MBSE系列: 方法论之Arcadia

本篇属于基于模型的系统工程(MBSE)专题系列第03篇内容，我们聊聊MBSE方法论之Arcadia相关内容，个人认为也是在汽车领域相对应用最广泛的方法论之一，非常值得学习。

阅读之前强烈建议参考之前系列文章:

为什么MBSE是系统复杂性应对之道

02 - MBSE系列: 方法论之OOSEM

在上一篇文章，我们聊到了MBSE方法论之OOSEM，包括其基本概念，建模语言，开发流程，逻辑架构的重要性等。

今天我们接着来聊聊MBSE方法论之Arcadia，主要包括以下内容:

• Arcadia基本概念
  

• Arcadia开发活动
  

• Arcadia建模语言

01

Arcadia基本概念

Arcadia(Architecture Analysis and Design Integrated Approach)是法国泰雷兹(Thales)集团针对MBSE专门开发的方法论，该集团专注于航空航天，交通运输等领域。

Arcadia近几年被广泛应用到汽车行业，该方法论以架构模型建立为核心，贯穿产品整个开发过程，主要专注于以下几点:

• 需求分析

• 架构构建

• 架构及时验证和确认
  

其中，需求分析是SE重要步骤，为更好地捕捉用户需求，Arcadia将需求分析分解为操作需求和系统需求分析两个过程，为后续逻辑和物理架构模型的建立提供基础，并对解决方案进行及时的验证和确认。

Arcadia采用图形化建模语言DSML(Domain Specific Modeling Language)和对应的建模工具Cappella，并在软件中提供方法论引导，引导用户进行系统架构建模，该软件在业界应用也比较广泛且开源，这部分内容我们会在第三部分进行介绍。

02

Arcadia开发活动

Arcadia核心在于架构，将系统开发过程分成不同的步骤，以此建立不同的层级的架构视图，其开发活动如下图所示:

图片来源: Capella

• 操作分析(Operational Analysis):

用户需求分析，即操作分析，是Arcadia需求分析第一步，它主要定义产品的参与者需要完成什么，需要进行哪些操作。

和其他方法论相比，虽然它们都是用户产品需求捕获，但侧重点不太相同，它更侧重产品参与者需要做什么，参与者和产品的操作行为或交互行为，以此为切入点分析参与者的对产品的需求，这也是操作分析中操作一词的体现。

例如，下图描述了用户，广播站，环境之间的操作交互关系，其中，整个广播站系统(包括Radio Set)为产品本身，其余均为产品参与者，包括用户(User)，环境(Environment)，通过用户的交互操作，例如用户对广播电台的操作包括收听广播，听音乐。

图片来源: Capella

• 系统分析(System Analysis): 

系统分析主要是识别系统为提供用户的操作需求和目标，系统需要给用户提供什么功能，但它不涉及解决方案，所以系统分析实质是功能分析。

那到底什么是功能? 它和需求以及解决方案到底有什么区别?

从本质上来讲，功能的本质是需求，只不过是针对具体对象，被系统化归类和划分后的需求集合，所以功能源于需求，而解决方案是为了提供功能而采取的逻辑或物理技术解决手段。

继续以Radio Set为例，对其进行系统分析，它需要给用户提供的功能包括: 选择电台，播放广播内容，接收广播信号，至于如何实现这些功能不属于系统分析范畴，需要下面两个层级进行进一步分析。

图片来源: Capella

• 逻辑架构(Logical Architecture): 

逻辑架构的意义请见MBSE第02部分内容。

逻辑架构的作用在于根据系统分析结果，考虑系统非功能性约束(包括安全，成本，周期等)，整合用户对系统功能和非功能需求，识别出为执行或提供这些功能，系统需要的逻辑组件以及它们之间的相互连接关系。

Radio Set逻辑架构如下图所示，深蓝色部分为逻辑组件，包括接收器，控制单元，用户界面，绿色部分为分配至逻辑组件的功能集合。

图片来源: Capella

• 物理架构(Physical Architecture): 

根据逻辑架构，考虑系统具体物理实现方式，明确具体的软件，硬件单元，并将逻辑组件映射到系统物理架构。

如下图所示，Radio Set逻辑架构最终会被分配至具体的物理实现架构，包括具体的传感器，控制单元，执行器，信号传递方式等。

图片来源: Capella

除此之外，为了保证各层级架构的完整性和追溯性，需要建立不同层级架构之间的关联关系，以便于后续进行需求变更时快速进行影响分析，找出需要变更的对象，变更影响，讨论变更方案。

03

Arcadia建模语言

和INCOSE的方法论OOSEM相比，Thales没有直接采取UML或SysML作为其建模语言，而是考虑到UML/SysML面对系统实际建模存在一定局限性以及UML/SysML均源于软件系统，对于大多数系统工程师非计算机领域专家相对困难，所以为此泰雷兹专门开发了图形化建模语言DSML(Domain Specific Modeling Language)和对应的建模工具Cappella，并在软件中提供方法论引导，引导用户进行系统架构建模，该软件在业界应用比较广泛且开源。

实际上熟悉Cappella的朋友应该了解，DSML语言基本和UML/SysML类似，其中75%的内容源于的UML/SysML，所以对于MBSE而言，UML/SysML属于基础图形化建模语言，需要对其进行系统学习。

具体来讲，DSML语言同样定义了不同的视图，用以表达不同的层面的架构模型。接下来我们简单看下这些视图长什么样，大概作用是什么，具体的图形语言介绍我们后期以UML/SysML为主，单独再介绍。

DSML语言主要包括以下视图:

• 场景图 (Scenario Diagram)

场景图类似于UML/SysML中的顺序图，主要描述模型元素之间信息交互及顺序关系，它可以很好地显示哪些对象与其它对象进行了通信，以什么样方式触发了这些通信。根据不同的需求，它可以描述功能场景，接口场景，交换场景，模式，状态，功能也可以显示在场景图内。

如下图所示，绿色或蓝色方框表示模型元素实体，下方虚线属于生命线，表示实体生命周期，生命周期上竖条是控制期，表示活动实体或对象处于执行状态，生命线之间带箭头的线表示传递的消息。

• 分解视图 (Breakdown Diagram)

分解视图很明显是用于表达系统的组成及其层级关系，也很好理解，再次不再赘述。

• 数据流图 (Data Flow Diagram)

数据流图用于表达不同系统或者组件之间数据交互静态关系，它也是我们熟悉的接口表达方式。

• 架构视图 (Architecture Diagram)

架构视图以数据流图为基础，除了表达组件之间数据交互外，主要用于将功能组件划分到系统或者子系统中。

• 模式与状态图 (Mode and State Diagram)

模式与状态图就是我们熟悉的Stateflow图，表达系统或组件之间状态的触发及其变化过程。

• 类图 (Class Diagram)

类图架构视图以数据流图为基础，除了表达组件之间数据交互外，主要用于将功能组件划分到系统或者子系统中。

• 能力视图 (Capability Diagram)

能力视图属于用例分析视图，主要用于表达任务(Mission)，能力(Capability)和参与者(Actor)之间关系，多用于操作分析层级的用户需求分析。

一般来讲，这些视图根据需要都可以应用到Arcadia不同工作层级，数据流图，架构视图，能力视图应用最为广泛。

最后附上Arcadia建模语言和UML/SysML主要对比和应用，感兴趣的朋友可以复制下方链接前往阅读:

https://www.eclipse.org/capella/arcadia_capella_sysml_tool.html

写在最后:

MBSE方法论之Arcadia我们就聊完了，包括其核心，流程活动，语言等，希望能够给朋友们理解MBSE应对系统复杂性带来新的理解 。

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文章来源：AUTO新世代