基于流启发式的模型基系统工程功能建模方法研究

《AI EDAM》：Function modeling in model-based systems engineering using flow heuristics

本文推荐一项关于模型基系统工程(MBSE)中功能建模方法的研究。针对MBSE中不同用例功能模型集成困难、重用性差的问题，研究人员提出基于流启发式的功能建模方法，通过系统状态流图(SSFD)模式指导，在System Composer环境中构建集成功能架构(FA)，并以电动自行车案例验证了该方法在提升模型一致性和完整性方面的有效性，为复杂多学科系统开发提供了系统化建模支持。

　　

在当今工程产品开发领域，模型已成为从战略设计到生产服务和报废考虑等多个学科复杂互联的主要信息载体。随着客户需求日益复杂化，表现为产品变型和功能的不断增加，需要更高效的开发和验证方法贯穿整个产品生命周期。这种复杂性在早期概念设计阶段尤为突出，此时需求不确定性最高，而在验证和确认活动中则出现系统集成挑战。这一演变促进了模型基系统工程(MBSE)的出现，这是一种综合方法，有助于复杂系统的需求识别、设计、分析和验证。

然而，MBSE更广泛应用的一个主要限制与工具和语言约束有关，存在复杂性管理等问题，难以在具有复杂多物理行为的多学科系统中实现一致部署。MBSE方法和工具需要显著演进，以促进系统设计从业者在工业中的使用。这需要通过增强与"设计思维"及完成产品开发(PD)任务所需的一系列方法和工具的集成，来实现MBSE方法和工具开发的范式转变。

设计理论和方法论(DTM)领域经过数十年发展，通过引入关于设计过程和活动的丰富研究集合，专注于其在不同领域的应用以确保一致性和生产力，从而帮助设计师解决如何设计（而不是设计什么）的问题。因此，通过DTM中采用方法的关键基本概念（如设计的函数建模框架）有巨大潜力增强MBSE方法和工具在复杂多学科系统中的有效性和适用性。

功能建模在系统的建模和开发中具有关键作用，被DTM和MBSE研究界所认可。MBSE中的功能建模主要围绕系统建模语言(SysML)提供的建模工具，即活动图、序列图和状态机图。MBSE中功能建模的挑战包括：不同用例开发独立功能模型导致下游产品开发中的集成挑战和工程变更，限制设计灵活性和未来系统演进；重用方法和工具约束；自然语言描述在定义功能时存在歧义；以及在不同抽象级别表示功能。

为了解决"如何系统开发有效结合多个用例功能的系统集成FA"这一关键研究问题，本研究引入了一种创建集成FA的新方法，将不同用例的功能合并到一个综合模型中。我们建立了系统的指导原则，受Otto和Wood(2001)完善的流启发式启发，支持复杂系统集成FA的开发。这种方法不仅支撑物理架构(PA)开发，还在DTM研究与MBSE实践之间架起桥梁，促进更有效使用MBSE方法和工具。

本研究采用集体案例研究方法，提供方法学验证，说明流启发式如何系统支持跨多个用例开发集成功能架构。案例选择用于展示不同复杂度级别的方法论，遵循结构化实施过程，包括用例识别和流启发式应用，以及与传统方法比较。通过同行评审制定和验证详细指南以确保可重复性。

研究使用系统化两级验证方法评估提议模式的效力和可扩展性。第一验证层级使用面包烤面包机和咖啡机的桌面案例，作为结合相关先前作品基本用例的基础研究，以说明提议模式。这些案例揭示了在单独模型中以前被掩盖的共享功能和交互，同时展示了集成方法中改进的一致性和完整性。第二验证层级基于电动自行车案例，系统测试处理增加复杂性和多领域集成的能力。

研究选择MathWorks系统合成器(SC)作为MBSE建模环境，因其与其他MathWorks工具具有强大集成能力，便于无缝多学科分析和仿真，可用于未来工作（如在仿真环境中执行开发的功能架构）。

关键技术方法包括：基于系统状态流图(SSFD)的功能表示方法，将功能概念化为状态转换模型；流启发式方法（主流启发式、连接流启发式、分支流启发式）；用例分析和功能架构开发流程；以及在System Composer环境中实现功能块与物理组件的分配和追踪。

流启发式功能建模方法

研究提出的流启发式方法包括三个主要组成部分：主流启发式、连接流启发式和分支流式启发式，为使用图1b中引入的功能块概念表示系统的功能模型提供了一套系统的指导原则。

主流启发式针对复杂多学科系统通常具有多个操作模式（对应不同用例）的特点，通过识别与实现系统主要功能相关的线性功能链，为开发此类链提供基础。每个操作模式可以独立地由一个功能链描述。

连接流启发式支持通过连接或串联功能链来聚合同一系统的用例功能链。连接功能链涉及三种不同情况：一个功能链可能需要额外资源来实现功能，这可以由同一系统的另一个用例的功能链提供；两个功能链之间可以重用功能；两个用例的功能链可以基于各自用例中与将两个或多个能量或材料结合在一起相关的功能进行组合。串联功能链涉及两种情况：功能链之间没有重叠时没有功能重用；功能链之间部分重叠时至少有一个功能被重用。

分支流启发式能够表示两种不同情况：功能链上某些功能的实现不可能没有损失，需要映射和说明这些损失；线性功能链可能需要分支出来并与同一系统的另一个用例的功能链链接，以向系统添加新功能。

集成MBSE功能建模方法论

研究提出了基于流启发式的MBSE功能建模方法论，包括四个主要步骤：用例(UC)分析、使用流启发式开发功能架构(FA)、功能架构的综合/抽象化，以及FA到物理架构(PA)的分配。

第一步是通过开发系统的用例图进行用例分析。第二步首先基于主流启发式为每个UC开发独立的功能模型（作为FA），然后使用连接和分支流启发式逐步将开发的FA聚合为统一FA。第三步，一旦使用连接和分支流启发式开发了统一FA，通过基于概述原则定义FA模块，将该FA抽象为由更高级功能组成的FA。最后一步首先通过表示基于与FA功能块互补性的PA，将PA分配给上一步开发的FA，然后使用SC的分配编辑器建立FA元素和PA元素之间的定向关系，为将开发的PA分解为代表PA块内部结构的子PA提供基础。

电动自行车案例研究

电动自行车案例研究验证了图7中提出的方法论。第一步用例分析确定了电动自行车的五个主要用例：踏板电动自行车(UC1)、带助力踏板的电动自行车(UC2)、充电电动自行车(UC3)、滑行下坡(UC4)和为电动自行车配件供电(UC5)。用例之间通过包含和扩展关系相互关联。

第二步使用流启发式开发FA，首先通过主流启发式为每个电动自行车UC开发FA，然后使用连接和分支流启发式开发统一FA。通过分析功能块定义中涉及的状态，促进了连接和分支流启发式的实施。例如，UC3和UC4的最终功能块指的是相同的能量流，这为围绕相同功能块"存储能量(DC)"连接这些UC的FA提供了基础。

第三步将统一电动自行车FA综合/抽象为更高级功能块。作为更高级功能块的一部分的线性功能链可以方便地抽象为更高级功能块。功能块存储能量(DC)在许多UC中被重用，因此在图15中表示为独立实体，并通过流与更高级功能块链接。

第四步将功能架构(FA)分配到物理架构(PA)，基于图15中更高级功能块的互补性，将物理块分配到每个功能块。SC的分配编辑器能够建立FA元素和PA元素（包括组件和端口）之间的定向关系。每个更高级功能块被分配到概念上定义的物理元素，如"转换骑手输入到后轮扭矩"更高级功能块被分配到"踏板驱动系统(PDS)"更高级物理块。分配编辑器包含整个FA和PA元素（包括组件和端口），使得能够将更高级功能块的子元素分配到更高级物理块的子元素。

研究结论与讨论

本研究在System Composer环境中实现了提出的方法论，解决了DTM和MBSE中功能建模的关键挑战。虽然DTM方法如Pahl等人(2007)和Stone等人(2000)提供了结构化方法论，但它们缺乏与现代MBSE实践的集成。相反，使用SysML的MBSE方法虽然全面，但需要大量元素开发功能模型，并且由于灵活的语义可能导致模糊解释。本文提出的方法论通过提供简化方法弥合了这一差距，在将DTM原则集成到MBSE实践中的同时保持模型清晰度。

关键理论贡献是通过MBSE环境中的流启发式开发集成功能架构的系统方法论。这解决了现有MBSE方法中的基本限制，即功能建模缺乏将跨多个用例的功能集成到连贯系统架构中的系统指导——传统DTM方法在MBSE环境中不提供这种集成能力，而当前使用SysML的MBSE实践难以实现而无模糊解释。流启发式为开发功能模型提供了规范的MBSE从业者指南，从用于捕获正在开发的每个相关用例中新特性或系统主要用途的主流启发式开始。然后可以使用分支和连接流启发式来完成用例的功能模型，其中连接资源流或分叉功能流是必要的，并连接从独立用例角度开发的功能模型，以确保整个系统架构模型的一致性和完整性。

该方法论特别适用于具有多个操作模式和清晰基于流交互的系统，如案例研究所示。面包烤面包机和咖啡机示例验证了流启发式的基本应用，而电动自行车案例研究证明了其在处理具有多个交互子系统的更复杂场景中的有效性。该方法特别适用于需要跨不同操作状态清晰跟踪和管理能量、材料和信息流的机电系统。

在SC中的实现通过定义功能块的输入/输出支持功能需求的精确规范，并支持复杂的用例分解和FA聚合技术。电动自行车示例展示了该方法如何通过功能模型的结构化集成管理多个交互子系统。该方法论支持FA和PA嵌套分解为子功能和子系统，同时保持需求清晰可追溯性，解决了当前实践中的关键限制，即此类分解通常导致碎片化模型和不同功能视图之间一致性丢失。

未来工作将聚焦于多个方向：需要通过分析文献中现有功能模型进一步验证提出的方法论；探索是否需要额外启发式（如条件分支节点启发式）来完成流启发式集合；调查较低分辨率级别的架构选择如何影响FA不变性以及如何在完整系统模型中有效实施条件FA；主要焦点将是展示提出的MBSE方法与仿真建模集成，进行以鲁棒性为重点的验证和确认；探索在其他领先MBSE支持软件（如PTC的Windchill Modeler和Dassault Systemes的Cameo）中实现流启发式，以增强方法论的更广泛适用性和跨平台采用。