1、基于模型的系统工程 MBSE 方法学 刘亚龙2 Agenda MBSE基础 MBSE定义 系统模型描述方法-SYSML语言 系统模型数据交换方法 MBSE现状和 RoadMap MBSE的未来 MBSE方法学（INCOSE认可） INCOSE OOSEM IBM Rational Harmony-SE IBM Rational (RUP-SE) Vitech MBSE Methodology JPL State Analysis (SA) Dori OPM MagicGrid 其它方法学和尝试 Weilkiens SYSMOD Fernandez PPOOA ARCADIA Alstom AS
2、AP PBSE MBSE应用3 MBSE 定义 基于模型的工程(MBE):一种工程方法，它使用模型作为技术基线的一个组成部分， 其包括需求、分析、设计、实现,和验证的功能,系统,和/或产品的整个生命周期 An approach to engineering that uses models as an integral part of the technical baseline that includes the requirements, analysis, design, implementation, and verification of a capability, system,
3、and/or product throughout the acquisition life cycle.” Final Report, Model-Based Engineering Subcommittee, NDIA, Feb. 2011 “基于模型的系统工程 (MBSE)：MBSE是形式化的建模应用来支持系统的需求, 设计、分析、验证和确认活动开始从概念设计阶段到后续的开发和后面的生命周 期阶段。 MBSE is the formalized application of modeling to support system requirements, design, analysis
4、, verification and validation activities beginning in the conceptual design phase and continuing throughout development and later life cycle phases.” INCOSE SE Vision 2020 (INCOSE-TP-2004-004-02, Sep 2007)4 基于模型的系统工程-MBSE 系统工程专注于：在生命周期的早期阶段，分析引出客户的需求与必需的功能性， 将需求文件化，然后在考虑完整问题也就是系统生命周期期间，进行设计综合和 系统验证。
5、奥立佛 等人主张系统工程流程可以分解成： 系统工程技术流程 系统工程管理流程 管理流程的目标在于筹备生命周期中有组织的技术活动；而技术流程则包括估算 可利用的信息、定义有效对策、创建行为模型、创建结构模型、执行折衷分析 （权衡分析）、创建顺序构建与测试计划。 基于模型的系统工程： 基于模型的系统工程以数据模型为基础 对产品或项目以系统工程视角进行管理和实现5 MBSE的目的和输出： MBSE的目的： 建立一个系统数据模型 打通系统不同组件、不同学科之间的联系 规范和提高设计准确性 系统设计集成 系统构建的重用 主要使用是来设计一个系统，其满足系统需求和分配需求到系统的组件 用户增强系统设计者和
6、开发者之间的联系 MBSE的输出： 建立可重用的系统数据模型6 系统模型描述需求7 一个系统模型包含的内容 一个系统模型可以被描述或分析 阐述和描述通过描述模型（Descriptive Models） (例., System, SW, HW 架构, CAD) 量化和分析通过分析模型（Analytical Models） (例., 仿真, 工程分析) 一个描述模型包含信息关于: 系统规范（System specification） 设计（Design） 分析（Analysis） 验证（Verification） 包含元素，其表示: 需求（Requirements） 设计元素（Design ele
7、ments） 测试情况(Test Cases) 设计原理（Design Rationale） 相互联系（上述之间）8 Agenda MBSE基础 MBSE定义 系统模型描述方法-SYSML语言 系统模型数据交换方法 MBSE现状和 RoadMap MBSE的未来 MBSE方法学（INCOSE认可） INCOSE OOSEM IBM Rational Harmony-SE IBM Rational (RUP-SE) Vitech MBSE Methodology JPL State Analysis (SA) Dori OPM MagicGrid 其它方法学和尝试 Weilkiens SYSMO
8、D Fernandez PPOOA ARCADIA Alstom ASAP PBSE MBSE应用9 系统描述方法-SysML 语言 一种图形化建模语言是系统工程的UML快速开发方法 由OMG, INCOSE,和AP233（STEP应用协议编号）开发 一个 UML框架，其是UML2的一个子集和扩展 支持系统的规范，分析，设计和验证和确认，其包含硬件、软件、数据、个体的、 过程和设备 支持系统模型和数据交换通过XML元数据文件交换 (XMI) ，对应STEP中的 AP233标准 是一种可视化建模语言，其支持 Semantics = meaning Notation = representatio
9、n of meaning 不是一个方法学或一个工具l SysML 不依赖方法学和工具 SysML是基于模型的系统工程的关键使能方法10 SysML和UML之间的关系11 SysML对系统的关键描述(4个支柱）12 INCOSE SysML 重点的项目方向和研究方向13 SysML 工具（WIKI）-系统建模工具 Cameo Systems Modeler (NoMagic MagicDraw) Artisan Studio (PTC) ChangeVision Astah SysML (Astah ?) ConceptDraw SysML Solution (MindMap) Sparx Sy
10、stems Enterprise Architect (EA) IBM Rational Rhapsody (Rhapsody) Lattix Architect Modelio (Eclipe的欧洲版） Innoslate CORE & GENESYS （VITECH） Papyrus （基于Eclipse的免费软件） Software Ideas Modeler（softwareideas） SysML Designer（基于Eclipse开发的免费软件） Visual Paradigm for UML（ visual-paradigm） SCADE System （ANSYS） Topc
11、ased （基于Eclipse开发的插件，免费、开源） Capella（基于Eclipse开发，免费，开源）14 Agenda MBSE基础 MBSE定义 系统模型描述方法-SYSML语言 系统模型数据交换方法 MBSE现状和 RoadMap MBSE的未来 MBSE方法学（INCOSE认可） INCOSE OOSEM IBM Rational Harmony-SE IBM Rational (RUP-SE) Vitech MBSE Methodology JPL State Analysis (SA) Dori OPM MagicGrid 其它方法学和尝试 Weilkiens SYSMOD
12、Fernandez PPOOA ARCADIA Alstom ASAP PBSE MBSE应用15 系统模型数据交换标准-STEP标准 AP233 15 请求 响应 数据库 数据库 引用添加的语义 Classes and Individuals 本体 AP233 数据文件 任何 SE工具16 AP233 SysML Issue Management Risk Management State Machines Function Models V & V System Structures/Blocks Text-based Requirements Schedule Activities Or
13、ganizations Property & Units Classification Approvals, Security, Status Change Management Interfaces/Ports & Flows Model Organization Eng Config Mgmt Lifecycle Stages Parametrics Views and Viewpoints Allocations Diagrams Property-based Requirements Requirements Management SYSML和AP233之间的联系17 V1 V2 V3
14、 工程变更 bdd package VehicleStructure ABS-Block Definition Diagram 玝 lock? Traction Detector 玝 lock? Brake Modulator 玝 lock? Library:Elec tro-Hydraulic Valve 玝 lock? Library: Electronic Processor 玝 lock? Anti-Lock Controller d1 m1 系统结构和属性 act PreventLockup Activity Diagram DetectLossOf Traction Modulat
15、e BrakingForce TractionLoss : 需求 AP233 SysML18 需求 (OWL DL) SysML 用户 需求 (AP233) 企业系统模型库 S-satisfies-R (AP233) S-subClass-R (OWL DL) DL Reasoner 需求 (OWL DL) 使用案例19 扩展到系统生命周期支持-STEP标准AP239-PLCS标准 19 Database 请求 响应 数据库 数据库 AP233 数据文件 References for added semantics 分类学 PLCS DOD classes20 国外应用案例（SAS产品支持AP
16、233和AP239） 20 AP233-based Data Bus Failure Assessment relating Failures to Systems using System Data originating in SysML21 Agenda MBSE基础 MBSE定义 系统模型描述方法-SYSML语言 系统模型数据交换方法 MBSE现状和 RoadMap MBSE的未来 MBSE方法学（INCOSE认可） INCOSE OOSEM IBM Rational Harmony-SE IBM Rational (RUP-SE) Vitech MBSE Methodology JP
17、L State Analysis (SA) Dori OPM MagicGrid 其它方法学和尝试 Weilkiens SYSMOD Fernandez PPOOA ARCADIA Alstom ASAP PBSE MBSE应用22 MBSE研发现状-参与国家代表人数（2015）23 MBSE的研究现状（2015）24 INCOSE MBSE 路线图 2010 2020 2025 成熟度 MBSE 功能 Ad Hoc MBSE 以文档为中心 2010 良好定义 的MBSE 制度化 MBSE 跨 学术/ 工业 减少循环时间 设计优化贯穿权衡空间，贯穿 基于分 析的受 影响领 域 SOS 互操作性
18、 扩展成熟度和兼容性 分布式和安全模型库贯穿多 个领 域 定义MBSE 理论, 本体, 和形式 形成MBSE 标准 MBSE 方法和测量成熟, 集成系统System/HW/SW 模型 架构模型与仿真、分析 和可视 化集成 计划和支持 研究 标准开发 过程，时间和方法 工具和技术增强 宣传，培训和教育 引用到下面领域的活动：25 Agenda MBSE基础 MBSE定义 系统模型描述方法-SYSML语言 系统模型数据交换方法 MBSE现状和 RoadMap MBSE的未来 MBSE方法学（INCOSE认可） INCOSE OOSEM IBM Rational Harmony-SE IBM Rat
19、ional (RUP-SE) Vitech MBSE Methodology JPL State Analysis (SA) Dori OPM 其它方法学和尝试 Weilkiens SYSMOD Fernandez PPOOA ARCADIA Alstom ASAP PBSE MBSE应用26 INCOSE组织的两个促进MBSE发展的团队 商业机会团队（Challenge Team）：应用领域 商机团队 商机团队领导 Modeling and Simulation Interoperability（建模和仿真互操作） Russell Peak Space Systems（空间系统） David
20、 Kaslow Telescope Modeling（望远镜建模） Robert Karban Biomedical Device Modeling（生物医学设备建模） Ajay Thukral GEOSS Modeling（GEOSS建模） Lawrence McGovern Patterns （基于模式） Bill Schindel 行动团队（Activity Team）：基础研究 行动团队 行动团队领导 MBSE Usability （MBSE的可用性） Bjorn Cole Methodology and Metrics（方法学和测量） John Watson Model Manage
21、ment（模型管理） Lonnie VanZandt Modeling Standards （建模标准） Roger Burkhart Ontology（本体） Henson Graves System of Systems/Enterprise Modeling（SOS/企业建模） Ron Williamson/Matthew Hause Model Based Test（基于模型的测试） Frank Alvidrez27 MBSE未来之一-与语义网技术融合-SysML与OWL(本体语义网技术) 层 描述 例子 元-元模型（meta- metamodel 一个元建模的基础框架。定义语言对 应
22、特定的元模型 MetaClass, MetaAttribute, MetaOperation 元模型（metamodel ） 一个元- 元模型的实例，定义语言对应 特定的一个模型 Class, Attribute, Operation, Component 模型 一个原模型的一个实例。定义一种语 言来描述一个信息领域。 HSUV , OffRoadWheel, DieselMotor XYZ 是 的名称 用户(运行时) 对象( 用户数据) 一个模型的一个实例。定义 一个特定 的信息领域 Joes HSUV, Wheel SerNo 123, DieselMotor XYZ SerNo 456
23、客户化特定的额领 域 Stereotypes扩展已经存在的SysML 语 言概念使用附加的属性和约束 , , 是 的规范 SysML元模型框架28 MBSE未来之一-与语义网技术融合-SysML与OWL(本体语义网技术) OWL（Web Ontology Language）框架:构建块 元素 描述 例子 Individuals（个体） 表示现实世界中的对象。 Robert, USA, Fido Classes（类） 个体的集合。类可能是原子的或复杂 的。 Person, Country, Pet, Person a和hasDaugther some ( Rich 和Lawyer) Object
24、 Properties（对象属 性） 表示两个个体之间的联系。 hasSister, hasParent, worksFor Data Properties （数据属性） 链接个体到具体的值(例, XML Schema datatypes, rdf:literal) hasAge, hasName, hasSSN OWL 框架: Assertions（断定） 元素 描述 例子 Class 断定 断定一个个体是一个类的实例。 Robert: Person 对象属性断定 断定两个个体互相联系通过一个给定 的对象属性。 数据属性断定 段兴一个个体一个给定的值被联系通 过一个给定的数据属性。29 Sy
25、sML与OWL之间的映射30 MBSE未来之一-与语义网技术融合-SysML与OWL(本体语义网技术)31 MBSE未来之一-与语义网技术融合-SysML与OWL(本体语义网技术)32 MBSE未来之二-SLIM-系统生命周期管理33 MBSE未来之二-SLIM框架（INTERCAX）34 MBSE未来之二-SLIM需要打通SysML参数图与其它领域工具之间的数据通路35 MBSE未来之三-SOS SE（System of System SE）36 MBSE未来之三-MBSE与UPDM、DODAF、MODAF技术融合 体系作战需求直接到各个系统需求，对应SOS实现模型化，和系统实现模型化37
26、MBSE未来之三-MBSE与UPDM、DODAF、MODAF技术融合38 38 MBSE SoS 概念模型(部分-不理解) SoS System Capability Enterprise Vision Goal visions for enterprise Multiplicity default: 0* goals of vision contributes to vision Configuration fulfills capability Resource includes from Competence Hosted on Interaction of Connection to
27、standardizes Mission fulfills goal employs Role realized as requires has Node Domain realized as Information Data carries requires abstract exchanges Standard Technology Asset composed of standardizes Activity accomplish Performed by deployed to Node conducts Function performs realizes Policy Stakeh
28、older carries represents member of defines Constrains SoS representation of Architecture Arch Desc described by View Viewpoint specifies provides perspective on SoS has39 MBSE未来之三-SOS（两个重要项目）40 MBSE未来之四-MBSE 与OSLC（Open Services for Lifecycle Collaboration）融合41 MBSE未来之四-MBSE与云技术(AIRBUS的思路）42 MBSE未来之四
29、-MBSE与云技术（EADS思路）43 Functional Requirement Logical Physical System Subsystems Components Voice of Customer High Fidelity Low Fidelity Customer experience System Acceptance Integration Test Subsystem test MBSE未来方向之五-虚拟工程（仿真驱动决策贯穿整个产品生命周期） Simulation and Test Correlation FEOB Conceptual Preliminary De
30、tailed Validation (Test) Manufacture In Use44 MBSE未来方向之五-虚拟工程（Virtual Engineering） Two organization putting there efforts together NAFEMS Traditional Simulation as discussed earlier INCOSE Traditional System Engineering as mentioned earlier Model-Based System Engineering Systems Modeling and Simulat
31、ion Working Group (SMSWG)45 MBSE未来方向之五-虚拟工程（建立SMSMG工作组（2013年） 目标: NAFEMS and INCOSE agreed to a mutually beneficial strategy to develop a collaborative relationship that would benefit both the organizations and their members. 45 The following individuals participated in a collaborative meeting to pr
32、oceed with forming a NAFEMS Technical Working Group to develop recommendations for mutual collaboration. The INCOSE representatives were as follows: Samantha Robitaille, INCOSE President John Thomas, INCOSE President Elect Jean-Claude Roussel, INCOSE Technical Director Ralf Hartmann, INCOSE Director
33、 for Strategy Holly Witte, INCOSE Executive Management The NAFEMS Representatives were as follows: Tim Morris, NAFEMS Chief Executive Michele Ringrose, NAFEMS North American Representative Rodney Dreisbach, NAFEMS Americas Steering Committee, Chairman Edward Ladzinski, NAFEMS Americas Steering Commi
34、ttee46 总结-MBSE方法的优势 分享系统需求和设计的理解 需求验证 分析和设计的共同基础 便于识别分析 协助管理复杂系统的开发 关注点分开同集成模型的多个视图 通过分层的系统模型支持可追溯性 促进需求和设计变化的影响分析 支持增量开发和进化采购 提高设计质量 减少错误和模棱两个 更完整的表示 支持早期和持续的验证和确认来降低分析 为系统的整个生命周期增值 (例，培训) 增强知识捕获47 Agenda MBSE基础 MBSE定义 系统模型描述方法-SYSML语言 系统模型数据交换方法 MBSE现状和 RoadMap MBSE的未来 MBSE方法学（INCOSE认可） INCOSE OOS
35、EM IBM Rational Harmony-SE IBM Rational (RUP-SE) Vitech MBSE Methodology JPL State Analysis (SA) Dori OPM MagicGrid 其它方法学和尝试 Weilkiens SYSMOD Fernandez PPOOA ARCADIA Alstom ASAP PBSE MBSE应用48 INCOSE OOSEM（面向对象的系统工程方法） OOSEM核心思想：面向对象的系统工程方法，使用OMG SYSML自顶向下，基于模型的方法； OOSEM起源：90年代开始的洛马公司的软件供应商联盟，2000年IN
36、COSE建立OOSEM工作小组； OOSEM的目标： 对特定复杂系统分捕获并分析需求和设计信息； 与面向对象的软件、硬件和其它工程方法结合； 支持系统重用和设计更新。 OOSEM基础49 INCOSE OOSEM-系统开发过程50 INCOSE OOSEM 活动51 INCOSE OOSEM开发活动52 系统开发过程 设置模型： 建立建模规范和标准 确保整个模型协调性和样式一 致 建立建模组织53 OOSEM SysML 模型建立过程-设置模型 定义模型规范和标准 确保模型一致性 为每种类型的模型元素定义的命名约定(即包块,活动)和图的名字 定义模板图类型 定义的stereotypes 模型组
37、织54 OOSEM SYSML模型建立-分析利益相关者需要 描述系统和企业“As-is”55 OOSEM SYSML模型建立-分析利益相关者需要 执行因果分析（鱼骨图） 指定任务需求 定义企业应用案例 捕获测量的有效性 定义将来的域模型56 OOSEM SysML 模型建立过程-分析系统需求 定义用户场景 定义系统语境 捕获系统关键属性和约束 指定系统黑盒需求 定义系统状态机 分析系统需求变化 需求变化 接口变化 系统增长 性能提升 新功能 COTS或技术升级 物理位置变化 需求变化的风险分析57 OOSEM SysML 模型建立过程-定义逻辑架构 定义逻辑分解 定义逻辑组件之间的交互,实现系
38、统的行动58 OOSEM SysML 模型建立过程-定义逻辑架构 定义系统内部块图59 OOSEM SysML 模型建立过程-候选分配的架构综合 定义分离准则，分离准则包含 模块化(最大化凝聚力,最小化耦合) 组件隔离(封装、隐藏) 重用、床和设计约束 常见的功能,输入和输出 数据(动态和静态、共享) 性能(精度、响应时间、吞吐量) 时间(并发、更新率、分阶段、事件) 可靠性和可维护性(故障率、维修时间) 可生产性(如设计组装) 安全(访问控制) 物理/环境(如位置、电源) 设计变更(依赖性) 分包商/发展的责任 生命周期阶段或发展增量 应用分离准则60 OOSEM SysML 模型建立过程-
39、候选分配的架构综合 定义逻辑节点框架 定义物理节点框架 定义软件框架 定义数据框架 定义硬件框架 指定组件需求 定义操作过程 定义其它架构视图 定于软件架构61 OOSEM SysML 模型建立过程-优化和评估可选框架 定义分析语境 捕获约束在参数图中 执行工程分析62 OOSEM SysML 模型建立过程-管理需求追溯 定义规范树 捕获在模型中的文本需求 建立需求之间联系和原因 分析可追溯性差距63 OOSEM SysML 模型建立过程-集成和验证系统 目标是验证系统满足其需求 验证通过的组合: 检查 分析 示范 测试 包括: 制定验证计划 开发验证过程 进行验证 分析结果 生成报告 测试用
40、例和验证程序可以捕获模型,开发了基于模型元素如: 系统级用例 场景 需求 测试用例包括刺激系统规范和预期的响应64 集成和验证系统-验证-测试用例65 OOSEM SysML 模型建立过程-集成和验证系统 使能系统包括: 操作系统 支持系统 验证系统 需要开发的操作系统 OOSEM方法用于开发的操作系统 可以定制和应用指定和设计支持系统。66 MagicDraw OOSEM案例示例67 Agenda MBSE基础 MBSE定义 系统模型描述方法-SYSML语言 系统模型数据交换方法 MBSE现状和 RoadMap MBSE的未来 MBSE方法学（INCOSE认可） INCOSE OOSEM I
41、BM Rational Harmony-SE IBM Rational (RUP-SE) Vitech MBSE Methodology JPL State Analysis (SA) Dori OPM MagicGrid 其它方法学和尝试 Weilkiens SYSMOD Fernandez PPOOA ARCADIA Alstom ASAP PBSE MBSE应用68 IBM Rational Harmony-SE Harmony SE 是大型综合系统和软件开发流程的子集； 开发起源于I-Logix公司,该公司是嵌入式市场中建模工具的主要提供商。69 Harmony SE 过程70 Har
42、mony SE SysML建模过程-黑盒定义过程71 White Box Diagrams Activity Swim Lanes Sequence Logical Internal Block Physical Block Definition Physical State Allocated Sub-State Allocated Sequence Executable State Executable Sequence Verified vs. Executable 71 逻辑模型 白盒72 72 WB Activity Swim Lanes Black Box Activity Add
43、 swim lanes to original Black Box Diagram and allocate Activities to the objects73 73 WB Sequence Presents the five objects that execute the use case functionality74 74 WB Internal Block Objects are shown with Operations and Messages automatically allocated from the White Box Activity/Sequence diagr
44、ams Black Box Internal Block75 75 WB Block Definition System Objects are Logical but can be allocated to Physical devices76 76 WB State - Allocated HIGH LEVEL Detail DETAIL 77 77 WB Sub-State - Allocated Re-used state operations integrated into Hostile Enterprise Object 78 78 WB Sequence - Executabl
45、e Check for proper execution of reapportioned state diagram79 79 WB State Executable - Visual The Rhapsody modeling tool provides a built-in visualization of each state as the model is executed80 80 WB Sequence Verified vs. Executable Verify that the reallocate activities correctly implement the sce
46、narios in each object81 Agenda MBSE基础 MBSE定义 系统模型描述方法-SYSML语言 系统模型数据交换方法 MBSE现状和 RoadMap MBSE的未来 MBSE方法学（INCOSE认可） INCOSE OOSEM IBM Rational Harmony-SE IBM Rational (RUP-SE) Vitech MBSE Methodology JPL State Analysis (SA) Dori OPM MagicGrid 其它方法学和尝试 Weilkiens SYSMOD Fernandez PPOOA ARCADIA Alstom AS
47、AP PBSE MBSE应用82 关于流程的定义 流程定义了应该由谁、在什么时候、从事什么样的开发活动、产 生什么样的开发结果，来完成整个项目的开发目标 需求 系统 开发流程 RUP/XP/瀑布/原型法 RUP = Rational Unified Process83 RUP内容和导航图 RUP把开发活动、 角色、工件分为 9 类 (Discipline) 每一个迭代都 会涉及到 9 个 Discipline84 RUP 的主要特点 迭代化开发 以架构为中心 风险驱动 用例驱动85 迭代化开发 初始计划 计划 需求分析 分析设计 实施 部署 测试 评估 管理环境 每个迭代将产 生一个可执行 程序86 迭代化开发可以 降低项目风险 增加可预见性 确定开发优先级 和项目范围 更早地发现设计缺陷 提高最终软件质量 迭代化开发 Requirements Analysis & Design Implementation Test Business Modeling P
