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基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）介紹（下）

2021-11-04 18:14:30·  來源：國汽智聯(lián)  
　
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)大的實時映射和計算推
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)大的實時映射和計算推演能力，深度融入傳統(tǒng)車路組成的“物理實體”之中，形成一個“虛實”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?；谀Ｐ偷南到y(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。

本文分為上、下兩篇，對MBSE進(jìn)行系統(tǒng)地介紹。上篇圍繞MBSE的背景意義、方法優(yōu)勢、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析（詳見：干貨分享|基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）介紹（上））。本篇為下篇，將圍繞MBSE的建模流程、方法、工具及未來發(fā)展進(jìn)行介紹。


圖1 MBSE方法的V流程
一、MBSE三大支柱

MBSE是方法學(xué)，亦是相關(guān)流程、方法和工具的集合。MBSE方法結(jié)合系統(tǒng)工程思想，通過模型貫穿系統(tǒng)全生命周期的全流程（如圖1所示），其中模型是整個MBSE方法實現(xiàn)的核心，也是MBSE方法在系統(tǒng)研發(fā)中實現(xiàn)高效研發(fā)、高質(zhì)量設(shè)計的基礎(chǔ)，還是系統(tǒng)研發(fā)過程中系統(tǒng)技術(shù)和工程經(jīng)驗的積累和體現(xiàn)，是企業(yè)的核心資產(chǎn)。
因此，MBSE方法的應(yīng)用，應(yīng)該著重于構(gòu)建系統(tǒng)的模型，尤其是建模過程中涉及的建模語言、建模工具和建模方法，這三者亦被稱為“MBSE的三大支柱”。下文就“三大支柱”進(jìn)行簡單介紹。
建模語言

標(biāo)準(zhǔn)化和健壯的建模語言被認(rèn)為是實現(xiàn)MBSE的關(guān)鍵因素。系統(tǒng)建模語言(OMG SysML™ System modeling language)就是這樣一種通用建模語言，能滿足多層級的建模需要（行為、結(jié)構(gòu)、性能…），支持機(jī)、電、液、軟、控等多學(xué)科交流和多領(lǐng)域合作，直觀、全過程可度量且可控制，以及具備擴(kuò)展性強(qiáng)、支持多種工具等優(yōu)勢。
SysML是一種圖形化建模語言，支持系統(tǒng)級的規(guī)范、設(shè)計、分析和驗證，這些系統(tǒng)可能包括硬件和設(shè)備、軟件、數(shù)據(jù)、人員、過程和設(shè)施，為建模系統(tǒng)需求、行為、結(jié)構(gòu)和參數(shù)提供了語義基礎(chǔ)，用于與其他工程分析模型集成。
它是MBSE實踐者在創(chuàng)建系統(tǒng)模型時“說”的語言，可以把他們的系統(tǒng)設(shè)計觀點可視化，并與利益相關(guān)者溝通。而SysML這種可視化的“溝通”方式是通過如下九張圖完成的（如圖2所示）。

圖2 SysML語言的九張圖
建模工具

建模是實現(xiàn)MBSE應(yīng)用的直接技術(shù)手段，所采用的工具在市面上有多款商業(yè)化工具軟件，國外廠商系統(tǒng)架構(gòu)建模工具有IBM的Rhapsody、西門子推廣的Tales工具Capella、Dassault Systèmes的MagicDraw、Sparx Systems公司的Enterprise Architect（EA）等相關(guān)工具（摘錄其中兩款軟件的建模示意，顯示如圖3所示）。此外，國內(nèi)廠商也在近些年推出了國產(chǎn)自主的SysML系統(tǒng)建模工具軟件，如Modelook等。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)建模工具軟件示意
建模方法

隨著MBSE的應(yīng)用和發(fā)展，涌現(xiàn)出MBSE的不同方法學(xué)，以實現(xiàn)MBSE的應(yīng)用和建模，其中INCOSE認(rèn)可就超過7種，常見的有IBM的Harmony-SE（如圖 4(a)圖）、INCOSE的OOSEM（如圖 4 (b)圖）、Dassault Systèmes的MagicGrid等。

圖4 兩種常見MBSE方法（示意）
二、機(jī)遇與挑戰(zhàn)

INCOSE在《系統(tǒng)工程2020愿景》中首次提出MBSE的遠(yuǎn)景規(guī)劃，到2020 年定義完善的MBSE理論與實踐體系，并且到2025年建立成熟的跨領(lǐng)域模型庫和集成開發(fā)環(huán)境。這為國內(nèi)的MBSE應(yīng)用提供了扎實的理論基礎(chǔ)。另外，基于MBSE的諸多優(yōu)勢，其應(yīng)用可以為國內(nèi)日趨復(fù)雜的跨領(lǐng)域的系統(tǒng)體系建立提供支撐，使系統(tǒng)體系的迭代可以跟上技術(shù)更新的速度。
同時，MBSE在國內(nèi)的全面推廣和應(yīng)用又面臨著很多挑戰(zhàn)。盡管MBSE的模型迭代速度很快，但是最開始將復(fù)雜大系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、模型化卻要花費很多時間。另外，傳統(tǒng)系統(tǒng)開發(fā)人員學(xué)習(xí)MBSE和轉(zhuǎn)型也要花費一定的時間成本。國內(nèi)MBSE在非航空航天領(lǐng)域的實際應(yīng)用過少，也在一定程度上限制了大眾的認(rèn)可度。
在智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，車-路-云-網(wǎng)-圖這些成員系統(tǒng)各自封閉獨立，導(dǎo)致它們傳統(tǒng)各自獨立的研發(fā)模式難以適應(yīng)ICV CPS的研發(fā)需要。因此，若需明確ICV CPS專用的設(shè)計方法與研發(fā)流程，國內(nèi)ICV CPS相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)在結(jié)合ICV CPS各成員系統(tǒng)傳統(tǒng)研發(fā)模式的基礎(chǔ)上，亟需構(gòu)建基于MBSE的系統(tǒng)性方法體系和設(shè)計工具鏈原型（詳見《智能網(wǎng)聯(lián)汽車信息物理系統(tǒng)參考架構(gòu)2.0》關(guān)于工具鏈建設(shè)的描述），以快速支撐ICV CPS研發(fā)和發(fā)展，建成中國方案智能網(wǎng)聯(lián)汽車，以擺脫對國外技術(shù)研究的過多依賴，形成智能網(wǎng)聯(lián)汽車的全球產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。
三、總結(jié)與展望

新一代信息化和數(shù)字化技術(shù)推動汽車、交通、通信等多領(lǐng)域的深度融合，形成了具有復(fù)雜系統(tǒng)特征的智能網(wǎng)聯(lián)汽車信息物理系統(tǒng)（ICV CPS）。這一復(fù)雜系統(tǒng)中，車-路-云-網(wǎng)-圖各自封閉獨立的研發(fā)模式，無法適應(yīng)ICV CPS研發(fā)和發(fā)展，且現(xiàn)階段沒有明確的ICV CPS設(shè)計方法及研發(fā)流程。因此，源自航空航天領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)工程方法——MBSE方法成為解決ICV CPS研發(fā)困難的一個方案。
與傳統(tǒng)研發(fā)模式相比，MBSE具有提高系統(tǒng)開發(fā)效率、降低開發(fā)成本等優(yōu)勢，是未來系統(tǒng)工程的發(fā)展方向。但MBSE方法在標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用、相關(guān)人員轉(zhuǎn)型、模型庫構(gòu)建等方面需要大量的資源和時間投入，使得其在國內(nèi)的推廣受到很大阻礙。克服這些阻礙的有效手段構(gòu)建基于MBSE的系統(tǒng)性方法體系和設(shè)計工具鏈原型，使短期內(nèi)所有工程技術(shù)人員無需精通MBSE方法，就能妥善完成復(fù)雜系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計。
現(xiàn)階段，面對ICV CPS設(shè)計、研發(fā)、仿真、驗證、部署和應(yīng)用方面國內(nèi)尚無完善的基礎(chǔ)理論、核心方法和專用設(shè)計工具等問題，國家智能網(wǎng)聯(lián)汽車創(chuàng)新中心將結(jié)合MBSE方法論，研究規(guī)范化架構(gòu)構(gòu)建、融合統(tǒng)一建模、數(shù)字孿生設(shè)計、驗證評估實現(xiàn)確認(rèn)等關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，構(gòu)建一套面向 ICV CPS全生命周期的理論體系、技術(shù)路線和實現(xiàn)方法，進(jìn)而在ICV CPS體系架構(gòu)設(shè)計及構(gòu)型優(yōu)化、ICV CPS參考架構(gòu)模型庫、跨學(xué)科模型融合、數(shù)據(jù)可溯源設(shè)計、整體驗證評估等方面形成創(chuàng)新技術(shù)成果，為中國方案ICV CPS的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用實現(xiàn)提供科學(xué)依據(jù)與實施路徑。

本文作者：國家智能網(wǎng)聯(lián)汽車創(chuàng)新中心 信息物理架構(gòu)部
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