MBSE演变的五个阶段

一起学MBSE 2023年6月14日浏览：1466

在本公众号《嫁接MBSE》一文中，作者提出MBSE需要经历爬行、走路和奔跑三个阶段。Jon Holt教授持相似的观点，并具体提出系统工程实践从基于文档到基于模型要经历五个阶段。本文对这五个阶段作了深入探讨。

Jon Holt是基于模型的系统工程领域国际公认的专家。Holt是克兰菲尔德大学系统工程教授，并且是IET和英国计算机学会的会员。他目前是英国INCOSE的技术总监，2015年被INCOSE评为过去25年中最具影响力的25位系统工程师之一。

MBSE演变的五个阶段的图1

图1 Jon Holt

本文摘自Jon Holt的著作《Systems Engineering Demystified》。

图2《Systems Engineering Demystified》封面

在一个组织中实施MBSE时，必须考虑的一个关键因素是MBSE活动的成熟度，为此有必要考察MBSE的演变过程。

MBSE的演变可以被认为是从基于文档的系统工程方法，一直到完全基于模型的系统工程方法。然而，这不是一个简单的转变，必须考虑五个概念阶段，如下图所示:

图3 MBSE的演变( Holt & Perry ，2020年)

图3中的图表通过确定的五个关键阶段展示了MBSE的演变，这五个阶段有助于理解如何在组织中实施和部署MBSE。

阶段1–基于文档的系统工程

MBSE发展的第一阶段被称为基于文档的系统工程。图3中的阶段1描绘了一大堆文档。这意味着有许多文档与这一阶段的发展相关联。与此同时， 与系统相关的知识分散在这些文档中，而不是集中在一个位置。

在这个阶段，人员、过程和工具的情况通常是:

人员: 参与这一阶段的人员被认为具有系统工程的基本能力。现实是，任何交付系统的组织都必须具有系统工程能力，即使这是一种没有正式捕获或记录的隐性能力。当人们处于这种情况时，他们可能会声称要在考虑MBSE之前将基本的系统工程能力落实到位。这是一个巨大的错误。请记住，MBSE本身就是系统工程，所以两者都做是没有意义的——只要瞄准MBSE就行了。
过程: 已经落实的过程可能会被记录，也可能不会被记录，但是一定会有一个过程被落实。在这两种情况下，主要的工件（也就是过程的输入和输出）都是文档。这些文档主要基于文本，也包括表格、图表、列表等。
工具: 阶段1涉及的工具通常是基于office的工具，如文字处理器、演示应用程序和电子表格。

在阶段1中，与系统相关的所有知识、信息和数据将只包含在作为执行过程的结果而创建的文档集中。没有任何合适的模型，所以一切都包含在文档中并由文档所拥有。

第一阶段的基本前提条件是，组织内部必须确定对MBSE的某种基本需求。

编者：对MBSE的需求是组织迈向MBSE后续阶段的动力。假如没有这种需求，将不会有后续所有阶段。

阶段2–以文档为中心的系统工程

MBSE演变的第二阶段被称为以文档为中心的系统工程。图3中的阶段2再次描绘了一大堆文档，但是这次有两个主要的变化。第一，文件数量略有增加。第二，有证据表明，人们开始在文档中使用符号，不再是主要基于文本。因为仍然没有模型 ，与系统相关的知识完全包含在文档中。

在这一阶段，人员、过程和工具的情况通常是:

人员: 参与这个阶段的人员被认为具有系统工程的基本能力，与阶段1相同。然而，这一次，将会有证据表明人们在非正式的层面上应用了符号。实际情况是，这一阶段产生的是一组图片，而不是构成模型的真实视图，但这在这个阶段是典型的，因为人们会以一种特别的方式试验不同的符号。
过程: 在这个阶段，与过程相关联的工件仍然是文档，但是，根据前面的观点，人们将开始使用符号来支持文本描述。
工具:在此阶段，工具将与阶段1中的工具相同，但不同的是可能已经使用当前的的绘图工具创建构成文档一部分的图表。

在阶段2中，所有关于系统的知识、信息和日期仍然单独包含在文档集中。这一点很重要，因为已经生成的图并不是模型的真正部分，因此不能拥有任何与系统相关的知识。还要注意，在这个阶段，文档堆实际上变得稍微高了一些，这代表了信息的增加。在这个阶段，与阶段1一样，所有与系统相关的数据、信息和知识都包含在文档中。由于数据、信息和知识包含在文档中，并且这是它驻留的唯一位置，因此可以认为文档拥有所有这些信息。

阶段2的基本先决条件如下:

MBSE的目标必须正式确认。包括MBSE实施的范围以及存在哪些利益相关者。对于每个利益相关者，必须确定一组利益。这一点至关重要，否则就无法证明MBSE倡议是否成功。如果计划的目标或需求没有被识别和定义，那么就不可能验证这些需求。
必须确定对组织当前MBSE的基本评估。包括确定组织当前的MBSE能力，和确定当前MBSE能力的成熟度。

在这个阶段，一些MBSE活动可能被用来执行前面的要点，而人们实际上并没有意识到这一点。当这种情况发生时，它通常被称为MBSE的秘密行动，MBSE实际上是被用来实施MBSE，而人们没有意识到这正在发生。

编者：上文所说的“符号”应理解为某种能获得一致理解的形式化表达，而不是阶段1时随意绘制的图表。下文所说的“符号化”也应该理解为形式化。形式化是指描述的形式具备数学严谨性。运用建模语言（如UML）但没有应用建模软件工具，也没有完善的建模方法，或许只是在文档中插入用绘图软件绘制的图（如符合UML语言的用例图、活动图等），就是这个阶段的典型情况。

阶段3–模型增强的系统工程

MBSE发展的第三阶段被称为模型增强系统工程。这很有趣，因为这是引入术语模型的第一阶段。图3中的图表显示了模型开始从文档堆中出现，这意味着 知识现在被模型和文档集分割。

在这一阶段，人员、过程和工具的通常情况是:

人员: 参与这个阶段的人员现在已经更加详细地研究了符号，并且已经接受了某种正式的符号训练，因此他们表现出符号化能力。此外，人们将对MBSE概念的范围有一定的认识水平。
过程: 在这个阶段，真正的模型出现了，并从文档中浮现出来。模型包含并拥有一些与系统相关的知识。知识现在被模型和文档分割，而不是仅仅由文档拥有。此外，文件的数量也开始减少。在这一阶段，MBSE将开始得到认真应用，通常是在一个范围有限的试点项目中实施新兴的MBSE方法，可以在向组织的其他部门推广之前，根据之前确定的目标展示MBSE的优势。
工具: 在阶段3中，通常有多个工具被用作建模的一部分。在可能的情况下，进行全面的工具评估总是明智的，在这种情况下，将会有一组候选工具，这些工具之前已经被确定为可能在组织中使用。

在阶段3中，与系统相关的所有知识、信息和数据都在新出现的模型和文档集之间进行分割。这很重要，因为它真正代表了MBSE第一次被正确地应用于任何项目。

第三阶段的基本先决条件如下:

人们将接受一些正式的符号训练，使他们能够以一种有效的方式开始建模，而不是像以前那样以一种特别的方式。
应该考虑正式的工具评估，以便将候选工具集缩小到单个首选工具。

在许多情况下，第三阶段可能是MBSE短期内的一个初步目标，用来展示使用这种方法的好处。事实上，对于一些组织来说，实现阶段3实际上可能是最终目标，但是阶段3更多的是短期目标。

编者：本阶段将统一术语作为一项重要工作，这是追求一致性的必要举措。在工程项目和组织中，所有描述的一致性是MBSE所追求的重要目标之一。能达到阶段3的目标，将让项目和组织明显受益，真正品尝到MBSE的甜头。不过，因为MBSE并未得到充分应用，基于文档的某些问题并没有得到令人满意的解决。这时要警惕怀疑MBSE，正确的作法是再接再厉，向下一阶段挺进。假如止步于此，很可能在文档和模型的拉扯中开倒车。

阶段4–以模型为中心的系统工程

MBSE发展的第四阶段被称为以模型为中心的系统工程。在这个阶段， 模型几乎完成了 ，如图3所示， 并且拥有了与系统相关的大部分知识 。

在这个阶段，人员、过程和工具的结果可以被认为如下:

人员: 此阶段涉及的人员已经在MBSE和候选工具的使用方面表现出能力。人们现在对MBSE有了很深的了解，并且正在很好地利用它。候选工具正以高效的方式使用，并由已到位的MBSE方法驱动。
过程: 在此阶段，该方法几乎完全基于MBSE。初始框架现在已经就位，包括本体，以及作为建模基础的一组视角。一致性也通过框架的使用得到加强，并且模型中的视图是根据初始过程集创建的。在这一阶段，对前一阶段引入的试点项目进行衡量和评估，以展示MBSE方法的有效性。必须根据第二阶段之前确定的目标来衡量和评估试点项目。
工具:在阶段4，首选的工具已经被选中，现在正在实际项目中使用。

在阶段4中，几乎所有与系统相关联的知识、信息和数据都包含在模型中并为模型所拥有，只有一小部分仍然存在于文档集中。因此，文件的数量现在大大减少了。

阶段4的基本先决条件如下:

正式的MBSE培训现已开始，因此所有相关团队成员现在都具备了实施MBSE方法的正确技能。
初始过程集已经被定义，并且正在被应用来生成组成模型的视图。
最初的框架，包括本体和视角，现在已经被开发出来，并被应用到实际的项目中。
现在已经从候选工具集中选择了首选工具。在大型组织中，有几个工具被选中并不罕见。
人们已经接受了使用首选工具的正式培训。

第四阶段是MBSE在高级水平上的应用，许多预期的好处现在都实现了。

编者：对于很多组织来说，能达到阶段4的目标就已经意味着MBSE取得巨大成功了。

阶段5-MBSE

MBSE演化的最后阶段，阶段5，是任何MBSE努力的最终目标。在阶段5， 与系统相关的所有知识都包含在模型中并为模型所拥有 ，模型现在已经完全显现出来，并作为一个独立的实体存在。这个阶段正是MBSE。

在这一阶段，人员、过程和工具的情况通常是:

人员: 参与此阶段的人员现在已经掌握了MBSE及其在组织中的应用。人们不断努力保持甚至提高他们的能力，以便尽可能高效和有效地使用该方法。
过程: 方法现在完全基于模型。框架和过程集现在已经成熟，并作为公司推广的一部分被应用到多个项目中。 MBSE和其他的的高级应用现在正在实施，如模式识别、定义和应用；过程和能力建模；变体建模等等。
工具: 正在使用的工具现在被定制成允许该方法被自动执行。这将包括应用基于本体的自动特定领域语言一致性检查、自动文档生成和其他使用概要文件的高级工具功能。在这一阶段，各种不同类型的工具也将以无缝的方式互操作，例如，管理工具将与MBSE建模工具交互，后者将与数学建模工具交互，等等。

在阶段5中，所有与系统相关的知识、信息和数据都包含在模型中并为模型所拥有。图3中的图表表明，模型现在已经完全形成，并且独立存在。虽然这里没有显示任何文档，但是总会有一些文档存在。

这里的要点是，文档不拥有任何知识，事实上，文档应该被看作是组成模型的另一组视图，尽管是基于文本的视图。

阶段5的基本先决条件如下：

正在应用高级应用，包括能力和过程建模、变体建模、项目相关应用等等。
通过应用能力评估、过程成熟度评估和模型成熟度评估，已经到位的MBSE方法正在被不断地度量、评估和改进。
工具通过创建支持各种类型自动化的配置文件进行了定制。

阶段5是最终目标，但始终不断评估和改进整个MBSE方法是至关重要的。

编者：与其说阶段5是达到了最终目标，不如说组织中的MBSE已经进入主动的良性循环了。希望有些组织能达到这个阶段。

从阶段1到阶段5未必是一步一个台阶线性发展的。在MBSE推进过程中，难免会遇到困难，也难免会欠下技术债务而得不到及时偿还，最后让积累的矛盾集中爆发。早期的过高期望与实践过程中的挫折可能会打击自信心，或许会让MBSE陷入低谷，这毫不奇怪。正如上一篇所说，这是勇敢者的游戏。加油吧！

MBSE演变的五个阶段的图9

编者：MBSE从基于文档经历五个阶段发展到基于模型，但并非意味着文档没有价值。文档不等同于文字描述。我们常说的基于文档是指用非形式化自然语言和图表描述的方式，而基于模型是用形式化（常常也是图形化，或称为“可视化”的）建模语言描述的方式。两者的本质区别在于是否“形式化”，即所作描述所使用的语言是否具备数学严谨性。

图4 基于文档和基于模型

建模语言是对自然语言作形式化改造的结果，并不是排斥自然语言。恰恰相反，建模语言越接近自然语言，往往越容易被多数人理解、接受并掌握。如果能以图文对照（“图”即图形化且形式化的形式，“文”即形式化文本）的形式呈现模型内容，让“文”的形式既接近自然语言，同时具备形式化特征，还能与形式化图形语言描述的内容一致，让读者能相互对照阅读，无疑是个福音。

这不是不切实际的幻想。用OPM语言所建的模型就具备这样的形式，图文对照且图文内容一致，是OPM模型的一个突出优点。让模型既具备严谨性，又能容易阅读理解，适合作概念建模，既“描述知识”。如下面这个模型，建模软件工具能据此自动生成形式化文本。

MBSE演变的五个阶段的图11