描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787121325267丛书名: 体系工程与装备论证系列丛书
部分 基于模型的系统工程入门
第1章 开始建模 1
1.1 事故自动响应系统 2
1.2 OPM功能作为种子原理 2
1.3 识别系统功能 3
1.4 识别系统受益者 3
1.5 过程变换对象 4
小结 4
习题 5
第2章 文本描述和仿真推演 6
2.1 OPL——英语的一个子集 6
2.2 状态和推演 7
2.2.1 过程对对象的影响 7
2.2.2 从隐式影响到显式状态变化 8
2.2.3 状态命名 8
2.3 OPM模型的仿真推演 9
小结 9
习题 10
第3章 用链接联系事物 11
3.1 过程链接与结构链接 11
3.2 添加支持对象 11
3.2.1 添加主体和主体链接 12
3.2.2 添加手段和手段链接 12
3.3 添加结构链接 13
3.4 物理事物与信息事物 14
3.5 模型的事实和OPL段落 14
3.6 环境事物与系统事物 15
3.7 初始状态和终止状态 16
3.8 触发状态和事件链接 17
小结 17
习题 18
第4章 SysML——用例图、模块图、状态机图 19
4.1 SysML用例图 19
4.2 SysML模块和模块图 21
4.3 SysML状态机图 22
小结 23
习题 24
第5章 通过放大进行细化 25
5.1 测量事故严重程度 25
5.2 放大：在一个新OPD图中细化一个过程 25
5.3 OPD对象过程图树 26
5.4 OPM模型事实表示原理 27
5.5 事故严重程度属性及其测量 27
5.6 系统模拟：推演测试 28
小结 29
习题 29
第6章 系统的动态行为 30
6.1 在轻度毁伤时退出 30
6.2 消息创建和发送 31
6.3 过程执行顺序：OPM时间轴原理 31
6.4 救援来了 32
6.5 当前设计的执行线程 33
小结 33
习题 34
第7章 控制系统的行为 35
7.1 布尔对象作为分支条件 35
7.2 条件链接与手段链接 36
7.3 继承关系 37
7.4 放大到事故严重程度测量 38
7.5 参与约束 39
7.6 逻辑运算符：OR与XOR 39
7.7 事故严重程度测量过程的细化 39
7.8 事物的范围：信号作为临时对象 39
7.9 诊断如何完成 40
小结 41
习题 41
第8章 抽象和细化 43
8.1 放大——在新图中细化过程 43
8.2 放大后的消息处理过程 45
8.3 ACR系统结构视图 46
小结 47
习题 47
第二部分 OPM与SysML基础
第9章 概念建模——目的与背景 50
9.1 系统、模型和系统工程 50
9.1.1 科学与工程的异同点 50
9.1.2 概念建模和基于模型的系统工程 51
9.2 一种基础的系统工程OPM本体 51
9.2.1 何为对象存在和过程发生及一些启发性的Q＆A 52
9.2.2 对象-过程定理 53
9.2.3 对象-过程推论 53
9.2.4 对象-过程断言：OPM基础 53
9.2.5 为什么不止用一种事物？图形是否由节点和连接构成 54
9.2.6 OPM事物重要度原理 54
9.3 对象、状态、变换和过程的定义 55
9.4 系统及相关概念 55
9.4.1 默认的系统定义 57
9.4.2 参与者—利益相关方、受益者、客户、用户和供货商 58
9.4.3 系统资源：自然资源或人工资源 58
9.4.4 功能、结构和行为 59
9.4.5 结构—行为同步建模需求 59
9.4.6 系统架构 60
9.4.7 系统环境及事物联系 60
9.4.8 功能与行为 60
9.5 语言和建模 61
9.5.1 模型和建模 61
9.5.2 形式化模型与非形式化模型 61
9.5.3 复杂度管理 62
小结 62
习题 63
第10章 事物——对象与过程 64
10.1 面向对象与对象过程法 64
10.2 存在、事物和变换 64
10.2.1 对象细化 65
10.2.2 对象和人类记忆 65
10.3 对象标识 66
10.3.1 信息对象的标识 66
10.3.2 过程作为一个变换的隐喻 66
10.3.3 过程定义细化 66
10.3.4 变换对象的概念 67
10.3.5 因与果 67
10.4 语法和语义对比 68
10.4.1 对象和过程是否为名词和动词的语义类似物 68
10.4.2 语法语义对比分析句子 68
10.4.3 前置对象集 69
10.4.3 后置对象集 70
10.4.4 相关对象集 71
10.5 OPM过程链接独特性原理 71
10.6 过程的判定 74
10.6.1 变换对象标准 74
10.6.2 时变特性标准 74
10.6.3 动词关联标准 75
10.6.4 OPM模型的过程测试系统 75
10.7 OPM元素命名 75
10.7.1 首字母大写、加粗、短语和命名 76
10.7.2 OPM命名独特性原理 76
10.7.3 过程命名 77
10.8 事物的定义 77
10.9 OPM事物的性质 78
10.10 事物的临界情况 79
10.10.1 保持状态的过程 80
10.10.2 如何利用结构链接对状态保持过程建模 80
10.10.3 瞬态对象及其替代——激活链接 81
10.11 运算符、运算对象和变换 81
小结 82
习题 83
第11章 对象过程语言——文本描述 84
11.1 OPL——文本描述 84
11.2 OPL的两个目的 84
11.2.1 面向人类的OPL 84
11.2.2 面向机器的OPL 85
11.3 OPM图、文等价原理 85
11.4 OPM模型结构的元模型 85
11.5 OPL的保留短语和非保留短语 87
11.6 OPM双模式描述的动机 88
11.6.1 双通道假设 88
11.6.2 双模式描述的好处 89
11.6.3 吸引客户——社会方面 89
11.6.4 消除需求、设计之间的鸿沟 90
11.7 世界语——人类可读的自动生成的文本 90
小结 90
习题 91
第12章 SysML——基础和视图 92
12.1 UML——统一建模语言 92
12.2 SysML的支柱 93
12.3 需求视图 94
12.4 模块和结构 94
12.5 活动图 95
12.5.1 活动中动作的展开 95
12.5.2 接收、发送和时间事件行动节点 97
12.6 序列图 97
12.7 需求图 99
12.8 参数图和约束属性块 101
12.9 SysML与OPM比较 103
12.9.1 过程作为“一等公民” 104
12.9.2 物理事物和信息事物 104
12.9.3 模型视图多样性与模型视图统一性 104
12.9.4 图形描述与图文结合描述 104
12.9.5 活动图与对象过程图 105
12.9.6 活动图中的控制流与对象过程图 106
12.9.7 需求图与OPM的需求描述 106
12.10 SysML与OPM的综合运用 107
小结 108
习题 108
第13章 系统动态特性 109
13.1 变换和影响 109
13.2 存在与变换 109
13.2.1 创建与消耗：对象状态变换的情况 109
13.2.2 状态变化还是特性变化 111
13.2.3 生物的变换 111
13.2.4 人工对象的变换 112
13.3 过程链接 113
13.3.1 变换与相应的过程链接 113
13.3.2 变换对象 113
13.4 变换链接 114
13.4.1 消耗和结果生成的时间 115
13.4.2 影响链接的演变 115
13.5 支持链接 116
13.5.1 主体——人类支持对象 116
13.5.2 手段——非人类支持对象 117
13.5.3 支持链接：主体和手段链接 117
13.5.4 支持对象与影响对象 118
13.6 前置和后置对象集 119
13.7 特定状态的过程链接 120
13.8 特定状态的支持链接 120
13.9 特定状态的变换链接 122
13.10 特定状态的影响链接 123
小结 126
习题 128
第14章 系统结构特性 130
14.1 结构关系 130
14.1.1 关注二元关系 130
14.1.2 正向和反向结构关系 131
14.1.3 结构链接与结构关系 132
14.1.4 结构标签和带标签的结构链接 132
14.1.5 带标签的双向结构链接 133
14.2 结构关系的对称性和传递性 134
14.2.1 结构关系的对称性 134
14.2.2 结构关系的传递性 135
14.2.3 空标签、空结构链接及其默认OPL短语 136
14.2.4 特定型号的空标签 137
14.3 结构关系作为状态保持过程 137
小结 138
习题 139
第15章 参与约束和分支 140
15.1 结构和过程参与约束 140
15.2 结构参与约束 140
15.2.1 参数化结构参与约束 141
15.2.2 范围参与约束 141
15.3 速记符和保留字 142
15.4 基数 143
15.4.1 四种常见的基数类 143
15.4.2 16种基数类 144
15.5 过程参与约束 144
15.5.1 参数化过程参与约束 145
15.5.2 支持对象和变换参与约束 145
15.6 结构关系的分配律 146
15.7 分支、柄和齿 147
15.8 齿事物集 149
15.8.1 分支度 149
15.8.2 分支完备性 150
15.8.3 分支有序性 151
15.8.4 齿事物集排序规则 152
小结 152
习题 153
第16章 基本结构关系 154
16.1 关系符号和参与者 154
16.2 关系命名和OPL语句 155
16.3 结构层次、传递性和用户自定义符号 155
小结 156
习题 156
第三部分 结构和行为
第17章 组成关系 157
17.1 基本概念 157
17.1.1 完形理论 158
17.1.2 整体论和涌现 158
17.1.3 分解的深度 158
17.1.4 用“consists of”（由……组成）而不是“has a”（有） 158
17.2 组成关系作为分支 159
17.3 语义Web实例 160
17.4 组成关系命名 161
17.5 UML和SysML中强组成关系与弱组成关系 162
17.6 表示部分的顺序 163
17.7 组成关系和带标签的结构关系 164
17.8 非完备的组成关系 165
17.9 参数化的部分约束——微语言 167
小结 169
习题 169
第18章 表征关系 171
18.1 事物和特征 171
18.2 属性和操作：两类特征 172
18.3 UML/SysML和OPM中特征的对比 173
18.4 OPM事物和特征命名的性 174
18.5 四类表征关系 175
18.5.1 对象-属性组合 175
18.5.2 对象-操作组合 176
18.5.3 过程-属性组合 176
18.5.4 过程-操作组合 177
18.6 基本的结构层次 178
18.7 属性命名问题 179
18.8 特征和链接的属性 180
18.8.1 显式度 180
18.8.2 模式 180
18.8.3 模糊度——定量属性的属性 181
18.8.4 涌现性 181
18.8.5 链接同质性属性 181
小结 182
习题 182
第19章 状态与取值 183
19.1 状态定义 183
19.1.1 状态示例 183
总 序
1990年，我国著名科学家和系统工程创始人钱学森先生发表了《一个科学新领域——开放的复杂巨系统及其方法论》一文。他认为，复杂系统组分数量众多，使得系统的整体行为相对于简单系统来说可能涌现出显著不同的性质。如果系统的组分种类繁多，并具有层次结构，它们之间的关联方式又很复杂，就构成了复杂巨系统；如果复杂巨系统再与环境进行物质、能量、信息的交换，接受环境的输入、干扰并向环境提供输出，而且还具有主动适应和演化的能力，就要把它作为开放复杂巨系统对待了。在研究解决开放复杂巨系统问题时，钱学森先生提出了从定性到定量的综合集成方法，这是系统工程思想的重大发展，也可以看作对体系问题的先期探讨。
从系统研究到体系研究涉及很多问题，其中有三个问题应该首先予以回答：一是体系和系统的区别，二是平台化发展和体系化发展的区别，三是系统工程与体系工程的区别。下面，我引用国内两位学者的研究成果讨论前两个问题的看法，然后再谈谈我自己对第三个问题的看法。
（1）关于系统和体系的区别。有学者认为，体系是由系统组成的，系统是由组元组成的。不是任何系统都是体系，但是只要由两个组元构成且相互之间具有联系就是系统。系统的内涵包括组元、结构、运行、功能、环境，体系的内涵包括目标、能力、标准、服务、数据、信息等。系统核心的要素是结构，体系核心的要素是能力。系统的分析从功能开始，体系的分析从目标开始。系统分析的表现形式是多要素分析，体系分析的表现形式是不同角度的视图。对系统发展影响的是环境，对体系形成影响的是目标要求。系统强调组元的紧密联系，体系强调要素的松散联系。
（2）关于平台化发展和体系化发展的区别。有学者认为，由于先进信息化技术的应用，现代作战模式和战场环境已经发生了根本性的转变。受此影响，以美国为首的西方国家在新一代装备发展思路上也发生了根本性转变，逐渐实现了装备发展由平台化向体系化的过渡。武器装备体系化的重要性为众人所知始于35年前的一场战役。1982年6月的黎巴嫩战争中，以色列和叙利亚在贝卡谷地展开了激烈空战，这次战役的悬殊战果对现代空战战法研究和空战武器装备发展有着多方面的借鉴意义，因为通过任何基于武器平台分析的指标进行衡量，都无法解释如此悬殊的战果。以色列空军各参战装备之间分工明确，形成了协调有效的进攻体系，是取胜的关键。自此以后，空战武器装备对抗由“平台对平台”向“体系对体系”进行转变，为世界所周知。同时一种全新的武器装备发展思路—“武器装备体系化发展思路”逐渐浮出水面。这里需要强调的是，武器装备体系概念并非始于贝卡谷地空战，当各种武器共同出现在同一场战争中，执行不同的作战任务，原始的武器装备体系就已形成，但是这种武器装备体系的形成是被动的；而武器装备体系化发展思路应该是一种以武器装备体系为研究对象和发展目标的武器装备发展建设思路，是一种现代装备体系建设的主动化发展思路。因此，武器装备体系化发展思路是相对于一直以来武器装备发展主要以装备平台更新为主的发展模式而言的。以空战装备为例，人们一般常说的三代战斗机、四代战斗机都是基于平台化思路的发展和研究模式，是就单一装备的技术水平和作战性能进行评价的。可以说，传统的武器装备平台化发展思路是针对某类型武器平台，通过开发、应用各项新技术，研究制造新型同类产品以期各项性能指标超越过去同类产品的发展模式。而武器装备体系化发展的思路则是通过对未来战场环境和作战任务的分析，并对现有武器装备和相关领域新技术进行梳理，开创性地设计构建在未来一定时间内易形成战场优势的作战装备体系，并通过对比现有武器装备的优势和缺陷确定要研发的武器装备和技术。也就是说，其研究的目标不再是基于单一装备更新，而是基于作战任务判断和战法研究的装备体系构建与更新，是将武器装备发展与战法研究充分融合的全新的装备发展思路，这也是美军近三十多年装备发展的主要思路。
（3）关于系统工程和体系工程的区别。我认为，系统工程和体系工程之间存在着一种类似“一分为二、合二为一”的关系，具体体现为分析与综合的关系。数学分析中的微分法（分析）和积分法（综合），二者对立统一的关系是牛顿-莱布尼兹公式。它们构成数学分析中的主脉，解决了变量中的许多问题。系统工程中的“需求工程”（相当于数学分析中的微分法）和“体系工程”（相当于数学分析中的积分法），二者对立统一的关系就是钱学森的“从定性到定量综合集成研讨方法”（相当于数学分析中的牛顿-莱布尼兹公式）。它们构成系统工程中的主脉，解决和正在解决着大量巨型复杂开放系统的问题。我们称之为系统工程Calculus（微积分）。
总之，武器装备体系是一类具有典型体系特征的复杂系统，体系研究已经超出传统系统工程理论和方法的范畴，需要研究和发展体系工程，用以指导体系条件下的武器装备论证。
在系统工程理论方法中，系统被看作具有集中控制、全局可见、有层级结构的整体，而体系是一种松耦合的复杂大系统，已经脱离了原来以紧密的层级结构为特征的单一系统框架，表现为一种显著的网状结构。近年来含有大量自主系统的无人作战体系的出现，使得体系架构的分布、开放特征更加明显，正在形成以即联配系、敏捷指控、协同编成为特点的体系架构。以复杂适应网络为理论特征的体系，可以比单纯递阶控制的层级化复杂大系统具有更丰富的功能配系、更复杂的相互关系、更广阔的地理分布和更开放的边界。以往的系统工程方法强调必须明确系统目标和系统边界，但体系论证不再限于刚性的系统目标和边界，而是强调装备体系的能力演化，以及对未来作战样式的适应性。因此，体系条件下装备论证关注的焦点，在于作战体系架构对体系作战对抗过程和效能的影响，在于武器装备系统对整个作战体系的影响和贡献率。
回顾40年前，钱学森先生在国内大力倡导和积极践行复杂系统研究，并在国防科学技术大学亲自指导和创建了系统工程与数学系，开办了飞行器系统工程和信息系统工程两个本科专业。面对当前我军武器装备体系发展和建设中的重大军事需求，由国防科学技术大学王维平教授担任主编，集结国内在武器装备体系分析、设计、试验和评估等方面具有理论创新和实践经验的部分专家学者，编写出版了“体系工程与装备论证系列丛书”。该丛书以复杂系统理论和体系思想为指导，紧密结合武器装备论证和体系工程的实践活动，积极探索研究适合国情、军情的武器装备论证和体系工程方法，为武器装备体系论证、设计和评估提供理论方法和技术支撑，具有重要的理论价值和实践意义。我相信，该丛书的出版将为推动我军体系工程研究、提高我军体系条件下的武器装备论证水平做出重要贡献。
2017年5月
湖南长沙
译 者 序
大约十年前，MBSE方法刚刚兴起时，王维平教授就注意到了一种方法OPM——对象过程法，并将其介绍到我们团队。当时，我就感觉这是一个好方法，但是苦于当时没有找到建模工具，也就没有深入研究和实际应用。
2011年，我去美国密苏里科技大学Cihan Dagli教授那里访学，发现他们的团队正在运用OPM方法进行智能系统架构设计研究，其研究成果获得了国际系统工程委员会（INCOSE）的高度好评。这时，我才开始对其投入精力，开展深入研究。目前，我们团队已经在这个领域，发表了一篇博士论文和三篇硕士论文，相关工作已经在军队组织架构设计、联合作战模拟系统概念建模等领域进行了具体实践，得到了军方高层的认可。
2016年1月，当我作为IEEE MBSE委员会委员接受MBSE委员会主席Dov Dori（多里?多夫）教授邀请，参加美国举行的ASSESS（Analysis, Simulation and System Engineering Software Strategy Congress）创始大会时，次与Dov Dori教授见面。我对Dori笑称我是OPM理论在中国的“布道者”，我还告诉他OPM理论中的对象、过程二分理念，与东方文化里的阴阳二分既对立统一的概念，有很强的相似性，更容易为东方人所接收。我向他建议说，目前美国国防部体系结构框架DODAF中提到的系统建模方法，主要介绍了结构化方法和面向对象法，OPM应该成为第三代方法，我们已经在这一方面开展了一些初步研究。Dori教授非常赞同我的观点，在大会上恰好有美国国防部的官员参加，该官员在做大会报告时，Dori教授也站起来发言，表达了这样的思路。同时，他提到正准备出版一本书Model Based Systems Engineering, with OPM and SysML，问我有没有兴趣翻译，我表示对这本感兴趣，这就是这本译著的缘起。
本书翻译分工如下：杨峰负责统一基本术语的翻译方式，王文广负责组织部分翻译（其中，周文璐翻译第1、2、3章，李紫漠翻译第4、5、6章，王文广翻译第7、8章），王涛负责组织第二部分翻译（其中，王涛翻译第9、10、11、16章，方斌强翻译第12、14章，汤旭栋参与第13章翻译，何华翻译第15章），李志飞负责组织第三部分翻译（其中，李志飞翻译第17、18章，黄其旺翻译第19、20章，石泽森翻译第21、22章，郑展翻译第23、24章），后由杨峰教授统稿。此外，董倩和纪梦琪为第二部分和第三部分中的图例部分外文进行了翻译，在此一并表示感谢。
译 者
2017年8月1日
原 著 序 言
在复杂世界中对简单性的追求已经萦绕着各类思想家近千年了。如何将人类对外在世界的观察结果和为了改进人类生活而希望进行的设计结果进行概念化表达，成为推进人类文明进步的一个重要驱动力。20世纪中叶计算机的出现，进一步推动了人类设法对现实事物进行概念化描述。一开始大家普遍接受的思路是面向过程的编程，这时人们将程序、例程和函数置于编程的核心。后来，人们提出将对象——本质上更加静态——作为软件程序系统的核心，编程语言向面向对象范式的转移，这些发生在20世纪80年代和90年代。在此之后，人们又认识到在进行编程之
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