基于模型系统工程中国应用调查

摘要.基于模型系统工程（MBSE）是当前工业界比较关注的热点技术，被认为是新一代的系统工程实施方法。它采用基于模型的方法支持系统工程规范来实现设计风险的最小化，避免由于产品研发后期的设计变更所带来的设计风险。其中，模型可以被应用于形式化的方法，用于实现目标产品分析、设计、优化、验证及确认等研发活动进而实跨领域、组织、产品的整合。尽管基于模型的设计和开发已经在个别领域被广泛应用，例如，软件、机械、电子系统等，其在系统层的实现整合开发的目标目前还无法实现。本文将通过针对MBSE的利益相关人的调查问卷来分析当前中国工业界相关技术的应用状态。通过问卷，初步的了解当下国内系统开发工程师对于MBSE的使用、优势、障碍、关注点及趋势的定位和判断。

1.介绍

本调查的目的是系统了解当前国内工业界的MBSE的使用情况、关注点、障碍及未来发展趋势，特别是相关MBSE工具链的开发情况。调研结果用于对还不了解MBSE相关概念的系统开发工程师介绍相关内容并为相关人员对未来的MBSE工具链开发提出依据。

Bita (Motamedian2013)、 Mary (Bone& Cloutier 2010)、Schulze(Schulze2015)、Hutchinson(Hutchinsonet al. 2014)和Joseph (Elm& Goldenson 2012)等分别对国外MBSE应用，系统工程应用、模型驱动工程及系统工程业务能力进行调研。尽管这些研究人员的对于世界范围内的调研对于MBSE的发展有重大意义，但是目前关于中国工业界的相关调研，尤其是相关MBSE工具链的调研仍是空白。我们曾提出了对MBSE工具链的初步的定义(Luet al. 2017)。为了调研相关MBSE工具链的性能特征和功能属性，在这个报告中，我们除了对相关MBSE的内容进行调查外，还对相关MBSE工具链的相关技术及使用进行调研。同时，这个问卷提出了一些与MBSE转化有关的问题，来为设计MBSE转化策略提供线索。

本文的结构如下：首先，在第二章介绍调查方法，在第三章，详细地介绍调研结果。最后，我对调研结果进行分析和总结。

2.研究方法

我们在相关社交平台上对不同的工程领域研发人员发布相关调查问卷，每个问卷中包含50个与MBSE相关的问题。

Table1调查范围

兴趣组	领域	潜在被访人员	社交平台
CCOSE(http://www.ccose.org/), 系统工程兴趣组	系统工程	422	微信
基于模型设计的四个论坛	CAD, CAE及机械工程	开放	互联网
Modelica兴趣组	Multi-domain  modeling	116	微信
PDM/PLM  兴趣组	PLM/PDM	558	QQ
领域建模及联合仿真兴趣组	CAE, Modelica 和联合仿真	998	QQ
AMESim,  Matlab/Simulink 及Flowmaster兴趣组	CAE  及建模	330	QQ
系统工程，系统工程方法公众号	系统工程	1060	微信
正向设计研发港公共号	设计方法	86	微信
苏州同元软控公共号	Modelica	109	微信

 

该问卷是基于调查问卷网站问卷星(https://www.wjx.cn/)进行设计，其中包括多选、单选、矩阵单选等。表1总结了被访者的兴趣组、领域、潜在回答人数目及相关社交网络。本问卷的发布期从2017年5月13日到2017年6月30日。在此期间，我们收到58份反馈，其中大部分是在前两周完成，如图1/a。如图1/b，大多回访者来自北京，可能是因为大多企业的研发部门坐落在北京。

图1 a反馈人反馈时间；反馈人地理位置

3.调查结果

1.   

2.   

3.   

3.1 反馈人调查

为了更好了解反馈人的工作单位及情况，我们使用五个问题对反馈人进行调查，即其应用领域（图2/a），团队中的角色（图2/b），领域（图2/c），对于MBSE的熟知度（图3/a），以及他们在当前工作中采用MBSE的情况（图3/b）。

我们使用一个多项选择题用来分析反馈人的所属领域。目前，国内对于领域也存在这一种分类叫做 (1) 性能分析; (2) 结构分析。因此，我们添加这两个条目来了解结构和性能的相关人员对MBSE的关注程度,具体结果如(图2-c)所示。从调查结果发现,大多反馈人员的主要领域是系统设计。

目前，工程师在设计过程中承担多个角色也是有可能的。因此，我们采用一个多选题来了解反馈人的角色。从结果来看，大多反馈人是系统工程师，其中将近半数是管理岗位。

图2 a-反馈人的应用领域;b- 反馈人角色; c-反馈人工具领域

图3中, 与Bita的调研结果进行比较 (Motamedian2013), 国内反馈人对于MBSE的了解程度明显落后于世界范围内的调研结果。首先，专家和高级的反馈人数目远远少于Bita的调研结果 (从Bita调研结果来看，其反馈人目前已经达到60%的专家等级和14.3%高级等级)。

图3 a- MBSE的熟知程度; b-是否MBSE应用于当前工作

3.2  MBSE使用的范围

本章节对于MBSE的使用范围，使用频率、使用阶段和其关注点的调研结果。为了调研MBSE的使用频率，我们首先把项目划分为三种：

• 预先研究项目

• 研发项目project

• 真实产品开发的全生命周期

我们调研反馈者在这三类项目使用MBSE的情况。从图4/a所示，我们可以观察到MBSE在预研和研发项目中的应用较多。其中， 41%的反馈人没有在真实产品的全生命周期过程中采用 MBSE。“航空工业”似乎比其他工业应用MBSE的情况要好。

图4 a-扩展MBSE使用; b-MBSE使用阶段; c- MBSE对于反馈人的主要关注点

为了理解反馈人在项目中使用MBSE的情况，我们定义了三种阶段：

• 调研阶段

• 项目开始

• 项目执行

• 完全使用MBSE

仅有半数的反馈人在这三个阶段完全使用MBSE。这与MBSE所期待的能够包含产品的全生命周期的能力相违背。这可能说明当前国内对MBSE的理解并不完善。

此外，我们用问题“你们团队关注于MBSE的哪方面?”来调研MBSE的关注点(图4-c) . 根据反馈人情况，前三的主要关注点是系统架构及系统设计、需求管理、验证和确认。

3.3  MBSE工具链相关技术

为了了解反馈人的研发团队对于MBSE工具链相关技术的定义，我们提出了如下三方面问题包括：系统工程、建模技术和整合技术。

1.        

2.        

3.        

3.1        

3.2        

3.3        

3.3.1  系统工程

首先,与基于文档的系统工程研发方法不同的是， MBSE采用的是基于模型的方法来形式化生命周期中的各项设计活动。因而，MBSE的基础是系统工程实践。在调研中，我们从两方面调研反馈人对于系统工程的使用情况：系统工程标准的使用频率及系统工程所使用的视点(ISO/IEC 2007)。

我们比较了系统工程标准的使用频率，其中使用MBSE的反馈人对MBSE的使用频率远高于不使用MBSE的反馈人。其中，架构设计、功能分析、需求分析视点为MBSE三个主要的应用。

图5 a-系统工程的使用频率; b-系统工程的使用视点

3.3.2  建模技术

本章将从七个方面调研建模技术的使用情况：建模频率，建模目的，建模语言，语言图，建模方法，建模理论及仿真方法。

我们基于SaikouDiallo的建模术语来定义建模方法、理论和仿真方法(Diallo et al. 2015)。

• 建模理论

“什么是模型?”, 如, 有限元分析。

• 建模方法

“如何建模?”, 如,形式化分析。

• 仿真方法

“如何仿真?”, 如, 离散系统仿真。

图6 反馈者建模频率

从图6-a结果所示，43%的反馈人不使用或者准备使用建模技术。仅仅只有16%的反馈人能够把建模和真实产品研发结合。从建模目的来看（图6/b），我们发现仿真和抽象描述问题是两个主要的建模目的。从结果分析所示，航空工业和软件供应商目前使用建模技术最多。

图7 建模理论的应用

图8 建模方法的应用

三方面用于调研反馈人对于建模的喜好(图7到9)。 结果显示形式化建模和能量流理论为两个最主要的应用理论；数学建模是最广泛的建模方法；而数值仿真和实时仿真为当前国内应用最广的两种仿真方法。 

图9 仿真方法的使用

为了进一步分析模型的使用情况，我们通过两个问题对建模语言和语言图的应用情况进行调研。从调查结果图10所示，M语言和SysML为应用最广的两个语言。在SysML中，block定义图应用的最广泛。

图10建模语言的使用

3.3.3   整合技术

在这个部分，我们将介绍反馈人执行集成仿真和工具整合的相关内容的调查。

图11整合平台的解决方案

我们首先调研仿真集成平台相关信息。High-level architecture (HLA)(Symington, Susan and Morse,Katherine L and Petty 2001), FunctionalMock-up Interface (FMI) (Modelica Association Project “FMI” 2013)and Modelica (Fritzson & Engelson 1998)是目前最主要的是几种集成仿真手段.如图11所示，将近41% 的反馈人自行开发整合仿真平台。很多反馈人同时使用了不同的仿真技术。大概26%的反馈人使用FMI来支持其联合仿真。

在工具研发阶段，工具整合被认为是另一个非常重要的工作。从图12/a所示，仅仅5%的反馈人没有执行工具整合。下面我们从三方面来分析工作整合的相关内容：整合种类、整合技术和整合的量度。

图12 a-工具整合的频率; b-工具整合的非功能性属性; c 整合方法; d 整合种类

在调研中我们定义五种整合方式: (1) 数据整合(2) 控制整合(3) 平台整合(4)流程整合(5)展示整合 (Wasserman 1990).  如图12-d所示, 最常见的三种整合方式是数据、流程和控制整合。

我们同样调研了反馈人在工具整合过程中采用的相关技术。从图12/c所示，我们发现基于商业工具的集成是国内目前采用最常见的方法。

我们定义了其中非功能的属性用于描述工具整合能力 (Geraci et al. 1991):

• 互用性（Interoperability）

两个或者两个以上工具链中的元素可以相互置换或者在异构系统中交互信息的能力。

• 追溯性（Traceability）

工具可以处理技术资源，系统信息，研发流程，社交网络之间的追溯关系的能力。

• 依赖性（Dependency）

工具可以处理技术资源，系统信息，研发流程，社交网络之间的逻辑关系的能力。

• 整合能力（Integratedcapability）

工具链整合已经存在的模型、数据、工具的能力。

• 重用性（Reusability）

重用相关技术资源（模型、数据、工具）的能力。

• 设计效率（Designefficiency ）

系统使用工具链来执行他们设计任务的效率。

• 可扩展性（Scalability）

工具链可以适应工程任务及对其本身需求增长的能力。

从图12/b所示，重用性、追溯能力和设计效率是工具链研发过程中需要考虑的最重要的三个因素。

3.4  MBSE转化

本章节将从调研问卷的结果来分析影响MBSE工业转化的相关因素，这里MBSE工业转化指从当前的基于文档的系统产品设计方法向MBSE方法过度的过程。我们提出的问题涉及文化、经济、组织架构、个人学习及相关阻碍几方面。

系统思维被认为是实施系统工程的核心能力 (Cloutier et al. 2015)。 为了知道反馈人在工作使用系统思维的频率，我们提出的问题如下“你在工作中使用系统思维的频率是什么?”. 如图13所示， 我们发现只有 9% (6 /58)的反馈人完全使用系统思维。和其他工业相比，航空工业应用系统思维的频率较高。在不同角色的反馈人中，系统工程师和团队负责人采用系统思维较多。

图13 系统思维的使用

本调查通过问题“反馈人每年的MBSE经费有多少？”来调查当前MBSE的经费支持情况，从图14/a所示，我们发现几乎半数的反馈人是没有经费支持的。相关工业中，飞机工业的反馈人比其他工业的经费要多。目前已经使用MBSE的反馈人一般比没有使用MBSE的反馈人的经费充足。

图14 a- Fundingsused for MBSE; b- organizations for MBSE transitioning; c- Personal learning;d- training

为了了解一个顶层的组织团队是否如系统工程转化一样，有助于帮助MBSE转化 (Elm & Goldenson 2012)， 我们定义五个组织架构并提出问题，是否反馈人的部门有如下组织:

• 公司层面有专门负责MBSE的团队

• 在部门中有专门负责MBSE的团队

• 有专门负责MBSE的业务人员

• 有兼职负责MBSE的业务人员

• 没有特殊业务人员和部门负责MBSE

从图14-b所示, 在公司层面有顶层部门负责MBSE的反馈人使用MBSE的频率远远大于其他几种组织结构。从行业来看，航空工业提供了更多的部门和业务人员来支持MBSE。

我们采用两个问题用于调查反馈者对MBSE的个人学习及训练情况。结果显示大多反馈者认为MBSE可以帮助他们提高生产力、创造力、解决问题的能力及工作兴趣，如图14/c所示。从图14/d所示, 缺乏MBSE相关培训 (建模语言, 建模方法, 工具操作, MBSE理解及系统思维). 大多反馈者仅仅只有一天或者2到5的短期培训。仅有5%（58中5人）有多于一周的培训。

我们采用一个多选来分析MBSE转化过程中的障碍。 基于图15, 三个最大障碍为 (1)缺乏对MBSE的价值认知 (2) 缺乏使用对应工具的技能 (3) 对于文化改变的抵抗。

图15MBSE转化障碍

4.    结论

基于模型系统工程是目前比较新颖的技术旨在代替传统的基于文档的系统工程方法。大多数反馈人十分关注其相关技术。然而和世界范围内的应用者进行比较，中国工业界对其理解和应用相对落后。从结果，我们可以总结如下：

• 首先，当前MBSE的工业实践目前在一些特殊领域比较突出，例如，航空。

• 基于调研结果，我们推断MBSE需要涵盖整个项目的生命周期。

• 大多中国工业界采用整合仿真和工具整合来构建他们的MBSE工具链。

• MBSE相关技术并非仅仅是“SysML”及“UML”。

• 最后大多数反馈人认为缺乏对MBSE价值的理解及缺乏相关MBSE技能和能力阻碍了MBSE当下的转化。

本报告只是初步对中国MBSE应用现状进行调研，其结果还需要更加详细的调研和数据分析来总结未来的适合国内工业界的MBSE转化策略。

致谢

作者们致谢为本报告提出宝贵意见的CCOSE各位专家。重点感谢系统工程, 苏州同元软控, 正向设计研发港, 系统工程方法公众号。  对于软件供应商尤其感谢 SysGraph Lab，安怀信，苏州同元软控等相关单位，真诚感谢这几家公司对本次调研所做工作。

参考文献

Bone, M. &Cloutier, R., 2010. The Current State of Model Based Systems Engineering :Results from the OMG ^TM SysML Request for Information 2009. 8thConference on Systems Engineering Research, pp.225–232.

Cloutier, R. etal., 2015. Transitioning Systems Thinking to Model-Based Systems Engineering :Systemigrams to SysML Models. Ieee Transactions on Systems, Man, andCybernetics: Systems\, 45(4), pp.662–674.

Diallo, S.,Mustafee, N. & Zacharewicz, G., 2015. Towards an encyclopedia of Modelingand Simulation methodology. In Intergovernmental Panel on Climate Change, ed. 2015Winter Simulation Conference (WSC). IEEE, pp. 2692–2703. Available at:http://ebooks.cambridge.org/ref/id/CBO9781107415324A009.

Elm, J.P. &Goldenson, D.R., 2012. The Business Case for Systems Engineering Study :Results of the Systems Engineering Effectiveness Survey,

Fritzson, P. &Engelson, V., 1998. Modelica — A unified object-oriented language for systemmodeling and simulation. In Proceedings of the 12th European Conference onObject-Oriented Programming (ECOOP ’98). pp. 67–90. Available at:http://link.springer.com/10.1007/BFb0054087.

Geraci, A. et al.,1991. IEEE Standard Computer Dictionary. A Compilation of IEEE StandardComputer Glossaries,

Hutchinson, J.,Whittle, J. & Rouncefield, M., 2014. Model-driven engineering practices inindustry: Social, organizational and managerial factors that lead to success orfailure. Science of Computer Programming, 89(PART B), pp.144–161.Available at: http://dx.doi.org/10.1016/j.scico.2013.03.017.

ISO/IEC, 2007. Systemsand software engineering - Recommended practice for architectural descriptionof software-intensive systems,

Lu, J. et al.,2017. An Investigation of Functionalities of Future Tool-chain for AerospaceIndustry. INCOSE International Symposium, 27(1), pp.1408–1422. Availableat: http://doi.wiley.com/10.1002/j.2334-5837.2017.00437.x.

ModelicaAssociation Project “FMI,” 2013. Functional Mock-up Interface for ModelExchange and Co-Simulation,

Motamedian, B.,2013. MBSE Applicability Analysis. International Journal of Scientific &Engineering Research, 4(2), pp.1–7.

Schulze, S.-O.,2015. SYSTEMS ENGINEERING in industrial practice. , pp.1–67.

Symington, Susanand Morse, Katherine L and Petty, K., 2001. IEEE Standard for Modeling andSimulation (M\&S) High Level Architecture (HLA)-Federate InterfaceSpecification (IEEE Std 1516-2000).

Wasserman, A.I.,1990. Tool Integration in Software Engineering Environments. SoftwareEngineering Environments, 467, pp.137–149. Available at:http://www.springerlink.com/index/p582q2n825k87nl5.pdf%5Cnhttp://www.springerlink.com/index/10.1007/3-540-53452-0%5Cnhttp://link.springer.com/10.1007/3-540-53452-0.

本文中节选的同名文章已被INCOSE International Symposium 2018 Oral Presentation接收，中文扩展版本在《体系工程》首期发表。作者：鲁金直等，联系邮箱[e-mail]。具体英文调查请查询MBSE中文术语定义平台  http://139.199.115.152:8181/及CCOSE WIKI wiki.ccose.org。