模型驱动下的系统工程：提高工程效率，加快系统研发迭代周期
1978年，钱学森在《文汇报》上发表《组织管理的技术——系统工程》，指出“系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的方法”。
随着研究的系统越来越复杂，传统的系统工程的局限性逐渐被暴露，本文对比传统的系统工程方法，分析了基于模型的系统工程（MBSE）在系统形式化描述方面的优势及发展期望，提出应用MBSE指导信息物理系统的构建将是系统工程发展的新思路。
西方在总结大型系统建造过程中形成的工程实践经验的基础上，形成了一套规范的工程建造组织管理方法，称作系统工程（system engineering）。
钱学森将系统工程思想引入中国，并结合在中国的工程实践，形成了具有中国特色的系统工程思想，指导了航天乃至中国各行业的发展。
随着模型驱动的系统开发方法的兴起，人们将模型驱动与系统工程相结合，提出了基于模型的系统工程方法（model based system engineering，MBSE）。
从系统工程到MBSE
工程、技术与科学
工程中要运用技术手段与科学知识，技术为科学发现提供了工具支持，而科学又会促进技术的更新换代。
关于工程、技术和科学的关系，钱学森有独到的见解。
如钱学森把系统科学分为4个层次——工程技术、技术科学、基础科学以及哲学指导。
工程技术是人们直接改造客观世界的技术，即系统工程；技术科学是为系统工程提供理论方法的科学，包括运筹学、控制论、信息论等；基础科学是揭示系统客观规律的科学，称作系统学；而哲学指导是马克思主义系统论。
MBSE是系统工程方法的一种，属于工程技术的范畴。
西方经典系统工程思想
国际系统工程协会（INCOSE）的系统工程手册中指出，系统工程研究的目标和范围是人造系统（man-made systems）。
系统工程的实质是使能技术、总体技术，其价值在于规划并指导了系统的构建过程，但它不是系统实现所依托的具体技术。
NASA系统工程手册中将这些过程分为技术过程和技术管理过程，INCOSE系统工程手册中还包括协议过程和组织的项目使能过程。
技术过程构成了系统的生命周期阶段模型，即经典的V模型，而V模型中的阶段定义又来源于著名的霍尔系统工程三维结构。
霍尔系统工程三维结构
霍尔三维结构在时间维上采用还原分解的思路，逻辑维上对每一阶段采用结构化的系统分析的思路，知识维则明确了系统工程是一种普适的方法论。
钱学森系统工程思想
钱学森结合中国的工程实践经验，对西方的系统工程思想进行了扩展，主要体现在以下3点：
1）提出了包含工程系统工程（对应于西方的系统工程理论）、信息系统工程、军事系统工程、经济系统工程、环境系统工程、社会系统工程等在内的14个系统工程方向。
2）提出了总体设计部思想。强调构建的系统需要放到它从属的更大系统层面去协调，各分系统需要放到整个系统层面去协调。
3）提出了从定性到定量综合集成方法，这可视为MBSE思想的萌芽。该方法主要是针对非线性的复杂大系统提出的系统工程方法，当定量分解已无法描述系统时，需要专家的定性经验判断与建模仿真的定量评估相结合来开展系统研究。
综合集成方法用于决策支持问题研究
MBSE的提出
MBSE一脉相承于传统的基于文本的系统工程（TBSE），源于软件领域的成功实践。
工程界提出了各种模型驱动的或是基于模型的开发方法，MBSE中使用的SysML语言就是在建模语言UML的基础上开发出来的。
而随着计算机辅助建模方面技术的发展成熟，各专业领域的仿真建模技术发展迅速，为系统的物理层建模提供了方法支持。
MBSE弥补了传统的系统工程以下三个不足之处：
（1）缺少对工程经验数据的积累过程，基于文本的系统工程积累的文本不利于后续项目重用；
（2）基本遵循先分解再集成的还原论思想的指导，对于复杂非线性系统没有很好的方法支持其分解的过程，也无法及时验证分解后的结果是否能还原为上层系统的整体属性；
（3）注重组织管理，能够使领域技术的作用更好地发挥，但不能替代具体的领域技术。
MBSE的优势、问题与发展期望
MBSE实现对系统的整体性与系统性描述
MBSE中采用的美国国防部体系架构框架（DoDAF）系统架构描述标准，提供了多视角的体系架构描述方法，从全景视点、能力视点、作战（业务）视点、服务视点和系统视点等8个方面来完整描述系统，从整体上描述复杂系统或体系由此成为可能，满足了系统工程方法的系统性与整体性，促使系统工程成为名副其实的系统论指导下的工程方法。
MBSE建立的系统架构模型，为在系统定义的早期阶段对系统功能分解与系统指标分解的结果进行仿真验证提供了模型支持。
MBSE形式化建模的其他优势
INCOSE在《系统工程2020年愿景》中给出了MBSE的定义：支持以概念设计阶段开始并持续贯穿于开发和后续的生命周期阶段的系统需求、设计、分析、验证和确认活动的形式化建模应用。
MBSE与传统的系统工程相比，最主要的区别是贯穿于全生命周期的技术过程的形式化建模。
形式化的建模有诸多优点：
1）描述严谨，无二义性，便于沟通交流。
2）从不同视角准确描述系统的行为和规律，便于开展各类分析工作，提高开发质量。
3）建立的模型能支持动态执行，提高了各类验证和确认活动的效率。
4）包含了足够的信息，可以支持模块化和重用，为快速实现设计改进提供了技术途径。
MBSE的难点与问题
在组织内部深度推广MBSE方法还存在一些难点与问题：
1）形式化建模过程具有一定的技术门槛；
2）建立的模型未必能真实地反映现实对象的本质属性；
3）涉及多个领域的建模技术，需要以大量的实测数据作为基础。
MBSE的发展期望
如果说MBSE是系统工程的未来，那么信息物理系统（cyber physical system，CPS）就是系统的未来。
应用MBSE方法支持信息物理系统的构建是MBSE未来的发展方向。
信息物理系统通过构建一套信息空间与物理空间之间基于数据自动流动的闭环赋能体系，解决系统运转过程中的复杂性和不确定性问题，提高资源配置效率，实现资源优化；通过信息虚体中的学习提升，不断总结系统的运行规律，将系统中的显性数据与隐性数据转化为优化物理实体的知识，实现“虚体”与“实体”之间的学习反馈闭环。
其目标图像是在信息空间构造物理实体系统对应的虚拟系统。
物理信息系统的构建是对当前主要先进技术的综合运用。
信息物理系统技术架构
构建信息物理系统的关键是对物理实体系统的运行规律进行建模，并在信息空间中建立同步映射模型。
MBSE的模型主要是系统内部运行规律的建模，系统与外部环境之间的交互建模，以及系统发展到体系级后，体系架构主要采用DoDAF标准，成员系统之间的行为建模主要采用多主体建模技术（multi agent）。
因此，需要对MBSE的建模技术进行扩展，将SysML、DoDAF与Multi Agent建模技术进行融合，建立适应信息物理系统描述的模型语言。
在技术过程与技术管理过程上也要考虑信息物理体系构建的特点，开发出适合体系研制的系统工程过程。
本文作者：张鹏翼，黄百乔，鞠鸿彬作者简介：张鹏翼，国防科技工业海洋安全体系创新中心，高级工程师，研究方向为武器装备体系工程；黄百乔（通信作者），国防科技工业海洋安全体系创新中心，高级工程师，研究方向为系统工程。
论文全文发表于《科技导报》第21期