通过基于模型的系统工程简化复杂性案例研究

复杂的系统一贯存在，甚至是智慧超群的工程师也总是面临着制造业的重重考验。然而近几十年来，大多数公司必须应对的复杂性水平有了显著提高，且复杂性提高的速度也正在不断加快。例如自动驾驶汽车、自动驾驶城市飞行器（UAV）、量子计算以及新一代移动连接技术 5G。在按时、按成本设计、制造和交付能够满足客户性能预期的新产品时，制造商面临着前所未有的挑战。

在这种环境中进行创新和制造需要一种不同的思维方式，即通过建模来为系统需求、设计、 分析、验证和确认工作提供支持。所有这些基本步骤必须从概念设计阶段开始，并贯穿产品的整个生命周期。然而，单靠基于模型的系统工程（MBSE）不足以管理复合系统的复杂性。 专用工具能够使所有项目利益相关方共享同一种通用语言和方法，以便在产品早期阶段跨职能学科进行协作，从而帮助避免在产品开发周期的后期阶段为实现技术更改而付出高昂代价。

No Magic 公司在 MBSE 以及针对软件架构和业务流程的CATIA 建模解决方案领域处于领先地位。达 索系统在 2018 年完成收购后，No Magic 加入达索系统，目前正在与 3DEXPERIENCE®平台进行整合。No Magic 的用户（涵盖核心产品 MagicDraw 的用户）跨越多个行业，包括宝马、 通用电气、辉瑞、洛克希德马丁、蒂森克虏伯海洋系统等众多领先企业。

在下面的简述中，工程师分享了他们实施 MBSE 的亲身体验。两者都描述了 No Magic（与 MBSE 结合使用）如何帮助其组织应对与复杂性管理有关的挑战。

蒂森克虏伯海洋系统

当蒂森克虏伯海洋系统在五年前决定将 CATIA 三维设计MBSE 作为其产品开发的标准方法时，该公司试图解决两类长期存在的挑战：

1. 如何简化包含柴电潜艇在内的众多子系统之间的接口管理。该公司为 20 多个国家建造潜艇，其霍瓦兹 - 德意志造船厂（HDW）建造的 209 型潜艇能够在各海域执行作业。

2. 如何帮助供应商更好地理解蒂森克虏伯的严格要求，以确保在蒂森克虏伯位于德国基尔的造船厂进行装配时实现子系统的完美集成。

Piotr Malecki 是受过培训的电气工程师，目前是一名在该公司工作长达 20 年的系统工程师， 他说：“你需要了解我们的产品，才能领会为什么解决这些挑战是至关重要的”。

众所周知，潜艇需要精密工程和建造。所有接口和系统集成必须完美无缺，才能确保潜艇潜入水下时不被发现。为了实现最大限度的隐身，潜艇的不依赖空气推进系统（AIP）没有运动部件。各级别潜艇均面向特定客户定制，生产批量少且投产前无法依赖原型开发。

No Magic 可帮助简化接口（机械、电气、电子、计算机及其他类型的组件之间的共享边界） 之间的系统工程复杂性。Malecki 表示，No Magic 提供了一种基于标准的沟通方法，便于各方在描述问题以及就解决方案达成一致意见时互相理解。他说：“在开发复杂的复合系统时， 这种 [No Magic] 统一方法有助于提高效率。”

Malecki 指出，工程学科通常各自为政地开展工作，并分别拥有用来表达技术信息的专属方法。 他说：“不幸的是，特定学科的工程语言并不适合以一种普遍能够理解的方式传达思想，这 就是要采用通用语言的重要原因，因为对于所有项目团队成员和潜在的利益相关方来说，通用语言都清楚易懂。为了克服这些沟通障碍，统一多种 [ 软件 ] 语言的建模语言是必不可少的。”

No Magic 用户采用的通用语言是系统建模语言（SysML），它支持所有项目成员共享他们所收集到的信息。通过更完整地表达系统，SysML 有助于减少系统开发流程中的错误和歧义。 以统一的建模语言（UML）为基础，SysML 能够确保开发初期阶段在工程师之间传递的信息更加准确。作为开放标准，SysML 允许与其他系统工程工具（如计算机辅助设计（CAD）、 电气和工程分析工具）进行信息交换。

Malecki 表示，No Magic 是一种严格符合标准的建模应用，可以为系统需求、设计、分析、 仿真和验证工作提供支持，这一点“非常重要”。仿真的目的是在不操纵真实系统的情况下对系统进行了解，这可能是因为系统尚未明确或无法使用，也或者是由于成本、时间、资源 或风险约束等限制条件而无法直接访问。

通过应用 No Magic 工具的分析功能，可以确保蒂森克虏伯模型中包含的所有技术信息（例如 接口的定义和工程图）易于所有人的理解。此外，随着这些模型在产品开发流程中不断更新， 它们将继续提供明确且精准的系统模型，便于对系统的一致性、正确性和完整性进行评估。 达索系统工程师学习体验专家 Martin Neff 将这一过程称为“MBSE 的普及化”。

Malecki 表示：“No Magic 从创始之初开始就专挑团体注于简化工程团队之间共享信息的复杂性。因此，我们要生产的最终产品不仅设计过程更顺利、设计结果更优秀，而且项目后期 阶段发生问题的概率也更小。这样有助于节省时间和成本。”

按照 Malecki 的观点，系统复杂性通常难以管理。“首先，你必须解决如何认识复杂性这一难题。 只有这样，你才能开始采取必要的步骤，将复杂性简化至事物本质。”为了说明他的观点，他举了一个非常简单的例子，他反问道：人体心脏除了一个泵，两个瓣膜和两条管道，还有什么？ “但是，对于外科医生来说，这种理解水平是否足以进行移植手术？”

他说，工程师希望看到所有内容都以最简单的形式呈现，这是很自然的，但这并不总是像技术人员盼望的那样简单。“复杂程度各不相同。MBSE 和 No Magic 能够帮助我们理解复杂性， 并将其简化为我们需要了解的内容，以便更好地管理它。”Malecki 引用了英国小说家和散文 家 G.K. Chesterton 的一句名言，该名言总结了管理复杂性的困难本质。“并非 [ 技术专家 ] 找不到解决方案。而是他们看不到问题所在。”

Malecki 表示，除了“降低复杂性”来发现问题之外， MBSE 和 SysML 的另一大附加优势在于，它们为采用者 提供了一个几乎无限的信息库，这一切都围绕着各种标准。 他说：“这有助于你全面开放地了解整个行业。这是无法用金钱来衡量的价值。”

将 No Magic 集成到 MBSE 流程中并非完全是“即插即用”的交钥匙实践。他列举了成功的先决条件。首先，你需要具备一个专注于 MBSE 的核心团队，他们坚信 MBSE 能够为企业带来价值。其次，富有远见卓识的管理者应该以非常规的方式解决问题和改善产品开发流程， 以此作为组织的领导方式。Malecki 表示：“两者相辅相成。”建立切合实际的期望、锻炼耐心、 相信自己正在竭尽所能取得成功，并提供一个安全的学习环境。当我们应用 MBSE 时，我们会非常仔细地观察什么对我们最有帮助，并从失败中吸取教训。

在被问及如何使用 No Magic 工具集来揭示 MBSE 实施过程中公司的投资回报率（ROI）时， Malecki 认为衡量投资回报率非常困难，因为它需要将一组关键绩效指标（KPI）与另一组进行比较。他说：“考虑到我们应用 No Magic 这样一款首次用于产品开发的全新环境以及我们需要经历漫长的产品周期，要想完成大型复杂的项目，在这种情况下衡量投资回报率可能不切实际。”

Malecki 表示：“然而，多年来的经验告诉我们，如果你想要一个能与你共同履行 MBSE 承诺 并帮助你解决问题的 [ 软件 ] 合作伙伴，最好的做法就是与 No Magic 携手。这并不意味着所有的问题都有解决方案，但 No Magic 并不这么认为。这是他们在工作关系中建立起的信任。” 达索系统希望通过开发一种方法来帮助客户衡量 No Magic 的价值。达索系统 Cyber Systems高级总监 Moy Speckman 表示：“我们不仅赢得了系统工程界的欢心，还将开始逐步赢得财务部的青睐。”

Speckman 声称，大多数 No Magic 的客户已经相信，与 No Magic 替代方案相比，他们的投资很有价值。蒂森克虏伯海洋系统就是这样一个客户。Malecki 说：“你花的钱绝对物超所值。 就他们的工具和客户服务而言，No Magic 在收费和所交付的价值之间实现了良好平衡。”

开放水域的潜艇和水面舰船，图片由蒂森克虏伯海洋系统提供

洛克希德马丁

No Magic 成立于 1995 年，创始人认为开发更好的软件“没有魔法”可言。他们认为，一个组织获得成功的秘诀在于对软件开发的投资以及严格的员工培训。十年后，在一个由大型计算机、软件和信息服务公司主导的领域里，No Magic 只是一个小角色。模型解决方案小组高级经理 Laura Hart 支持洛克希德马丁在全公司范围内推进数字化转型，她回忆道，不久之后， 公司“真正起飞了”。洛克希德马丁公司是 No Magic 的客户之一。

她说：“因为 No Magic 致力于了解客户的需求，所以在相对较短的时间内，No Magic 在系统工程领域取得了引人瞩目的进步。通过在国际系统工程委员会（INCOSE）和对象管理组织 （OMG）等专业和标准组织中积极担任领导角色，并与行业和政府客户进行协作，他们一次 又一次地证明了他们所取得的进步。合作的成果在于不仅推出了更完善的标准，如 SysML 和统一架构框架（UAF），而且也实现了功能更丰富的兼容软件。”

Hart 表示，当洛克希德马丁首次与 No Magic 进行合作时，与一家大型 [ 系统工程解决方案 ] 提供商相比，它不具备任何竞争优势。她说：“是的，No Magic 的工具不仅功能更出色，而且还能帮助我们对员工进行再培训，并 管理另一套（软件）许可证。最重要的是，它不是一星半点的好，而是非常出色，的确名符其实。 客户一直对它们的依赖程度非常高。”

Neff 表示，通过聘请达索系统，公司利用 No Magic（现称为 CATIA®Magic）实现的远远不止是一项商业交易。他说：“达索系统与公司合作，确保它们能充分发挥价值。组织内系统 思维的成熟度决定了他们将这些工具集成到产品开发流程中的速度。”

在 Hart 看来，洛克希德马丁之所以采用 No Magic，最令人信服的原因可能是它的开放标准。 到 No Magic 出现时，其他系统工程工具和“众多 [ 软件 ] 许可证”已经被大量授予给了洛克 希德马丁。大约在同一时间，洛克希德马丁正试图通过使用 No Magic 的竞争对手提供的软件工具来实现 Hart 所说的“一些相当高级的集成”。事实证明：它与其他集成工具的接口连接是行不通的。她说：“我们不能继续使用那些不断变化的东西。”

洛克希德马丁发现自己处境艰难。尽管 No Magic 工具提供了最出色的功能并且也符合标准， 但是从单一的供应商采购所有系统工程软件工具所需的费用令人望而却步。由于 No Magic Cyber MagicGrid 能够适应任意给定系统，因此可以决定是否在异构环境中运行。（在被 达索系统收购之前，No Magic 开发了 Modeling Methodology for Systems©（MMS）和 MagicGrid©。每种方法处理的系统工程流程范围略有不同。）

Hart 表示，以完善的系统工程方法论为基础且符合标准 的最佳实践是 MBSE 成功的关键因素。她说：“我们必须能够支持不止一种工具，并且由于 No Magic 实现了高度合规，我们能够使用标准语言和标准方法，清晰、明确地表达概念，而不必为了处理异常情况而教授繁琐的变通方法。如今，系统工程基础知识的教学工作变得更加高效了。”

自 2003 年起，Hart 一直倡导使用 MBSE。她在洛克希德马丁工作了 15 年，在 2005 年左右， 她接受邀请，加入了美国联邦政府资助的主要研发实验室之一。随后，洛克希德马丁吸引她回到公司，当时的总裁、董事长兼首席执行官 Marilyn Hewson 支持洛克希德马丁在所有制造流程中推进自上而下的转型，其中包括在整个公司范围内实施 MBSE。Hart 估计，到 2020 年中期，这项庞大的工程大约完成了 40%。

Hart 表示，洛克希德马丁和整个行业长期以来一直主张使用符合标准的工具，其最终目标是跨工程领域实现工具的互操作性，以及避免“供应商锁定”（与特定的工具供应商合作）， 因为这样一来，公司将被限定在固有模式中。她表示：“最终目标是在产品的整个生命周期内实现全面的数字化转型，包括产品的可持续发展。由于 No Magic 在标准工作组中的实际作 用，[No Magic] 通常比竞争对手提前 6 个月到 1 年发布新版本的工具，而且通常更符合要求。”

她表示，她的团队不断完善技术，并将其纳入到洛克希德马丁的数字化转型项目中。团队确定差距和需求，并开发一体化解决方案来填补这些差距和需求。我喜欢 No Magic，但我更感兴趣的是，我们如何借助工具，通过应用基于模型的系统工程，提高复杂系统的开发效率。”

除了帮助洛克希德马丁在建造先进的航空航天平台方面更具创新性以外，Hart 认为，在获取大型高端、长期项目（可能投产 20 年或更长时间）中的系统知识方面，MBSE 和 No Magic 具有同等重要的作用。洛克希德马丁拥有众多类似项目，其中维护、维修和升级是大问题， 而可持续发展是关键。她说：“当团队成员离开公司时，一些知识就会丢失，随着时间的推移，这会使系统受到很大约束。”

Hart 说：“No Magic 是跟踪项目决策的完美工具。这实际上关系到所有飞机项目的寿命，不仅仅是‘设计’而是‘设计决策’。”她解释说，如果不知道这些决策，制造商可能会在不理解为什么做出某个决策的情况下，对升级一架传统飞机犹豫不决。MBSE 创建了数字数据记录 （知识库），允许工程师进行任何必要的更改，以升级这些飞机或更高效、更经济地创建变体。

解决现实世界的挑战

在数字时代，需要降低与日俱增的复杂性，而又有哪家以工程为导向的制造商不会面临这类 严峻挑战呢？工程驱动的制造商必须弄清楚如何跨领域解决各种难题，才能成功地使用基于 模型的系统工程来设计和构建复合系统。洛克希德马丁、蒂森克虏伯海洋系统以及其他众多 公司也能证实这一点。

CATIA MAGIC 与面向 MBSE 的 3DEXPERIENCE 平台

借助 CATIA Magic，MBSE 使工程师能够随时随地、透明地访问数据，而不必依

赖于点对点集成。通过收购 No Magic，达索系统增强了其系统工程能力和基于 3DEXPERIENCE® 平台的行业解决方案体验。行业现在可以开发“体验互联网”， 也就是将产品、自然和现实世界中的生活以数字化方式连接起来的智能自主体验。 No Magic 解决方案集成在 3DEXPERIENCE® 平台上，以开发业界一流的基于模型的系统工程和复合系统工程解决方案，并提供更名为 CATIA Magic 的解决方案。CATIA Magic 解决方案是市场上最可靠且符合标准的解决方案。