謝友柏院士:基于模型的系統工程(MBSE)與設計(MBD)的關系思考

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2019-05-22 來源:科技導報

 導讀:如何將關于功能知識表達的建議與任何系統工程建模語言的任何部分結合起來,確定地、無歧義地表達設計中功能單元或者系統的行為知識和結構知識,將是很有意義的研究。

 

 

 

基于模型的系統工程(model based systems engineering,MBSE是建模方法的形式化應用,以使建模方法支持系統要求、設計、分析、驗證和確認等活動,這些活動從概念性設計階段開始,持續貫穿到設計開發以及后來的所有壽命周期階段。模型是對實際事物的抽象,在人們的生產和生活中經常出現,因此模型非常重要。實際事物具有難以捉摸的復雜性,不易觀察其變化基本規律,不易找到如何統一的對待辦法。抽象是提取其主要共同特征,排除構成復雜性的非主要特征,并據以分類,使能對具有共同特征的一類事物采用相同辦法對待。這個提取物就是區別于實際事物本身的所謂模型,而抽象的操作則稱為建模。為不同目的建模其結果不同,例如,玩具模型是為了愉悅兒童,風洞模型是用于觀察物體外形與流動氣體之間的關系。

   

系統是一個由若干相關事、物構成的較為復雜的事、物。系統工程習慣上意味著一件需要對待的規模巨大的復雜事物,例如生產一種新的商用飛機就是一個系統工程。系統工程中不僅要對待許多物,更要對待許多事,事往往比物在系統工程中更重要和更為復雜。系統工程建模要處理的主要是系統中各個事物之間的關系,“系統工程師的技藝在于平衡復雜系統中組織與技術交互作用的藝術和科學。”系統工程在工程中有很重要的地位,不過它的邊界是模糊的,例如它包括設計,但是并不做設計的具體工作;它包括制造,但是也不做產品實施路徑的設計和操作實施,它要做的是一個產品全生命周期中各個階段工作的管理,屬于管理學科領域。MBSE 需要研究和解決的是管理上述交互作用的建模。

   

所謂事物難以捉摸的復雜性,除各個個體之間的差異以及其隨時間和空間的變化之外,還包括人們對于其特征在感覺上的不確定性和差異,對于其特征在以各種自然語言描述和理解時的歧義和不確定性,人們自身在認知方面的矛盾和不確定性。建模的另一個重要使命就是用確定的、無歧義的方法來描述系統特征,以便此后在對待這個系統時可以采用確定的、無歧義的措施,包括隨系統變化而變化的措施。于是就產生了建模和建模語言的需要,例如UML 以及后來的SysML。建模語言是為了能夠用確定的、無歧義的語言來表達從實際事物抽象出來的模型,不過這對于系統工程而言并非易事。

   

設計是為人類一切有目的活動的實施規劃實施結果的面貌和實施路徑。由于人或者人群的目的,也就是對一個尚不存在事物設計要滿足的需求本身,常常是不明確、有歧義甚至是矛盾的,而對于實施的約束和產品生成以后所處的環境以及與環境之間的相互作用也常常是不明確、有歧義、矛盾和變化的。但是實施不能在不明確、有歧義、矛盾和無應對變化措施的情況下進行,這樣實施將無所適從。設計建模就是要讓上述諸方面從不明確、有歧義、有矛盾和變化的到明確、無歧義、協調一致和鎖定其變化規律的轉變,這也是系統工程建模要完成的任務。不過設計與系統工程不同,不能止于這些轉變,還要在轉變后實際制定在設計系統(即設計的對象,下同)的面貌和實施路徑,以便實施能夠據以操作?;掛吹?,這些轉變不可能一步解決,必須深入到設計過程內部經過反復迭代求解,而不能在設計過程外部主觀制定。系統工程是管理問題的解決而不是解決問題,主觀因素太多,在不得已時允許有一定的不確定性。最終解是由設計完成,卻不允許有任何的不確定性,設計給出的結果必須是確定而無歧義的,因此基于模型的設計(model based design,MBD)研究更為重要。

   

設計本質上是一個知識流動、集成、競爭、進化的過程,它的核心是知識的集成。沒有集成,流動、競爭和進化都談不上。系統工程的管理可以管理流動、競爭,但是它管不了集成,集成有自己確定的、無歧義的規律。只有MBD或者基于模型的知識集成才可能以更高效率運用知識。遺憾的是支持設計知識集成的模型目前還缺乏綜觀全局的研究。現狀是各行各業都用自己的知識模型,這就使得設計中既要滿足物質需求,又要滿足精神需求和社會需求的知識集成非常困難,也使得要在如圖1所示的分布式資源環境中實現基于互聯網的設計知識供給非常困難,從而使得“大眾創業、萬眾創新”的實現也非常困難。

   

 

1  分布式設計知識資源環境

 

傳統上,設計是精英階層的專屬,不過這種情況正在改變,大眾階層將越來越多地參與設計?;チ⒄溝?/font> Web 2.0,個人不僅能夠在互聯網上讀取,更可以在互聯網上寫入。現在每天有無數作品在微信、博客、推特、臉書上出現,這些都是設計的產出,也就是說可以看到每天有眾多的人在發表他們的設計?;魅說姆⒄乖嚼叢蕉啻嬡巳ナ凳┎僮?,那么被替換下來的人將做什么?答案只能是進入設計的競爭行列。規模競爭驅使競爭各方盡可能把精英籠絡到麾下以強化自己的設計競爭力,國家之間如此,地區之間如此,企業之間更是如此。雖然其趨勢目前還有增無減,不過這個時代終將逐漸過去。創新總是發生在點上,創意產生的實踐性和隨機性規律使得精英的數量將不再與創新的數量成比例。當社會生產從規模競爭轉變為創新競爭,精英抱團的優勢將不敵大眾創新的優勢。

   

當前,大眾階層設計和精英階層設計相比,競爭力的弱勢在于知識的擁有和運用能力,微信、博客、推特、臉書上出現的大部分作品水平不高和一些設計者的道德低下,都說明了設計者知識不足是弱勢的根源。如果能夠通過分布式設計知識資源環境中基于互聯網的設計知識服務,向有創意的大眾階層供給知識,以彌補這個弱勢,那么真正的創新競爭世紀就會更快到來。設計是一個知識流動、集成、競爭和進化的過程,系統作為一個設計知識的集合,是在設計過程中反復迭代逐步形成的。圖 2是設計中創意產生與知識關系的一個圖解。圖3顯示了設計知識集合形成過程與知識流動的關系。在創新競爭世紀里,競爭不能僅僅依靠設計師頭腦里已經有的知識,也不能僅僅依靠團隊或者公司里已經有的知識,而是需要依靠能夠滿足現在未能滿足的需求并且此前未曾被采用過的知識,這種知識更多要到分布在世界各地的知識庫中去尋找,要到分布在世界各地基于互聯網的設計知識服務中去尋找。現在系統工程和設計知識集成的工具,都是基于知識是在設計師頭腦里、在團隊或者公司的知識庫里,如何表達一條知識是企業自己可以規定的,所以SysML 允許在模型中部分使用自然語言,例如 SysML中需求圖的內容可以用 id text表達。設計知識如果要到全世界去找,其不可行就顯而易見。為了搜索的方便和搜索到以后能夠高效集成,設計知識必須要有統一的分類和統一的表達。統一分類是方便存儲和搜索的需要,統一表達是高效運用的需要,包括自動化集成的需要。

   

 

2  設計中創意產生與知識的關系

 

 

3  設計知識集合形成過程

 

一種研究很長時間的設計功能知識分類和表達方法并沒有得到廣泛應用。主要缺陷是這種研究僅僅針對滿足物質需求一類設計的功能知識,也就是沒有考慮在創新競爭中,不僅要滿足物質需求,同時還要滿足精神需求和社會需求。而在實現滿足物質需求的功能中,只有轉變功能一類,這是不符合事實的。另外,為了統一“輸入流”和“輸出流”的名稱,要專門制定一個分類表(taxonomy),其工作量相當于編一本包羅萬象的詞典,然而編輯和更新這個詞典的工作量都是設計界所難以承擔的。

   

設計是為某個目的規劃實施結果和路徑,實施結果要得到一個或者幾個滿足目的需求的系統。這種由自然語言描述的需求稱為對在設計系統的功能需求(function requirement, FR),功能需求是設計的出發點。系統滿足功能需求的能力稱為功能(function,F),是設計要賦予一個在設計系統的屬性,這個屬性必須要得到明確的、無歧義的表達。FR的擬定要考慮設計目的、實施和實施結果在滿足設計目的上全生命周期中可能的表現,要考慮全生命周期中的歷史、環境、各種約束條件和競爭態勢,包括目的完成以后產生的諸多問題,是設計過程中要在所面對的、最多的不確定、歧義和矛盾里尋求平衡的階段,從而不得不仍舊用上一些自然語言。如果認為系統工程師是設計團隊的一個組成部分,那么這一步通常是由系統工程師來走,特別是對于規模巨大的復雜系統。然后,設計師要把 FR轉變為 F,這個轉變同樣要考慮已經擬定的 FR的歷史、環境、各種約束條件以及后繼競爭的態勢。將 FR轉變為F通常依賴于設計師或者設計團隊對 FR的理解和解釋,也就是依賴于他或者他們擁有的知識、從外界得到的知識和運用這些知識的能力。功能知識的集合 F是后繼行為知識集成和結構知識集成的基礎,也是后繼知識競爭和進化的基礎,這一點從圖3可以了解。

   

功能知識必須有明確的、無歧義的表達,否則行為知識集成和結構知識集成將難以為繼。功能知識,不論是存儲在設計師頭腦里的或者外部供給的,如果已經被分解成功能知識條,在功能知識集成時就不需要再有圖 2“打碎”這個步驟而更容易相互啟發(發酵)和拼接(編織)。這時功能知識條的分類存儲和明確表達就更為重要,特別是在分布式資源環境中從外部取得功能知識。

   

為彌補上述研究很長時間的功能知識分類和表達方法的不足,提出了一個 3類功能需求和 4類功能知識分類和表達方法的建議,將功能需求知識分為滿足物質需求的、滿足精神需求的和滿足社會需求的,由自然語言描述。將功能知識分為實現轉變功能的、實現支承功能的、實現存儲功能的和實現激勵功能的,由傳遞函數和功能方塊圖表達。滿足物質需求、精神需求和社會需求的知識分別來自自然科學、心理科學和社會科學的研究領域,它們之間的差異很大,研究、擁有和能夠供給這些知識的團隊也各不相同,將其分別放在不同的類別里是理所當然。而功能則不能只限于將輸入(進入系統的物料、能量或者信號)轉變為輸出(排出系統的物料、能量或者信號)的一種功能,例如房梁承受梁上瓦塊施加的力,瓦塊并不進入房梁也不從房梁中排出。又如路邊的一個告示牌,上面印有“禁止通行!”4個字和一個驚嘆號,這個系統的功能是輸出一個不允許行人和車輛通過的信息,卻沒有什么行人和車輛進入告示牌的輸入,也不存在什么行人和車輛排出告示牌的轉變。行人和車輛掉頭是行人和車輛作為受體其自身系統接受告示牌上信息激勵后作用的結果。

   

種類型功能之間的區別可以描述如下。

   

轉變功能:設計對象的轉變功能是將輸入在系統內部變為輸出。輸入和輸出具有進入和排出設計對象的特征,滿足設計所期望達到的使輸入的事、物產生變化的功能需求。

   

支承功能:設計對象的支承功能是阻止某種變化。輸出是輸入作用的反作用,不具有進入和排出的特征,滿足設計所期望達到的阻止事、物由輸入導致變化或者變化發展的功能需求。

   

存儲功能:設計對象的存儲功能是將輸入保存在系統內,并可原樣輸出。輸出量不必等于輸入量,但不能超過當前保存量。滿足設計所期望達到的使某事、物保持原樣并能夠在需要時提供的功能需求。

   

激勵功能:設計對象的激勵功能是對受體施加某種作用。作用來自系統的行為或者結構而不是輸入,滿足設計所期望達到的驅使受體產生變化或者變化趨勢的功能需求。

   

4種功能,其功能知識條,或稱為功能單元知識,用控制工程中的傳遞函數表達功能的量值,用方塊圖表達其與另外功能單元之間的關系。方塊圖采用的符號和運算關系見圖4。

   

 

4  功能方塊圖和運算符號

 

功能的傳遞函數和輸入、輸出之間關系滿足方程

 

 

 

種類型功能單元的功能方塊圖見圖 5,由功能方塊圖表達的功能知識集合,也就是功能方塊圖的應用舉例如圖6、圖7、圖8所示。

   

 

5  4種類型功能的功能方塊圖及其傳遞函數

 

 

6  功能方塊圖表達河水發電系統的功能集合

 

 

7  激勵功能單元和受體A的功能集合

 

 

8 激勵功能單元和受體A及受體A的自我轉變功能單元組成轉變系統的功能集合

 

從以上的舉例可以看到,種功能類型可以適應各類功能需求中功能表達的應用。圖 6的系統具有一個轉變功能,是由一系列轉變功能單元、支承功能單元、存儲功能單元集成實現,其中有通過分支符傳遞電量需求信息和控制發電量的控制符。圖 7表示激勵功能單元往往不能單獨作用,它需要受體的協同作用,不同的受體會有不同的感受系數,由KA表達,A是將要得到激勵的受體,其中用到加法符。圖 8更說明當需要受體發生轉變時,要與受體自身轉變機制聯合作用,自身轉變功能單元FA存在于受體內部,這時整個系統的功能是一個轉變功能,使受體 A轉變為。這 4種功能類型的規范表達,對于 3種類型的功能需求都適用。其中轉變功能知識、支承功能知識和存儲功能知識分別由 FT、FSPT,FSTR的輸入、輸出表達,存儲功能知識還包括它的輸出控制系數β;而激勵功能知識由于與受體的知識有關,所以與激勵功能知識 FE的輸出E一起還包括與受體 A相關的受體感受系數 KA,A可以是一個向量,其元素可以是個體,也可以是一類群體,如果設計中要考慮A的轉變,還要有A的自身轉變功能知識FA。這些功能知識,由細分和專業化的設計知識服務單元獲取、存儲、積累以后,設計知識消費方就能夠根據需要,在互聯網上找到和有償使用而不需要自己在設計中特地去獲取。

   

設計總是從功能知識集成開始,即使是繼承性設計提出的要求與 FR無關,例如為了減輕重量、降低成本或者改變實施路徑,都不能影響 F的實現。為了滿足這些非功能方面的需求,可以改變 F的結構,改變 F中的某些單元,卻不能隨意改變 F。如圖 1所示,在分布式資源環境中,功能單元知識可以由零部件設計知識服務單元提供。采用建議的 FR F的分類和表達方法,可以用輸入和輸出的關鍵詞方便地找到和集成需要的功能單元,而且可以由知識服務提供方同時提供一些重要特征參數作為初步篩選和行為知識集成的依據,這些參數可以是功能單元可能對應的背景實體的重量、3維尺寸、價格、對環境的要求、交貨期等等。當然,知識服務提供方往往也可以在提供的功能單元知識被采用以后,提供相應的結構設計或者產品實體。因此,建議更多關注 FR、分類和表達方法在分布式資源環境中推廣應用的研究。

   

不過僅僅有功能知識表達還不夠,當不同零部件設計知識服務單元用不同的方式描述他們提供功能單元的設計或者實體的行為知識和結構知識甚至產品時,如果沒有統一的、確定的、無歧義的表達,很難在設計中進行自動行為知識集成和自動結構知識集成,也難以在分布式資源環境中尋求圖 1中的學科行為設計知識服務,難以對集成后的方案實現評價自動化,最終設計師不得不通過自己的理解來進行人工處理,不能實現設計知識的高效運用。

   

是否能將關于功能知識的分類和表達建議與當前描述系統行為和結構的工具結合起來,例如與 SysML進行某種程度的結合,使得分布在世界各地的設計知識服務單元都能夠用統一的方式表達他們服務提供的結果。不僅按照上述建議的功能知識分類和表達提供功能單元知識,還能夠以某種統一的、易于理解和方便使用、確定的、無歧義的方式表達和提供與功能單元相關的行為知識和結構知識,形成整個 MBD 的建模工具。這是不是MBSE的進一步發展,也是值得研究的問題。

   

總之,把 MBD做好,在“大眾創業、萬眾創新”的時代,是更重要的事。

    

作者簡介

 

謝友柏,上海交通大學現代設計研究所,西安交通大學潤滑理論及軸承研究所,教授,中國工程院院士,研究方向為設計科學、摩擦學。

 

注:本文發表于《科技導報》2019 年第7期,原標題:《關于MBSE和MBD的思考》,敬請關注。

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