自主可控的MBSE建模与仿真平台（S-MASP）
编者按 |
引言
2006年10月，系统工程国际委员会（INCOSE）在《Systems Engineering Vision 2020》中正式提出“基于模型的系统工程”（model-based systems engineering，MBSE）概念。MBSE使用建模方法支持系统的需求定义、设计定义、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所有的寿命周期阶段。
自此国外基于模型的系统工程（MBSE）进入发展的快车道，一系列建模方法，模型概念和相应支撑项目层出不穷。近些年来，以SysML为基础的系统级模型已成为大家的共识，相应商业化工具及平台都支持SysML标准，例如Dassault的Magicdraw、IBM的Rhapsody。在工具厂商的推动、标准组织和工业企业的积极参与下，MBSE技术在各个领域应用程度越来越深，相应的工具平台也愈来愈成熟[1]。
“华为事件”以来，国内产业界才认识到工业软件是如此的重要，而国内产品和国外同类产品差距是如此大，是典型的“卡脖子项”，以CAD、CAE、EDA类软件尤甚。不同于互联网软件，任一成熟工业软件都需要经过长时间的迭代发展才能达到可靠好用，国内很难在短时间内把洞补起来[2]。MBSE工具就是典型的新兴CAD工业软件，所以，在工业软件受国外掣肘的背景下，对于此类落后不多工业软件更需要加快步伐跟上业界先进水平。索为公司杉石团队6年前就开始进行MBSE相关技术研究储备，现形成以Modelook为核心的复杂工程系统建模仿真平台，并积极在国内相关领域推广应用，取得不错的反馈。
图1 MBSE的三大支柱
一、系统模型
描述语言
与传统的基于文档的系统工程不同，MBSE将系统的表达由“以文档报告为中心”转变为“以模型为中心”，MBSE要求通过一系列活动产出一份集成、清晰且一致的系统模型，基于这个整合的模型，给生命周期不同阶段、不同领域、不同学科的人提供唯一真实的数据模型，因此能够对系统进行准确描述的模型语言成为MBSE的核心基础。
系统建模语言（SysML）是一种图形化建模语言，可以支持系统的规范、分析、设计、验证和确认，并且不依赖方法学和工具，是MBSE的关键使能方法。MBSE解决方案通常使用SysML来创建系统结构、行为、需求、和约束的模型。但SysML并不是唯一的建模语言，对于其他领域的工程师（例如体系、软件、性能、业务过程等）都有更适合的建模语言，例如UML、UPDM、AADL等图形化建模语言及Modelica等文本建模语言。
在S-MASP解决方案中，对SysML标准和DSL（领域模型）都做了很好的支持。
1.1 支持SysML1.6标准
在S-MASP解决方案中，对SysML最新标准中定义的元模型及9种图（图2）进行了完整的支持[3]。
活动图用于表示系统所需要的行为，以及输入通过一系列动作转换为输出的过程；
顺序图用于表示系统内部与外部环境如何通过操作调用和异步信号进行交互；
状态机图用于表示系统的一系列状态，以及响应事件时状态之间的可能转换；
用例图用于表示系统所执行的用例及相关参与者；
需求图用于表示基于文本的需求、及需求之间的关系。
模块定义图用于表示模块和值类型之间的元素，以及元素之间的关系；
内部模块图用于定义单个模块之间的内部结构，包含内部组成、接口及关系；
参数图用于表示约束与系统属性的绑定，支持工程分析；
包图用于显示模型以包的层级结构关系形式所组织的方式；
除此以外，在S-MASP解决方案中，在SysML建模语言的基础上又扩展了一些领域模型，以更好的支持不同领域的MBSE实践者进行系统建模。
1.2 面向综合电子的领域模型
面向综合电子系统领域的实例化模型，是基于SysML标准的元模型，并结合专业领域知识进行构造型的扩展，形成面向综合电子系统领域所应用的配置文件，为综合电子系统工程师提供系统建模。在该领域模型中，主要包含以下内容：
保留了SysML标准中的行为图（用例图、活动图、顺序图、状态图）和需求图；
针对SysML标准中的结构图（模块定义图和内部模块图）进行了实例化应用，提供了功能组成图、逻辑组成图、功能架构图、物理架构图、接口数据图等实例化模型，以更好地对系统架构进行描述。其中逻辑组成图用于表达实现系统功能的逻辑模块；功能架构图用于描述完整的逻辑组成及逻辑模块间的拓扑关系、功能分配及功能间的交互功能流，是对系统架构的完整静态描述（图3）。
1.3 面向嵌入式系统的领域架构模型
面向嵌入式领域的架构模型，是基于AADL标准进行架构建模，并支持AADL图形与AADL文本的转换。基于AADL模型可以进行调度、可靠性、安全性、实时性、资源使用等分析，以此来对系统架构进行验证和评估。主要提供了物理架构图和软硬件架构图（图4）两种领域模型，作为对系统级SysML标准模型的补充，以更好地支持系统架构的落地，弥补了SysML对非功能需求验证能力的不足。
物理架构图用于描述满足系统的物理设备组成及设备间的通信关联关系，设备可以分为功能设备及计算设备，设备上可定义端口，端口分为通信端口、电源端口、人机端口等，端口间通过对应的总线网络、通信连接、电源连接、人机连接等进行关联；
软硬件架构图用于对设备中的软硬件进行建模，包括对数据流、资源进行建模和映射，满足AADL标准中的模型元素，如进程、线程、数据、子程序、处理器、存储器、总线等。
图4 面向嵌入式领域的架构模型
1.4 配置文件和模型库的应用
SysML是一种通用系统建模语言，在进行系统建模时直接使用元模型。而针对一些专业领域的特殊要求，例如为汽车领域定制SysML，包括特定的汽车概念和标准元素的表示（例如引擎、底盘和制动器）。为了实现这一点，在S-MASP解决方案中，使用了SysML构造型的扩展机制，即针对元类进行附加属性和约束的扩展，并对构造型进行组合形成配置文件，以实现对专业领域建模语言的扩展定制。在S-MASP解决方案中同时也支持模型库的应用，模型库通常指在工程领域中使用的可重用模型元素，如针对特定领域应用的电子元器件模型库，或通用的单位量纲模型库。具体体现在：
针对配置文件，应用可视化的方式使用户可自定义对象库并支持封装，从而形成面向特定领域的领域模型，用户通过一个简单的SysML模块定义图进行构造型扩展，可将元模型修改成特定的领域模型。
针对模型库，对设计领域常用的单位、量纲等（如kg、km）进行了模型定义及封装，这些单位模型库可被调用并应用到任何SysML项目中。
二、MBSE方法论
建模方法论是MBSE里重要的一环，也是大部分人员开始接触MBSE的切入点。例如，2012年，中航工业与IBM开展合作引入HarmonySE方法论开始，航空工业集团内部掀起了一股学习MBSE的热潮。其中大部分工程技术人员接触MBSE都是从HarmonySE开始的。HarmonySE方法[4]是IBM Rhapsody工具及相关产品主推的方法论，以SysML模型为基础，它核心强调需求分析及基于用例的功能分析，由系统的动态行为分析权衡得到系统的静态架构（图5）。
图5 HarmonySE方法论
图7 MagicGrid方法论
除了常见的以SysML为基础模型的方法论外，还有其他以自定义模型为基础的方法论，典型如Thales提出的Arcadia方法论[7]（图8），相比之下，其更适用于复杂电子系统，更利于工程实践。
图8 Arcadia方法论
除了上述列举的方法论外，国外还有大量的其他维度的方法论，如Vitech的STRATA，Dori的OPM，NASA.JPL的SA（State Analysis），PTC的ASAP，Weilkiens的SYSMOD等等。
S-MASP平台中的系统建模软件（Modelook）在前期推广应用过程中也形成了一套面向综合综合电子领域的方法论IntE-se（integrated electronic-SE），主要适用于例如综合航电系统、控制系统、信息系统等。
IntE-se方法论的建模方法大体分为三个阶段，用户需求分析，系统功能分析及系统综合设计（图9）。三个阶段中通常上个阶段的输出是下个阶段的输入，分别为用户需要、用户需求、系统需求和系统初步方案。
用户需求分析阶段主要解决用户需要系统完成什么及系统需要具备哪些功能才能完成用户需求两大问题。通过参与者识别，基于用例的黑盒功能分析，用例完备性分析等方法解决。在此阶段会把用户需要（needs）转换为结构化的用户需求（requirements），便于后续持续分析和管理。
系统功能分析阶段主要解决系统需要如何构建和工作才能完成上阶段的系统黑盒功能。简单说在此阶段需要把系统从功能的维度分解开，说清楚此目标系统是由什么样的逻辑模块和功能构成，以及逻辑块和逻辑块，功能和功能之间的数据关系，具体分解颗粒度可视系统复杂程度和系统工程师关心角度而定。具体会通过逻辑组成划分，继承性的用例白盒分析，功能架构定义及功能行为仿真，功能／接口完备性分析等方法完成。最终会得到系统的功能架构图及各个子系统需求，这里需要强调的是系统功能架构图和我们平常接触较多的系统方案不一样，它某种意义上来说还是一种需求，是功能需求的精准化表达，简单举例拿飞机来说，自发明以来，它的功能场景就没发生过变化，都是起飞，爬升，巡航，做任务，返航，降落等，可能任务场景不一样，但是核心功能，即功能架构没有发生大的变化，但是因为技术的进步，飞机的实现方式有翻天覆地的变化，从最开始的螺旋桨飞机，到喷气式飞机，再到未来的空天飞机，组成材料更是完全不一样，这主要是体现在下一个阶段的物理架构模型，即从实现的角度考虑系统架构。
图9 IntE-se方法论
诚如上所述，各种各样的建模方法很多，每种方法侧重点也不一样，各有优劣。不同的建模方法就像菜谱，各种模型就如食材一样，菜谱可能对于新手来说很有用，能保证其在较低的时间成本内完成一道质量有保证的食物，但是对于真正的大厨来说，可以做到眼前无谱，心中有谱，掌握不同食材（模型）的特性，依据食客当时的需求做出真正的上乘美味。所以，没有必要去生搬硬套某一种固定的建模方法，也没有哪一种建模方法可以包打天下，更重要的是要依据自己团队和所构建系统的特点，发展出适合自己的建模方法，且通过方法确保团队内所有人都以一致的方式构建模型。
同样，S-MASP平台也支持根据用户的需求裁剪或者定义适合自己的建模方法，往往这也是项目中能够顺利落地MBSE的重要影响因素。
S-MASP平台中的Modelook软件为用户提供了多种方法论的选择机制。
可以完全跳过方法论，通过SysML和DSL（领域语言）直接对系统进行建模描述；
可以选择现有成熟的通用方法论，例如Harmony SE。针对不同领域进行裁剪或扩充定制建模方法，例如在综合航电领域实践中形成的avic-SE方法论；
可以通过profile或者软件开发的方式实现自定义的方法论。
三、系统建模与 仿真平台
建模工具是MBSE的第三大支柱，也是支撑MBSE的模型和方法能够在工程中应用的基础。国外商业化工具厂商在国外的实践中分别推出了各自的商业化MBSE建模工具，比较有代表性的有IBM公司的Rhapsody、No Magic公司的Magicdraw等。
作为国内的工业软件解决方案厂商，我们在项目实践中，逐渐形成了一套面向国内用户的系统建模仿真工具化落地方案。通过S-MASP平台可以实现：
图形化建模及基于模型数据的文档生成；
多专业模型联合仿真执行；
统一数据源；
版本管理、权限管理；
基于web的模型查看及评审。
S-MASP平台的架构如图10所示：
图10 S-MASP平台架构
S-MASP平台在组成上分为四部分：
建模客户端Modelook及文档生成工具插件：为用户提供图形化建模环境及基于模型的文档生成；
协同服务器：基于领域模型库、工程数据库及共性 服务，支持多人多地统一数据源的协同设计；
仿真客户端Simox加分布式调度服务：为用户提供仿真场景管理、模型执行及分布式联合仿真调度等功能；
浏览器门户网站加web服务：帮助用户通过浏览器快速的查看模型及基于web的模型评审；
3.2 建模工具——Modelook
通过自主研发的Modelook建模工具，可以实现工程管理、图形化建模及基于模型数据的文档生成。
Modelook支持第2章中提到的SysML元模型建模及领域模型建模，并提供第2章中提到的灵活的方法论选择机制。用户可以根据自己的需要创建不同类型的工程来进行系统级建模。例如机载航电系统在设计时可以选用IntE-se方法论（图9），借助领域模型库中的面向综合电子领域的实例化模型来进行系统级模型创建。
相比于SysML模型，面向综合电子领域的模型能够更直观的定义系统的用例、功能、逻辑组成及物理组成。通过建模分析，逐步实现从需求到逻辑再到物理的方案演进（图11）。
图11 航电系统建模示意
在完成了系统建模之后，可以借助文档生成工具插件，基于模型数据和文档模板生成所需要的文档，从而减少了重复编写文档的工作，有效的提高效率（图12）。
图12 文档生成配置界面
3.4 仿真工具——Simox
通过仿真工具Simox，基于统一的软件平台对各专业模型进行仿真管理，可以在某一仿真场景中图形化引用UI模型、系统模型、专业模型并创建模型间的数据关联关系（图13），通过系统级的SysML模型作为集成框架，在统一的仿真调度服务来驱动多专业模型执行，实现面向多领域全生命周期的异构模型(SysML,Modelica,Simulink等)仿真分析。
图13 Simox仿真场景
Simox将支持以下三种联合仿真场景：
状态图作为系统整体运行逻辑的描述，可以有效的响应外部触发事件对系统状态的影响，并传递给各分析模型，各分析模型将执行状态及结果再反馈给状态图进行同步显示。在某案例中，通过集成系统的运行逻辑模型、数学模型和任务场景可视化模型，实现了系统运行逻辑及场景的可视化，使客户对所设想产品进行最快和直观的认识，而又不丢失产品信息的准确性（图14）。
图14 基于状态图的联合仿真示例
活动图聚焦于描述系统行为，对动作和流（控制流、对象流）等进行建模，活动图通过描述动作执行的顺序来描述系统的运行逻辑。因此活动图可用来模拟与时间相关的活动，并通过集成专业逻辑模型进行联合仿真执行。在图15展示的案例中，实现了SysML活动图模型与外部可执行模型（Matlab、VC等）的集成应用，活动图模型用来描述系统功能逻辑，外部分析模型描述算法的具体实现，将活动图中的动作与外部分析模型进行绑定，可实现系统的动态行为模型和数学模型的联合仿真，实现在系统设计早期，对功能和性能指标进行设计验证。
图15基于活动图的联合仿真示例
参数图提供了将系统的参数约束模型与系统结构、行为模型整合的方法，借助参数图模型可以和专业分析模型打通数据接口，从而实现系统的非功能需求验证、权衡对比分析、自动设计优化等功能。如图16所示的案例[8]，通过将SysML中的参数模型与工程分析模型进行数据集成，更好的实现系统多学科联合优化设计。利用专业模型对系统架构模型中的参数进行设计，具体完成如下内容：
-
明确参数分析要达到的目标，使用需求图构建参数指标，如重量、结构强度； -
构建参数分析模块，并定义分析参数，使用BDD图定义系统的逻辑模块组成及约束组成； -
定义表示参数分析方程的约束模块，使用参数图建立各约束模块与参数之间的绑定关系，从而建立各参数之间的约束关系； -
导出SysML参数模型到多学科优化平台或计算平台（CATIA、Nastran、Matlab等）用于做指标分析，并根据多学科优化仿真结果，验证系统设计模型指标的正确性，以及对系统设计进行优化迭代。
图16 基于参数图的联合仿真示例
3.5 模型协同
S-MASP平台通过协同服务器的共性 服务模块可以提供用户权限管理、版本管理等功能，并基于统一的模型数据源，实现模型元素之间的追踪和影响性分析，很好的解决了团队多成员的协同问题。可以通过差异化的设置用户账号的功能权限、数据权限，实现多人并行设计，提高效率；通过有效的版本控制，确保团队设计状态的管理（图17）。
图17 协同功能示意图
同时，S-MASP平台还支持web查看和评审功能，帮助团队内部进行快速的讨论与内部评审（图18）。
图18 web功能示意图
四、应用实践
S-MASP平台在多个用户项目中完成了大量应用实践，帮助用户解决了很多难以解决的痛点。
4.1 案例一 —— 无人物流系统
用户：某民用科技公司。
痛点：产品特点为单个系统不复杂，但系统交联复杂（图19为用户产品示意图）；团队分布在三个城市，沟通成本高；产品、技术、运营等不同岗位的团队成员沟通困难。
应用实践：为用户提供阿里云版的协同服务，为用户的异地团队提供了统一数据源的设计可能。基于系统模型的设计方式的引入，团队各角色成员可以基于统一的认知进行沟通，降低了沟通的难度。并提供了web版浏览，提高了协同效率。
图19 某物流无人机产品示意图
图20 物流无人机系统建模
4.2 案例二 —— 无人机综合电子系统建模
用户：航空某研究所。
痛点：在预研项目中，传统的基于文档的设计形式不支持快速迭代及早期仿真验证。
应用实践：为用户部署Modelook工具，并提供了面向综合电子系统领域的实例化模型，帮助用户快速的具备了基于模型的设计能力，提高了设计迭代效率。并通过基于状态图的仿真验证，在设计阶段进行系统的逻辑原理展示及验证。
4.3 案例三 —— 无人机体系建模联合仿真
用户：某高校无人机研究院
痛点：在论证无人机装备时，会做一些场景想定，但场景想定中的装备缺少逻辑模型的支持。
应用实践：提供灵活的状态图建模机制，用户可以对无人机及其他作战单元进行状态图建模，并打通与STK及matlab的接口，通过状态图的仿真运行触发STK模型的运行转换，并接收STK运行过程中的事件来触发状态的转换。通过该方案可将系统的离散逻辑模型与视景模型有效的联合，更好的对无人机装备进行研究（图21）。
图21 案例三解决方案示意图
总结
S-MASP平台作为国产化MBSE落地实施平台为用户提供了一套完整的基于模型的系统级设计、分析及多学科联合仿真解决方案。S-MASP有效的解决了系统级的需求分析与设计表达难题，并能够支持用户在设计阶段对系统进行有效的仿真验证。相对于其他国外MBSE建模工具，S-MASP平台具有以下优势：
-
国产自研，完全自主可控； -
全中文环境，提高设计和沟通效率； -
统一数据源，支持团队协同； -
支持领域模型扩展定制，更利于MBSE落地。
任何一款工程工具的成熟度提高都依赖于持续的项目实践迭代，S-MASP目前还处于探索阶段，期待与更多领域的用户进行合作，共同打造一套真正符合国内各领域使用需求的成熟MBSE解决方案。
参考文献
[1]数字化从业笔记公众号，MBSE用户画像：NASA最新MBSE落地方案及十年探索之路
[2] 林雪萍，论工业软件的十大趋势
[3]OMG Systems Modeling Language（OMG SysMLTM） version 1.6
[4]IBM Rational Harmony Deskbook Rel 4.1
[5]Joe Wolfrom，Section2a：OOSM Overview
[6]No Magic，MagicGridTMFramework fo MBSE
[7]Thales，Datasheet_Arcadia
[8]David Kaslow，GrantSoremekun，Hongman Kim，SaraSpangelo，Integrated Model-Based SystemsEnginering(MBSE) Applied to the Simulation of a CubeSat Mission
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