导读：2023年10月28日，由中国自动化学会主办的2023国家工业软件大会在浙江湖州盛大开幕。大会以“工业软件·智造未来”为主题，汇聚了25位国内外院士，1500余位代表，共同探讨工业软件领域前沿理论和技术创新应用问题，共同谋划我国工业软件未来发展之道。
刘玉生教授受邀在2023国家工业软件大会中作题为“基于模型的系统工程软件研发与应用”的专题报告。报告从分析基于模型的系统工程（Model-based Systems Engineerring，MBSE）的本质内涵入手，简要介绍了国产MBSE软件工具M-Design研发的关键技术、主要创新及主要特色功能等，并结合案例介绍其可展性与应用。
基于模型的系统工程软件研发与应用
20世纪40年代，随着美国曼哈顿原子弹项目和阿波罗登月计划的兴起，系统工程的概念首次提出并得到广泛应用。然而，随着复杂产品数量的增加和研制周期的缩短，带来了一系列挑战。这些挑战包括多部门和多学科间的合作，以及系统之间接口的不一致和不明确性，同时还有大量文档的管理和支持。这些问题需要系统工程师和相关领域的专家共同努力，通过制定统一的标准和方法，促进跨部门、跨学科之间的协作与沟通，以确保复杂装备的研制过程能够更加高效、有序地进行，从而应对不断增长的挑战并确保项目的成功完成。
一、MBSE基本内涵
传统系统工程所面临的主要问题集中在需求分析阶段，其中引入的错误可能会导致巨大的时间和成本浪费。为解决这一问题，必须调整设计模式和范式。这意味着需要重新审视系统工程方法，并投入更多资源以确保需求的清晰、准确和完整性。同时，在设计阶段需要增强审查和验证，尽量减少后续修改和迭代所需的时间和成本。
传统设计时，微模型右侧的信息比左侧丰富，我们通常注重验证过程，却忽略了对设计过程的关注。为改变这一现状，需在设计早期及需求分析初期加强验证和闭环建立。源自1987年数学家的思想，国际系统工程学会于2007年提出了基于模型的系统工程，但当时技术和建模语言限制了其应用。早期软件简单，无操作系统或高级语言，但随后出现了危机，代码量超过百万行的软件可能比百万零件机械系统更为复杂。2002年软件工程出现后，模型的系统工程得到了发展。
MBSE即基于模型的系统工程，是系统全生命周期管理的一种方法。它将整个系统作为研究对象，涵盖了机械、控制、电子等各个系统领域。在MBSE中，重点放在解决传统基于文档的系统工程问题上，将大量文档工作转化为模型，更好地管理系统的整个生命周期。另一方面，系统仿真作为验证的重要手段已经应用了50年。尽管在设计阶段可能不完全依赖模型，但缺少设计模型无法有效的仿真验证过程形成闭环。
MBSE的深度体现在多个方面，如图1所示。首先是建模工作，不仅包括基础建模，即语言的本质和核心特性，更为关键的是语言应具备良好的扩展机制。其次，基于模型的智能驱动有助于避免单纯陷入建模过程。这需要采用智能方法来实现自动化设计和建模。概念设计在整个系统中是影响后续成本的关键部分，因此需要与系统的下游、相关体系以及其他工作流程进行集成，避免信息孤岛的形成。这种集成工作涉及系统优化、系统仿真、产品保证以及专业详细设计等多个方面。
图1 MBSE的深度
国外在基于模型的系统工程（MBSE）的发展历程上与2018年左右的思路基本类似，如图2所示。首先，2001年到2010年从传统系统工程向基于模型的系统工程迈出这一巨大的飞跃，初期工作主要集中在文档向模型的转化上，随后的10年则专注于行业定制化的发展阶段，致力于为不同行业定制化建模语言和工具。近年来，特别是在2020年左右，美国提出AI4SE（人工智能与系统工程），目的是用系统工程思维解决人工智能可解释性问题。然而，由于疫情的影响，2021年未能召开相关会议，直到2022年才有美国人参与，已经展开了大量相关工作。最终目标是实现建模化，但文档编写和建模都是具有挑战性的任务。从需求提出开始，若能快速生成功能模型和逻辑架构模型将会很愉悦，但需要庞大的知识库、模型库甚至包括推理引擎等支持，因此在这方面也进行了大量研究和工作。
图2 MBSE国外发展过程
综上所述，系统工程领域的发展历程可以概括为三个时代。第一个时代是本世纪初的1.0时代，专注于思想和理念的构建。第二个是2.0时代，主要集中于行业定制化，着重于建立各个行业的专用建模语言、方法和工具。而第三个时代于2020年开始，其目标在于减轻建模人员的压力。2.0时代面向行业的定制化趋势在国内近3至5年也得到了广泛认可。第一个阶段已经基本成熟，接下来的工作重点将放在行业的定制化和如何基于AI更高效智能地建模。
二、华望MBSE软件系列工具
华望MBSE软件包含一系列的相关工具，可总结为“1411”。其中，第一个“1”是表示华望MBSE软件系列工具拥有一个编译和解释标准系统建模语言SysML的语言内核M-Core。此内核经国防科工局指定单位测评，其代码自主可控率为100%。第二个数字“4”表示华望研发了四款完全自主可探的软件工具即，核心的系统建模与逻辑仿真工具M-Design、体系建模与逻辑仿真工具M-Arch、基于模型的需求管理工具M-Require和数字孪生工具M-DT。第三个数字“1”表示基于模型的全生命周期管理工具。第四个“1”表示以MBSE为核心，华望建立的一个生态工具链，包括一系列的工具如与CSM/Rhapsody的模型互通、与DOORS的模型互通、与Modelica工具的集成、与TC/Windchill集成、与3DE、CAD工具集成、与Matlab/Simulink、GCAir、STK/ATK的集成等，最终目标是实现整个软件生态系统的全面打通。
图3 杭州华望MBSE产品体系
在软件工程领域，MOF的四层定义元模型架构被广泛应用，其内核包括了八个部分。通过进行严格测试，整个内核展现出100%的自主可控性，如图4所示。在1.0和2.0版本阶段，我们曾部分采用开源技术，但在最后阶段则完全放弃了这些开源技术。面临的困难主要集中在语言语义解析和保障一致性方面。首先，在语义的准确性和可扩展性方面，重点不仅在于组件集成，还需关注模型本身的正确性。其次，涉及到语义表征和图形绘制，语言仅能定义模型，但图形绘制尚未得到完整定义，如何快速传递信息成为一个需投入大量工作的问题。第三，确保一致性也是一个挑战，特别是由于Web技术能力的局限，需要进行大量工作以确保数据一致性。最后，当模型变得复杂时，快速进行存储和恢复也是一个巨大的挑战。
图4 完全自主研发的SysML语言引擎
在实现与外部的无缝连接方面，我们正在努力实现国产替代方案。即便已经使用了国外软件，我们也希望能够平稳、无差异地迁移模型，与上下游产业实现集成，并与竞争对手打通，以便能够无缝集成。同时，我们也在努力与各种体系进行集成。例如与Modelica、体系结合，并在时间允许的情况下与三维可视化进行合作。
在软件应用方面，我们的团队参与了Chang E7号、8号和TianWen3号、4号项目。有个案例专门采用了专属的建模语言和图表。如果不定制化，建模过程将会十分繁杂。但一旦完成了定制，并明确定义了相关内容，甚至已经确认值，整个过程就会变得非常快捷。在软件工程领域有成熟的方法，将这些方法移植到系统工程中。拥有这些内容后，可以根据核能行业的需求使用熟悉的语言进行工作。在后续的功能、架构方面，可以建立各种知识库，以便快速构建模型，最终按照方法论的流程将整个方法论集成到软件中。另外，不同软件无法满足所有需求，可以针对性地定制其他工具。例如，在进行复杂装备的需求迭代时，难以全面考虑信息传递和受影响的人员。但有了这套模型后，信息同步和更新可自动完成。最后的更改需由设计人员决定，并生成报告。
三、未来发展趋势与总结
国内在MBSE系统工程领域已完成了1.0阶段，并正迅速迈向2.0和3.0。未来的发展也将密切关联人工智能，将智能、自动化算法应用于此领域。整个过程的概貌如上所述。MBSE系统工程的发展在国内备受重视，这是历史发展的必然趋势。在工具方面，已经显示出国外限制较多，特别是我们使用的版本已经经历了大量简化。因此，工具的自主可控性是确保长期稳定的重要因素。
*本文根据作者在2023国家工业软件大会上所作报告速记整理而成
