導讀：推動基於模型的系統工程（MBSE）發展的根本動力是成本驅動和發展驅動，促進MBSE實現的兩個重要的實踐方向是基於系統模型的新研發模式、智慧知識管理與應用技術。
系統工程是從航空、航天等系統的開發過程中總結出來、用於指導複雜工程專案開展的方法論，是協調龐大團隊完成複雜任務的技術和管理要素的綜合，最新的國際標準將系統工程定義為“管控整個技術和管理活動的跨學科的方法，這些活動將一組客戶的需求、期望和約束轉化為一個解決方案，並在全壽命週期中對該方案進行支援”。在當前的系統工程方法中，系統工程活動的產出是一系列基於自然語言的文件，例如使用者的需求、設計方案等，可稱之為“基於文件的系統工程”（document-based system engineering, DBSE）。隨著系統變得日益龐大和複雜、使命任務日益艱鉅、研製節奏日益加快，同時伴隨資訊科技的發展，“基於模型的系統工程”（model-based system engineering，MBSE）方法逐漸發展起來，並被認為是一種新的發展趨勢。但隨著 MBSE的實踐不斷深入，越來越多的問題也暴露了出來，這些問題包括：概念抽象難以理解、實施的投資回報比存疑、存量資訊轉換困難、缺少成熟方法和工具、缺少有經驗的實施人員等。越來越多的實踐證明，作為一門實踐科學和方法論，MBSE要真正發揮作用，就必須能夠找到具體的途徑落地並指導實踐。
本研究從分析 MBSE的關鍵概念入手，力圖尋找到轉向“模型”的根本動力，並推匯出實現 MBSE轉型的可行方向和途徑。
“模型”的深入理解
系統的設計和開發的本質是將人們頭腦中的構想轉變為現實存在的過程，而在其轉化為現實之前，必須依靠某種媒介作為思維和現實溝通的橋樑，將思維表達出來，並作為付諸行動的依據記錄和儲存下來，無論是文件、圖表、算式、圖紙或是形式，其角色都是這樣一種媒介。“DBSE”與“MBSE”之間最顯而易見的區別就是它們採用了不同的媒介：DBSE以文件為媒介，而 MBSE使用模型作為媒介。因此，要理解和實踐 MBSE，首先必須對“模型”的概念進行深入的分析。
最常用的模型是數學模型，例如“雞兔同籠”問題可表述為
如此，就利用二元一次方程組這種數學語言建立了這個問題的數學模型，其優勢是顯而易見的，這個模型以其簡潔的形式、高度的準確性和抽象性為這個問題的理解和解決創造了先決條件。
根據數學模型在解決實際問題中扮演的角色，“模型”的概念可定義為：模型是出於特定目的，從特定視角對研究物件的抽象描述。
從這個概念定義中，可以得出模型的 3個特性，凡是具有這3個特性的描述形式都可以稱之為“模型”。
1）目的性。由於研究物件是複雜的，同時認識活動是有目的的，因此模型一定是從某個特定視角出發，為了達到特定目的而對問題某一方面（或部分）的描述。只有這樣，才能將複雜問題簡單化，實現認知降維，再透過多個視角模型的結合，才有可能對複雜問題給出清晰、全面的描述。這就像給立體的現實問題拍平面照，每張照片上只反映拍攝者關心的那個視角。
2）抽象性。模型是對研究物件的抽象描述。透過抽象，一方面可以忽略不重要的細節從而揭示問題的本質；另一方面，抽象將特殊的問題一般化，從而可以使用通用的方法解決同一類的問題，實現“舉一反三”。這個特性就像給物體畫速寫，只刻畫出最關鍵的畫面線條。
3）直觀性。模型的直觀性是指它能夠將問題以更容易觀察和理解的形式表述出來的特性。無論是照片還是速寫，人們一看到它就能想到它所描述的是什麼，能夠迅速獲得形狀、尺寸、顏色等資訊，這就是直觀性。
對於模型的理解，哲學家Alfred Korzybski 的名言巧妙地反映了模型和研究物件之間的關係：“地圖並非地域”（The map is not the territory）。地圖作為某個地域的模型，是以特定目的繪製的，對該地理區域抽象的、直觀的表述形式，以上 3個特性在這個例子中得到充分印證。
對複雜系統的認知升級
實際上，在現實生活中，人們無時無刻不在利用模型來解決遇到的現實問題。可以說，模型是思維世界和現實世界溝通的橋樑：我們總是透過建立模型理解現實問題的，也是透過模型把我們的想法變成現實的。我們可以將模型視為現實問題在認知空間中的一個“孿生兄弟”，當我們面對的問題是複雜的系統時，不可能依靠直覺完成系統的描述、認知和設計，而必須依靠模型完成對系統的認知。這個“孿生兄弟”是從以下2個方面幫我們認識複雜系統的。
1）模型為研究複雜系統提供了科學的認知方法。首先透過建立模型，對問題進行定義，抓住問題的根本和關鍵；其次，利用研究問題得到的新資訊和新認識不斷維護和更新模型，使其不斷逼近問題的真實存在；最後，在面對類似問題或新問題時，透過模型的重用和連結，可以重構出新的模型。
2）模型為研究複雜系統拓展了新的認知維度。模型不僅描述問題本身，同時描述了問題的邊界、環境和內在聯絡。如果將觀察問題的每一個視角理解為認知的一個“維度”，那麼模型就為我們拓展了一個新的認知維度——“聯絡維度”。這個維度讓不同側面的畫面能夠聯絡起來，才構成了整個問題的全貌。
因此，認識和解決複雜系統問題的過程實際上是一個降維-升維的過程，先把複雜的問題透過分解、簡化和抽象形成“低維模型”，逐個解決後，再根據低維模型間的相互聯絡將這些低維模型重構成更貼近現實問題的“高維模型”。完成了這個過程，就對系統有了更深刻的認識，就完成了一次認知升級。在這個過程中，模型就是認知系統的工具和載體，而模型的質量（定義是否準確、簡化是否合理、邏輯是否自洽、關鍵資訊是否完備以及是否直觀可理解）對這個認知升級過程的效果和效率有著直接的、決定性的影響。
所以，從 DBSE轉向 MBSE，本質上是從以自然語言為載體的認知方式轉向以模型為載體的認知方式。這裡所說的模型，泛指符合前述 3個特徵的任意形式的模型，這些模型通常可以分為 2大類：一類是從不同領域角度對具體存在物及其行為的描述，可稱之為“專業模型”，例如結構設計領域的三維模型、自動控制領域的系統框圖和 Simulink模型、力學分析的有限元模型等；另一類則更關注描述組成系統的元素間以及系統與環境間關係的描述，稱為邏輯模型，如產品分解結構（PBS）、介面表、N2圖等。這 2類模型結合起來，用統一、規範的語言描述就構成了系統模型。雖然理論上只要能夠對研究物件進行有目的的抽象描述，模型的形式可以是任意的，但是作為一套用於指導工程實踐的方法論，MBSE的模型必須透過簡潔的、一致的、成體系的描述方法來建立，這種描述方法就是“建模語言”。目前應用較為廣泛的建模語言標準包括SysML、IDEF0、Modelica等，它們出發點不同，各有側重，並無優劣之分。除此之外，建模的過程中所遵循的方法（視角、邏輯和過程等）也對建模的效率和效果有著重大的影響，目前主要的建模方法有 Harmony、OOSEM、State Analysis method、Vitech Method等，這些方法在不同的產業和業務背景中誕生，都帶有比較強的業務特點，因此也並非是放之四海皆準的方法，事實上，實踐證明最好的方法也正是與業務特點和企業組織形式相適應的方法。
傳統系統工程面臨的新形勢和新問題
為了研究如何從傳統系統工程轉向基於模型的系統工程，就必須弄明白為什麼要轉向“模型”，也就是必須弄清楚傳統系統工程究竟出現了什麼問題。
從 20世紀 60年代發展而來的傳統系統工程方法，曾經在中國航天事業的特定時期發揮了巨大的作用，很多理念深入人心，也為國際系統工程的發展和標準制定做出了突出貢獻。它透過制定流程、規則、方法等約束性檔案，將系統工程的實踐經驗固化下來，透過在工程系統的全生命週期貫徹這套規則體系，保證系統目標和質量的實現。但近年來，面對市場競爭日益激烈和開發節奏日益加快的新形勢，傳統的系統工程方法已經暴露出了許多問題，大致可以歸為以下2類：
1）傳統系統工程方法成本高企。在近 20 年的時間中，航天產品的研製週期普遍縮短了一半以上，多個型號一齊開工已成為大多數單位的常態。由於工作量陡增，大部分的研製工作都存在超流程研製、檔案簽署不及時、校對不充分等情況，這種現象無法簡單解釋為設計師責任心問題，更根本的原因可能是現行的管理體系和系統工程方法的成本（包括時間成本）超過了任務所能接受的範圍。在傳統的系統工程方法中，為了保證技術、質量、經費、進度等多維度目標的實現，人們創造出了複雜的方法、流程和規則體系，其根本目的就是“控制”，控制質量、控制風險、控制進度，實質上就是一種透過更多的“控制”減小不確定性的行為邏輯。然而，任何控制都是有成本的，不斷複雜化的控制系統本身讓工作變得更加難以應付，直接結果就是響應速度的降低、工作效率的下降，以及管理成本的上升（當前有些產品成本中甚至有一半是管理成本）。這也是越來越多的企業開始嘗試“敏捷開發”等新的研製模式的主要原因。
2）基於文件的知識管理能力不足。在傳統的基於文件的系統工程環境中，由於資訊透過檔案的形式記錄和傳遞，存在著嚴重的資訊遺失。資訊的遺失表現出兩種截然相反的形式：一方面，大量的過程資訊、設計師當時的考慮和決策往往不能被記錄下來，儲存下來的只是最終結果，久而久之這些寶貴的知識資訊就遺失了，同時，檔案中引用的其他檔案不具備連結的性質，常常無法隨檔案下發，也造成了一種資訊丟失；另一方面，由於要遵循大量的行文規範，研製檔案中的有用資訊常常淹沒在大量的低價值文字中，閱讀者不僅需要從大量的文字內容中抽取有用資訊，還需要努力理解編寫者的思維邏輯，不僅費時費力還容易造成誤解和曲解，這同樣是一種資訊遺失。
另外，近年來，基本上每個新型號都伴隨著跨代性質的技術應用，隨著專業領域的深度細分，總體設計師越來越感覺難以把握這些高度專業化的新技術。這反映出知識的爆發性增長和專業分工深入的趨勢同個人認知能力之間的矛盾，靠總體設計師的經驗和記憶去把握系統已經越來越不現實，緊張的研製進度也不允許總體設計師透過研究技術資料開展深入學習，傳統的系統工程方法無法提供高效的知識管理和輔助決策能力。
以上兩種情況都反映出傳統基於文件的系統工程方法在資訊（知識）的記錄、傳播、管理和應用上存在的問題。
轉向“基於模型”的動力
雖然傳統基於文件的系統工程方法遇到了以上亟需解決的新問題，而理論上MBSE在這些方面有一定的優勢，但是現實情況說明，當前在 MBSE的實踐中遇到的阻力幾乎是難以克服的。在新事物的發展過程中，初始階段大都會遇到重大的阻力，而它最終為大眾所接受的根本原因是因為社會需求的內生動力超過了阻礙其發展的種種阻力。因此，系統工程要向基於模型發展，也必須找到這種動力。
在許多專業學科中，向“基於模型”的轉型實際上已經發生，例如在機械設計領域，從二維圖紙和公式計算向基於三維模型的CAD設計和CAE驗證早已非常普遍。透過對這個成功特例的分析，我們嘗試總結出轉向“模型”的一般規律。
首先，從二維圖紙轉向三維模型大大降低了成本。主要體現在以下3個方面：（1）視覺化降低了對空間想象能力的要求，縮短了設計師單位產品的設計時間，提高了勞動生產率，設計師的設計工作也更為輕鬆，主觀接受意願高；（2）基於三維模型虛擬裝配更容易發現干涉等結構不協調現象，節約了結構協調時間；基於三維模型的 CAE模擬手段更使得在硬體生產前能夠開展足夠的驗證工作，保證一次成功，從而加快了迭代速度，減少了迭代次數，降低了研製成本；（3）強大的計算機輔助工具的出現降低了行業門檻，使更多的人可以參與到分工協作中，從而使成本進一步降低。人類活動總是有著向更低成本方向前進的趨勢，因此可以說成本因素是轉向模型的最底層推動因素。
此外，除了成本的推力外，還有一種拉力將在未來加速這種趨勢。當前，由於金屬件的生產環節依然大量依靠普通機床的減材製造實現，三維模型在生產環節沒有明顯的優勢。但是 3D列印為代表的增材製造裝置和數控機床、機器人等更先進的智慧製造裝置的普及將為三維模型的應用開啟一個新的維度，這些裝置能夠讓設計師建立的三維模型直接用於產品的生產製造過程，並可以透過網際網路實現跨越地理空間的設計製造協作，這必將對整個設計-製造鏈條上的成本產生革命性的影響。這就是轉向模型的第二個動力：新技術帶來的發展維度牽引。
因此，向“基於模型”轉型的動力是：成本驅動的“推力”與發展驅動的“拉力”一起形成的“合力”。
基於模型的系統工程將帶來系統研發模式和知識管理技術的重大轉型
MBSE的實現形式必須能夠大幅降低開發成本，尤其是管理成本；MBSE的實現有賴於新技術的牽引，系統模型的具體形式也必須符合這種新技術的需要。針對這2個趨勢，可提出2個可行的方向。
成本驅動：去中心化的開發模式
基於文件的系統開發模式可以抽象為圖 1所示的模型：每個人都利用自己所學的專業學科工具和“模型”（CAD、CAE 模型、程式程式碼、表格、文字等）開展設計開發活動，再將設計開發的結果以檔案的形式表達出來。
圖1 基於文件的開發模式
在這種研發模式中，設計師從檔案管理系統中獲取設計輸入，系統中下一層級產品的開發以上一層級給出的設計輸入檔案為依據。而這種設計輸入合法性是透過檔案的逐級審籤機制保證的，這實際上構成了一種自上而下的中心化、層級式的研製模式。在基於文件的環境下，對系統和產品設計的控制往往退化為對檔案的控制，因此，在這種研製模式下，為了不斷加強對檔案正確性和有效性的控制，檔案的簽署和更改手續變得複雜而冗長。同時，由於簽署完整的檔案才是合法的有效檔案，效率與合法性之間的矛盾就凸顯了出來：為了保證研製合法，就必須等待上一層級簽署設計輸入再開展設計工作，這樣研製程式就變成了序列的瀑布模型，而一旦輸入檔案需要更改，又必須重新履行復雜的審批程式，效率難以保證；若要求較短的研製週期，就必須並行開展各層級的設計工作，這樣就會缺少設計依據合法性的保證，研製團隊中傳遞的各種資訊難以得到有效的管控。現實的工程實踐中，這樣的超流程工作、合法設計依據缺位的現象大量存在。
這種矛盾的根源就在於“控制思維”。更多的控制導致更慢的響應，這與變化更快的市場需求形成了矛盾。為了根本上解決這個問題，就需要改變這種“控制思維”，這實質上就是需要系統研發模式發生轉型。
現代設計手段和模擬技術的方法為研發模式的轉型準備了條件。傳統的檔案管理方法的產生背景是傳統工業時代，由於檔案（圖紙）是用於直接指導硬體樣機和產品生產的，因此，必須用複雜的流程保證其準確性，以減少廢品和返工。而在以資訊科技高度發達的現代工業背景下，計算機輔助設計（computer aided design，CAD）、計算機輔助工程（computeraided engineering，CAE）工具日益強大，數字化的設計和模擬能力已經覆蓋了幾乎所有工業領域，對硬體驗證的需求越來越低，設計變更變得非常容易驗證，變更的成本大大降低。在此背景下，可以大膽設想一種新的研製模式，從“畏懼變化”的“控制思維”轉向“擁抱變化”的“進化思維”。
在數字模型高度發達的背景下，可以設想圖 2所示的研發模式。
圖2 基於模型的開發模式
那麼工作的模式就成為：所有的設計師都圍繞一個統一的、由各人負責的部分組成的整體模型工作，模型資訊的變化透過定義好的介面實現同步。在這個過程中，所有的資訊互動和狀態變更都能實時地被利益相關方確認，也能夠被資訊系統記錄下來。就像“區塊鏈”一樣，系統的每一次狀態演進被所有相關節點確認，也就實現了其一致性、唯一性和不可偽造性，從而也就形成了一種不依賴權威的區中心化的“合法性”。這樣一來，系統中的每一次變化都像“突變”一樣被寫入“基因”，不再需要因為隨機出現的變化反覆走複雜的檔案審批和變更流程，從而大大提高系統開發的效率，降低管理成本。系統在這種不依賴權威的合法性框架下不斷進化，始終維持著各相關方的共同認可，直到研製計劃規定的時間節點，基線得到自然的確定。
生產關係變革的需求需要由生產力的發展來滿足，而生產力的發展又依賴更高效的生產工具為其提供動力。MBSE 這種系統工程活動的新工具的發展方向就是要透過這種方法的應用，促進系統開發模式的深刻變革。透過這種成本驅動的變革，解決了 MBSE推廣過程中的阻力問題，也就更容易透過更廣泛的實踐促進發展。
發展驅動：知識管理與智慧應用
MBSE 發展的第 2 個動力就是新技術帶來的發展“拉力”。這種拉力將來自於智慧知識管理與應用技術的發展。
系統設計和開發工作面臨知識管理能力不足的問題：一是知識的捕獲能力不足，二是知識的應用能力不足。其中，知識捕獲能力不足主要包括設計過程中產生的碎片化知識捕獲能力不足和聯絡資訊的捕獲能力不足。在這個方面，MBSE的各種系統建模語言都提供了大量描述“聯絡”的手段，利用這些語言，透過系統建模開展設計開發活動，如果配合類似網頁 cookies 的資訊捕獲機制就可以實現對知識的有效捕獲和聯絡資訊的維護。
建模技術僅僅解決了知識捕獲問題，構成了相互聯絡的知識體系，但建模僅僅是 MBSE的起點，基於人工智慧的系統知識應用技術則將從需求方向為 MBSE的開啟新的發展維度。正如AlphaGo 人工智慧能夠利用海量的資料和圍棋知識體系做出勝率最高的決策，基於人工智慧技術的知識應用技術將使計算機擁有系統輔助設計的能力，為系統設計師的方案權衡提供最優方案建議。這種能力大大拓展了人類對系統的認知能力和設計能力，無疑在效率和效益上都具有無可比擬的優勢。基於 SysML等系統建模語言建立起來的系統模型具有簡潔、規範、無二義性等特點，既能夠被人理解更容易被計算機理解，這種優勢使系統模型可以直接用於知識的智慧分析和應用，因此，隨著基於人工智慧的系統知識應用技術的發展，對基於模型的系統描述將產生巨大的牽引作用，而這項技術本身也將成為基於模型的系統工程方法不可或缺的一部分。
MBSE不僅僅是理論更是實踐，為了讓這種基於模型的思維能夠付諸實踐，可能要同時從兩個方向為它找到落地之路：一方面要從“成本驅動”的角度去思考MBSE可以解決的現實問題，以研發模式轉型為目標探索它的實踐途徑；另一方面，要從“發展驅動”的角度思考，在“如何利用模型”上下功夫，圍繞模型提供的知識體系探索基於人工智慧化的系統知識應用技術，用下游新技術的發展為MBSE的普及創造更大的發展空間。