模型化——新时代提高我国系统工程能力的必由之路

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模型化——新时代提高我国系统工程能力的必由之路

来源:国防科技工业 | 作者:毛寅轩赵滟蒲洪波靳捷 | 发布时间: 2021-04-12 | 17576 次浏览 | 分享到:

工程的复杂性决定了对系统的认知不可能一次到位，需要经过一个不断完善的过程，需要工程各部分之间进行多轮的交互迭代.....

近年来，工程系统复杂性对系统工程能力的挑战愈发突出，为了有效应对复杂性挑战，模型化的理念与手段成为系统工程未来发展的关键。
01系统工程遇到挑战与模型化概念的提出
决定系统工程能力的要素。系统工程是从需求出发，以多学科融合为手段，通过分析、综合、验证等过程，产出一个满足需求、整体性能优化的工程系统。

我国航天在20世纪50年代末到60年代中期初步形成了系统工程理念，经过不断发展，在20世纪90年代，航天系统工程理论和实践走向成熟。遵循系统工程要求，践行系统工程方法是中国航天成功实现“载人航天”“探月工程”“北斗导航”等举世瞩目的重大工程的坚强保证。
工程的复杂性决定了对系统的认知不可能一次到位，需要经过一个不断完善的过程，需要工程各部分之间进行多轮的交互迭代，来保证系统各层级能够及时适应系统整体的最新要求，直到最后在整体上实现工程目标。在这个过程中，对系统的正确认知以及系统各层级的迭代能力极大程度上决定了系统工程的能力。
中国航天几十年来践行系统工程方法，通过合理的组织体系设置、严格的型号研制程序、严密的管理保障办法实现了系统工程的成功运行，成就了中国航天一系列辉煌成果。
系统的复杂性对系统工程能力提出了挑战。近年来随着计算机、网络与通信技术的迅速发展，人类社会的诸多生活场景发生改变，很多领域的人造系统逐步具备了网络化特征，具备了感知与学习能力，过程中产生大量数据。同时，系统与外部的联系更加紧密，呈现出体系性的特征。
这样的背景下，以航天为代表的国防科技重大工程，其工程任务愈加复杂，工程规模愈加巨大，系统复杂性问题愈来愈突出，对系统工程能力带来了前所未有的挑战：

第一是如何对愈加复杂的系统实现有效认知的问题。随着工程系统的复杂性愈来愈高，如何保证系统总体层级的共像认知与基础层级的个性认知不出现脱节？
第二是系统工程运行过程中系统信息与知识的有效迭代问题。在工程的体系性愈来愈复杂、对工程的各类要求变的越来越多的情况下，如何确保系统各层级的迭代快速而准确？
这两方面问题倘若不能得到有效解决，系统工程能力将无法确保实现工程目标，系统工程的效果也将大打折扣。
基于模型的系统工程是保障系统工程能力的技术保证。基于模型的系统工程（MBSE）是国际系统工程学（INCOSE）提出的概念。国际系统工程学所定义的模型有两项鲜明的特征：第一，模型面向从概念阶段就开始的系统工程全周期；第二，模型是被系统各部门进行迭代论证的依据。这两个特征，一方面为工程总体部、系统总体部等部门开展系统工程工作提供了全新的技术手段；另一方面MBSE以电子化的模型介质直接实现系统工程工作跨领域、跨部门的传递与分发，为系统实现快速、准确的迭代提供了坚实的技术基础。
MBSE对系统认知与系统迭代两方面的支撑作用对于系统工程具有意义重大。
第一，MBSE在技术层面上增强了系统级信息表征与信息迭代能力，能够将工程师的时间和精力解放到专业创新设计中，有利于提高系统的技术先进性；
第二，MBSE对于系统信息与知识迭代能力的增强能够提高系统工程效率，在研制任务更为艰巨的前提下，能够实现系统工程进度和周期可控；
第三，MBSE能够增强各个系统层级认知和表征能力，并能够将系统层级与基础层级进行关联，支持基于模型的多层级提前验证，有助于提前发现系统风险，提高系统工程成功率；
第四，MBSE在系统级提供了模型化的载体与模型化的知识，增强了知识继承和复用的能力，能够避免重复建设，提高工程建设的效益。
02未来系统工程模型化发展设想

系统工程模型化三要素
MBSE强调为系统工程师开展系统级工作提供模型化的工作抓手。对于系统工程全过程来说，既包括系统工程师的工作，也包括专业工程师、专业设计师、工艺师等系统工程链条上各个岗位的工作，这些工作都需要以模型为抓手，提高工作效率。
本质上，对系统工程而言，模型的作用一是提高对领域的认知与表达能力，二是为跨领域认知的联系与迭代提供技术上的可实现性，从而提高整合多域认知的系统整体认知能力。
面向这两个能力，系统工程的模型要往前发展需要遵循三个发展维度：
模型的深度。模型的深度是建模行为对领域信息表征深刻性的程度，是模型表达能力的体现，决定了模型是否能够对领域开展工作需要表征与处理的信息与知识要素及逻辑关系进行充分的形式化表征与说明。模型深度是系统信息与知识迭代充分性的保证，倘若模型深度不够，建模表征只浮于表面的形式，未能真正深入领域工作内容，未能切中领域工作的要义，未能切实符合领域工作需要，那么建模的深度是不够的，这样的模型用以开展系统信息与知识迭代的充分性是不能保证的。
模型的广度。模型的广度是建模行为在系统工程全链条工作中覆盖性的程度，决定了在系统工程全局工作中以基于模型的手段开展的工作领域的范围。模型广度是系统信息与知识迭代全面性的保证，倘若模型广度不够，模型化支撑的系统认知范围就比较窄，其他非模型化工作领域认知就难以整合进来，系统信息与知识迭代的全面性就不能保证。另一方面来说，模型的广度也决定了基于模型能够开展的系统工程验证回路的长短，模型覆盖范围越大，对方案提前验证的支持能力也就越强；
模型的集成度。模型的集成度是系统工程各领域之间建模行为实现联系与互通的程度，决定跨域模型联通与互操作的实时性与效率。集成度高的模型之间能够实现实时连通或互操作，集成度低的模型需要人工手段实现跨域模型信息集成。模型的集成度是系统信息与知识迭代快速性的保证，倘若模型的集成度不够，跨域模型之间信息连通与交换的实时性和效率就会比较低，系统信息与知识迭代的快速性就难以保证。

在复杂系统研制这个大的方向上，模型化方法与技术应用是未来发展的大趋势，近年来国内外提出了各类概念，基于模型的工程（MBE）、基于模型的企业（MBE）、体系结构框架（DoDAF、UAF等）、基于模型的系统工程（MBSE）、基于模型的设计（MBD）、数字孪生（Digital Twins）等概念层出不穷，其本质都是不同深度、广度与集成度的模型应用在项目采办、体系工程、系统工程、先进设计、智能制造等领域的具象化的工程实践。
我国系统工程要往前发展，要实现模型化的系统工程，模型一定是全寿命周期、全域和全时的，要能包括工程实践的各个阶段，这就需要以模型深度、广度与集成度为着力点，开展模型化系统工程的能力建设。
模型化系统工程能力建设的三个阶段
几年来，国内部分研究力量已经开展过MBSE方法、语言与工具初步研究，探索了使用SysML等系统建模语言对系统需求、功能、架构与参数进行建模描述的方法研究，并面向部分实际系统构建了系统模型，并打通了与部分物理级模型的数据接口，形成了一些成果，下一步需要推进模型化系统工程的工程化。
模型化系统工程的工程化要求从工程实际出发，加强模型化理论与方法的本土化与实践化，遵循模型深度、广度、集成度三个维度的技术发展路径，分步骤在型号系统工程运行过程中实现模型化工程应用，从系统认知能力与系统信息知识迭代能力两方面逐步增强我国系统工程能力。
围绕系统工程能力发展要求，系统工程模型化发展的能力建设从开始到逐步成熟分为以下三个阶段。
模型使能的系统级认知增强阶段。构建工程总体、系统总体的系统工程工作模型与程序规范，实现总体工作的模型化运行。重点发展系统总体工作中模型的深度，提高系统层认知能力以及系统层的信息知识迭代能力，信息与知识迭代的快速性和充分性得到根本上增强，需要构建规范的、有效的系统工程工作模型，当前在系统工程层级，国外理念和语言在国内水土不服的情况比较突出，需要在充分吸收和理解MBSE内涵的基础上，深入结合我国系统工程实践，对系统工程工作内容和要素进行深度研究，对系统工程工作的规则与模式进行深度提炼，把这些工作实践的共性模型提炼出来，为总体部门实践应用打下一个好的基础，根本上改变我们开展系统工程工作的方式与载体。
系统级与基础层级认知的互相牵引阶段。扩大系统工程模型化工作范围、加长模型化认知的总体链条。重点发展系统工程全链条工作中模型的广度、集成度，并进一步发展模型的深度，提高系统层认知与各基础层级认知的联系能力，以及更长链条的信息与知识迭代能力，信息与知识迭代的快速性、全面性、充分性得以增强。将规范的模型化系统工程工作与基于模型的专业设计工作统一融合进入模型化的标准工作程序。由于系统工程专业多样复杂，单一建模手段难以覆盖全局，需要认识到，模型化的系统工程要求认知的一致性和运用的实践性相融合，认知一致性是共性一致，运用的实践性是个性实践，需要重点研究将系统工程工作的领域本体模型与各基础专业层级的本体模型的关联与融合，构建共性，以保障各专业个性化开展的实践工作模型最后能够实现与系统的整体认知相统一。
广泛模型化支持下的可复用可重构的系统工程整体认知阶段。将系统工程全链条模型实现紧密融合。重点发展系统工程全链条工作中模型的集成度与深度，进一步提升模型广度，提高系统工程整体认知与整体的信息迭代能力，系统工程全局的信息与知识迭代的快速性、充分性、全面性得到体系性增强。将系统工程工作与各基础层级工作模型进行固化抽象，构建成体系的跨域模型库，支持跨域模型实时连通与互操作，实现模块化、可复用、易重构的系统工程与专业工作融合，实现模型化系统工程能力的跨越式发展。
坚持通过系统工程模型化提高系统工程能力，为航天强国建设锻造坚实的能力基础
强大的科学、技术基础和重大工程实现能力以及强大的研制、生产、试验和验证能力是航天强国必须具备的能力。我国航天已经进入深空大发展的时代，在任务更加复杂、工程难度更高的情况下，我们要坚定应用模型化的优势持续加强系统工程能力，结合技术发展的特点制定针对性的发展路径，为航天强国建设锻造坚实的能力基础，为实现伟大的强国梦贡献力量！（中国航天系统科学与工程研究院）

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