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1、 王良声 袁建华 陈红涛 蒲洪波 自上世纪年代 以来 系统工程一直是 国外航天和国防领域所惯常采用的研制管理方 法 保障了自 大力神 导弹及阿波罗计划以 来众多项目的成功 然而 自年形成美国 军用标准 系统工程管理 且 一一 以来 该方法变化很小 与此 同时 系统的 规模和复杂性却在显著地增长 传统系统工程 方法已经不能满足需求 年月 在 美 国 航 空 航 天 局 的项 目管理挑战研讨会上 来 自约 翰逊航天中心的技术人员介绍了在航天服开发 中应用 基于模型的系统工程 的 情况 目前 所属的兰利航天中心 喷 气推进实验室等都在项 目研发 技术管理等方 面积极地应用方法 作为一种新 的范式 美
2、国国防部 欧空局等政府 组织和相关承包商积极在项目中应用 等 软件和方案提供商也在积极地开展研究 并开 发相关的支持环境 有关的研究与应用 正在快速地扩展开来 影响越来越大 方法已经成为最近几年系统工程界研究与应用 的热点 一 基于模型的系统工程的 概念与内涵 年 国际系统工程学会 在 系统工程年愿景 中 给出了 基于 模型 的系 统工 程 的定义基于模型的系统工 程是对系统工程活动中建模方法应用的正式 认同 以使建模方法支持系统要求 设计 分 析 验证和确认 等活动 这些 活动从概念性设 计阶段开始 持续贯穿到设计开发以及后来的 所有的寿命周期阶段 从的定义可 以看出 强调了 建模方法的应用
3、问题 我们知道 模型就是针 对建模对象研究对象中建模者感兴趣的某 些方面特征的近似表征 建模就是运用某种建 模语言和建模工具来建立模型的过程 仿真是 对模型的实施与执行 模型是我们思考问题的 基本方法 是设计工作的思维基础 实际上 各专业学科及系统工程一直在使用建模与仿真 方法 并不是对建模方法的首次采用 也就是说 与传统系统工程的区别并不 在是否采用建模方法 一系统工程的关键在于构建一个系统 架构模型 在整个系统工程工作过程中 人们不仅要 在头脑中建立具备一个关于该系统的全面的 概念 想法 构思 构想 而且在现实中 要针对这个 概念 建立某种类型的模型 如草 图 文字描述 表格 图片 图示
4、实物模型 等 这些模型统称为工件 是人们自己思考和与 他人沟通交流的工具 现实中工件和头脑中的概 念相互启发 不断深化和具体化 最终变成生产 人员可以使用的蓝图 再由生产人员把蓝图变成 最终交付的系统 这实际上是所有设计工作的一 般流程 并非系统工程所独有 只是系统工程需 要考虑的因素更多罢了 中阅 扰天 在设计过程中 需要从各个方面建立模型 来对该系统进行详细刻画 才能够准确地 全 面地描述系统 比如修建一座大厦时要画出立 面图 管道 图 电气图 楼层分布图等 这些 称为系统的视图 分别对应相关的专业学科 不同的工作角色及不同的利益相关者 系统的 视图实际上是从不同方面描述刻画了系统的某 个
5、方面的特征 因此 系统的各个视图要紧密 关联 保持一致 才能够保证最终的系统是正 确的 优化的 这其中 系统架构模型的建立是至关重要 的 也是必需的 系统架构模型是对系统整体 的 全面的描述 相当于通常所说的总体设计 方案 是整个研制工作的首要工件 系统架构 模型与各个视图相互关联 各方人员针对一个 共同的系统架构模型来分析和优化 因此 系 统工程的关键 就在于构建 出一个完整的系统 架构模型 二传统的系统工程用各种文本文档构 建系统架构模型 传统的系统工程中 系统工程活动的产出 是一系列基于自然语言的 以文本格式为主的文 档 比如用户的需求 设计方案 当然也包括一 些用实物做成的物理模型等
6、此时 系统架构模 型 由 一大包 各种各样的文档共同组成 如 火箭的总体布局方案 推进系统 控制系统等分 系统的设计方案以及弹道方案 分离方案等 把 这些文档 串起来 的东西是一系列的术语及参 数 这些术语对系统进行了定性描述 文档中包 含了系统的各种各样的参数 它们是系统的定量 描述 各专业学科的分析模型公式从文档中 抽取相关参数进行计算先找到术语 再找到参 数 计算之后再把相关参数写入文档 转交给 其它学科和相关人员 也就是说 参数在各个文 档之 间 来 回流动 这 种设计流程也被 称作 抛过墙的设计 很显然 在这个过程中 文 档管理的机制 配置管理的机制非常重要 总体 设计的工作主要就是
7、抓总和协调 并控制这些术 语和参数 的文档在描述系统架构模型时具有 天 生的缺陷 的文档是基于自然语言 基于 文本形式 当然也包括少量的表格 图示 图 画 照片等 由于自然语言并非专门为系统设计 所发明 而是要表示大千世界的万事万物 还要 表示纷繁复杂的各专业学科知识 所以丁的文 档要依靠相关工程设计的术语也是基于自然语 言的组合 来使各方对系统有一个共同的理解 和认识 所以各方的沟通交流要依赖不断更新的 术语表 词汇表等 否则就容易产生理解的不一 致性 尤其是当系统的规模越来越大 涉及的学 科越来越多 参与的单位越来越多时 这个问题 就更加地突出了 文档的电子化 网络化并没有从根本上改 变各
8、方对文档理解的不一致性 随着信息技术 的发展 系统工程的文档从过去的纸质方式 发展到 电子化的处理方式 比如 等 电子格式 这只是便利了存取 复制 修 改 其编码格式依然是基于文本的 各方人员 从文档中读取信息依然是 逐行扫描 方式 对于相关各方对文档的内容形成共同一致的理 解 并没有根本的改观 也就是说 实际 上并没有充分地利用信息技术的进步和成就 生生产侧造造 砚砚件椒皿皿皿软件徽虽虽 图系统架构模型的 中心位笠 队 航天政策与管理 因此 传 统 的系 统 工程 就是 以文档 为 中心的系统工程 这个文档又是 基于文本 的 所以也可以说传统的系统工程是 基于 文本的系统工程 三基于模型的系
9、统工程用系统建模 语言构建系统架构模型 在方法中 用系统建模语言来描述 系统架构模型 作为系统开发全过程中首要的 工件 并且对它进行管理 控制 并和系统技 术基线的其它部分进行集成 用面向对象的 图形化 可视化的系统建模语言描述系统的底 层元素 进而逐层向上组成集成化 具体化 可视化的系统架构模型 增加了对系统描述的 全面性 准确性和一致性 借助相关的软件环 境及模型和数据交换标准 可以对系统架构模 型进行存取操作系统架构模型存储在一个共 同的数据库中 相关参数之间是 自动关联的 可以生成系统的多个视图 比如导弹的任务剖 面 结构图 电气图等 因此 各个学科的专 业工程师 各种角色 都可以基于
10、这个系统架 构模型来工作 从共同的数据库 中取数 并用 本学科的模型及软件工具来进行分析 很显然 要实现上述 目的 需要相 应的理论基础 建模语言及工具 这包括来 自 软件工程领域的面向对象的分析与设计思想 系统建模理论 系统建模语 言 扩展标 记语言 元数据交换标准 系统工程数据的交 换标准等 的转变 这个模型 指的是用系统建模语言建 立的系统架构模型 或者说是系统架构模型的 建模语言从 自然语言 文本格式 转向了图 形化的系统建模语言 但并 不是完全抛弃过去的文档 而是从过去 以文 档为主 模型为辅 向 以模型为主 文档为 辅 的转变 一系统工程过程产生系统建模语言 框图 并组成系统架构模
11、型 传统的系统工程过程 个步骤分别生成 种文本文档 系统工程过程是系统工程方法的 发动 机 主要包括 个步骤 个回路 生成 种文档 第一步的要求分析负责把用户的 需求及外部环境的约束变换成系统要求 第二步 的功能分析与分配负责把系统要求变换成系统的 功能 并把功能分解为系统的一个一个的 小动 作 形成的文档是功能架构 第三步的设计综 合 则根据现有的产品及技术条件 把功能架 构 映射 到物理架构上 完成设计过程 个 回路则负责把 个步骤各自的产出和输入进行对 比 看是否匹配 这个过程叫作验证 这其中 设计师要在功能架构和物理架构之间进行多次 的 双方向的反复迭代 直至所有的功能架构和 物理架构
12、都被试验过 并且二者要一致 这里包 含了巨大的工作量 二 基于模型的系统工程相对于 传统系统工程的优势 和的 区别 就在于系 统架构模 型的构建方法和工具的不同 以及由此带来的 工作模式 设计流程等方方面面 的区别 也 就是说 传统的系统工程 变成基 于模型的系统 工程 实际是 从 基于文本 向 基于模型 要要求 分析析 肠皿肠耳 月 口日岛月口 月自 区书 尹皿 厄吸 叮曰曰 功功能分析与分配配 记记 功口目 脚恤次次 咤曰口 几书二 目目 侧侧 目肠 功 月食食 口兄旧 曰 劝 宜里 川 山民 自 口口二二 设设计徐合合 二一 万 花花茄一 一一一 图系统工程过程 中目 挽天 功能 分析
13、与 分配配 把劝 分日下一氏氏 七吕它二 往成匆吐目肠翻 二二 次次 兄曰曰功 绷口口 戈门自口 钻钻 一 挪 翻 扭日峨困洲 箱 湘舞目 二 二巴二 曰里 器 器 器 思二 医 缈 箱 湘舞 猫踢思岔护二 二巴 图运 用叫 后的 系统工程过程 基于模型的系统工程的 个步骤各 自生 成 种图形 在方法中 系统工程过程的每一步 产生的不再是文本文档 而是用系统建模语言 所构建的模型在要求分析步骤产生要求图 用例图及包图 在功能分析与分配步骤产生顺 序图 活动图及状态机图 在设计综合阶段产 生模块定义图 装配图及参数图等 在系统不同层次反复应用这一过程建模 可以深入到系统最底层的元素 把最底层元素
14、 的模型集成起来 就形成了一个完整的系统架 构模型 在支持的软件中 框图所代表 的系统设计的相关数据被存储在数据库中 可 以借助不同 颗粒度 的系统架构模型来进行 可行性研究 备选方案研究等工作 可以自动 生成相关文档 以供相关的决策者使用 尤其需 要重 点指出的是 需求 者也可运 用 画 出需求图 用例 图 以此驱动整 个过 程 这样 就可 以使用户 的参与程度更深 并进 而 改进整个 的设计工作 二系统架构模型成为沟通各 学科的 集线器 目前 各专业学科 的模型 已经被大量应用 于 工程设计 的各个方面 但模型 缺乏统一 的编 码 也无法共享 建模工作仍处于 烟囱式 的信息传 递模式 而没
15、有 与系 统工程工作 流相 结合 下 文本文档是各专业模型接入系 统架构模型的枢纽和渠道 比如 电子工程师 和力学工程师都在分析研究同一个部件 但它 们所使用的术语 模型都不一样 无法进行直 接的交流和沟通 因此总体设计和协调的工作 量就十分巨大 需要指出的是 并不是要抛弃各专 业学科原来所使用的模型 而是要用统一的系 统建模语言来沟通各专业学科 专业工程 运 用专业模型进行分析时 系统架构模型就像我 们接入互联网的 集线器 一样 设计师可 以 从系统架构模型中直接提取相关的参数 比如 从参数 图中提取相关参数就可 以建立 数学模 型 各专业学科可以同时对用建模语言表示的 部件进行分析设计 参
16、数的更改可以实时地显 示出来 可 以提高工作效率 这就使整个设计 团队可以更好地利用各专业学科在模型 软件 工具上的先进成果 三有助于进一步突破时间和空间 对设计工作的限制 下 相关的设计工作要遵循一定的时 间顺序 而且还有一定的空间限制 比如 系 统工程文档要按照一定的顺序进行流转 上一 个专业学科 分析做完之后 才能够进 行下一 个 专业的分析 而且做出样机来了 然后各方才 能够进行测试等 下 用 系 统 建 模语 言构 建 出模 型 后 就能够进行各式各样的分析和测试 提前 进行协调 平衡和优化 而且各方围绕着一个 存储着系统 架构模型数据 的 数据银行 来并 行开展工作 并且可以支持远程及分布式的工 作模式 突破设计人员地理位置的限制 四为提升研制管理工作的效率奠 定了基础 下 不管是系 统分析 与控 制的工作 还是项 目管理的工作 都要从各种文本文档 中 航天政策与管理 一丫 逐行扫描取数 然后进行各种的分析 下 把文 本文 档用进行 了重新 编 码 使得描述系统的数据既便于人阅读 又 便于计算机处理 而且各种用户需求 系统要 求 功能架构 物理架构等信息进行了关联 所以系统
