導讀：2023年10月28日，由中國自動化學會主辦的2023國家工業軟件大會在浙江湖州盛大開幕。大會以“工業軟件·智造未來”為主題，匯聚了25位國內外院士，1500余位代表，共同探討工業軟件領域前沿理論和技術創新應用問題，共同謀劃我國工業軟件未來發展之道。
劉玉生教授受邀在2023國家工業軟件大會中作題為“基于模型的系統工程軟件研發與應用”的專題報告。報告從分析基于模型的系統工程（Model-based Systems Engineerring，MBSE）的本質內涵入手，簡要介紹了國產MBSE軟件工具M-Design研發的關鍵技術、主要創新及主要特色功能等，并結合案例介紹其可展性與應用。
基于模型的系統工程軟件研發與應用
20世紀40年代，隨著美國曼哈頓原子彈項目和阿波羅登月計劃的興起，系統工程的概念首次提出并得到廣泛應用。然而，隨著復雜產品數量的增加和研制周期的縮短，帶來了一系列挑戰。這些挑戰包括多部門和多學科間的合作，以及系統之間接口的不一致和不明確性，同時還有大量文檔的管理和支持。這些問題需要系統工程師和相關領域的專家共同努力，通過制定統一的標準和方法，促進跨部門、跨學科之間的協作與溝通，以確保復雜裝備的研制過程能夠更加高效、有序地進行，從而應對不斷增長的挑戰并確保項目的成功完成。
一、MBSE基本內涵
傳統系統工程所面臨的主要問題集中在需求分析階段，其中引入的錯誤可能會導致巨大的時間和成本浪費。為解決這一問題，必須調整設計模式和范式。這意味著需要重新審視系統工程方法，并投入更多資源以確保需求的清晰、準確和完整性。同時，在設計階段需要增強審查和驗證，盡量減少后續修改和迭代所需的時間和成本。
傳統設計時，微模型右側的信息比左側豐富，我們通常注重驗證過程，卻忽略了對設計過程的關注。為改變這一現狀，需在設計早期及需求分析初期加強驗證和閉環建立。源自1987年數學家的思想，國際系統工程學會于2007年提出了基于模型的系統工程，但當時技術和建模語言限制了其應用。早期軟件簡單，無操作系統或高級語言，但隨后出現了危機，代碼量超過百萬行的軟件可能比百萬零件機械系統更為復雜。2002年軟件工程出現后，模型的系統工程得到了發展。
MBSE即基于模型的系統工程，是系統全生命周期管理的一種方法。它將整個系統作為研究對象，涵蓋了機械、控制、電子等各個系統領域。在MBSE中，重點放在解決傳統基于文檔的系統工程問題上，將大量文檔工作轉化為模型，更好地管理系統的整個生命周期。另一方面，系統仿真作為驗證的重要手段已經應用了50年。盡管在設計階段可能不完全依賴模型，但缺少設計模型無法有效的仿真驗證過程形成閉環。
MBSE的深度體現在多個方面，如圖1所示。首先是建模工作，不僅包括基礎建模，即語言的本質和核心特性，更為關鍵的是語言應具備良好的擴展機制。其次，基于模型的智能驅動有助于避免單純陷入建模過程。這需要采用智能方法來實現自動化設計和建模。概念設計在整個系統中是影響后續成本的關鍵部分，因此需要與系統的下游、相關體系以及其他工作流程進行集成，避免信息孤島的形成。這種集成工作涉及系統優化、系統仿真、產品保證以及專業詳細設計等多個方面。
圖1 MBSE的深度
國外在基于模型的系統工程（MBSE）的發展歷程上與2018年左右的思路基本類似，如圖2所示。首先，2001年到2010年從傳統系統工程向基于模型的系統工程邁出這一巨大的飛躍，初期工作主要集中在文檔向模型的轉化上，隨后的10年則專注于行業定制化的發展階段，致力于為不同行業定制化建模語言和工具。近年來，特別是在2020年左右，美國提出AI4SE（人工智能與系統工程），目的是用系統工程思維解決人工智能可解釋性問題。然而，由于疫情的影響，2021年未能召開相關會議，直到2022年才有美國人參與，已經展開了大量相關工作。最終目標是實現建模化，但文檔編寫和建模都是具有挑戰性的任務。從需求提出開始，若能快速生成功能模型和邏輯架構模型將會很愉悅，但需要龐大的知識庫、模型庫甚至包括推理引擎等支持，因此在這方面也進行了大量研究和工作。
圖2 MBSE國外發展過程
綜上所述，系統工程領域的發展歷程可以概括為三個時代。第一個時代是本世紀初的1.0時代，專注于思想和理念的構建。第二個是2.0時代，主要集中于行業定制化，著重于建立各個行業的專用建模語言、方法和工具。而第三個時代于2020年開始，其目標在于減輕建模人員的壓力。2.0時代面向行業的定制化趨勢在國內近3至5年也得到了廣泛認可。第一個階段已經基本成熟，接下來的工作重點將放在行業的定制化和如何基于AI更高效智能地建模。
二、華望MBSE軟件系列工具
華望MBSE軟件包含一系列的相關工具，可總結為“1411”。其中，第一個“1”是表示華望MBSE軟件系列工具擁有一個編譯和解釋標準系統建模語言SysML的語言內核M-Core。此內核經國防科工局指定單位測評，其代碼自主可控率為100%。第二個數字“4”表示華望研發了四款完全自主可探的軟件工具即，核心的系統建模與邏輯仿真工具M-Design、體系建模與邏輯仿真工具M-Arch、基于模型的需求管理工具M-Require和數字孿生工具M-DT。第三個數字“1”表示基于模型的全生命周期管理工具。第四個“1”表示以MBSE為核心，華望建立的一個生態工具鏈，包括一系列的工具如與CSM/Rhapsody的模型互通、與DOORS的模型互通、與Modelica工具的集成、與TC/Windchill集成、與3DE、CAD工具集成、與Matlab/Simulink、GCAir、STK/ATK的集成等，最終目標是實現整個軟件生態系統的全面打通。
圖3 杭州華望MBSE產品體系
在軟件工程領域，MOF的四層定義元模型架構被廣泛應用，其內核包括了八個部分。通過進行嚴格測試，整個內核展現出100%的自主可控性，如圖4所示。在1.0和2.0版本階段，我們曾部分采用開源技術，但在最后階段則完全放棄了這些開源技術。面臨的困難主要集中在語言語義解析和保障一致性方面。首先，在語義的準確性和可擴展性方面，重點不僅在于組件集成，還需關注模型本身的正確性。其次，涉及到語義表征和圖形繪制，語言僅能定義模型，但圖形繪制尚未得到完整定義，如何快速傳遞信息成為一個需投入大量工作的問題。第三，確保一致性也是一個挑戰，特別是由于Web技術能力的局限，需要進行大量工作以確保數據一致性。最后，當模型變得復雜時，快速進行存儲和恢復也是一個巨大的挑戰。
圖4 完全自主研發的SysML語言引擎
在實現與外部的無縫連接方面，我們正在努力實現國產替代方案。即便已經使用了國外軟件，我們也希望能夠平穩、無差異地遷移模型，與上下游產業實現集成，并與競爭對手打通，以便能夠無縫集成。同時，我們也在努力與各種體系進行集成。例如與Modelica、體系結合，并在時間允許的情況下與三維可視化進行合作。
在軟件應用方面，我們的團隊參與了Chang E7號、8號和TianWen3號、4號項目。有個案例專門采用了專屬的建模語言和圖表。如果不定制化，建模過程將會十分繁雜。但一旦完成了定制，并明確定義了相關內容，甚至已經確認值，整個過程就會變得非常快捷。在軟件工程領域有成熟的方法，將這些方法移植到系統工程中。擁有這些內容后，可以根據核能行業的需求使用熟悉的語言進行工作。在后續的功能、架構方面，可以建立各種知識庫，以便快速構建模型，最終按照方法論的流程將整個方法論集成到軟件中。另外，不同軟件無法滿足所有需求，可以針對性地定制其他工具。例如，在進行復雜裝備的需求迭代時，難以全面考慮信息傳遞和受影響的人員。但有了這套模型后，信息同步和更新可自動完成。最后的更改需由設計人員決定，并生成報告。
三、未來發展趨勢與總結
國內在MBSE系統工程領域已完成了1.0階段，并正迅速邁向2.0和3.0。未來的發展也將密切關聯人工智能，將智能、自動化算法應用于此領域。整個過程的概貌如上所述。MBSE系統工程的發展在國內備受重視，這是歷史發展的必然趨勢。在工具方面，已經顯示出國外限制較多，特別是我們使用的版本已經經歷了大量簡化。因此，工具的自主可控性是確保長期穩定的重要因素。
*本文根據作者在2023國家工業軟件大會上所作報告速記整理而成
