陈根：系统工程——数字孪生的顶层技术_风闻

 文/陈根

尽管系统工程起源于20世纪早期，并在第二次世界大战中就已经进行了运用，但直到1951年，美国贝尔公司在建成微波中继通信网后才正式提出“系统工程”这一名词。1972年，美国阿波罗载人登月工程运用系统工程的方法大获成功，这让系统工程第一次在世界范围内被人们所熟知。之后，在美国国防部的领导下，承包商标准被引入，系统工程才逐渐被应用于民用航空领域。

其中，国际系统工程师协会（INCOSE）将系统工程定义为：是一种能够使系统实现跨学科的方法和手段。系统工程专注于在系统开发的早期阶段，就定义并文档化客户需求，然后再考虑系统运行、成本、进度、性能、培训、保障、试验、制造等问题，并进行系统设计和确认。

由此可见，系统工程可被应用于建立跨学科的复杂大系统，通过对系统的组成、结构、信息流等进行科学的、有条理的研究和分析，使学科与学科之间、子系统与子系统之间和系统的整体与局部之间相互协调和配合，从而优化系统的运行**，**更好地实现系统的目的。

然而，伴随着需求的增长和技术的革新，传统工业逐渐向智能化、数字化转型。在新的工业环境下，系统复杂度的提升所产生的庞大信息量与数据量给传统的基于文档的系统工程（TSE）带来了前所未有的挑战。**于是，**随着模型驱动的系统开发方法的兴起，特别是在软件领域，人们将模型驱动与系统工程相结合，提出了基于模型的系统工程方法（MBSE）。

MBSE强调贯穿于全生命周期的技术过程的形式化建模，建立的系统模型既解决了项目经验积累和复用的问题，也通过多视角的系统顶层需求建模与系统架构建模，为复杂系统或体系的向下分解与及时验证提供了模型依据，体现了整体论与还原论的辩证统一；而针对物理层构建的各专业领域（机械、电子、流体、力学、气动等）的物理模型，也体现了对具体实现技术的描述，使系统工程不再仅仅是使能技术，还包含了完整的工程实现所需的技术集合。

一方面，MBSE中的DoDAF系统架构描述标准，提供了多视角的体系架构描述方法，从全景视点、能力视点、作战（业务）视点、服务视点和系统视点等8个方面来完整描述系统，使得从整体上描述复杂系统或体系成为可能，满足了系统工程方法的系统性与整体性，使得系统工程成为名副其实的系统论指导下的工程方法。而建立的系统架构模型，也为在系统定义的早期阶段就能对系统功能分解与系统指标分解的结果进行仿真验证提供了模型支持。

另一方面，2007年INCOSE在《系统工程2020年愿景》中，给出了“基于模型的系统工程”的定义：支持以概念设计阶段开始并持续贯穿于开发和后续的生命周期阶段的系统需求、设计、分析、验证和确认活动的形式化建模应用。**可以看见，**MBSE与传统的系统工程相比，最主要的区别是贯穿于全生命周期的技术过程的形式化建模，重点在形式化，而不是有无建模。

当前，MBSE已成为创建数字孪生的框架，数字孪生可以通过数字线程集成到 MBSE工具套件中，进而成为MBSE框架下的核心元素。而从系统生存周期的角度，MBSE又可以作为数字线程的起点，使用从物联网收集的数据，运行系统仿真来探索故障模式，从而随着时间的推移逐步改进系统设计。