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、圖等）的信息交互與深度耦合。其本質在于：將“數(shù)字虛體”強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”結合的復雜大系統(tǒng)。該系統(tǒng)是具有跨學科、跨領域、跨地域的高度復雜性與異構互操作性等特征的信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）的典型特征，可稱為智能網聯(lián)汽車信息物理系統(tǒng)（ICV CPS）。

ICV CPS作為典型的復雜系統(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）方法及相應建模軟件工具被認為是ICV CPS的有效應用方法。

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

一、背景與意義

作為典型的復雜系統(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，若采用各自獨立研發(fā)的傳統(tǒng)設計模式進行各成員系統(tǒng)的研發(fā)，不但可能導致各成員系統(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劃與錢學森的系統(tǒng)工程（SE）被證明是解決復雜系統(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，并構建了相應的建模軟件工具。

MBSE在汽車領域得到初步應用，美國福特公司正在應用MBSE完成智能汽車的用戶需求分析、系統(tǒng)架構設計、整車級系統(tǒng)仿真驗證；國外工業(yè)軟件供應商，如法國Dassault Systèmes、德國西門子等，都在構建覆蓋汽車從系統(tǒng)需求、系統(tǒng)開發(fā)、詳細設計到集成測試的整個過程；我國在《信息物理系統(tǒng)建設指南（2020）》與《智能網聯(lián)汽車信息物理系統(tǒng)參考架構2.0》中，已提出面向ICV CPS的研發(fā)設計技術路徑。



二、MBSE是系統(tǒng)工程的有效應用方法

作為系統(tǒng)科學的一個分支，系統(tǒng)工程通過對系統(tǒng)的組成，結構，信息流等進行科學的、有條理的研究和分析，可以更好地實現(xiàn)系統(tǒng)的目的。

國際系統(tǒng)工程師協(xié)會（INCOSE）將系統(tǒng)工程定義為：系統(tǒng)工程是一種能夠使系統(tǒng)實現(xiàn)跨學科的方法和手段。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)運行、成本、進度、性能、培訓、保障、試驗、制造等問題，并進行系統(tǒng)設計和確認。

由此可見，系統(tǒng)工程可被應用于建立跨學科的復雜大系統(tǒng)，使學科與學科之間、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)調和配合，從而優(yōu)化系統(tǒng)的運行。

伴隨著需求的增長和技術的革新，傳統(tǒng)工業(yè)逐漸向智能化、數(shù)字化轉型。在新的工業(yè)環(huán)境下，系統(tǒng)復雜度的提升所產生的龐大信息量與數(shù)據量給傳統(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）應運而生并逐步取得發(fā)展。事實上，TSE向MBSE的轉變，是“文檔”向“模型”的轉變，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準不規(guī)范、不統(tǒng)一的問題；其次，模型可以更全面、立體地描述復雜系統(tǒng)的組成、功能、運行等特征，加強工程人員的理解與認知，并消除溝通中可能產生的歧義；最后，相對于文檔，模型的維護和更新更加便捷、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方法開展復雜系統(tǒng)研發(fā)的意義或優(yōu)勢主要體現(xiàn)可歸結為三個字：“快”、“省”、“好”。

“快”體現(xiàn)為：在復雜系統(tǒng)研制的初期，MBSE可以實現(xiàn)方案設計循環(huán)迭代中，可最大程度加速各階段需求的確認和系統(tǒng)方案的完善；

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

“好”體現(xiàn)為：復雜系統(tǒng)由實物驗證到基于模型的多專業(yè)聯(lián)合仿真驗證，保證了設計的各個階段能夠不斷的聯(lián)合仿真評估，避免“過設計”和“欠設計”。

四、研究現(xiàn)狀

系統(tǒng)工程起源于20世紀早期，最早被應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被人們所熟知。之后，在美國國防部的領導下，承包商標準被引入，系統(tǒng)工程才逐漸被應用于民用航空領域。直到1990年，為了滿足產業(yè)和產品趨向高復雜化的發(fā)展需求，INCOSE在波音、洛克希德等航空航天、防務公司的大力倡導下成立，這也為系統(tǒng)工程在學術界和工業(yè)界發(fā)展奠定了良好的基礎。

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

巴克爾和威爾瑪在《系統(tǒng)工程有效性：信息技術領域軟件密集型系統(tǒng)的復雜性點范式》中提出了一個可以評估在大型集成項目的信息技術部門中使用系統(tǒng)工程方法和實踐的有效性的技術。

他們得出的結論是，將系統(tǒng)工程應用于項目開發(fā)、測試和管理可以大大改善項目的生產率，并幫助項目達滿足成本、進度和技術范圍的需求。

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世紀中后期。系統(tǒng)模型理論的涌現(xiàn)，如納姆公理化設計理論、塔斯基建模理論等，加速發(fā)展了將模型理論應用于系統(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)工程中應用基于數(shù)學表達式的模型化方法。這種方法通過對系統(tǒng)工程中的元素進行抽象表達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的基礎上，于2003年提出了系統(tǒng)建模語言（SysML）。依托其可視化的特點，SysML被應用于大型或前沿工程項目來提高開發(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、設計、分析、驗證與確認等活動的建模行為的形式化與標準化的應用，這種建模應用從系統(tǒng)概念設計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用于各種重大項目之中（如圖 1給出了美國國防部將MBSE列為研究重點）。德國工業(yè)4.0也將“利用模型掌握系統(tǒng)復雜性”列為未來重要活動領域之一。
相比于傳統(tǒng)基于文本的系統(tǒng)工程，MBSE獨有的優(yōu)勢也讓很多政府組織和企業(yè)將技術路線從TSE轉到了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。洛馬公司潛艇設計團隊在進行全新潛艇電子系統(tǒng)設計過程中花費一年的時間將原來的文檔全部轉化為系統(tǒng)模型。此外，在汽車領域，應用MBSE在汽車電氣系統(tǒng)的開發(fā)過程中已經是目前西門子等一級供應商的主流解決方案。福特等整車企業(yè)也已經開始著手于將MBSE應用在整個產品的研發(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（圖片來源：工業(yè)互聯(lián)網創(chuàng)新中心網站）

國內研究現(xiàn)狀

相比于國外對系統(tǒng)工程及MBSE的研究，國內的研究主要集中在21世紀初。這些研究更多的是著重于探討如何結合中國國情來進行系統(tǒng)工程及MBSE的實際應用。常見的MBSE方法在國內，系統(tǒng)工程以及MBSE主要被應用在航空航天領域。例如，航空工業(yè)集團與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、驗證、優(yōu)化了系統(tǒng)設計（圖 2所示為2016年航空工業(yè)集團下屬企業(yè)的應用情況）。中國商飛通過使用Harmony-SE方法開展飛機系統(tǒng)設計的需求、功能邏輯驗證，來解決飛機需求復雜、驗證難度大等問題。隨著國內工業(yè)技術的不斷更新與迭代，一些其他領域系統(tǒng)復雜度的提升，如智慧城市、智慧交通、智能網聯(lián)汽車等，使MBSE得到了更廣泛的應用。


圖2 航空工業(yè)集團的MBSE應用（圖片來源：航空工業(yè)一飛院公眾號）