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基于模型的系統(tǒng)工程有效方法 本書聚焦系統(tǒng)工程的復(fù)雜性,以基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)轉(zhuǎn)型為主線,揭示面向?qū)ο笤O(shè)計、系統(tǒng)建模語言、建模和仿真等應(yīng)用于系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的基本原理,提出了一個經(jīng)驗證的、具有廣泛適用性的方法——基于模型的系統(tǒng)架構(gòu)流程(MBSAP)。以航空航天和能源領(lǐng)域的典型系統(tǒng)開發(fā)為案例,貫通系統(tǒng)工程生命周期的各個活動以及運(yùn)行-邏輯/功能-物理的各個層級,闡述基于數(shù)字原型系統(tǒng)的開發(fā)、系統(tǒng)架構(gòu)集成以及驗證和確認(rèn)等內(nèi)容,并進(jìn)而將該方法擴(kuò)展到面向服務(wù)的架構(gòu)(SOA)、實時嵌入式系統(tǒng)、賽博安全、網(wǎng)絡(luò)化復(fù)雜組織體以及架構(gòu)治理等方面。 本書適合于系統(tǒng)工程師、架構(gòu)師等從業(yè)者以及希望系統(tǒng)性掌握MBSE方法的各類人員。另外,本書中介紹了大量的全球MBSE新研究成果和最佳工程實踐經(jīng)驗,值得讀者進(jìn)一步了解,并可作為擴(kuò)展研究和深化應(yīng)用的指導(dǎo)。 向你推薦一本新書——《基于模型的系統(tǒng)工程有效方法》,一本書就能讀懂MBSE的基本原則、方法流程和應(yīng)用趨勢 作者歷經(jīng)長期的系統(tǒng)工程研究、應(yīng)用、咨詢和教學(xué)著就此書,將基本原理、建模語言、流程方法和實踐案例融為有機(jī)整體。 本書英文版于2019年9月發(fā)行,由John M. Borky博士和Thomas H. Bradley博士基于長期的系統(tǒng)工程及相關(guān)領(lǐng)域的研究、工程實踐并結(jié)合大學(xué)MBSE教學(xué)實踐而撰寫的。其中,Borky博士是科羅拉多州立大學(xué)系統(tǒng)工程教授,在航空航天和防務(wù)領(lǐng)域擁有近 50 年的系統(tǒng)研究、技術(shù)開發(fā)及運(yùn)行管理的工程經(jīng)驗,曾任美國空軍科學(xué)咨詢委員會副主席,也曾任包括雷神等多家航空航天和防務(wù)企業(yè)的高級技術(shù)管理職位等。 譯者序 我們所處的時代正經(jīng)歷著前所未有的改變,人們面臨的關(guān)鍵問題之一是如何滿足日益復(fù)雜和加速變化的需要,以適應(yīng)人類心智模式和社會發(fā)展模式的空前復(fù)雜性,而這種復(fù)雜性本質(zhì)上源于社會和工程領(lǐng)域多種層級系統(tǒng)的嵌套以及包含的眾多異構(gòu)元素,多樣的、已知的和未知的系統(tǒng)元素之間以及與外部環(huán)境的交互性和依賴性,各種各樣的信息內(nèi)容以及錯綜復(fù)雜的算法等的演變。 各個領(lǐng)域都期待著系統(tǒng)工程學(xué)科展開更宏大的格局、呈現(xiàn)更多樣性的解決方案。當(dāng)前,系統(tǒng)工程發(fā)展正處于從以文檔為核心向以模型為核心的轉(zhuǎn)型之中,基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)被置于“模型驅(qū)動”“以架構(gòu)為中心”的背景中,系統(tǒng)工程流程活動和系統(tǒng)架構(gòu)的開發(fā)技術(shù)將圍繞數(shù)字系統(tǒng)模型(DSM)的創(chuàng)建、實現(xiàn)和運(yùn)用,貫穿系統(tǒng)生命周期,從而提供持久的、權(quán)威性的真相源——數(shù)字孿生、數(shù)字線索等的底層機(jī)理,確保系統(tǒng)工程師和系統(tǒng)架構(gòu)師能夠更好地應(yīng)對技術(shù)和項目開發(fā)的復(fù)雜性,提高將利益相關(guān)方需求轉(zhuǎn)化為有效運(yùn)行的、可承受的系統(tǒng)解決方案的成功比率。 關(guān)于作者和本書 本書英文版于2019年9月發(fā)行,是由John M.Borky博士和Thomas H.Bradley博士基于長期的系統(tǒng)工程及相關(guān)領(lǐng)域的研究和工程應(yīng)用,并結(jié)合教學(xué)實踐而撰寫的。Borky博士是科羅拉多州立大學(xué)系統(tǒng)工程系的教授,在航空航天和防務(wù)領(lǐng)域擁有近50年的系統(tǒng)研究、技術(shù)開發(fā)及運(yùn)行的工程經(jīng)驗,近期又完成了為期5年的加州大學(xué)洛杉磯分校航空航天工程客座教授的工作,面向碩士生開發(fā)了系統(tǒng)架構(gòu)的核心課程并開展在線授課。作為專注于信息、軟件密集型系統(tǒng)和復(fù)雜組織體方面的系統(tǒng)架構(gòu)和工程領(lǐng)域的專家,他將MBSE方法論應(yīng)用到更為廣泛的系統(tǒng),并且開發(fā)了基于模型的系統(tǒng)架構(gòu)流程(MBSAP)方法。Bradley博士是科羅拉多州立大學(xué)機(jī)械工程與系統(tǒng)系的副教授,參與系統(tǒng)與機(jī)器人、賽車工程、發(fā)動機(jī)和能源轉(zhuǎn)換實驗室的聯(lián)合研究工作,主要研究方向為航空航天、能源系統(tǒng)和汽車的設(shè)計、集成控制、設(shè)計優(yōu)化以及工程設(shè)計方法的驗證等。 首先,本書以MBSE的背景知識和本質(zhì)特征為引導(dǎo),論述了面向?qū)ο笤O(shè)計(OOD)應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)的原理,提供了一個經(jīng)驗證是成熟的并在廣泛系統(tǒng)和復(fù)雜組織體項目中成功應(yīng)用的方法——MBSAP,通過航空航天領(lǐng)域和能源行業(yè)的典型系統(tǒng)案例來闡述該方法的關(guān)鍵點(diǎn)。其次,貫通MBSE流程方法的各個階段以及各層級系統(tǒng)的特定特性,擴(kuò)展了MBSE在面向服務(wù)的架構(gòu)(SOA)、實時系統(tǒng)、賽博安全、網(wǎng)絡(luò)化復(fù)雜組織體、系統(tǒng)仿真以及數(shù)字原型系統(tǒng)開發(fā)、驗證和確認(rèn)等方面的應(yīng)用。再次,針對管理復(fù)雜性以實現(xiàn)長期可支持的系統(tǒng)解決方案,給出與集成技術(shù)和設(shè)計方法相關(guān)的架構(gòu)治理主題。 同時,本書各章之后都有“練習(xí)”和“學(xué)生項目”,旨在幫助讀者掌握所學(xué)的知識要點(diǎn),非常適合系統(tǒng)工程師、系統(tǒng)架構(gòu)師等相關(guān)從業(yè)者以及學(xué)習(xí)MBSE課程的學(xué)生。另外,本書穿插介紹了大量的MBSE最新研究成果和最佳工程實踐經(jīng)驗,值得讀者進(jìn)一步關(guān)注和了解。最后,本書提供大量的參考文獻(xiàn)以及多個領(lǐng)域更加詳細(xì)的附錄,可作為讀者擴(kuò)展研究和深化工程應(yīng)用的指引。 關(guān)于MBSE有效方法 在全球范圍內(nèi),MBSE已成為系統(tǒng)工程學(xué)科研究和實踐的熱點(diǎn),對于從事系統(tǒng)工程理論研究的學(xué)者、工程實踐的管理者和技術(shù)人員以及期望未來從事系統(tǒng)工程或系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的學(xué)習(xí)者,正面對著眾多的知識來源——經(jīng)典的系統(tǒng)哲學(xué)書籍和文獻(xiàn)、系統(tǒng)工程方法標(biāo)準(zhǔn)和知識體、領(lǐng)先行業(yè)的最佳實踐經(jīng)驗案例、全球開放的系統(tǒng)建模語言標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及知名系統(tǒng)工程軟件開發(fā)商的示范性應(yīng)用等。探索有效的系統(tǒng)工程開發(fā)框架和實施方法——這是本書的初衷,MBSE有效方法至少具備以下特征: 譯者序基于模型的系統(tǒng)工程有效方法適應(yīng)性和歸一化 關(guān)注模型驅(qū)動背后所具有的自然邏輯和系統(tǒng)架構(gòu)固化的本質(zhì)特征,讓系統(tǒng)工程師擁有像數(shù)學(xué)家一樣的思維,首先界定領(lǐng)域術(shù)語,高度概括架構(gòu)原則以及高度抽象系統(tǒng)的共享特征,運(yùn)用面向?qū)ο蟮母拍,利用邏輯推?dǎo)得出各個視角及其對應(yīng)的特征視圖。因此,創(chuàng)建的方法適用于所有類型的系統(tǒng)和組件,并且構(gòu)建了統(tǒng)一的系統(tǒng)開發(fā)框架以及支持遞歸的技術(shù)路徑。 本書力求探尋本質(zhì)上存在的一個最佳的MBSE方法,其始于普適的面向?qū)ο蠓椒,并突破傳統(tǒng)V形模型的分層結(jié)構(gòu),創(chuàng)造性地構(gòu)建以架構(gòu)為核心的螺旋迭代的敏捷開發(fā)模式,有序地驅(qū)動系統(tǒng)工程生命周期的規(guī)范、開發(fā)、分析以及驗證和確認(rèn)等活動。 收斂性和簡約化 新技術(shù)都是在已有技術(shù)上重新組合而成的,今天的MBSE同樣正在創(chuàng)造其自身。在本書的撰寫過程中,作者參閱的書籍、文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)等有數(shù)百篇,集中體現(xiàn)了近期在面向?qū)ο蠓椒、設(shè)計方法學(xué)、敏捷工程、軟件工程、系統(tǒng)工程、體系工程以及組織管理等眾多領(lǐng)域的研究成果。而在MBSAP方法構(gòu)建中,貫穿運(yùn)行—邏輯/功能—物理視角的自然而然的轉(zhuǎn)換,將影響設(shè)計方法進(jìn)步的關(guān)鍵因素融入到層次化的架構(gòu)模型中。這反映了作者所倡導(dǎo)的最佳技術(shù)方法來自于最佳實踐的主張,準(zhǔn)確把握技術(shù)發(fā)展的準(zhǔn)則,保持技術(shù)發(fā)展的收斂和簡約,并避免新方法中技術(shù)要素的“大爆炸”。 MBSAP將面向?qū)ο?OO)以及MBSE原則整合到一種工具支持的、測度受控的流程中,更重要的是,基于數(shù)量有限、關(guān)聯(lián)明確的視圖模型結(jié)構(gòu),按照 “邊構(gòu)建,邊測試”的理念,每次開發(fā)都是在一個閉環(huán)回路中分配能力增量的子集,并在一個限定的原型系統(tǒng)中根據(jù)需求進(jìn)行測試或由利益相關(guān)方進(jìn)行評估,并最終實現(xiàn)所需的全部功能。 擴(kuò)展和演進(jìn) 系統(tǒng)工程學(xué)科的基本結(jié)構(gòu)理論、方法和實踐在不斷發(fā)展,人們正致力于探尋最佳的技術(shù)途徑,并進(jìn)一步融入工程、文化和經(jīng)濟(jì)環(huán)境之中,以適應(yīng)組織形態(tài)、區(qū)域能力、社會資源和工業(yè)基礎(chǔ)等,從而開發(fā)和定制解決方案,確保技術(shù)發(fā)展有利于增進(jìn)人類福祉和提高生活質(zhì)量。 本書作者獨(dú)創(chuàng)性地將系統(tǒng)架構(gòu)和流程活動兩個維度,集合于運(yùn)行—邏輯/功能—物理視角所關(guān)聯(lián)的視圖的開發(fā)中,不僅使以架構(gòu)為中心的理念轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實可行的技術(shù)路徑,而且,作為自上而下架構(gòu)設(shè)計的補(bǔ)充,MBSAP支持架構(gòu)框架的自下而上的復(fù)用。而架構(gòu)框架規(guī)定了元素組成架構(gòu)所遵循的原則,顯然MBSAP方法論將與特定的復(fù)雜組織體、體系以及系統(tǒng)架構(gòu)方法的演進(jìn)密切關(guān)聯(lián)。書中已提及將統(tǒng)一防務(wù)架構(gòu)框架(UPDM)、開放組織架構(gòu)框架(TOGAF)、聯(lián)邦復(fù)雜組織體架構(gòu)框架(FEAF)以及IT領(lǐng)域面向服務(wù)的架構(gòu)(SOA)、實時嵌入式系統(tǒng)建模與分析標(biāo)準(zhǔn)(MARTE)等擴(kuò)展到特定視圖中,從而支持復(fù)雜組織體、網(wǎng)絡(luò)密集型/信息密集型體系、賽博物理系統(tǒng)、組織管理系統(tǒng)、IT管理系統(tǒng)以及嵌入式實時系統(tǒng)等的開發(fā),使其成為社會進(jìn)步的重要基石。 致謝 本書作為系統(tǒng)工程理論和方法的綜合性書籍,涉及廣泛的知識領(lǐng)域和豐富的工程實踐,在翻譯中譯者深感壓力巨大。慶幸的是,在此過程中得到常創(chuàng)業(yè)、王卓奇、武仲芝、劉海云等同事的大力支持,針對MBSAP方法的導(dǎo)入研究,以及定期的團(tuán)隊技術(shù)交流,不僅彌補(bǔ)了譯者的知識盲區(qū),而且?guī)椭g者順利完成以本書為教材的教學(xué)工作;同時,格微團(tuán)隊也參與了本書的翻譯工作,張雨晨、李騰和段世安參與了部分校稿工作,在此對他們的辛勤付出一并表示感謝! 譯 者 2020年7月
前沿
系統(tǒng)和復(fù)雜組織體(通常會提及系統(tǒng)之系統(tǒng))已成為現(xiàn)代世界的主體,應(yīng)用到多種先進(jìn)的技術(shù)并不斷地達(dá)到空前的復(fù)雜度。管理系統(tǒng)的復(fù)雜性,特別是在可接受的成本和進(jìn)度之內(nèi)創(chuàng)造滿足系統(tǒng)用戶和其他利益相關(guān)方需要的解決方案,是系統(tǒng)工程(SE)團(tuán)隊面臨的一個反復(fù)出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。在機(jī)械和電子設(shè)備、材料、傳感器、能源開發(fā)和控制、運(yùn)載器和推進(jìn)器、通信和網(wǎng)絡(luò)、計算和軟件以及許多其他領(lǐng)域取得的驚人進(jìn)展,為工具和方法有效地利用這些技術(shù),創(chuàng)造了新的能力和新的需求。但科學(xué)界、商業(yè)組織、教育界、政府、學(xué)術(shù)界以及軍事等各行各業(yè)經(jīng)常報道,以先進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)、旨在交付新能力的工程項目超出了成本預(yù)算和時間進(jìn)度,并未能達(dá)到其目標(biāo),或是索性就使系統(tǒng)開發(fā)人員和用戶不堪重負(fù)。 本書的主題是本質(zhì)上存在著一個更好的方法,該方法能夠應(yīng)對那些多種技術(shù)融合、信息密集的復(fù)雜系統(tǒng)。該方法基于應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)的概念,并作為一個嚴(yán)格、客觀、定量和可測量的準(zhǔn)則,用于定義、分析和構(gòu)建那些應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)的系統(tǒng)。當(dāng)前,系統(tǒng)工程領(lǐng)域的最佳實踐策略就是基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)——以上述原則為前提。 在本書中,我們描述了一種稱為基于模型的系統(tǒng)架構(gòu)流程(MBSAP)的方法論,它是MBSE原理的一種特定實現(xiàn)方式。我們的重點(diǎn)是在實踐層面將用戶需求轉(zhuǎn)化為可運(yùn)行的、可承受的和可支持的系統(tǒng),而不只是形式化的架構(gòu)理論,這恰好涉及許多在參考文獻(xiàn)中引用的論文。鑒于此,貫穿于整本書,我們將使用詳細(xì)的系統(tǒng)架構(gòu)案例來說明MBSAP的原理和產(chǎn)物。在附錄中將選擇其中的一個系統(tǒng)架構(gòu),相比本書正文而言,我們將更加詳細(xì)地描述更完整的架構(gòu),并期望以此為模板來開發(fā)新的架構(gòu)。 系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)工程 架構(gòu)的概念,給人以看似簡單的假象——每個人都曾面對過進(jìn)入視野的摩天大樓或橋梁,欣賞過建筑師設(shè)計的優(yōu)雅解決方案,滿足了人們對于空間或通行的需要。同時,一個富有洞察力的觀察者會意識到,優(yōu)雅的設(shè)計藝術(shù)必須與工程實踐的科學(xué)原理相得益彰。我們采用架構(gòu)的廣義概念作為復(fù)雜問題解決方案的宏觀頂層設(shè)計,力求對技術(shù)和設(shè)計方法進(jìn)行更深入的了解,使系統(tǒng)架構(gòu)對系統(tǒng)的所有者和用戶來說是真實的和有價值的。我們給出的案例涉及了我們有著大量專業(yè)經(jīng)驗積累的領(lǐng)域:一個是航空航天領(lǐng)域,另一個是電力行業(yè)。但在這些領(lǐng)域之外,我們和我們的學(xué)生們已成功地將MBSE應(yīng)用到一般性的領(lǐng)域,尤其是將MBSAP應(yīng)用于更廣泛的系統(tǒng)和復(fù)雜組織體。如果讀者領(lǐng)悟了架構(gòu)的內(nèi)涵,并掌握了本書介紹的技能,那么他就做好了成為系統(tǒng)架構(gòu)師并彰顯其作用的充分準(zhǔn)備,并可在大多數(shù)先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域,尤其是信息技術(shù)領(lǐng)域,實施MBSE,并成為關(guān)鍵的使能器。 將架構(gòu),特別是架構(gòu)模型,作為SE流程中心的觀點(diǎn),是成功利用先進(jìn)技術(shù)滿足當(dāng)今社會需要的關(guān)鍵。這種觀點(diǎn)既不新穎,也不是原創(chuàng),許多個人和技術(shù)組織,如國際系統(tǒng)工程委員會(INCOSE)和開放組織(TOG),已經(jīng)開發(fā)并提倡以架構(gòu)為中心的方法。INCOSE 2020愿景中指出,未來系統(tǒng)工程將是基于模型的。然而,為了使其有效開展,這種策略必須建立在對架構(gòu)的形式化描述基礎(chǔ)上,也就是說,必須建立在使用適當(dāng)工具構(gòu)建并符合適用標(biāo)準(zhǔn)和方法的架構(gòu)模型上。 區(qū)別對待系統(tǒng)架構(gòu)和軟件架構(gòu)也很重要。這一領(lǐng)域的大多數(shù)書籍和論文都聚焦在軟件上,其隱含的假設(shè)是:實現(xiàn)令人滿意的產(chǎn)品和系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)在于控制它們的軟件。實際上,書中描述的大多數(shù)概念、方法和標(biāo)準(zhǔn)都起源于軟件科學(xué)和工程。其中最重要的是面向?qū)ο螅∣O),將在第2章中予以概括性描述。面向?qū)ο罄碚摵蛯嵺`的開發(fā)者總是會這樣認(rèn)為:計算機(jī)、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備和用戶界面設(shè)備等硬件是一個給定的產(chǎn)品,通常由一系列的商用貨架產(chǎn)品來提供,這樣就可以很好地理解它們的商品特性。從這點(diǎn)來看,硬件主要用于提供軟件運(yùn)行的安裝位置并作為資源由軟件來控制。 前言基于模型的系統(tǒng)工程有效方法面對形成這一共識的趨勢,同時意識到開發(fā)高質(zhì)量軟件的重要性和艱巨性,本書關(guān)注的重點(diǎn)是整個系統(tǒng)——硬件、軟件、控制設(shè)備、用戶界面、網(wǎng)絡(luò)和其他元素的組合,共同為客戶的需要提供解決方案。在復(fù)雜、高性能的系統(tǒng)中,這種觀點(diǎn)尤其重要。在這些系統(tǒng)中,先進(jìn)的硬件常常與軟件并行開發(fā),兩者必須有效地集成才能滿足需求。即使是使用現(xiàn)有的硬件組件,也通常需要進(jìn)行細(xì)致的性能分析和權(quán)衡研究來選擇最佳的產(chǎn)品。此外,系統(tǒng)通常有嚴(yán)格的進(jìn)程時限、安全約束、嚴(yán)酷運(yùn)行環(huán)境和許多其他苛刻的要求,硬件和軟件組件的優(yōu)化組合是至關(guān)重要的。因此,系統(tǒng)架構(gòu)不僅包括軟件,而且更是我們需要關(guān)注的焦點(diǎn)。即使在較低要求的情景下,書中開發(fā)的方法論也依然適用。事實上,它增加了實現(xiàn)真正優(yōu)化系統(tǒng)解決方案的機(jī)會,因為涉及對性能、可支持性、升級性、易用性等所有因素的影響,所以應(yīng)以協(xié)調(diào)和客觀的方式來考慮。 在此,我們將重點(diǎn)放在了那些具有重要信息和流程的系統(tǒng)或復(fù)雜組織體。這是因為當(dāng)今復(fù)雜系統(tǒng)的功能性越來越多地由信息技術(shù)所主導(dǎo):計算、通信和網(wǎng)絡(luò)、軟件和算法、人機(jī)界面等。當(dāng)認(rèn)同這一趨勢時,我們深信MBSAP的原理和方法將會被廣泛應(yīng)用,包括機(jī)械、化學(xué),甚至于生物技術(shù)和系統(tǒng)。核心挑戰(zhàn)是管理的復(fù)雜性——由多樣和快速變化的技術(shù)以及日益精細(xì)的產(chǎn)品和服務(wù)所帶來的。管理復(fù)雜性是MBSAP的根本所在。 因此,針對那些關(guān)注SE有效性的系統(tǒng)工程師等,我們的總體目標(biāo)是表明MBSE是如何幫助他們開展工作和達(dá)成目標(biāo)的。我們研討MBSE和傳統(tǒng)基于文檔的SE之間的區(qū)別,從客戶需要到交付以及支持的系統(tǒng)解決方案;建立端到端SE工作流,并解釋MBSE帶來的價值;在MBSAP方法論中使其具體化和實用化。我們通過展現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)的詳細(xì)案例,使用架構(gòu)建模作為基礎(chǔ),然后將其與基于文檔的方法相比,表明每個SE活動都將變得更加有效和可復(fù)用,并且這些活動的交付物也變得更加清晰、明確和易于溝通。 本書內(nèi)容的組織 本書內(nèi)容分為三大部分。其中,第一部分,第1章和第2章,介紹正在面臨的挑戰(zhàn),以及將面向?qū)ο蠓椒☉?yīng)用到架構(gòu)和MBSE的基本概念。第二部分,第3~6章,闡述MBSAP的各個階段,包含該方法論的核心內(nèi)容。具體地,第3章對MBSAP進(jìn)行概要介紹,第4~6章詳細(xì)描述架構(gòu)的運(yùn)行表達(dá)、邏輯/功能表達(dá)和物理表達(dá)的開發(fā)過程。第三部分,第7~15章,詳細(xì)介紹許多類型系統(tǒng)都會遇到的關(guān)鍵主題,如面向服務(wù)、實時行為、賽博安全、組網(wǎng)、架構(gòu)原型、驗證與確認(rèn)以及架構(gòu)治理等。同時,在這些章節(jié)中也探索了基本MBSAP方法的一些重要變型。在附錄中,我們提供了不同領(lǐng)域的更多細(xì)節(jié),可能對某些系統(tǒng)架構(gòu)師和系統(tǒng)工程師來說很重要,但為了突出本書的重點(diǎn),這些內(nèi)容并未放到正文中。關(guān)于圖形的說明:書中的大多數(shù)圖都符合系統(tǒng)建模語言(SysML)標(biāo)準(zhǔn),在個別情況下,也會使用其他替代的標(biāo)識符,如使用某些架構(gòu)建模工具,這些標(biāo)識符都將被清楚地標(biāo)出。 關(guān)于指導(dǎo)教師的說明 本書經(jīng)歷了超過10年、數(shù)百名學(xué)生的有效使用,其中的內(nèi)容還在進(jìn)一步細(xì)化和拓展。本書可用于本科高年級和研究生層次各種課程的教學(xué)安排。我們推薦采用以典型的16周學(xué)期或者12周學(xué)期的3個學(xué)時課程為基礎(chǔ),架構(gòu)建模實驗室的實習(xí)可作為課堂教學(xué)的有益輔助,并可額外獲得學(xué)分。 建模技能必須通過具體實踐獲得,因此我們強(qiáng)烈推薦安排教學(xué)實習(xí)項目,以課堂項目的形式將MBSAP應(yīng)用于實際的問題。這些項目可以由學(xué)生選擇。特別是對于正在從事專業(yè)實踐的研究生,其中一些項目最好與當(dāng)前進(jìn)行的項目或就業(yè)方向有關(guān),項目開發(fā)可作為作業(yè)或在實驗室中進(jìn)行。 理想的情況是,學(xué)生應(yīng)掌握一個具備完整功能的SysML建模工具,并使用它來創(chuàng)建項目的架構(gòu)。然而,我們的經(jīng)驗清楚地表明,如果在一門課程學(xué)習(xí)中,同時面對當(dāng)前多種架構(gòu)工具的各種微妙不同之處,并涵蓋書中的全部材料,那么將會造成學(xué)生們無法承受的工作量。將這一事實考慮在內(nèi),我們建議將以下的課程作為備選。 本科生的MBSE概論課程(3個學(xué)分,可選擇增加一個學(xué)分的建模實驗): ◇ 將課程安排為一般SE入門課程的后續(xù)課程,或作為獨(dú)立課程,在課程開始時增加SE研究內(nèi)容,反映本學(xué)科的基本知識。 ◇ 涵蓋第1~6和15章。 ◇ 涵蓋第7~14章中所選定內(nèi)容,取決于具體的學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)生背景和需要。 ◇ 所需的學(xué)生項目;在基礎(chǔ)的3學(xué)分課程中,可使用圖形、文本和表格來創(chuàng)建項目模型。 ◇ 通過增加實驗室建模環(huán)節(jié),使用主流的SysML建模工具,提供合適的教程和參考資料,并使用該工具創(chuàng)建項目。 研究生層次的MBSE概論課程,類似于本科課程,但在學(xué)生架構(gòu)項目中更全面地涵蓋第7~14章的所有內(nèi)容。強(qiáng)烈建議增加額外學(xué)分,使用主流的SysML建模工具開展實驗室建模工作。 研究生層次的課程安排(6個或更多學(xué)分): ◇ 涵蓋全書。 ◇ 使用適用范圍和復(fù)雜程度適當(dāng)?shù)腟ysML工具,應(yīng)用書中提到的所有架構(gòu)方法,包括實時行為、復(fù)雜組織體背景環(huán)境、賽博安全等開展教學(xué)項目。 ◇ 可選擇的補(bǔ)充書中提及的高級主題(如形式化方法、敏捷SE和架構(gòu)優(yōu)化)。 基于學(xué)生項目在所有這些備選課程中的重要性,我們將在第3~15章的總結(jié)中,包含有關(guān)課程創(chuàng)建或課程安排的項目內(nèi)容。 總結(jié) MBSAP方法論演進(jìn)經(jīng)歷了三十多年的實踐和實驗研究,涉及各種各樣的系統(tǒng)。本質(zhì)上,是從大量資源中選擇和綜合各種思路并由實踐來驗證。最后,我們希望這種方法和方法論,能為正在努力應(yīng)對當(dāng)前快速發(fā)展技術(shù)的系統(tǒng)工程師和系統(tǒng)架構(gòu)師,提供一套解決問題的更好工具,同時對可能的成功抱有十足的信心。 [美] John M. Borky [美] Thomas H. Bradley 作者簡介: John M. Borky 博士是科羅拉多州立大學(xué)系統(tǒng)工程教授,作為專注于信息、軟件密集型系統(tǒng)和復(fù)雜組織體方面的系統(tǒng)架構(gòu)和工程領(lǐng)域的專家,在航空航天和防務(wù)領(lǐng)域擁有近 50 年的系統(tǒng)研究、技術(shù)開發(fā)及運(yùn)行的工程經(jīng)驗,曾擔(dān)任包括雷神等多家航空航天和防務(wù)企業(yè)的高級技術(shù)管理職位,也曾任美國空軍科學(xué)咨詢委員會副主席,并參與陸軍科學(xué)委員會、海軍研究委員會和其他高級咨詢機(jī)構(gòu)的研究,在美國空軍學(xué)院和美國國防大學(xué)講授系統(tǒng)工程課程,為國防部的領(lǐng)導(dǎo)提供技術(shù)和方案支持。Bradley博士是科羅拉多州立大學(xué)機(jī)械工程與系統(tǒng)系的副教授,參與系統(tǒng)與機(jī)器人、賽車工程、發(fā)動機(jī)和能源轉(zhuǎn)換實驗室的聯(lián)合研究工作,主要研究方向涉及航空航天、能源系統(tǒng)和汽車的設(shè)計、集成控制、設(shè)計優(yōu)化以及工程設(shè)計方法的驗證等。 譯者簡介: 高星海,研究員,北京航空航天大學(xué)無人系統(tǒng)研究院首席系統(tǒng)架構(gòu)師,國際系統(tǒng)工程協(xié)會(INCOSE)認(rèn)證系統(tǒng)工程師(CSEP);曾任中國航空工業(yè)集團(tuán)公司信息技術(shù)中心常務(wù)副主任,金航數(shù)碼科技有限責(zé)任公司總工程師,航空工業(yè)集團(tuán)公司系統(tǒng)工程推進(jìn)辦公室副主任等。多年來,面向高端裝備領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)的創(chuàng)新開發(fā)和管理,大力推進(jìn)基于模型的系統(tǒng)工程,組織建立全球認(rèn)可的系統(tǒng)工程培訓(xùn)和認(rèn)證體系,目前已培訓(xùn)人員超過1 300人,300多人獲得國際系統(tǒng)工程師認(rèn)證。曾參與并主持兩化深度融合創(chuàng)新體驗中心的建設(shè)和運(yùn)營,建立了國內(nèi)領(lǐng)先的系統(tǒng)工程技術(shù)服務(wù)團(tuán)隊。作為主要發(fā)起人之一參加的“大型航空企業(yè)基于數(shù)字系統(tǒng)工程的正向創(chuàng)新型研發(fā)體系建設(shè)”項目,獲2018年全國企業(yè)管理現(xiàn)代化創(chuàng)新成果一等獎。 第1章介紹:框定問題1 1.1架構(gòu)的美學(xué)和科學(xué)維度1 1.2基于模型的系統(tǒng)工程3 1.3現(xiàn)代高技術(shù)系統(tǒng)的演進(jìn)4 1.4架構(gòu)的巴別塔6 1.5開放架構(gòu)的真正意義8 1.6架構(gòu)的分類10 1.7良好架構(gòu)的基本原則13 1.8架構(gòu)在工程項目中的作用14 1.9總結(jié)16 練習(xí)16 參考文獻(xiàn)17 第2章應(yīng)用于系統(tǒng)架構(gòu)的面向?qū)ο蠓椒?9 2.1面向?qū)ο蠹軜?gòu)的動機(jī)19 2.2面向?qū)ο蟮幕驹瓌t20 2.3使用統(tǒng)一建模語言(UML)的架構(gòu)建模22 2.3.1結(jié)構(gòu)建模22 2.3.2行為建模28 2.3.3實現(xiàn)建模39 2.4使用UML擴(kuò)展的系統(tǒng)建模語言(SysML)41 2.4.1SysML概述41 2.4.2需求建模42 2.4.3結(jié)構(gòu)建模的增強(qiáng)44 2.4.4行為建模的增強(qiáng)48 2.4.5實現(xiàn)建模的增強(qiáng)49 2.5結(jié)論性思路50 練習(xí)51 參考文獻(xiàn)52 第3章MBSAP方法論概述53 3.1基本原則53 3.2擴(kuò)展傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程56 3.3基本方法58 3.4視角和特征視圖64 3.5架構(gòu)開發(fā)的基礎(chǔ)66 3.5.1信息收集66 3.5.2利益相關(guān)方66 3.5.3符合客戶策略和強(qiáng)制要求68 3.6建模與仿真的作用68 3.7架構(gòu)啟動研討會70 3.8可選的方法71 3.9工具的困境75 3.10總結(jié)77 練習(xí)77 學(xué)生項目78 參考文獻(xiàn)78 目錄基于模型的系統(tǒng)工程有效方法第4章從運(yùn)行視角分析需求80 4.1從需求到架構(gòu)80 4.1.1需求來源和類別80 4.1.2需求數(shù)據(jù)庫82 4.2第一個案例問題:EX“監(jiān)視者”84 4.3第二個案例問題:智能微電網(wǎng)86 4.4需求建模88 4.5架構(gòu)風(fēng)格91 4.6結(jié)構(gòu)特征視圖92 4.6.1定義域92 4.6.2EX功能劃分93 4.6.3域規(guī)范97 4.6.4用戶角色97 4.7行為特征視圖98 4.7.1定義用例98 4.7.2EX用例100 4.7.3場景和活動圖102 4.7.4EX場景案例102 4.8數(shù)據(jù)特征視圖106 4.8.1概念數(shù)據(jù)模型106 4.8.2EX概念數(shù)據(jù)模型109 4.9服務(wù)特征視圖111 4.10背景特征視圖114 4.11智能微電網(wǎng)OV115 4.11.1智能微電網(wǎng)功能區(qū)劃115 4.11.2智能微電網(wǎng)用例和場景117 4.11.3智能微電網(wǎng)概念數(shù)據(jù)模型120 4.12可執(zhí)行架構(gòu)121 4.13總結(jié)121 練習(xí)122 學(xué)生項目123 參考文獻(xiàn)123 第5章從邏輯/功能的視角進(jìn)行設(shè)計124 5.1設(shè)計基礎(chǔ)124 5.2設(shè)計模式125 5.3結(jié)構(gòu)特征視圖:EX結(jié)構(gòu)分解128 5.4行為特征視圖:EX行為135 5.5數(shù)據(jù)特征視圖:EX邏輯數(shù)據(jù)模型141 5.6服務(wù)特征視圖143 5.6.1EX服務(wù)分類144 5.6.2分層架構(gòu)146 5.6.3流程/決策實時節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)148 5.6.4實時系統(tǒng)156 5.7背景特征視圖158 5.8性能和時序159 5.9智能微電網(wǎng)邏輯/功能視角163 5.9.1智能微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)分解163 5.9.2智能微電網(wǎng)行為170 5.9.3智能微電網(wǎng)邏輯數(shù)據(jù)模型171 5.10接口建模和控制172 5.11數(shù)據(jù)驅(qū)動架構(gòu)和事件驅(qū)動架構(gòu)172 5.12可執(zhí)行架構(gòu)173 5.13總結(jié)174 練習(xí)175 學(xué)生項目176 參考文獻(xiàn)176 第6章物理視角的實現(xiàn)177 6.1一般考慮177 6.1.1從功能設(shè)計到物理設(shè)計177 6.1.2權(quán)衡研究179 6.2設(shè)計特征視圖181 6.2.1塊實例中的物理細(xì)節(jié)181 6.2.2物理接口182 6.2.3節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施183 6.2.4EX計算基礎(chǔ)設(shè)施184 6.3任務(wù)組件的集成187 6.3.1系統(tǒng)集成的挑戰(zhàn)188 6.3.2集成框架189 6.3.3實時域與非實時域或弱實時域的接口192 6.3.4可視化和人機(jī)界面193 6.4標(biāo)準(zhǔn)特征視圖194 6.5數(shù)據(jù)特征視圖:物理數(shù)據(jù)模型197 6.5.1物理數(shù)據(jù)模型的內(nèi)容197 6.5.2EX物理數(shù)據(jù)模型198 6.6服務(wù)特征視圖199 6.7背景特征視圖199 6.8聚焦視角200 6.9可執(zhí)行物理架構(gòu)201 6.10系統(tǒng)演進(jìn)的規(guī)劃202 6.11總結(jié)203 練習(xí)204 學(xué)生項目204 參考文獻(xiàn)204 第7章實現(xiàn)面向服務(wù)架構(gòu)的復(fù)雜組織體集成206 7.1面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)的重要性206 7.2基本的SOA定義207 7.2.1基本概念207 7.2.2公共的SOA特性210 7.2.3SOA特征和原則211 7.3SOA策略212 7.3.1首要挑戰(zhàn)213 7.3.2基本的SOA策略214 7.3.3SOA收益和成功測度215 7.3.4服務(wù)劃分指南216 7.3.5面向變化的設(shè)計216 7.4SOA實現(xiàn)217 7.4.1SOA結(jié)構(gòu)217 7.4.2SOA要素220 7.5萬維網(wǎng)的演進(jìn)223 7.6Web服務(wù)框架(WSF)和第二代Web服務(wù)(WS*)224 7.7服務(wù)建模226 7.7.1基本原則227 7.7.2描述建模服務(wù)227 7.7.3SOA建模語言概述227 7.7.4簡單的服務(wù)建模229 7.7.5復(fù)雜的服務(wù)建模230 7.8智能微電網(wǎng)服務(wù)234 7.9總結(jié)235 練習(xí)236 學(xué)生項目236 參考文獻(xiàn)237 第8章將架構(gòu)擴(kuò)展到實時域238 8.1實時系統(tǒng)的本質(zhì)特征238 8.2時間特征240 8.3事件、線程和并發(fā)241 8.4EX案例中的實時性242 8.5實時需求244 8.6實時系統(tǒng)建模:UML擴(kuò)展的實時和嵌入式系統(tǒng)建模與分析(MARTE) 246 8.7可調(diào)度性249 8.8EX雷達(dá)基本時序分析252 8.9實現(xiàn)實時系統(tǒng)254 8.9.1實時硬件和軟件關(guān)注254 8.9.2實時操作系統(tǒng)(RTOS)255 8.9.3實時中間件258 8.9.4安全關(guān)鍵硬件260 8.9.5實時服務(wù)260 8.9.6集成模塊化電子設(shè)備260 8.9.7實時系統(tǒng)的安全性261 8.9.8實時原型系統(tǒng)262 8.10總結(jié)262 練習(xí)263 學(xué)生項目263 參考文獻(xiàn)263 第9章開發(fā)網(wǎng)絡(luò)維度266 9.1網(wǎng)絡(luò)的作用和種類266 9.2網(wǎng)絡(luò)參考模型及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備267 9.3端口和協(xié)議273 9.4無線網(wǎng)絡(luò)274 9.5虛擬局域網(wǎng)(VLAN)275 9.6網(wǎng)絡(luò)管理275 9.7服務(wù)質(zhì)量(QoS)276 9.8移動自組網(wǎng)絡(luò)(MANET)277 9.9網(wǎng)絡(luò)的未來279 9.10總結(jié)279 練習(xí)280 學(xué)生項目280 參考文獻(xiàn)280 第10章賽博安全信息保護(hù)282 10.1賽博安全挑戰(zhàn)282 10.2基本概念284 10.2.1網(wǎng)絡(luò)攻擊要素284 10.2.2威脅方的類別286 10.2.3基本安全概念286 10.2.4強(qiáng)韌賽博安全要素287 10.2.5賽博安全領(lǐng)域288 10.2.6賽博安全基礎(chǔ)290 10.3賽博安全風(fēng)險管理291 10.4賽博安全指南和資源294 10.5安全架構(gòu)和設(shè)計296 10.5.1安全架構(gòu)和設(shè)計流程296 10.5.2分層防御架構(gòu)299 10.6安全系統(tǒng)實現(xiàn)303 10.6.1邊界安全303 10.6.2可信計算平臺(TCP)306 10.6.3保護(hù)質(zhì)量(QoP)307 10.6.4加密和證書307 10.6.5訪問控制310 10.6.6虛擬專用網(wǎng)(VPN)311 10.6.7分離內(nèi)核311 10.6.8多級安全級別312 10.6.9瞬變電磁脈沖發(fā)射監(jiān)視技術(shù)(TEMPEST)313 10.6.10系統(tǒng)和組件信任評估313 10.7SOA、Web和云安全315 10.8安全架構(gòu)建模318 10.8.1MBSAP方法論中的安全性318 10.8.2安全性相關(guān)的聚焦視角320 10.9安全軟件開發(fā)320 10.9.1安全軟件開發(fā)生命周期(SSLDC)320 10.9.2安全測試322 10.10智能微電網(wǎng)的賽博安全322 10.11總結(jié)325 練習(xí)325 學(xué)生項目326 參考文獻(xiàn)326 第11章使用原型系統(tǒng)、驗證與確認(rèn)方法評估和增強(qiáng)系統(tǒng)架構(gòu)330 11.1架構(gòu)和系統(tǒng)評估330 11.2 MBSAP中的原型系統(tǒng)開發(fā)331 11.2.1物理原型系統(tǒng)331 11.2.2虛擬原型系統(tǒng)和可執(zhí)行架構(gòu)334 11.2.3測試裝置和控制338 11.3驗證與確認(rèn)339 11.3.1驗證和確認(rèn)方法339 11.3.2驗證340 11.3.3確認(rèn)341 11.4原型系統(tǒng)的其他作用343 11.5Petri網(wǎng)344 11.6智能微電網(wǎng)仿真344 11.7EX流程仿真349 11.8總結(jié)353 練習(xí)354 學(xué)生項目354 參考文獻(xiàn)354 第12章使用參考架構(gòu)和框架356 12.1參考架構(gòu)的本質(zhì)特征和應(yīng)用356 12.1.1參考架構(gòu)術(shù)語356 12.1.2參考架構(gòu)用途357 12.1.3參考架構(gòu)層次結(jié)構(gòu)358 12.2參考架構(gòu)流程361 12.3構(gòu)建參考架構(gòu)363 12.4EX參考架構(gòu)的分類365 12.5參考架構(gòu)的擴(kuò)展和庫368 12.6架構(gòu)框架369 12.7產(chǎn)品線的關(guān)注373 12.8總結(jié)374 練習(xí)375 學(xué)生項目375 參考文獻(xiàn)375 第13章構(gòu)建復(fù)雜組織體架構(gòu)378 13.1復(fù)雜組織體架構(gòu)378 13.2SoS的本質(zhì)特征379 13.2.1公共的SoS特征380 13.2.2SoS挑戰(zhàn)382 13.2.3適應(yīng)性和涌現(xiàn)性行為384 13.3復(fù)雜組織體架構(gòu)方法論385 13.4體系工程(SoSE)390 13.5互操作性393 13.6復(fù)雜組織體的建模與仿真396 13.7魯棒的網(wǎng)絡(luò)連接397 13.8動態(tài)的復(fù)雜組織體398 13.9總結(jié)398 練習(xí)399 學(xué)生項目399 參考文獻(xiàn)399 第14章運(yùn)用先進(jìn)的概念401 14.1先進(jìn)的概念和趨勢401 14.2虛擬化401 14.3集群404 14.4分布式計算405 14.5智能代理(Agent)407 14.6代理(Proxy)408 14.7先進(jìn)算法409 14.8架構(gòu)的機(jī)械問題411 14.9提高性能和可擴(kuò)展性413 14.10總結(jié)414 練習(xí)414 學(xué)生項目414 參考文獻(xiàn)415 第15章確保架構(gòu)測度和質(zhì)量的治理416 15.1確保架構(gòu)的質(zhì)量416 15.2定義測度和質(zhì)量屬性418 15.2.1功能需求的測度418 15.2.2非功能的質(zhì)量屬性需求420 15.3建立有效的治理423 15.3.1一般的架構(gòu)治理426 15.3.2面向服務(wù)架構(gòu)的治理428 15.4總結(jié)431 練習(xí)431 學(xué)生項目432 參考文獻(xiàn)432 附錄A面向?qū)ο笤O(shè)計(OOD)及統(tǒng)一建模語言(UML)的快速參考434 A.1概述434 A.2UML的基礎(chǔ)435 A.3類圖/對象圖443 A.4用例451 A.5協(xié)同454 A.6控制流455 A.7對象約束語言(OCL)456 A.8UML行為模型457 A.9物理圖466 A.10實時系統(tǒng)的語義471 附錄B統(tǒng)一建模語言(UML)擴(kuò)展的系統(tǒng)建模語言(SysML)的快速參考472 B.1概述472 B.2結(jié)構(gòu)477 B.3值特性482 B.4行為483 B.5活動484 B.6需求488 B.7參數(shù)489 B.8圖之間的關(guān)系491 附錄C系統(tǒng)架構(gòu)案例:EX機(jī)載多傳感器平臺493 C.1簡介493 C.2模型組織493 C.3需求494 C.4運(yùn)行視角制品496 C.4.1結(jié)構(gòu)特征視圖497 C.4.2行為特征視圖510 C.4.3數(shù)據(jù)特征視圖518 C.4.4背景特征視圖521 C.5邏輯/功能視角制品523 C.5.1結(jié)構(gòu)特征視圖523 C.5.2行為特征視圖538 C.5.3數(shù)據(jù)特征視圖545 C.6物理視角制品548 C.6.1設(shè)計特征視圖548 C.6.2標(biāo)準(zhǔn)特征視圖550 C.6.3物理數(shù)據(jù)模型550 附件1: EX架構(gòu)概述與總結(jié)信息551 附件2:EX架構(gòu)的集成詞典560 附錄DUML擴(kuò)展的實時嵌入式系統(tǒng)建模與分析(MARTE)的概述566 D.1簡介566 D.2基本概念567 D.3非功能特性(NFP)建模568 D.4時間建模570 D.5通用資源建模(GRM)573 D.6分配建模(Alloc)576 D.7通用組件模型(GCM)577 D.8高層應(yīng)用建模(HLAM)578 D.9詳細(xì)資源建模(DRM)580 D.10軟件資源建模(SRM)580 D.11硬件資源建模(HRM)582 D.12通用定量分析建模(GQAM)583 D.13可調(diào)度性分析建模(SAM)586 D.14性能分析建模(PAM)589 D.15MARTE縮寫詞列表592 附錄E信息技術(shù)(IT)核心標(biāo)準(zhǔn)和來源列表594 附錄F縱深防御(DiD)的定義596 F.1周邊安保層596 F.2網(wǎng)絡(luò)安保層597 F.3終端安保層598 F.4應(yīng)用安保層599 F.5數(shù)據(jù)安保層600 F.6其他的縱深防御概念601 附錄G常見的賽博攻擊方法603 附錄HIEEE計算機(jī)協(xié)會安保設(shè)計中心(CSD)的10大安保缺陷列表609 附錄I軟件測試方法和工具611 I.1功能測試611 I.2非功能測試611 附錄J開放系統(tǒng)互連(OSI)層次和協(xié)議614 附錄K美國國防部(DoD)計劃的面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)的策略要求619 附錄L縮略語620 參考文獻(xiàn)633
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