产效率与质量管控能力。