复杂系统数字孪生：基于模型的工程系统模型.docx

系统模型 运行环境模型（Operational Models） SoS概念定义 在开发系统产品时，我们首先要把系统当作一个“黑盒”，研究系统在其运行环境中的动作或活动。这样系统和其运行环境中的组成元素组合成一个系统之系统（SoS）。SoS是System of Systems的简称，指其组成元素在管理上或/和运行上是独立系统的SOI REF _Re\r \h [1]。一般具有以下特征： 组成元素系统运行上独立性； 组成元素系统的管理独立性； 地理分布； 涌现行为； 渐进式开发模式。 图5- SEQ 图5- \* ARABIC 1 SoS-空中运输系统 空中运输系统是一个包含多个飞机、机场、空中交通管制系统和票务系统等，它连同安保、财务系统等其他系统一起实现旅客的交通运输的SoS。 这里所说的SoS复杂性英文是指Complexity（翻译成复杂的），不同于Complicated（翻译成繁杂的）。Complicated是指系统有很多组成元素，但这些组成元素之间的交互是固定的，如汽车、飞机，这种系统的技术、研制周期、研制成本一般是可以预测出来的；Complexity一般用来形成系统之系统的复杂性，如空中运输系统，他们组成元素间的相互作用呈现自组织性（self-organization）,一些局部的互相作用上升为新型特征（Novel），非局部特征和涌现行为。 在系统工程方法中，最经典的方式是将系统递归地分解为多个组件，直到每个组件足够简单，然后再将各个组件综合为整体，以理解系统整体特性。然而SoS不能采用自顶向下的架构分解和定义，自底向上的架构综合和验证。因为SoS中，我们关心的SoS涌现属性在孤立地看各个SoS组成部分时就消失了。SoS开发需要渐进迭代式方法，更强调系统思维、整体论和系统论。 SoS建模要从军方体系架构框架说起，最早要从1996年提出的C4ISR体系架构框架开始，2003年美国国防部在此基础上提出DoDAF1.0，后续英国和北约又相继提出了MoDAF和NAF，它们的演进关系如 REF _Re\h 图5- 2所示。尽管这些架构框架最早是为军事系统创建的，但近些年也扩展到民用领域的一些复杂组织系统建模，如美国联邦紧急事务管理局的公共服务、人道主义救济组织等 REF _Re\r \h [3]。 图5- SEQ 图5- \* ARABIC 2 DoDAF、MoDAF、NAF的演进关系 本文主要讲述现在应用较多，比较主流的架构框架：DoDAF，以及支持DoDAF的架构开发和可视化建模的UPDM。 DoDAF DoDAF是Department of Defense Architecture Framework的缩写，是指美国国防部体系架构框架，最新版本为DoDAF 2.02，于2010年8月发行。该架构框架特别适合面临复杂集成和复杂互操作挑战的大型系统。DoDAF提供了一个用于开发和表达体系架构描述的基础框架，确保在跨组织、跨国或联合团队间理解、比较和集成体系架构时有一个共同标准。它建立了数据元素定义、规则和关系，以及用于系统开发，集成或联合体系架构的一致性的产品基线集合。DoDAF的目标是定义一个架构开发的总体而综合的框架，以增强DoD的管理能力；通过跨部门、联合能力区（JCAs）、任务、组件和项目间的有组织的信息共享，促进人们在各个层级中更有效地做出关键决策 REF _Re\r \h [4] REF _Re\r \h [5]。 DoDAF通过各种视图模型组织的视角，为特定利益攸关者的关注点提供可视化基础。针对架构描述的广泛范围和复杂性，这些视图模型包括表格、结构、行为、本体、图像、时间、图形、概率或其他概念方式，用于架构描述的可视化、理解和类比。DoDAF共定了8个视角（ViewPoint）：全视角、能力视角、数据与信息视角、运行视角、项目视角、服务视角、标准视角和系统视角，如 REF _Re\h 图5- 3所示；进一步地，8个视角又由52类模型（Model）做支撑，如 REF _Re\h 表5- 1所示。 图5- SEQ 图5- \* ARABIC 3 DoDAF的8个视角 表5- SEQ 表5- \* ARABIC 1 DoDAF的52类模型 全视角 能力视角 数据与信息视角 运行视角 AV-1：概述和摘要信息 AV-2：综合词典 CV-1：能力愿景 CV-2：能力分类 CV-3：能力阶段 CV-4：能力依赖 CV-5：能力-组织开发映射 CV-6：能力-运行活动映射 CV-7：能力-服务映射 DIV-1：概念数据模型 DIV-2：逻辑数据模型 DI