陳根：系統工程——數字孿生的頂層技術_風聞

 文/陳根

儘管系統工程起源於20世紀早期，並在第二次世界大戰中就已經進行了運用，但直到1951年，美國貝爾公司在建成微波中繼通信網後才正式提出“系統工程”這一名詞。1972年，美國阿波羅載人登月工程運用系統工程的方法大獲成功，這讓系統工程第一次在世界範圍內被人們所熟知。之後，在美國國防部的領導下，承包商標準被引入，系統工程才逐漸被應用於民用航空領域。

其中，國際系統工程師協會（INCOSE）將系統工程定義為：是一種能夠使系統實現跨學科的方法和手段。系統工程專注於在系統開發的早期階段，就定義並文檔化客户需求，然後再考慮系統運行、成本、進度、性能、培訓、保障、試驗、製造等問題，並進行系統設計和確認。

由此可見，系統工程可被應用於建立跨學科的複雜大系統，通過對系統的組成、結構、信息流等進行科學的、有條理的研究和分析，使學科與學科之間、子系統與子系統之間和系統的整體與局部之間相互協調和配合，從而優化系統的運行**，**更好地實現系統的目的。

然而，伴隨着需求的增長和技術的革新，傳統工業逐漸向智能化、數字化轉型。在新的工業環境下，系統複雜度的提升所產生的龐大信息量與數據量給傳統的基於文檔的系統工程（TSE）帶來了前所未有的挑戰。**於是，**隨着模型驅動的系統開發方法的興起，特別是在軟件領域，人們將模型驅動與系統工程相結合，提出了基於模型的系統工程方法（MBSE）。

MBSE強調貫穿於全生命週期的技術過程的形式化建模，建立的系統模型既解決了項目經驗積累和複用的問題，也通過多視角的系統頂層需求建模與系統架構建模，為複雜系統或體系的向下分解與及時驗證提供了模型依據，體現了整體論與還原論的辯證統一；而針對物理層構建的各專業領域（機械、電子、流體、力學、氣動等）的物理模型，也體現了對具體實現技術的描述，使系統工程不再僅僅是使能技術，還包含了完整的工程實現所需的技術集合。

一方面，MBSE中的DoDAF系統架構描述標準，提供了多視角的體系架構描述方法，從全景視點、能力視點、作戰（業務）視點、服務視點和系統視點等8個方面來完整描述系統，使得從整體上描述複雜系統或體系成為可能，滿足了系統工程方法的系統性與整體性，使得系統工程成為名副其實的系統論指導下的工程方法。而建立的系統架構模型，也為在系統定義的早期階段就能對系統功能分解與系統指標分解的結果進行仿真驗證提供了模型支持。

另一方面，2007年INCOSE在《系統工程2020年願景》中，給出了“基於模型的系統工程”的定義：支持以概念設計階段開始並持續貫穿於開發和後續的生命週期階段的系統需求、設計、分析、驗證和確認活動的形式化建模應用。**可以看見，**MBSE與傳統的系統工程相比，最主要的區別是貫穿於全生命週期的技術過程的形式化建模，重點在形式化，而不是有無建模。

當前，MBSE已成為創建數字孿生的框架，數字孿生可以通過數字線程集成到 MBSE工具套件中，進而成為MBSE框架下的核心元素。而從系統生存週期的角度，MBSE又可以作為數字線程的起點，使用從物聯網收集的數據，運行系統仿真來探索故障模式，從而隨着時間的推移逐步改進系統設計。