基于模型的系统工程有效方法

译者序

我们所处的时代正经历着前所未有的改变，人们面临的关键问题之一是如何满足日益复杂和加速变化的需要，以适应人类心智模式和社会发展模式的空前复杂性，而这种复杂性本质上源于社会和工程领域多种层级系统的嵌套以及包含的众多异构元素，多样的、已知的和未知的系统元素之间以及与外部环境的交互性和依赖性，各种各样的信息内容以及错综复杂的算法等的演变。

各个领域都期待着系统工程学科展开更宏大的格局、呈现更多样性的解决方案。当前，系统工程发展正处于从以文档为核心向以模型为核心的转型之中，基于模型的系统工程（MBSE）被置于“模型驱动”“以架构为中心”的背景中，系统工程流程活动和系统架构的开发技术将围绕数字系统模型（DSM）的创建、实现和运用，贯穿系统生命周期，从而提供持久的、权威性的真相源——数字孪生、数字线索等的底层机理，确保系统工程师和系统架构师能够更好地应对技术和项目开发的复杂性，提高将利益相关方需求转化为有效运行的、可承受的系统解决方案的成功比率。

关于作者和本书

本书英文版于2019年9月发行，是由John M.Borky博士和Thomas H.Bradley博士基于长期的系统工程及相关领域的研究和工程应用，并结合教学实践而撰写的。Borky博士是科罗拉多州立大学系统工程系的教授，在航空航天和防务领域拥有近50年的系统研究、技术开发及运行的工程经验，近期又完成了为期5年的加州大学洛杉矶分校航空航天工程客座教授的工作，面向硕士生开发了系统架构的核心课程并开展在线授课。作为专注于信息、软件密集型系统和复杂组织体方面的系统架构和工程领域的专家，他将MBSE方法论应用到更为广泛的系统，并且开发了基于模型的系统架构流程（MBSAP）方法。Bradley博士是科罗拉多州立大学机械工程与系统系的副教授，参与系统与机器人、赛车工程、发动机和能源转换实验室的联合研究工作，主要研究方向为航空航天、能源系统和汽车的设计、集成控制、设计优化以及工程设计方法的验证等。

首先，本书以MBSE的背景知识和本质特征为引导，论述了面向对象设计（OOD）应用于复杂系统架构的原理，提供了一个经验证是成熟的并在广泛系统和复杂组织体项目中成功应用的方法——MBSAP，通过航空航天领域和能源行业的典型系统案例来阐述该方法的关键点。其次，贯通MBSE流程方法的各个阶段以及各层级系统的特定特性，扩展了MBSE在面向服务的架构（SOA）、实时系统、赛博安全、网络化复杂组织体、系统仿真以及数字原型系统开发、验证和确认等方面的应用。再次，针对管理复杂性以实现长期可支持的系统解决方案，给出与集成技术和设计方法相关的架构治理主题。

同时，本书各章之后都有“练习”和“学生项目”，旨在帮助读者掌握所学的知识要点，非常适合系统工程师、系统架构师等相关从业者以及学习MBSE课程的学生。另外，本书穿插介绍了大量的MBSE研究成果和工程实践经验，值得读者进一步关注和了解。后，本书提供大量的参考文献以及多个领域更加详细的附录，可作为读者扩展研究和深化工程应用的指引。

关于MBSE有效方法

在全球范围内，MBSE已成为系统工程学科研究和实践的热点，对于从事系统工程理论研究的学者、工程实践的管理者和技术人员以及期望未来从事系统工程或系统架构设计的学习者，正面对着众多的知识来源——经典的系统哲学书籍和文献、系统工程方法标准和知识体、领先行业的实践经验案例、全球开放的系统建模语言标准规范以及知名系统工程软件开发商的示范性应用等。探索有效的系统工程开发框架和实施方法——这是本书的初衷，MBSE有效方法至少具备以下特征：

译者序基于模型的系统工程有效方法适应性和归一化

关注模型驱动背后所具有的自然逻辑和系统架构固化的本质特征，让系统工程师拥有像数学家一样的思维，首先界定领域术语，高度概括架构原则以及高度抽象系统的共享特征，运用面向对象的概念，利用逻辑推导得出各个视角及其对应的特征视图。因此，创建的方法适用于所有类型的系统和组件，并且构建了统一的系统开发框架以及支持递归的技术路径。

本书力求探寻本质上存在的一个的MBSE方法，其始于普适的面向对象方法，并突破传统V形模型的分层结构，创造性地构建以架构为核心的螺旋迭代的敏捷开发模式，有序地驱动系统工程生命周期的规范、开发、分析以及验证和确认等活动。

收敛性和简约化

新技术都是在已有技术上重新组合而成的，今天的MBSE同样正在创造其自身。在本书的撰写过程中，作者参阅的书籍、文献和标准等有数百篇，集中体现了近期在面向对象方法、设计方法学、敏捷工程、软件工程、系统工程、体系工程以及组织管理等众多领域的研究成果。而在MBSAP方法构建中，贯穿运行—逻辑/功能—物理视角的自然而然的转换，将影响设计方法进步的关键因素融入到层次化的架构模型中。这反映了作者所倡导的技术方法来自于实践的主张，准确把握技术发展的准则，保持技术发展的收敛和简约，并避免新方法中技术要素的“大爆炸”。

MBSAP将面向对象(OO)以及MBSE原则整合到一种工具支持的、测度受控的流程中，更重要的是，基于数量有限、关联明确的视图模型结构，按照 “边构建，边测试”的理念，每次开发都是在一个闭环回路中分配能力增量的子集，并在一个限定的原型系统中根据需求进行测试或由利益相关方进行评估，并终实现所需的全部功能。

扩展和演进

系统工程学科的基本结构理论、方法和实践在不断发展，人们正致力于探寻的技术途径，并进一步融入工程、文化和经济环境之中，以适应组织形态、区域能力、社会资源和工业基础等，从而开发和定制解决方案，确保技术发展有利于增进人类福祉和提高生活质量。

本书作者独创性地将系统架构和流程活动两个维度，集合于运行—逻辑/功能—物理视角所关联的视图的开发中，不仅使以架构为中心的理念转化为现实可行的技术路径，而且，作为自上而下架构设计的补充，MBSAP支持架构框架的自下而上的复用。而架构框架规定了元素组成架构所遵循的原则，显然MBSAP方法论将与特定的复杂组织体、体系以及系统架构方法的演进密切关联。书中已提及将统一防务架构框架（UPDM）、开放组织架构框架（TOGAF）、联邦复杂组织体架构框架（FEAF）以及IT领域面向服务的架构（SOA）、实时嵌入式系统建模与分析标准（MARTE）等扩展到特定视图中，从而支持复杂组织体、网络密集型/信息密集型体系、赛博物理系统、组织管理系统、IT管理系统以及嵌入式实时系统等的开发，使其成为社会进步的重要基石。

致谢

本书作为系统工程理论和方法的综合性书籍，涉及广泛的知识领域和丰富的工程实践，在翻译中译者深感压力巨大。庆幸的是，在此过程中得到常创业、王卓奇、武仲芝、刘海云等同事的大力支持，针对MBSAP方法的导入研究，以及定期的团队技术交流，不仅弥补了译者的知识盲区，而且帮助译者顺利完成以本书为教材的教学工作；同时，格微团队也参与了本书的翻译工作，张雨晨、李腾和段世安参与了部分校稿工作，在此对他们的辛勤付出一并表示感谢!

译 者

2020年7月

前沿

系统和复杂组织体（通常会提及系统之系统）已成为现代世界的主体，应用到多种先进的技术并不断地达到空前的复杂度。管理系统的复杂性，特别是在可接受的成本和进度之内创造满足系统用户和其他利益相关方需要的解决方案，是系统工程（SE）团队面临的一个反复出现的挑战。在机械和电子设备、材料、传感器、能源开发和控制、运载器和推进器、通信和网络、计算和软件以及许多其他领域取得的惊人进展，为工具和方法有效地利用这些技术，创造了新的能力和新的需求。但科学界、商业组织、教育界、政府、学术界以及军事等各行各业经常报道，以先进技术为基础、旨在交付新能力的工程项目超出了成本预算和时间进度，并未能达到其目标，或是索性就使系统开发人员和用户不堪重负。

本书的主题是本质上存在着一个更好的方法，该方法能够应对那些多种技术融合、信息密集的复杂系统。该方法基于应用系统架构的概念，并作为一个严格、客观、定量和可测量的准则，用于定义、分析和构建那些应用先进技术的系统。当前，系统工程领域的实践策略就是基于模型的系统工程（MBSE）——以上述原则为前提。 

在本书中，我们描述了一种称为基于模型的系统架构流程（MBSAP）的方法论，它是MBSE原理的一种特定实现方式。我们的重点是在实践层面将用户需求转化为可运行的、可承受的和可支持的系统，而不只是形式化的架构理论，这恰好涉及许多在参考文献中引用的论文。鉴于此，贯穿于整本书，我们将使用详细的系统架构案例来说明MBSAP的原理和产物。在附录中将选择其中的一个系统架构，相比本书正文而言，我们将更加详细地描述更完整的架构，并期望以此为模板来开发新的架构。

系统架构和系统工程

架构的概念，给人以看似简单的假象——每个人都曾面对过进入视野的摩天大楼或桥梁，欣赏过建筑师设计的优雅解决方案，满足了人们对于空间或通行的需要。同时，一个富有洞察力的观察者会意识到，优雅的设计艺术必须与工程实践的科学原理相得益彰。我们采用架构的广义概念作为复杂问题解决方案的宏观顶层设计，力求对技术和设计方法进行更深入的了解，使系统架构对系统的所有者和用户来说是真实的和有价值的。我们给出的案例涉及了我们有着大量专业经验积累的领域：一个是航空航天领域，另一个是电力行业。但在这些领域之外，我们和我们的学生们已成功地将MBSE应用到一般性的领域，尤其是将MBSAP应用于更广泛的系统和复杂组织体。如果读者领悟了架构的内涵，并掌握了本书介绍的技能，那么他就做好了成为系统架构师并彰显其作用的充分准备，并可在大多数先进技术领域，尤其是信息技术领域，实施MBSE，并成为关键的使能器。

将架构，特别是架构模型，作为SE流程中心的观点，是成功利用先进技术满足当今社会需要的关键。这种观点既不新颖，也不是原创，许多个人和技术组织，如国际系统工程委员会（INCOSE）和开放组织（TOG），已经开发并提倡以架构为中心的方法。INCOSE 2020愿景中指出，未来系统工程将是基于模型的。然而，为了使其有效开展，这种策略必须建立在对架构的形式化描述基础上，也就是说，必须建立在使用适当工具构建并符合适用标准和方法的架构模型上。

区别对待系统架构和软件架构也很重要。这一领域的大多数书籍和论文都聚焦在软件上，其隐含的假设是：实现令人满意的产品和系统的主要挑战在于控制它们的软件。实际上，书中描述的大多数概念、方法和标准都起源于软件科学和工程。其中重要的是面向对象（OO），将在第2章中予以概括性描述。面向对象理论和实践的开发者总是会这样认为：计算机、数据存储设备和用户界面设备等硬件是一个给定的产品，通常由一系列的商用货架产品来提供，这样就可以很好地理解它们的商品特性。从这点来看，硬件主要用于提供软件运行的安装位置并作为资源由软件来控制。

前言基于模型的系统工程有效方法面对形成这一共识的趋势，同时意识到开发高质量软件的重要性和艰巨性，本书关注的重点是整个系统——硬件、软件、控制设备、用户界面、网络和其他元素的组合，共同为客户的需要提供解决方案。在复杂、高性能的系统中，这种观点尤其重要。在这些系统中，先进的硬件常常与软件并行开发，两者必须有效地集成才能满足需求。即使是使用现有的硬件组件，也通常需要进行细致的性能分析和权衡研究来选择的产品。此外，系统通常有严格的进程时限、安全约束、严酷运行环境和许多其他苛刻的要求，硬件和软件组件的优化组合是至关重要的。因此，系统架构不仅包括软件，而且更是我们需要关注的焦点。即使在较低要求的情景下，书中开发的方法论也依然适用。事实上，它增加了实现真正优化系统解决方案的机会，因为涉及对性能、可支持性、升级性、易用性等所有因素的影响，所以应以协调和客观的方式来考虑。

在此，我们将重点放在了那些具有重要信息和流程的系统或复杂组织体。这是因为当今复杂系统的功能性越来越多地由信息技术所主导：计算、通信和网络、软件和算法、人机界面等。当认同这一趋势时，我们深信MBSAP的原理和方法将会被广泛应用，包括机械、化学，甚至于生物技术和系统。核心挑战是管理的复杂性——由多样和快速变化的技术以及日益精细的产品和服务所带来的。管理复杂性是MBSAP的根本所在。

因此，针对那些关注SE有效性的系统工程师等，我们的总体目标是表明MBSE是如何帮助他们开展工作和达成目标的。我们研讨MBSE和传统基于文档的SE之间的区别，从客户需要到交付以及支持的系统解决方案；建立端到端SE工作流，并解释MBSE带来的价值；在MBSAP方法论中使其具体化和实用化。我们通过展现系统架构的详细案例，使用架构建模作为基础，然后将其与基于文档的方法相比，表明每个SE活动都将变得更加有效和可复用，并且这些活动的交付物也变得更加清晰、明确和易于沟通。

本书内容的组织

本书内容分为三大部分。其中，部分，第1章和第2章，介绍正在面临的挑战，以及将面向对象方法应用到架构和MBSE的基本概念。第二部分，第3~6章，阐述MBSAP的各个阶段，包含该方法论的核心内容。具体地，第3章对MBSAP进行概要介绍，第4~6章详细描述架构的运行表达、逻辑/功能表达和物理表达的开发过程。第三部分，第7~15章，详细介绍许多类型系统都会遇到的关键主题，如面向服务、实时行为、赛博安全、组网、架构原型、验证与确认以及架构治理等。同时，在这些章节中也探索了基本MBSAP方法的一些重要变型。在附录中，我们提供了不同领域的更多细节，可能对某些系统架构师和系统工程师来说很重要，但为了突出本书的重点，这些内容并未放到正文中。关于图形的说明：书中的大多数图都符合系统建模语言（SysML）标准，在个别情况下，也会使用其他替代的标识符，如使用某些架构建模工具，这些标识符都将被清楚地标出。

关于指导教师的说明

本书经历了超过10年、数百名学生的有效使用，其中的内容还在进一步细化和拓展。本书可用于本科高年级和研究生层次各种课程的教学安排。我们推荐采用以典型的16周学期或者12周学期的3个学时课程为基础，架构建模实验室的实习可作为课堂教学的有益辅助，并可额外获得学分。

建模技能必须通过具体实践获得，因此我们强烈推荐安排教学实习项目，以课堂项目的形式将MBSAP应用于实际的问题。这些项目可以由学生选择。特别是对于正在从事专业实践的研究生，其中一些项目好与当前进行的项目或就业方向有关，项目开发可作为作业或在实验室中进行。

理想的情况是，学生应掌握一个具备完整功能的SysML建模工具，并使用它来创建项目的架构。然而，我们的经验清楚地表明，如果在一门课程学习中，同时面对当前多种架构工具的各种微妙不同之处，并涵盖书中的全部材料，那么将会造成学生们无法承受的工作量。将这一事实考虑在内，我们建议将以下的课程作为备选。

 本科生的MBSE概论课程（3个学分，可选择增加一个学分的建模实验）：

◇ 将课程安排为一般SE入门课程的后续课程，或作为独立课程，在课程开始时增加SE研究内容，反映本学科的基本知识。

◇ 涵盖第1~6和15章。

◇ 涵盖第7~14章中所选定内容，取决于具体的学习目标、学生背景和需要。

◇ 所需的学生项目；在基础的3学分课程中，可使用图形、文本和表格来创建项目模型。

◇ 通过增加实验室建模环节，使用主流的SysML建模工具，提供合适的教程和参考资料，并使用该工具创建项目。

 研究生层次的MBSE概论课程，类似于本科课程，但在学生架构项目中更全面地涵盖第7~14章的所有内容。强烈建议增加额外学分，使用主流的SysML建模工具开展实验室建模工作。

 研究生层次的课程安排（6个或更多学分）：

◇ 涵盖全书。

◇ 使用适用范围和复杂程度适当的SysML工具，应用书中提到的所有架构方法，包括实时行为、复杂组织体背景环境、赛博安全等开展教学项目。

◇ 可选择的补充书中提及的高级主题（如形式化方法、敏捷SE和架构优化）。

基于学生项目在所有这些备选课程中的重要性，我们将在第3~15章的总结中，包含有关课程创建或课程安排的项目内容。

总结

MBSAP方法论演进经历了三十多年的实践和实验研究，涉及各种各样的系统。本质上，是从大量资源中选择和综合各种思路并由实践来验证。后，我们希望这种方法和方法论，能为正在努力应对当前快速发展技术的系统工程师和系统架构师，提供一套解决问题的更好工具，同时对可能的成功抱有十足的信心。

[美] John M. Borky

[美] Thomas H. Bradley

本书聚焦系统工程的复杂性，以基于模型的系统工程（MBSE）转型为主线，揭示面向对象设计、系统建模语言、建模和仿真等应用于系统架构设计的基本原理，提出了一个经验证的、具有广泛适用性的方法——基于模型的系统架构流程（MBSAP）。以航空航天和能源领域的典型系统开发为案例，贯通系统工程生命周期的各个活动以及运行-逻辑/功能-物理的各个层级，阐述基于数字原型系统的开发、系统架构集成以及验证和确认等内容，并进而将该方法扩展到面向服务的架构（SOA）、实时嵌入式系统、赛博安全、网络化复杂组织体以及架构治理等方面。

本书适合于系统工程师、架构师等从业者以及希望系统性掌握MBSE方法的各类人员。另外，本书中介绍了大量的全球MBSE*研究成果和*工程实践经验，值得读者进一步了解，并可作为扩展研究和深化应用的指导。

John M. Borky 博士是科罗拉多州立大学系统工程教授，作为专注于信息、软件密集型系统和复杂组织体方面的系统架构和工程领域的专家，在航空航天和防务领域拥有近 50 年的系统研究、技术开发及运行的工程经验，曾担任包括雷神等多家航空航天和防务企业的高级技术管理职位，也曾任美国空军科学咨询委员会副主席，并参与陆军科学委员会、海军研究委员会和其他高级咨询机构的研究，在美国空军学院和美国国防大学讲授系统工程课程，为国防部的领导提供技术和方案支持。Bradley博士是科罗拉多州立大学机械工程与系统系的副教授，参与系统与机器人、赛车工程、发动机和能源转换实验室的联合研究工作，主要研究方向涉及航空航天、能源系统和汽车的设计、集成控制、设计优化以及工程设计方法的验证等。

高星海，研究员，北京航空航天大学无人系统研究院首席系统架构师，国际系统工程协会（INCOSE）认证系统工程师（CSEP）；曾任中国航空工业集团公司信息技术中心常务副主任，金航数码科技有限责任公司总工程师，航空工业集团公司系统工程推进办公室副主任等。多年来，面向高端装备领域复杂系统的创新开发和管理，大力推进基于模型的系统工程，组织建立全球认可的系统工程培训和认证体系，目前已培训人员超过1 300人，300多人获得国际系统工程师认证。曾参与并主持两化深度融合创新体验中心的建设和运营，建立了国内领先的系统工程技术服务团队。作为主要发起人之一参加的“大型航空企业基于数字系统工程的正向创新型研发体系建设”项目，获2018年全国企业管理现代化创新成果一等奖。

第1章介绍：框定问题1

1.1架构的美学和科学维度1

1.2基于模型的系统工程3

1.3现代高技术系统的演进4

1.4架构的巴别塔6

1.5开放架构的真正意义8

1.6架构的分类10

1.7良好架构的基本原则13

1.8架构在工程项目中的作用14

1.9总结16

练习16

参考文献17

第2章应用于系统架构的面向对象方法19

2.1面向对象架构的动机19

2.2面向对象的基本原则20

2.3使用统一建模语言(UML)的架构建模22

2.3.1结构建模22

2.3.2行为建模28

2.3.3实现建模39

2.4使用UML扩展的系统建模语言（SysML）41

2.4.1SysML概述41

2.4.2需求建模42

2.4.3结构建模的增强44

2.4.4行为建模的增强48

2.4.5实现建模的增强49

2.5结论性思路50

练习51

参考文献52

第3章MBSAP方法论概述53

3.1基本原则53

3.2扩展传统的系统工程56

3.3基本方法58

3.4视角和特征视图64

3.5架构开发的基础66

3.5.1信息收集66

3.5.2利益相关方66

3.5.3符合客户策略和强制要求68

3.6建模与仿真的作用68

3.7架构启动研讨会70

3.8可选的方法71

3.9工具的困境75

3.10总结77

练习77

学生项目78

参考文献78

目录基于模型的系统工程有效方法第4章从运行视角分析需求80

4.1从需求到架构80

4.1.1需求来源和类别80

4.1.2需求数据库82

4.2个案例问题：EX“监视者”84

4.3第二个案例问题：智能微电网86

4.4需求建模88

4.5架构风格91

4.6结构特征视图92

4.6.1定义域92

4.6.2EX功能划分93

4.6.3域规范97

4.6.4用户角色97

4.7行为特征视图98

4.7.1定义用例98

4.7.2EX用例100

4.7.3场景和活动图102

4.7.4EX场景案例102