基于模型的系統(tǒng)工程MBSE與元模型介紹

工業(yè)仿真軟件之于工業(yè)，類似于地圖之于地理，無一日無它。

工業(yè)仿真的目的，首先是為了好的產(chǎn)品性能，其次是為了好的產(chǎn)品設(shè)計，最后是為了好的市場效益。簡單地說，一個好的電飯煲，最佳的目標是收益和口碑俱佳，叫好又叫座。

從產(chǎn)品規(guī)劃到產(chǎn)品功能需求（尺寸、色彩、電壓、烹調(diào)功能）這些定義通常是落到紙面上。設(shè)計工程師根據(jù)這些要求使用計算機進行產(chǎn)品零部件設(shè)計。這就造成了產(chǎn)品設(shè)計流程上的脫節(jié)：規(guī)劃在紙上，設(shè)計在模型，無法動態(tài)自動化調(diào)整產(chǎn)品規(guī)劃。

MBSE介紹

基于模型的系統(tǒng)工程 （MBSE）是一種形式化的方法，用于支持與復雜系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)的需求、設(shè)計、分析、驗證和確認。與以文檔為中心的工程設(shè)計相比，MBSE 將模型置于系統(tǒng)設(shè)計的中心。

數(shù)字建模環(huán)境中的 MBSE 提供了基于文檔的系統(tǒng)工程無法提供的優(yōu)勢。例如，在基于文檔的方法中，許多文檔由不同的作者生成，以從各種利益相關(guān)者視圖（例如系統(tǒng)行為、軟件、硬件、安全、安?；蚱渌麑W科）捕獲系統(tǒng)的設(shè)計。使用數(shù)字建模方法，構(gòu)建系統(tǒng)的單一事實來源，其中使用相同的模型元素創(chuàng)建系統(tǒng)的特定學科視圖。

數(shù)字建模環(huán)境還創(chuàng)建了一種基于標準的通用方法來記錄系統(tǒng)，該方法可以通過編程方式進行驗證，以消除模型中的不一致之處，并強制所有利益相關(guān)者使用標準。這種通用的建模環(huán)境改進了系統(tǒng)的分析，并減少了傳統(tǒng)基于文檔的方法中通常注入的缺陷數(shù)量。數(shù)字化系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可用性可用于跨學科分析，為所有利益相關(guān)者提供一致的更正傳播和新信息和設(shè)計決策的合并（即，一次聲明并自動傳播到數(shù)據(jù)的各種視圖）。如果MBSE做得好，結(jié)果是總體上降低了開發(fā)風險。

MBSE概念：模型+系統(tǒng)思維+建模語言

模型是某物的簡化版本——一種圖形、數(shù)學或物理表示，它抽象現(xiàn)實以消除一些復雜性。這個定義意味著簡化、表示或抽象的形式或規(guī)則。要對系統(tǒng)進行建模，系統(tǒng)架構(gòu)師必須用較少的細節(jié)來表示系統(tǒng)，以便其結(jié)構(gòu)和行為顯而易見，并且其復雜性易于管理。

系統(tǒng)思維是一種將所考慮的系統(tǒng)視為一個更大的系統(tǒng)的一部分而不是自給自足的實體的方式。系統(tǒng)工程師從遠處觀察系統(tǒng)；探索其邊界、背景和生命周期，注意其行為，并識別其模式。盡管系統(tǒng)工程師必須在一開始就分解和分析系統(tǒng)——識別部件并描述它們之間的聯(lián)系——但通過系統(tǒng)思維，他們后來將這些部件綜合成一個連貫的整體。零件不僅與其他零件相連，它們相互依賴才能正常工作。系統(tǒng)思維強調(diào)這種相互聯(lián)系。系統(tǒng)的行為來自系統(tǒng)子部分的活動。系統(tǒng)思維可以更容易識別、平衡系統(tǒng)并管理系統(tǒng)的復雜性。

我們都見過、使用或生成過模型，從代表汽車或飛機的玩具到描述和解釋熱力學或重力等物理現(xiàn)象的數(shù)學公式。雖然根本不同，但這些模型都將一個想法與現(xiàn)實聯(lián)系起來，并為目的提供了足夠的抽象。在對系統(tǒng)進行建模時，系統(tǒng)工程師決定生產(chǎn)系統(tǒng)的哪些方面最重要，例如結(jié)構(gòu)、能量或物質(zhì)流、內(nèi)部通信或安全和安保。這些類型的方面將成為模型的重點。建?；顒拥氖滓繕耸菍δＰ退P(guān)注的突出方面進行建模，盡可能接近真實系統(tǒng)。

建模語言是一個常用術(shù)語，用于清楚地傳達模型捕獲的抽象概念。建模語言可以是正式的，具有嚴格的語法和規(guī)則。存在一些系統(tǒng)建模語言，包括通用語言，如系統(tǒng)建模語言（SysML）和統(tǒng)一建模語言（UML）

概念澄清：模型與元模型

當你擁有建模語言，并且建立起模型的時候，就會遇到一個問題，如何將復雜的實體模型映射到系統(tǒng)建模中。將一個電飯煲的CAD圖形文件拖入系統(tǒng)建模是毫無價值的，因為它不是一個活動的模型。

系統(tǒng)建模的模型是一個動態(tài)的活動的模型，當給定輸入條件的時候，它會給出特定的輸出。比如：電壓220V，標準煮飯按鈕代表著A類功率輸出控制。

系統(tǒng)建模中看重的是模型的功能輸出，所以那些沒有輸出的CAD模型、網(wǎng)格模型、甚至實體樣機本身都不是系統(tǒng)建模中的模型的完整定義。系統(tǒng)建模中模型的完整定義包括：輸入參數(shù)、模型描述、輸出參數(shù)。

所以系統(tǒng)建模中的模型是產(chǎn)品物理模型的某種功能或者性能抽象，比如：

對于開關(guān)來說，插拔力和插拔速度曲線，定義了插拔功能模型。

對于電飯煲來說，煮飯功能和功率需求，定義了功率需求模型。

對于飛機來說，起落架的載荷、體積、重量，定義了飛機的最大起飛和降落能力模型。

元模型

上述系統(tǒng)建模中所需要的功能模型，就是元模型。元模型就是某個系統(tǒng)的特征抽象（真空中飛行的炮彈軌跡的元模型就是位置和時間以及重力加速度的函數(shù)關(guān)系式）。對于零部件來說，抽象出系統(tǒng)建模中所需要的包含性能特征的模型并非易事。正如此前討論過，元模型的抽象需要使用從采樣、降階、多方法擬合元建模、驗證等至少4個步驟。

元模型是MBSE基于模型的系統(tǒng)工程的基石。

審核編輯：劉清