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基于模型的系统工程 [MBSE] 是一种范式，它使用系统的形式化表示（称为模型）来支持和促进系统工程 [SE] 任务在整个系统生命周期中的执行。 MBSE 经常与传统的基于文档的方法形成对比，其中系统工程通过各种非标准化格式的多个独立文档捕获系统设计信息。 MBSE 在系统设计模型中整合系统信息，提供主要的 SE 工件。 这些系统模型通常以标准化建模语言（如系统建模语言 [SysML®]）表示，以简洁、一致、正确和连贯的格式表达关键系统信息。 如果实施得当，
本文概述了基于模型的系统工程方法的关键概念，并强调了在项目中使用 MBSE 的好处。
系统模型
在系统工程过程中，收集、生成和/或维护有关感兴趣的系统、复合元素和交互实体/环境的特征的大量信息。 MBSE 使用模型作为在集中存储库中聚合和管理有关系统的这些不同信息的一种方式，该存储库可以用作有关感兴趣系统的“单一事实来源”和技术基线。
模型的定义
模型是用于捕获、分析和/或传达有关系统或概念的信息的表示。 它们可以在范围、目的和类型上有所不同，既可以作为独立实体单独使用，也可以作为集成集合的一部分相互协调使用（Wymore 1993）。
模型属性
模型可以根据以下属性进行描述和分类：
- 范围：模型的相关范围。 模型的范围可以从捕获系统组件的特征和交互（范围广泛）到仅关注孤立的单个元素的形式和功能（范围狭窄）。
- 领域：模型通过它查看系统的“镜头”。 模型本质上可以是整体的，也可以只专注于突出与某些领域相关的信息。 特定领域模型通常用于突出系统的某些“观点”，无论是从特定应用领域（例如航空航天、生物医学）、学科（例如电气、机械、热学）、子系统还是系统属性的角度来看（例如，功率、可靠性、故障管理）。
- 正式性：模型对信息表达的正式标准的遵守程度。 模型可以以不同程度的精度表达有关系统的信息。 最基本的模型只是以未指定的格式简单地表达系统的基本表示，不能精确地传达信息并且被认为是非正式的。 最正式的模型符合针对内容和组织的完善的预定义标准（形式主义），这些标准共同定义了能够对模型进行一致和精确解释的“语言”。
- 抽象：模型抑制或排除超出范围、不重要或不相关细节的程度。 抽象是大型复杂系统的必要条件，在这些系统中，在合理的时间和资源支出余量内复制给定系统的各个方面是不切实际的。
- 物理/概念：模型本质上是具体的（即物理模型）还是完全概念的（即抽象模型）。
- 描述性/分析性：模型是否详细描述了系统的定性方面，例如需求、行为或物理架构（描述性模型），是否通过数学关系（分析模型）提供了系统的定量方面的表示，例如质量、可靠性、功耗)，或两者兼有（混合模型）。
- 保真度：模型全面捕捉系统特征细节的程度，范围从只捕捉系统一般信息的模型到试图忠实捕捉尽可能多系统细节的模型。
- 完整性：模型在其范围内和预期的详细程度捕获所有相关领域信息的程度。
- 集成：模型与描述感兴趣系统或其他相关/交互实体的其他相关模型交互和接口的程度。
- 质量：模型（而不是它所代表的系统）满足执行系统工程活动的个人需求的程度。 高质量的模型应该易于使用，具有最小的歧义，并提供准确的相关信息，以支持与系统的设计、开发、操作和/或维护相关的任务。
在这些属性中，形式化和抽象通常是与 MBSE 相关的最常讨论的（Vogelsang et al. 2017），因为它们对模型是否可以有效地用作 MBSE 工作流程的一部分影响最大。
有效 MBSE 模型的标准
虽然成功的 MBSE 工作流程可能涉及根据用户需求使用不同范围和类型的多个不同互连或独立模型，但 MBSE 项目中的主要系统模型通常应具有以下特征：
- 与项目范围相匹配的范围（即，它应该包含整个相关系统）；
- 代表所有相关领域的整体观点。
- 严格遵守先前建立的标准化建模语言，无论是现有语言（如 SysML®）还是自定义形式。
- 完全抽象，仅包含适合感兴趣系统及其所需用例的相关信息。
- 本质上是概念性的，允许捕获无形信息（例如，系统要求）
- 至少包含对系统功能和结构架构的描述，并根据需要补充综合分析/定量特性描述。
- 展示足够的保真度来捕捉相关的系统元素和行为。
- 鉴于其范围，完全完整。
- 与任何必要的辅助模型集成。
- 足够高的质量，以满足设计、开发或以其他方式在系统上工作的人员的需求。
在内容方面，有效的系统模型有望捕获有关需求、系统功能/行为、结构/形式、属性和系统组件之间的互连的关键系统信息。
建模语言
建模语言是为表达系统信息提供标准化指南和结构的规范。 这些语言既提供了可以表达信息的结构或“语法”，也提供了管理信息解释方式的“语义”，可以根据用户的偏好和需求进行选择。 不同的语言使用不同的格式来表达信息（例如，视觉或文本方式），以及不同的范式（例如，面向对象、功能等）以对信息进行分组。 由于易于阅读，视觉语言通常更适合建模，而面向对象的建模语言经常用于系统工程环境中，因为它们很容易将自己用于可以分解或以其他方式考虑的系统，
SysML® 是用于系统工程的统一建模语言 [UML] 的扩展，是 MBSE 更常用的建模语言之一。 它是一种图形语言，利用图表和表格来表达系统信息，并提供一组标准的九种图表类型，可用于组织和表达系统信息（Friedenthal、Moore 和 Steiner 2014）。 集合图（每一个都可以被视为一个模型）在相互连接时，提供了一种以抽象形式表示系统结构、行为和需求的方法。 已经提出了许多其他选项作为架构描述语言 [ADL]，用于专门建模系统架构。
MBSE 用户可以选择使用 SysML®，这是一种类似于 UML 的图形语言选项，一种域或框架特定语言，或者可能为他们的团队或组织开发自定义形式（Bonnet et al. 2016）。 可以将文本文档形式化以创建模型，尽管这样做需要建立域字典以消除用词选择中固有的歧义，以及使用可能限制可读性的严格语法结构。
无论 MBSE 项目使用哪种建模语言，语言本质上是可扩展的、标准化的、可读的、可重用的和可抽象的，以支持开发有效的 MBSE 模型，这一点很重要。
架构框架
存在于建模语言之上的第二层结构是架构框架。 架构框架用于组织通过建模语言表达的信息。 建模语言提供了表达系统元素及其交互的多个“视图”（图表）所需的结构，而架构框架使用户能够根据它们所代表的元素对这些视图进行分组，并以允许可追溯性的方式组织它们，简化模型中的导航，并帮助识别缺失的信息（例如，省略的元素）。 架构框架是一种特定类型的模式，经常为 MBSE 模型定义和标准化。
架构框架和模型设计模式在实现 MBSE 模型的重用方面发挥着重要作用（Wu et al. 2019），因为某些架构设计模式可能经常在多个项目中使用，即使单个组件的规范不同（例如建造结构相同但装饰不同的房屋）。 通过以足够抽象的方式组织系统模型，可以识别旧项目和新项目之间的差异点，并对模型中的元素属性进行适当的更改，而无需重做整个模型开发过程。
流程框架
MBSE 模型开发工作流程可以使用预定义的流程框架进行简化，该流程框架为将 MBSE 集成到通用系统工程流程中提供了可定制的指南和模式。 虽然流程框架通常在组织级别上定义，但它们通常都表现出某种形式的配置管理流程、访问指南、更新模型的实践，以及将 MBSE 模型集成到所有或几乎所有系统工程生命周期活动中的方法。 当系统模型过时或变得不准确时，MBSE 使用的好处是有限的，因此定期更新模型是 MBSE 流程框架的最低要求。
对于较小的项目，MBSE 流程框架可能就像利用许多协作建模软件平台中包含的版本控制功能并将模型使用和定期更新集成为系统工程流程中的检查点一样简单。 更复杂的项目可以通过配置管理和系统工程管理计划验证的方式将 MBSE 流程框架形式化（Fisher et al. 2014）。
MBSE 的好处
MBSE 工作流程和集中式系统模型的创建强调了一种基于标准的整体系统工程方法（Madni 和 Sievers 2018）。 由于系统模型的创建需要协调来自多个域和子系统的信息，因此在建模过程中很容易识别不一致和缺陷（Carroll 和 Malins 2016），并且可以在系统生命周期过程中更早地解决或消除，而不是否则在基于文档的工作流程中完成。 同样，信息的集中化和标准化可确保减少沟通不畅和其他开发风险，因为所有项目团队成员都使用相同的信息来源作为参考。 格式标准化还使搜索和提取信息变得更加容易，
更广泛地说，MBSE 提供了一种比使用形式化结构和抽象基于文档更好的方法来管理复杂性。 MBSE 模型中的交叉引用可以在系统生命周期的早期开始设计验证、需求验证和系统保证，并在整个项目中以最低成本继续评估系统设计质量。 此外，模型可以重复使用并适用于类似系统，从而能够以最小的风险加速系统开发。
数字化转型
虽然 DBSE 历来是前数字时代偏爱工件生成和支持系统工程工作的范式，但近年来通用系统工程工作流程的数字化转型促进了 MBSE 和更广泛的基于模型的 [MBx] 的广泛采用。 ] 接近。 数字环境和软件工具使生成、维护和使用系统模型变得更加容易和快捷，尤其是在协作环境中（Ma et al. 2022）。 如果实施得当，数字 MBSE 模型可用于以编程方式识别不一致，启用系统行为的交互式模拟，同时在整个项目中传播更改（而不是逐个更新工件），自动生成基于文档的工件等.
数字孪生
当物理系统的 MBSE 模型以足够的完整性和保真度构建时，它们就有可能充当它们所代表的系统的“数字双胞胎”。 数字孪生提供了一种在整个系统生命周期内准确表示系统形式和功能的方法，所有这些都在数字环境中进行。 创建这样的数字双胞胎提供了许多优势，包括允许个人在虚拟环境中对系统进行测试、分析和优化，而不会对实际感兴趣的系统造成风险，而且通常会大大降低成本/负担（Schluse、Atorf 和罗斯曼 2017）。 数字双胞胎还可以表示系统在实验条件下不切实际或不可能诱导的条件下的行为，
MBSE 与 DBSE
尽管 MBSE 和基于文档的方法通常作为彼此的替代方案呈现，但可以在同一项目中将 MBSE 和基于文档的方法结合使用。 在基于文档的工作环境中，利益相关者可能期望或要求提交文本文档工件，或者可能存在对任何建模语言不熟悉的问题（Kim、Wagner 和 Jimenez 2019）； 在这种情况下，可能有必要使用混合方法，从设计模型中生成文档，作为项目里程碑系统的静态表示。
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