模型化
——新時代提高我國系統工程能力的必由之路

2021-03-24 01:00:02

國防科技工業 2021年3期

近年來，工程系統復雜性對系統工程能力的挑戰愈發突出，為了有效應對復雜性挑戰，模型化的理念與手段成為系統工程未來發展的關鍵。

系統工程遇到的挑戰與系統工程模型化概念的提出

決定系統工程能力的要素。系統工程是從需求出發，以多學科融合為手段，通過分析、綜合、驗證等過程，產出一個滿足需求、整體性能優化的工程系統。

我國航天在20 世紀50 年代末到60 年代中期初步形成了系統工程理念，經過不斷發展，在20 世紀90 年代，航天系統工程理論和實踐走向成熟。遵循系統工程要求，踐行系統工程方法是中國航天成功實現“載人航天”“探月工程”“北斗導航”等舉世矚目的重大工程的堅強保證。

工程的復雜性決定了對系統的認知不可能一次到位，需要經過一個不斷完善的過程，需要工程各部分之間進行多輪的交互迭代，來保證系統各層級能夠及時適應系統整體的最新要求，直到最后在整體上實現工程目標。在這個過程中，對系統的正確認知以及系統各層級的迭代能力極大程度上決定了系統工程的能力。

中國航天幾十年來踐行系統工程方法，通過合理的組織體系設置、嚴格的型號研制程序、嚴密的管理保障辦法實現了系統工程的成功運行，成就了中國航天一系列輝煌成果。

系統的復雜性對系統工程能力提出了挑戰。近年來隨著計算機、網絡與通信技術的迅速發展，人類社會的諸多生活場景發生改變，很多領域的人造系統逐步具備了網絡化特征，具備了感知與學習能力，過程中產生大量數據。同時，系統與外部的聯系更加緊密，呈現出體系性的特征。

這樣的背景下，以航天為代表的國防科技重大工程，其工程任務愈加復雜，工程規模愈加巨大，系統復雜性問題愈來愈突出，對系統工程能力帶來了前所未有的挑戰：

第一是如何對愈加復雜的系統實現有效認知的問題。隨著工程系統的復雜性愈來愈高，如何保證系統總體層級的共像認知與基礎層級的個性認知不出現脫節？

第二是系統工程運行過程中系統信息與知識的有效迭代問題。在工程的體系性愈來愈復雜、對工程的各類要求變的越來越多的情況下，如何確保系統各層級的迭代快速而準確？

這兩方面問題倘若不能得到有效解決，系統工程能力將無法確保實現工程目標，系統工程的效果也將大打折扣。

基于模型的系統工程是保障系統工程能力的技術保證。基于模型的系統工程（MBSE）是國際系統工程學（INCOSE）提出的概念。國際系統工程學所定義的模型有兩項鮮明的特征：第一，模型面向從概念階段就開始的系統工程全周期；第二，模型是被系統各部門進行迭代論證的依據。這兩個特征，一方面為工程總體部、系統總體部等部門開展系統工程工作提供了全新的技術手段；另一方面MBSE以電子化的模型介質直接實現系統工程工作跨領域、跨部門的傳遞與分發，為系統實現快速、準確的迭代提供了堅實的技術基礎。

MBSE 對系統認知與系統迭代兩方面的支撐作用對于系統工程具有意義重大。第一，MBSE 在技術層面上增強了系統級信息表征與信息迭代能力，能夠將工程師的時間和精力解放到專業創新設計中，有利于提高系統的技術先進性；第二，MBSE 對于系統信息與知識迭代能力的增強能夠提高系統工程效率，在研制任務更為艱巨的前提下，能夠實現系統工程進度和周期可控；第三，MBSE 能夠增強各個系統層級認知和表征能力，并能夠將系統層級與基礎層級進行關聯，支持基于模型的多層級提前驗證，有助于提前發現系統風險，提高系統工程成功率；第四，MBSE 在系統級提供了模型化的載體與模型化的知識，增強了知識繼承和復用的能力，能夠避免重復建設，提高工程建設的效益。

未來系統工程模型化發展設想

系統工程模型化三要素

MBSE 強調為系統工程師開展系統級工作提供模型化的工作抓手。對于系統工程全過程來說，既包括系統工程師的工作，也包括專業工程師、專業設計師、工藝師等系統工程鏈條上各個崗位的工作，這些工作都需要以模型為抓手，提高工作效率。

本質上，對系統工程而言，模型的作用一是提高對領域的認知與表達能力，二是為跨領域認知的聯系與迭代提供技術上的可實現性，從而提高整合多域認知的系統整體認知能力。

面向這兩個能力，系統工程的模型要往前發展需要遵循三個發展維度：

模型的深度。模型的深度是建模行為對領域信息表征深刻性的程度，是模型表達能力的體現，決定了模型是否能夠對領域開展工作需要表征與處理的信息與知識要素及邏輯關系進行充分的形式化表征與說明。模型深度是系統信息與知識迭代充分性的保證，倘若模型深度不夠，建模表征只浮于表面的形式，未能真正深入領域工作內容，未能切中領域工作的要義，未能切實符合領域工作需要，那么建模的深度是不夠的，這樣的模型用以開展系統信息與知識迭代的充分性是不能保證的。

模型的廣度。模型的廣度是建模行為在系統工程全鏈條工作中覆蓋性的程度，決定了在系統工程全局工作中以基于模型的手段開展的工作領域的范圍。模型廣度是系統信息與知識迭代全面性的保證，倘若模型廣度不夠，模型化支撐的系統認知范圍就比較窄，其他非模型化工作領域認知就難以整合進來，系統信息與知識迭代的全面性就不能保證。另一方面來說，模型的廣度也決定了基于模型能夠開展的系統工程驗證回路的長短，模型覆蓋范圍越大，對方案提前驗證的支持能力也就越強；

模型的集成度。模型的集成度是系統工程各領域之間建模行為實現聯系與互通的程度，決定跨域模型聯通與互操作的實時性與效率。集成度高的模型之間能夠實現實時連通或互操作，集成度低的模型需要人工手段實現跨域模型信息集成。模型的集成度是系統信息與知識迭代快速性的保證，倘若模型的集成度不夠，跨域模型之間信息連通與交換的實時性和效率就會比較低，系統信息與知識迭代的快速性就難以保證。

在復雜系統研制這個大的方向上，模型化方法與技術應用是未來發展的大趨勢，近年來國內外提出了各類概念，基于模型的工程（MBE）、基于模型的企業（MBE）、體系結構框架（DoDAF、UAF 等）、基于模型的系統工程（MBSE）、基于模型的設計（MBD）、數字孿生（Digital Twins）等概念層出不窮，其本質都是不同深度、廣度與集成度的模型應用在項目采辦、體系工程、系統工程、先進設計、智能制造等領域的具象化的工程實踐。

我國系統工程要往前發展，要實現模型化的系統工程，模型一定是全壽命周期、全域和全時的，要能包括工程實踐的各個階段，這就需要以模型深度、廣度與集成度為著力點，開展模型化系統工程的能力建設。

模型化系統工程能力建設的三個階段

幾年來，國內部分研究力量已經開展過MBSE 方法、語言與工具初步研究，探索了使用SysML等系統建模語言對系統需求、功能、架構與參數進行建模描述的方法研究，并面向部分實際系統構建了系統模型，并打通了與部分物理級模型的數據接口，形成了一些成果，下一步需要推進模型化系統工程的工程化。

模型化系統工程的工程化要求從工程實際出發，加強模型化理論與方法的本土化與實踐化，遵循模型深度、廣度、集成度三個維度的技術發展路徑，分步驟在型號系統工程運行過程中實現模型化工程應用，從系統認知能力與系統信息知識迭代能力兩方面逐步增強我國系統工程能力。

圍繞系統工程能力發展要求，系統工程模型化發展的能力建設從開始到逐步成熟分為以下三個階段。

模型使能的系統級認知增強階段。構建工程總體、系統總體的系統工程工作模型與程序規范，實現總體工作的模型化運行。重點發展系統總體工作中模型的深度，提高系統層認知能力以及系統層的信息知識迭代能力，信息與知識迭代的快速性和充分性得到根本上增強，需要構建規范的、有效的系統工程工作模型，當前在系統工程層級，國外理念和語言在國內水土不服的情況比較突出，需要在充分吸收和理解MBSE 內涵的基礎上，深入結合我國系統工程實踐，對系統工程工作內容和要素進行深度研究，對系統工程工作的規則與模式進行深度提煉，把這些工作實踐的共性模型提煉出來，為總體部門實踐應用打下一個好的基礎，根本上改變我們開展系統工程工作的方式與載體。

系統級與基礎層級認知的互相牽引階段。擴大系統工程模型化工作范圍、加長模型化認知的總體鏈條。重點發展系統工程全鏈條工作中模型的廣度、集成度，并進一步發展模型的深度，提高系統層認知與各基礎層級認知的聯系能力，以及更長鏈條的信息與知識迭代能力，信息與知識迭代的快速性、全面性、充分性得以增強。將規范的模型化系統工程工作與基于模型的專業設計工作統一融合進入模型化的標準工作程序。由于系統工程專業多樣復雜，單一建模手段難以覆蓋全局，需要認識到，模型化的系統工程要求認知的一致性和運用的實踐性相融合，認知一致性是共性一致，運用的實踐性是個性實踐，需要重點研究將系統工程工作的領域本體模型與各基礎專業層級的本體模型的關聯與融合，構建共性，以保障各專業個性化開展的實踐工作模型最后能夠實現與系統的整體認知相統一。

廣泛模型化支持下的可復用可重構的系統工程整體認知階段。將系統工程全鏈條模型實現緊密融合。重點發展系統工程全鏈條工作中模型的集成度與深度，進一步提升模型廣度，提高系統工程整體認知與整體的信息迭代能力，系統工程全局的信息與知識迭代的快速性、充分性、全面性得到體系性增強。將系統工程工作與各基礎層級工作模型進行固化抽象，構建成體系的跨域模型庫，支持跨域模型實時連通與互操作，實現模塊化、可復用、易重構的系統工程與專業工作融合，實現模型化系統工程能力的跨越式發展。

堅持通過系統工程模型化提高系統工程能力，為航天強國建設鍛造堅實的能力基礎