一、概述
1.1系统工程概念
INCOSE对系统工程的定义： · 系统工程是一个跨学科的方法和手段，以实现成功的系统； · 系统工程集成了所有学科和专业团队，形成结构化的开发过程，从概念到产品到运营。结合所有客户的业务和技术需求，提供一个满足用户需求高质量和安全的产品； · 系统工程侧重于在开发早期定义客户的需求和所需的功能，并记录所有需求，然后进行设计综合和系统验证； · 系统工程关注的其实就是一个以客户需求导向的正向开发过程，以寻求系统最优解决方案。 系统工程由来已久：例如金字塔建造者是系统工程师，李冰父子构建的都江堰都也是系统工程的典范。但是系统工程一词在20世纪50年代正式出现，与其同时出现的还有复杂的航空/国防防御项目(导弹，预警雷达…)、登月工程等。1.2传统系统工程
传统的系统工程主要以文本文件为主，通过定义的表格、Word、PDF等记录需求、功能、逻辑和物理定义。很难追溯，且容易出错，效率低。所以传统系统工程就存在如下挑战：
· 统一的工程语言； · 需求的可追溯性管理； · 系统模型的有效管控；· 系统模型与各专业模型的协同。
1.3基于模型的系统工程
基于模型的系统工程，即Model Based System Engineering，简称MBSE。MBSE具有如下几个特性：
· MBSE是SE的一部分，不能取代SE； · MBSE帮助加强沟通、管理复杂性以及改进产品质量； · 系统模型“System Model”扮演一个集成的角色，集成项目中的各种模型； · 有效的系统模型组织了丰富的技术信息，消除了不一致性，且支持分析和验证，支持自动生 · MBSE的实施涉及到一定的学习曲线，以及思想观念的转变，所以需要做好充分的准备。1.4传统系统工程与基于模型的系统工程的对比
传统系统工程与基于模型的系统工程的特点对比：
序号 | 传统系统工程 | 基于模型的系统工程 |
1 | 自然语言为主，松耦合、多文档重复； | 系统建模语言为主，复用性强，定义关联； |
2 | 跨越多文档、信息孤立； | 关系可追溯，可动态程序化； |
3 | 以系统的功能分解为主线； | 以系统实体的层层分解为主线； |
4 | 自然语言编辑软件，以处理文本文档为主； | 系统建模语言编辑软件，以处理图形化、形式化的模型为主； |
5 | “离散”报告构成，靠手动、人工关联； | 存储在计算机模型库中，自动关联 |
基于模型的系统工程主要的关键点在于系统模型。系统模型是一组相互关联的模型元素。它们表示系统的关键样貌，包括：结构、行为、需求和参数；系统模型表示需求、设计、分析和验证元素之间的逻辑关系。
系统模型主要作用在于跟踪关联外部需求，对外展示不同的视角来表达系统，与分析模型传递分析需求做性能评估，与机械设计模型、电子设计模型、软件设计模型以及测试模型等进行协同。
系统模型需要语言描述，系统工程中系统描述语言是SysML(Systems Modeling Language)。
· SysML是一种通用建模语言，支持系统的规范、设计、分析和验证，系统可能包括硬件、软件、数据、人员、过程和设施。 · SysML是一种可视化的模式语言，既可以被人类理解，也可以被计算机理解和扩展。 · SysML是专为支持现代系统工程而设计的新的行业标准语言。 · SysML是UML的一个子集，支持系统建模需求的扩展。图 1 SysML概述
企业在实施过程中需要系统建模的工具、工具的培训和建模的培训，必须使用相关的建模标准和建模规范，以及有效的模型的管理。另外需要遵循相关的方法论例如Arcadia等。
1.6系统工程实施的必要性企业在针对越来越复杂的产品，研发过程中使用系统工程是及其有必要的，主要体现在：
1) 系统工程能够管理系统复杂性； 2) 系统工程可以促进产品创新； 3) 系统工程可以有效控制产品生命周期成本； 4) 系统工程可以提高项目质量。二、解决方案
基于模型的系统工程解决方案如下图所示：
图 2 基于MBSE的设计方法
主要内容包括：需求管理、系统建模和系统验证。
2.1需求管理 基于Teamcenter系统提供全面集成的需求管理，提供系统地、可重复验证的需求捕获、需求分析、需求分解与分配、需求跟踪与追溯、需求确认、需求变更与重用及需求验证能力。提供分析工具来从标准的文档中导入和分析需求规格，自动创建匹配的结构，并在整个企业中协同。通过工作流程和更改对需求进行版本管理和基线管理。通过分析请求，将产品目标参数发动到仿真架构，仿真架构结合仿真模型验证产品目标参数，完成需求的验证。图 3 需求管理总体架构
在进行需求定义之后，通过分析请求将系统需求及架构同步到仿真架构，仿真架构结合专业领域模型进行仿真验证，最终将仿真结果反馈到分析请求中，实现需求验证的闭环管理。图 4 需求验证的闭环
2.2系统建模 通过SMW(系统建模工作台System Modeling Workbench)工具，实现完整的系统建模过程，包括：运营分析、系统分析、逻辑架构分析、物理架构分析等。构建各类系统架构模型图，如：数据流图(Data Flow diagrams)、架构视图(Architecture diagrams)、场景图(Scenario diagrams)、模式与状态图(Mode and State diagrams)、分解视图(Breakdown diagrams)、 类图(Class diagrams)、能力视图(Capability diagrams)等。各类系统模型、接口、图形都统一在Teamcenter中进行管理。 SMW以Arcadia方法论为支撑，支持SysML/UML等图形化系统建模语言，兼容主流SysML模型对应的XML、XMI文件。 图 5 系统建模过程 通过SMW构建的系统模型可以与各个系统集成以实现： · 系统架构与安全性架构集成关联，实现“六性分析”； · 系统架构与仿真架构关联，实现系统验证； · 系统架构与电气系统架构关联，实现基于架构的电气设计； · 系统架构与软件关联，实现基于架构的软件设计。 2.3系统验证 系统工程师和架构工程师可以通过创建系统架构，配置和仿真来无缝地进行概念设计，用于实现系统架构的设计、系统模型的配置、仿真工况定义、后处理以及优化。例如Amesim、 Simulink和其它工具所创建的模型(Modelica)和数据，无缝地结合在一起进行概念设计、系统架构设计、集成和验证，支持多方案验证、设备选型等。结合专业仿真工具驱动3D数模动画，进行可视化的场景验证。图 6 基于模型的系统架构验证
系统支持系统模型到NX三维模型的验证闭环。由系统架构师发起分析请求，请求中标明分析的参数信息。设计工程师收到分析请求之后，通过系统架构关联的NX模型，用NX打开进行分析与计算参数。设计工程师/仿真工程师将分析结果反馈到分析请求和架构模型中，实现分析验证的闭环。
图 7 MX中基于模型的系统验证
三、实施建议
我们建议企业在落地MBSE的时候参考如下三个阶段进行： 图 8 MBSE落地建议第一个阶段主要为初始化模型能力阶段。主要为认识、理解建模。建议的手段有组织学习、培训，以及试点项目等方式。
第二个阶段主要为模型的使用阶段，主要为首次使用，适应建模。建议的手段为试点项目进行建模，并且构建初始的建模环境。
第三阶段主要在使用过程中产生的新的需求的改进。逐渐形成适应变化的协同建模环境。企业内部在统一的系统模型环境中工作。
四、价值与影响
实施基于模型的系统工程会对企业带来的影响有：
>企业还需要文档么？答案是，仍然需要。
虽然MBSE的目的是从文档转移到模型视图，模型视图作为权威的信息源头，但是在企业的很多环节，仍然需要文档来支撑正常的运转。实施MBSE不会完全替换文档的作用。可以通过模型转换快速生成所需要的文档。
>基于模型的系统工程对组织的影响：
组织中的每个成员都必须学习模型，但程度不一样。如下图所示：核心建模组以及设计建模技术团队必须深入掌握建模技术，其他成员仅需会理解和表达概念即可。
图 9 系统工程对组织的影响
>基于模型的系统工程对评审的影响：
通过系统模型构建的系统模型，提供了持续评审的能力。系统模型可以生成不同的视图为不同的利益攸关者展示。系统模型本身也可以用来回顾以减少非生产性工作和产生更快的决策。
通过实施基于模型的系统工程可以为企业带来如下效益：>加强沟通协作
· 单一的、权威的信息源可以让团队对信息认识保持一致； · 从一个阶段到下一个阶段更完整地传输连接和原理。>可以提高质量
· 由于语义更清晰，更早地检测不一致(歧义) · 户通过系统的建模发现一致性问题，通过捕捉系统的细节，对系统有更深入的了解，并避免了错误或潜在的问题。>能够重用知识
· MBSE对知识库(模型、需求等)进行重用； · 有效的模型中包含了各类知识、技术专长等。>可以提高生产力
· 减少信息的搜寻(以往需要不同专业知识才能检索)； · 自动输出项目文档、报告，提高效率。>支持集成
· 提供一致的定义以便与科学模型集成，包括成本模型和多学科的模型；>帮助管理复杂性
· 通过系统建模及视图的表达，简化系统表达方式； · 不同的利益攸关者关注不同的视图。>能吸引早期的职业人才
· MBSE是大学教育与制度实践的桥梁； · 目前大学正在向工程系学生传授MBSE方法； · 新员工是早期采用者中的佼佼者。能科股份介绍
能科科技股份有限公司，成立于2006年12月，2016年10月在上交所上市(股票代码：603859.SH)，致力成为业内领先的智能制造与智能电气先进技术提供商。坚持智能制造、智能电气双轮驱动战略，依托先进的工业软件和电力电子技术，为客户定制专属的，以工业互联网为核心的，数字化、网络化、智能化系统解决方案。
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