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学术报告：基于模型的系统工程（MBSE）在AF DCGS项目中的应用
作者与期刊信息
本文由Vinodini Sundaram和Leonard Brownlow博士撰写，两位均来自Booz Allen Hamilton公司（位于美国加利福尼亚州埃尔塞贡多）。该研究发表于2018年1月8日至12日举行的AIAA航空航天科学会议（AIAA SciTech Forum），并由美国航空航天学会（American Institute of Aeronautics and Astronautics, AIAA）出版。
主题与背景
本文探讨了如何通过基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering, MBSE）方法构建数字系统模型（Digital System Model, DSM），以支持美国国防部（DoD）的分布式通用地面系统（Air Force Distributed Common Ground System, AF DCGS）。AF DCGS是空军主要的情报、监视和侦察（Intelligence, Surveillance, and Reconnaissance, ISR）系统，负责规划、收集、处理、分析和分发情报数据。由于其复杂的分布式架构和多部门协作需求，传统的数据管理方式难以满足系统现代化和风险管理的需求。为此，美国国防部启动了数字工程（Digital Engineering, DE）计划，旨在通过集成的数据和模型来支持全生命周期活动。本文以此为背景，详细介绍了AF DCGS项目中如何利用MBSE方法构建DSM，并实现数字主线（Digital Thread）的应用。
主要观点及其支持内容
1. 数字工程（DE）计划的目标与意义
文章首先概述了数字工程计划的核心目标，包括正式化模型开发、提供权威数据源、整合技术创新、建立支持性基础设施以及转变文化和劳动力。这些目标旨在解决传统DoD项目中因信息孤岛（stove-piped）问题导致的数据不一致和跨部门协作困难。AF DCGS项目作为案例研究，展示了如何通过MBSE方法实现这些目标。例如，使用统一的UPDM（Unified Profile for DoDAF/MODAF）框架建模系统元素、能力和功能，确保了数据的一致性和可追溯性。此外，文章强调了数字主线的重要性，即通过跨产品跟踪能力将不同视图（如系统视图SV、服务视图SvcV、能力视图CV和操作视图OV）连接起来，从而支持系统工程流程和决策。
支持证据
- 数字主线的应用：通过追踪功能基线、分配基线和产品基线，数字主线帮助团队更好地理解系统的复杂性，并支持现代化工件生成、基线捕获和文档生成。
- 工具选择：文章指出，采用敏捷框架（Scaled Agile Framework, SAFe）结合MBSE方法可以更好地满足武器系统的合规性和文档需求。SAFe鼓励使用多种模型组织和链接信息，这与DSM的构建需求高度契合。
2. MBSE方法在AF DCGS中的具体实施
文章详细描述了如何利用MBSE方法构建AF DCGS的DSM。主要包括以下步骤：
- 需求建模：定义系统级到组件级的需求，并通过差距分析（gap analysis）确保需求的完整性和一致性。
- 接口定义：通过建模服务接口，明确各服务之间的数据交换格式和标准，简化新服务提供商的接入过程。
- 能力定义：将系统能力映射到联合能力领域（Joint Capability Areas, JCA），并通过用户故事和功能特性追踪能力升级的历史记录。
- 网络安全工程：将全球信息网格（Global Information Grid, GIG）技术指导联盟（GTG-F）的标准嵌入系统需求，支持风险管理和框架（Risk Management Framework, RMF）评估。
- 可靠性分析：利用Raptor工具生成可靠性块图（Reliability Block Diagrams, RBDs），评估组件的可靠性、可用性和维护性。
支持证据
- 数据结构的优化：通过自定义标签值（tag values）对配置项（Configuration Items, CIs）进行分类和查询，显著提高了数据管理效率。
- 工具集成：团队开发了Radiant门户，用于整合EA（Enterprise Architect）和DOORS（Dynamic Object-Oriented Requirements System）中的数据，支持用户快速导航和提取相关信息。
3. 挑战与解决方案
文章还讨论了在实施DSM过程中遇到的主要挑战及其解决方案。例如：
- 数据准确性问题：由于AF DCGS系统正在进行重大升级，捕捉最新数据变得困难。团队通过广泛的数据挖掘和专家访谈克服了这一问题。
- 安全分类限制：部分信息因涉及高安全级别而无法纳入模型，团队通过在未分类环境中维护数字主线解决了这一矛盾。
- 资源不足：缺乏足够的主题专家（Subject Matter Experts, SMEs）验证模型数据，团队通过独立验证和比较指标确保了模型的内部一致性。
支持证据
- 数据挖掘的重要性：团队在没有现场访问权限的情况下，依赖历史文档和专家资源完成了基线捕获。
- 工具开发的必要性：Radiant门户的开发不仅提高了数据的可见性，还促进了数字主线的广泛应用。
4. 结论与价值
文章总结了AF DCGS项目中DSM构建的经验，强调了以下几个关键点：
- 多视角支持：DSM需要支持多种视角，因此灵活调整建模框架至关重要。例如，结合UPDM和SOAML框架分别满足系统工程和服务建模的需求。
- 文化变革：成功实施数字工程的关键在于改变项目文化，使利益相关者能够接受和使用新工具。
- 度量指标的作用：通过跟踪完成率、可追溯性百分比等指标，团队能够及时发现并解决文档间的差异，确保数据的有效性和一致性。
论文的意义与价值
本文的价值体现在理论和实践两个层面。理论上，它为MBSE方法在大型复杂系统中的应用提供了详细的案例研究，展示了如何通过数字主线实现跨学科协作和全生命周期管理。实践上，AF DCGS项目的成功经验为其他DoD项目提供了宝贵的参考，尤其是在开放架构（Open Architecture, OA）环境下的系统现代化和风险管理方面。此外，Radiant门户的开发表明，创建易于使用的平台可以显著提高数字主线的接受度和应用效果。
亮点与创新
- 多框架结合：文章首次提出结合UPDM、SOAML和MODAF框架的方法，以满足不同层次的建模需求。
- 工具创新：Radiant门户的开发展示了如何通过现代Web技术整合多源数据，为用户提供直观的数字主线视图。
- 实践导向：文章不仅关注理论框架，还详细讨论了实施过程中的实际挑战及解决方案，为类似项目提供了实用指南。
本文通过AF DCGS项目的案例研究，全面展示了MBSE方法在复杂系统工程中的应用潜力，为未来的研究和实践奠定了坚实基础。