基于模型的系统工程（MBSE）介绍（上）-绵羊汽车生活记录

汽车智能化合键表现正在车辆本身成效的数字化与自愿化及车辆与外界（道、云、网、图等）的音信交互与深度耦合。其本色正在于：将“数字虚体”宏大的及时映照和计划推演才能，深度融入古代车道构成的“物理实体”之中，造成一个“内幕”联合的庞杂大致例。该体例是具有跨学科、跨范畴、跨区域的高度庞杂性与异构互操作性等特性的音信物理体例（Cyber-Physical Systems，CPS）的样板特性，可称为智能网联汽车音信物理体例（ICV CPS）。

ICV CPS行为样板的庞杂体例工程题目，必要体例的步骤来治理。基于模子的体例工程（MBSE）步骤及相应修模软件器械被以为是ICV CPS的有用使用步骤。

本文将分为上、下两篇，对MBSE举行体例地先容。本文为上篇，将缠绕MBSE的布景旨趣、步骤上风、国表里探索近况举行解析。

行为样板的庞杂体例工程题目，ICV CPS映现出很众各成员体例自己不具备的活动特色和需求，若采用各自独立研发的古代打算形式举行各成员体例的研发，不仅可以导致各成员体例无法知足ICV CPS的条件，还容易惹起成员体例正在ICV CPS中与其他成员体例崭露协同妨碍，乃至惹起ICV CPS的失效和瓦解。

源自于美国曼哈顿企图与钱学森的体例工程（SE）被说明是治理庞杂体例研发贫乏最有用的步骤之一，该步骤开始告成使用于航空航天体例，随后修树了基于模子的体例工程（MBSE）步骤，并构修了相应的修模软件器械。

MBSE正在汽车范畴获得发轫使用，美国福特公司正正在使用MBSE告终智能汽车的用户需求解析、体例架构打算、整车级体例仿真验证；外洋工业软件供应商，如法国Dassault Systèmes、德国西门子等，都正在构修笼盖汽车从体例需求、体例开荒、仔细打算到集成测试的统统进程；我国正在《音信物理体例修复指南（2020）》与《智能网联汽车音信物理体例参考架构2.0》中，已提具名向ICV CPS的研发打算技能旅途。

行为体例科学的一个分支，体例工程通过对体例的构成，组织，音信流等举行科学的、有层次的探索和解析，能够更好地完成体例的方针。

国际体例工程师协会（INCOSE）将体例工程界说为：体例工程是一种可以使体例完成跨学科的步骤和手法。体例工程潜心于正在体例开荒的早期阶段，就界说并文档化客户需求，然后再商量体例运转、本钱、进度、职能、培训、保证、试验、创设等题目，并举行体例打算和确认。

由此可睹，体例工程可被使用于修树跨学科的庞杂大致例，使学科与学科之间、子体例与子体例之间和体例的集体与局限之间彼此协和和配合，从而优化体例的运转。

伴跟着需求的延长和技能的改革，古代工业慢慢向智能化、数字化转型。正在新的工业处境下，体例庞杂度的晋升所形成的宏壮音信量与数据量给古代的基于文档的体例工程（TSE）带来了史无前例的挑衅。正在这一布景下，基于模子的体例工程（MBSE）应运而生并慢慢赢得繁荣。底细上，TSE向MBSE的改观，是“文档”向“模子”的改观，其合键区别表现如表 1所示。

开始，模子的运用，能够正在很大水平上治理文档准则不样板、分别一的题目；其次，模子能够更一共、立体地描写庞杂体例的构成、成效、运转等特性，强化工程职员的贯通与认知，并撤消疏导中可以形成的歧义；结果，相关于文档，模子的维持和更新加倍便捷、高效，于是MBSE能够加快体例的迭代速率。

“速”表现为：正在庞杂体例研制的初期，MBSE能够完成计划打算轮回迭代中，可最大水平加快各阶段需求切实认和体例计划的美满；

“省”表现为：庞杂体例研制进程中，一方面众专业众范畴模子可复用，另一方面全性命周期内通过模子的追溯，能够迅速定位体例更动、妨碍排查等，这两方面使得时辰价钱大大缩减，计划点窜、美满、优化的经济本钱亲切为零；

“好”表现为：庞杂体例由实物验证到基于模子的众专业连结仿真验证，包管了打算的各个阶段可以继续的连结仿真评估，避免“过打算”和“欠打算”。

体例工程出处于20世纪早期，最早被使用于第二次全国大战。直到1951年，美国贝尔公司正在修成微波中继通讯网后正式提出“体例工程”这一名词。1972年，美国阿波罗载人登月工程操纵体例工程的步骤大获告成，这让体例工程第一次活着界限度内被人们所熟知。之后，正在美国国防部的诱导下，承包牌号准被引入，体例工程才慢慢被使用于民用航空范畴。直到1990年，为了知足财富和产物趋势高庞杂化的繁荣需求，INCOSE正在波音、洛克希德等航空航天、防务公司的大举倡议下制造，这也为体例工程正在学术界和工业界繁荣奠定了杰出的底子。

埃尔姆等曾做过合于体例工程才能对总体项目后果影响的调研。他们正在《体例工程有用性调研》中指出，降低体例工程才能可以很明白地降低项目集体的后果。特别是当项目总体的挑衅性较低时，降低体例工程才能乃至能够使项目集体后果翻倍。

巴克尔和威尔玛正在《体例工程有用性：音信技能范畴软件鳞集型体例的庞杂性点范式》中提出了一个能够评估正在大型集成项方针音信技能部分中运用体例工程步骤和执行的有用性的技能。

他们得出的结论是，将体例工程使用于项目开荒、测试和打点能够大大改良项方针坐褥率，并助助项目达知足本钱、进度和技能限度的需求。

行为体例工程的主要分支和来日的趋向，MBSE的出处要追溯到20世纪中后期。体例模子表面的映现，如纳姆正理化打算表面、塔斯基修模表面等，加快繁荣了将模子表面使用于体例工程的步骤。

1993年，怀莫尔正在《基于模子的体例工程》中提出了正在体例工程中使用基于数学表达式的模子化步骤。这种步骤通过对体例工程中的元素举行概括表达来修树各元素之间的合系。1997年，对象打点构制（OMG）公布了同一修模发言（UML），并正在UML的底子上，于2003年提出了体例修模发言（SysML）。依托其可视化的特色，SysML被使用于大型或前沿工程项目来降低开荒作用并消浸开荒本钱。2007 年，INCOSE正在《体例工程 2020 愿景》中提出 MBSE 的界说：“对体例需求、打算、解析、验证与确认等行动的修模活动的大局化与准则化的使用，这种修模使用从体例观念打算阶段先河并贯穿体例开荒及之后的性命周期。

MBSE行为一种新的范式，被美国国防部、欧空局等政府构制使用于各样宏大项目之中（如图 1给出了美国国防部将MBSE列为探索核心）。德国工业4.0也将“诈欺模子驾驭体例庞杂性”列为来日主要行动范畴之一。

比拟于古代基于文本的体例工程，MBSE独有的上风也让良众政府构制和企业将技能门道从TSE转到了MBSE。美国航空航天局（NASA）明晰条件体例论证交付物必需是模子。洛马公司潜艇打算团队正在举行全新潜艇电子体例打算进程中花费一年的时辰将原先的文档一起转化为体例模子。其它，正在汽车范畴，使用MBSE正在汽车电气体例的开荒进程中仍旧是目前西门子等一级供应商的主流治理计划。福特等整车企业也仍旧先河开头于将MBSE使用正在统统产物的研发流程中。

图1 国防部体例工程探索核心（SERC）将MBSE列为探索核心（图片起原：工业互联网改进核心网站）

比拟于外洋对体例工程及MBSE的探索，国内的探索合键荟萃正在21世纪初。这些探索更众的是着重于切磋奈何联合中国国情来举行体例工程及MBSE的实践使用。常睹的MBSE步骤正在国内，体例工程以及MBSE合键被使用正在航空航天范畴。比方，航空工业集团与IBM公司合营，引入IBM Harmony-SE步骤和整套器械系统来发展航空体例工程，并通过仿真试验、验证、优化了体例打算（图 2所示为2016年航空工业集团属员企业的使用景况）。中国商飞通过运用Harmony-SE步骤发展飞机体例打算的需求、成效逻辑验证，来治理飞机需求庞杂、验证难度大等题目。跟着国内工业技能的继续更新与迭代，极少其他范畴体例庞杂度的晋升，如机灵都邑、机灵交通、智能网联汽车等，使MBSE获得了更普通的使用。