前  言

汽車智能化主要體現(xiàn)在車輛自身功能的數(shù)字化與自動(dòng)化及車輛與外界（路、云、網(wǎng)、圖等）的信息交互與深度耦合。其本質(zhì)在于：將“數(shù)字虛體”強(qiáng)大的實(shí)時(shí)映射和計(jì)算推演能力，深度融入傳統(tǒng)車路組成的“物理實(shí)體”之中，形成一個(gè)“虛實(shí)”結(jié)合的復(fù)雜大系統(tǒng)。該系統(tǒng)是具有跨學(xué)科、跨領(lǐng)域、跨地域的高度復(fù)雜性與異構(gòu)互操作性等特征的信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）的典型特征，可稱為智能網(wǎng)聯(lián)汽車信息物理系統(tǒng)（ICV CPS）。

ICV CPS作為典型的復(fù)雜系統(tǒng)工程問題，需要系統(tǒng)的方法來解決。基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法及相應(yīng)建模軟件工具被認(rèn)為是ICV CPS的有效應(yīng)用方法。

本文將分為上、下兩篇，對MBSE進(jìn)行系統(tǒng)地介紹。本文為上篇，將圍繞MBSE的背景意義、方法優(yōu)勢、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

一、背景與意義

作為典型的復(fù)雜系統(tǒng)工程問題，ICV CPS涌現(xiàn)出許多各成員系統(tǒng)本身不具備的行為特性和需求，若采用各自獨(dú)立研發(fā)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式進(jìn)行各成員系統(tǒng)的研發(fā)，不但可能導(dǎo)致各成員系統(tǒng)無法滿足ICV CPS的要求，還容易引起成員系統(tǒng)在ICV CPS中與其他成員系統(tǒng)出現(xiàn)協(xié)同故障，甚至引起ICV CPS的失效和解體。

源自于美國曼哈頓計(jì)劃與錢學(xué)森的系統(tǒng)工程（SE）被證明是解決復(fù)雜系統(tǒng)研發(fā)困難最有效的方法之一，該方法首先成功應(yīng)用于航空航天系統(tǒng)，隨后建立了基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法，并構(gòu)建了相應(yīng)的建模軟件工具。

MBSE在汽車領(lǐng)域得到初步應(yīng)用，美國福特公司正在應(yīng)用MBSE完成智能汽車的用戶需求分析、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、整車級(jí)系統(tǒng)仿真驗(yàn)證；國外工業(yè)軟件供應(yīng)商，如法國Dassault Systèmes、德國西門子等，都在構(gòu)建覆蓋汽車從系統(tǒng)需求、系統(tǒng)開發(fā)、詳細(xì)設(shè)計(jì)到集成測試的整個(gè)過程；我國在《信息物理系統(tǒng)建設(shè)指南（2020）》與《智能網(wǎng)聯(lián)汽車信息物理系統(tǒng)參考架構(gòu)2.0》中，已提出面向ICV CPS的研發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)路徑。



二、MBSE是系統(tǒng)工程的有效應(yīng)用方法

作為系統(tǒng)科學(xué)的一個(gè)分支，系統(tǒng)工程通過對系統(tǒng)的組成，結(jié)構(gòu)，信息流等進(jìn)行科學(xué)的、有條理的研究和分析，可以更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的目的。

國際系統(tǒng)工程師協(xié)會(huì)（INCOSE）將系統(tǒng)工程定義為：系統(tǒng)工程是一種能夠使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科的方法和手段。系統(tǒng)工程專注于在系統(tǒng)開發(fā)的早期階段，就定義并文檔化客戶需求，然后再考慮系統(tǒng)運(yùn)行、成本、進(jìn)度、性能、培訓(xùn)、保障、試驗(yàn)、制造等問題，并進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和確認(rèn)。

由此可見，系統(tǒng)工程可被應(yīng)用于建立跨學(xué)科的復(fù)雜大系統(tǒng)，使學(xué)科與學(xué)科之間、子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間和系統(tǒng)的整體與局部之間相互協(xié)調(diào)和配合，從而優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行。

伴隨著需求的增長和技術(shù)的革新，傳統(tǒng)工業(yè)逐漸向智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型。在新的工業(yè)環(huán)境下，系統(tǒng)復(fù)雜度的提升所產(chǎn)生的龐大信息量與數(shù)據(jù)量給傳統(tǒng)的基于文檔的系統(tǒng)工程（TSE）帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。在這一背景下，基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）應(yīng)運(yùn)而生并逐步取得發(fā)展。事實(shí)上，TSE向MBSE的轉(zhuǎn)變，是“文檔”向“模型”的轉(zhuǎn)變，其主要區(qū)別體現(xiàn)如表 1所示。

首先，模型的使用，可以在很大程度上解決文檔標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)范、不統(tǒng)一的問題；其次，模型可以更全面、立體地描述復(fù)雜系統(tǒng)的組成、功能、運(yùn)行等特征，加強(qiáng)工程人員的理解與認(rèn)知，并消除溝通中可能產(chǎn)生的歧義；最后，相對于文檔，模型的維護(hù)和更新更加便捷、高效，因此MBSE可以加快系統(tǒng)的迭代速度。

表1 傳統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)研發(fā)模式和MBSE研發(fā)模式的區(qū)別


三、MBSE方法的優(yōu)勢

MBSE方法開展復(fù)雜系統(tǒng)研發(fā)的意義或優(yōu)勢主要體現(xiàn)可歸結(jié)為三個(gè)字：“快”、“省”、“好”。

“快”體現(xiàn)為：在復(fù)雜系統(tǒng)研制的初期，MBSE可以實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)循環(huán)迭代中，可最大程度加速各階段需求的確認(rèn)和系統(tǒng)方案的完善；

“省”體現(xiàn)為：復(fù)雜系統(tǒng)研制過程中，一方面多專業(yè)多領(lǐng)域模型可復(fù)用，另一方面全生命周期內(nèi)通過模型的追溯，可以快速定位系統(tǒng)變更、故障排查等，這兩方面使得時(shí)間代價(jià)大大縮減，方案修改、完善、優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)成本接近為零；

“好”體現(xiàn)為：復(fù)雜系統(tǒng)由實(shí)物驗(yàn)證到基于模型的多專業(yè)聯(lián)合仿真驗(yàn)證，保證了設(shè)計(jì)的各個(gè)階段能夠不斷的聯(lián)合仿真評估，避免“過設(shè)計(jì)”和“欠設(shè)計(jì)”。

四、研究現(xiàn)狀

系統(tǒng)工程起源于20世紀(jì)早期，最早被應(yīng)用于第二次世界大戰(zhàn)。直到1951年，美國貝爾公司在建成微波中繼通信網(wǎng)后正式提出“系統(tǒng)工程”這一名詞。1972年，美國阿波羅載人登月工程運(yùn)用系統(tǒng)工程的方法大獲成功，這讓系統(tǒng)工程第一次在世界范圍內(nèi)被人們所熟知。之后，在美國國防部的領(lǐng)導(dǎo)下，承包商標(biāo)準(zhǔn)被引入，系統(tǒng)工程才逐漸被應(yīng)用于民用航空領(lǐng)域。直到1990年，為了滿足產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品趨向高復(fù)雜化的發(fā)展需求，INCOSE在波音、洛克希德等航空航天、防務(wù)公司的大力倡導(dǎo)下成立，這也為系統(tǒng)工程在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

埃爾姆等曾做過關(guān)于系統(tǒng)工程能力對總體項(xiàng)目效果影響的調(diào)研。他們在《系統(tǒng)工程有效性調(diào)研》中指出，提高系統(tǒng)工程能力能夠很明顯地提高項(xiàng)目整體的效果。尤其是當(dāng)項(xiàng)目總體的挑戰(zhàn)性較低時(shí)，提高系統(tǒng)工程能力甚至可以使項(xiàng)目整體效果翻倍。

巴克爾和威爾瑪在《系統(tǒng)工程有效性：信息技術(shù)領(lǐng)域軟件密集型系統(tǒng)的復(fù)雜性點(diǎn)范式》中提出了一個(gè)可以評估在大型集成項(xiàng)目的信息技術(shù)部門中使用系統(tǒng)工程方法和實(shí)踐的有效性的技術(shù)。

他們得出的結(jié)論是，將系統(tǒng)工程應(yīng)用于項(xiàng)目開發(fā)、測試和管理可以大大改善項(xiàng)目的生產(chǎn)率，并幫助項(xiàng)目達(dá)滿足成本、進(jìn)度和技術(shù)范圍的需求。

國外研究現(xiàn)狀

作為系統(tǒng)工程的重要分支和未來的趨勢，MBSE的起源要追溯到20世紀(jì)中后期。系統(tǒng)模型理論的涌現(xiàn)，如納姆公理化設(shè)計(jì)理論、塔斯基建模理論等，加速發(fā)展了將模型理論應(yīng)用于系統(tǒng)工程的方法。

1993年，懷莫爾在《基于模型的系統(tǒng)工程》中提出了在系統(tǒng)工程中應(yīng)用基于數(shù)學(xué)表達(dá)式的模型化方法。這種方法通過對系統(tǒng)工程中的元素進(jìn)行抽象表達(dá)來建立各元素之間的聯(lián)系。1997年，對象管理組織（OMG）發(fā)布了統(tǒng)一建模語言（UML），并在UML的基礎(chǔ)上，于2003年提出了系統(tǒng)建模語言（SysML）。依托其可視化的特點(diǎn)，SysML被應(yīng)用于大型或前沿工程項(xiàng)目來提高開發(fā)效率并降低開發(fā)成本。2007 年，INCOSE在《系統(tǒng)工程 2020 愿景》中提出 MBSE 的定義：“對系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證與確認(rèn)等活動(dòng)的建模行為的形式化與標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用，這種建模應(yīng)用從系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)階段開始并貫穿系統(tǒng)開發(fā)及之后的生命周期。

MBSE作為一種新的范式，被美國國防部、歐空局等政府組織應(yīng)用于各種重大項(xiàng)目之中（如圖 1給出了美國國防部將MBSE列為研究重點(diǎn)）。德國工業(yè)4.0也將“利用模型掌握系統(tǒng)復(fù)雜性”列為未來重要活動(dòng)領(lǐng)域之一。
相比于傳統(tǒng)基于文本的系統(tǒng)工程，MBSE獨(dú)有的優(yōu)勢也讓很多政府組織和企業(yè)將技術(shù)路線從TSE轉(zhuǎn)到了MBSE。美國航空航天局（NASA）明確要求系統(tǒng)論證交付物必須是模型。洛馬公司潛艇設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行全新潛艇電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中花費(fèi)一年的時(shí)間將原來的文檔全部轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)模型。此外，在汽車領(lǐng)域，應(yīng)用MBSE在汽車電氣系統(tǒng)的開發(fā)過程中已經(jīng)是目前西門子等一級(jí)供應(yīng)商的主流解決方案。福特等整車企業(yè)也已經(jīng)開始著手于將MBSE應(yīng)用在整個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)流程中。


圖1 國防部系統(tǒng)工程研究中心（SERC）將MBSE列為研究重點(diǎn)（圖片來源：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新中心網(wǎng)站）

國內(nèi)研究現(xiàn)狀

相比于國外對系統(tǒng)工程及MBSE的研究，國內(nèi)的研究主要集中在21世紀(jì)初。這些研究更多的是著重于探討如何結(jié)合中國國情來進(jìn)行系統(tǒng)工程及MBSE的實(shí)際應(yīng)用。常見的MBSE方法在國內(nèi)，系統(tǒng)工程以及MBSE主要被應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。例如，航空工業(yè)集團(tuán)與IBM公司合作，引入IBM Harmony-SE方法和整套工具體系來開展航空系統(tǒng)工程，并通過仿真試驗(yàn)、驗(yàn)證、優(yōu)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)（圖 2所示為2016年航空工業(yè)集團(tuán)下屬企業(yè)的應(yīng)用情況）。中國商飛通過使用Harmony-SE方法開展飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求、功能邏輯驗(yàn)證，來解決飛機(jī)需求復(fù)雜、驗(yàn)證難度大等問題。隨著國內(nèi)工業(yè)技術(shù)的不斷更新與迭代，一些其他領(lǐng)域系統(tǒng)復(fù)雜度的提升，如智慧城市、智慧交通、智能網(wǎng)聯(lián)汽車等，使MBSE得到了更廣泛的應(yīng)用。


圖2 航空工業(yè)集團(tuán)的MBSE應(yīng)用（圖片來源：航空工業(yè)一飛院公眾號(hào)）