基于模型的系统工程MBSE与元模型介绍

工业仿真软件之于工业，类似于地图之于地理，无一日无它。

工业仿真的目的，首先是为了好的产品性能，其次是为了好的产品设计，最后是为了好的市场效益。简单地说，一个好的电饭煲，最佳的目标是收益和口碑俱佳，叫好又叫座。

从产品规划到产品功能需求（尺寸、色彩、电压、烹调功能）这些定义通常是落到纸面上。设计工程师根据这些要求使用计算机进行产品零部件设计。这就造成了产品设计流程上的脱节：规划在纸上，设计在模型，无法动态自动化调整产品规划。

MBSE介绍

基于模型的系统工程 （MBSE）是一种形式化的方法，用于支持与复杂系统开发相关的需求、设计、分析、验证和确认。与以文档为中心的工程设计相比，MBSE 将模型置于系统设计的中心。

数字建模环境中的 MBSE 提供了基于文档的系统工程无法提供的优势。例如，在基于文档的方法中，许多文档由不同的作者生成，以从各种利益相关者视图（例如系统行为、软件、硬件、安全、安保或其他学科）捕获系统的设计。使用数字建模方法，构建系统的单一事实来源，其中使用相同的模型元素创建系统的特定学科视图。

数字建模环境还创建了一种基于标准的通用方法来记录系统，该方法可以通过编程方式进行验证，以消除模型中的不一致之处，并强制所有利益相关者使用标准。这种通用的建模环境改进了系统的分析，并减少了传统基于文档的方法中通常注入的缺陷数量。数字化系统数据的可用性可用于跨学科分析，为所有利益相关者提供一致的更正传播和新信息和设计决策的合并（即，一次声明并自动传播到数据的各种视图）。如果MBSE做得好，结果是总体上降低了开发风险。

MBSE概念：模型+系统思维+建模语言

模型是某物的简化版本——一种图形、数学或物理表示，它抽象现实以消除一些复杂性。这个定义意味着简化、表示或抽象的形式或规则。要对系统进行建模，系统架构师必须用较少的细节来表示系统，以便其结构和行为显而易见，并且其复杂性易于管理。

系统思维是一种将所考虑的系统视为一个更大的系统的一部分而不是自给自足的实体的方式。系统工程师从远处观察系统；探索其边界、背景和生命周期，注意其行为，并识别其模式。尽管系统工程师必须在一开始就分解和分析系统——识别部件并描述它们之间的联系——但通过系统思维，他们后来将这些部件综合成一个连贯的整体。零件不仅与其他零件相连，它们相互依赖才能正常工作。系统思维强调这种相互联系。系统的行为来自系统子部分的活动。系统思维可以更容易识别、平衡系统并管理系统的复杂性。

我们都见过、使用或生成过模型，从代表汽车或飞机的玩具到描述和解释热力学或重力等物理现象的数学公式。虽然根本不同，但这些模型都将一个想法与现实联系起来，并为目的提供了足够的抽象。在对系统进行建模时，系统工程师决定生产系统的哪些方面最重要，例如结构、能量或物质流、内部通信或安全和安保。这些类型的方面将成为模型的重点。建模活动的首要目标是对模型所关注的突出方面进行建模，尽可能接近真实系统。

建模语言是一个常用术语，用于清楚地传达模型捕获的抽象概念。建模语言可以是正式的，具有严格的语法和规则。存在一些系统建模语言，包括通用语言，如系统建模语言（SysML）和统一建模语言（UML）

概念澄清：模型与元模型

当你拥有建模语言，并且建立起模型的时候，就会遇到一个问题，如何将复杂的实体模型映射到系统建模中。将一个电饭煲的CAD图形文件拖入系统建模是毫无价值的，因为它不是一个活动的模型。

系统建模的模型是一个动态的活动的模型，当给定输入条件的时候，它会给出特定的输出。比如：电压220V，标准煮饭按钮代表着A类功率输出控制。

系统建模中看重的是模型的功能输出，所以那些没有输出的CAD模型、网格模型、甚至实体样机本身都不是系统建模中的模型的完整定义。系统建模中模型的完整定义包括：输入参数、模型描述、输出参数。

所以系统建模中的模型是产品物理模型的某种功能或者性能抽象，比如：

对于开关来说，插拔力和插拔速度曲线，定义了插拔功能模型。

对于电饭煲来说，煮饭功能和功率需求，定义了功率需求模型。

对于飞机来说，起落架的载荷、体积、重量，定义了飞机的最大起飞和降落能力模型。

元模型

上述系统建模中所需要的功能模型，就是元模型。元模型就是某个系统的特征抽象（真空中飞行的炮弹轨迹的元模型就是位置和时间以及重力加速度的函数关系式）。对于零部件来说，抽象出系统建模中所需要的包含性能特征的模型并非易事。正如此前讨论过，元模型的抽象需要使用从采样、降阶、多方法拟合元建模、验证等至少4个步骤。

元模型是MBSE基于模型的系统工程的基石。

审核编辑：刘清