MBSE用户画像：NASA最新MBSE落地方案及其十年探索之路

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引言

NASA的MBSE应用探索始于2009年，经过十年发展，NASA已将MBSE成功应用在产品研发流程多个阶段，包含概念选型、产品设计、系统级仿真验证、测试规划等；搭建了以模型为中心的协同工作环境；并借助SysML构建本体支撑知识工程的落地。企业内部MBSE生态已经形成。

回顾其十年探索历史，基本上分成了初期规划、推广&试点，到中期经验总结、推广，再到如今成熟应用的三个阶段。

NASA MBSE规划路线：2009-2016

如今国内多数企业的MBSE技术引入尚处于初期阶段，在MBSE项目中遇到的问题基本和NASA在项目初期阶段所遇到的类似。作为MBSE技术的先行者，NASA的经验或多或少可以作为国内企业MBSE技术引入的参考，帮助企业明确MBSE的技术发展路线。

本文特将近几年NASA MBSE相关公开资料进行搜集、梳理、总结如下，以供国内当前正在引入MBSE的企业参考。

文章章节安排如下：

最新MBSE落地方案: OpenMBEE&OpenCAE
NASA MBSE历程：2009-2019

2009-2012: 规划、推广和试点项目

路线规划
推广工作内容
试点项目：2个案例
本体模型&SysML

2013-2016: 逐渐成熟

2013: 项目应用状态
2014: 全生命周期应用拓展
2015: OpenMBEE
2016: GRC MBSE应用状态更新

2017-2019: 成熟应用

2017: OpenCAE概念提出
2018: 企业技术成熟度评估表
2019: OpenCAE&企业技术成熟度评估表版本更新

NASA MBSE经验的借鉴意义
本文调研材料清单

1. 最新MBSE落地方案: OpenMBEE & OpenCAE

在2019年INCOSE International Workshop上，NASA JPL做了题为"OpenCAE Case Study: Europa Lander Concept"的演讲。

演讲以Europa Lander（木卫二登陆器）项目为基础，介绍了NASA JPL当前基于模型的产品研发环境 – OpenMBEE和OpenCAE.

Europa上拥有大量水资源, 可能孕育生命

木卫二登陆器概念图

1) OpenMBEE

OpenMBEE全称为Open-source Model-Based Engineering Environment，是一套基于模型的协同研发环境，通过集成客户端建模工具、Web程序和模型数据库MMS，实现:

模型数据的统一存储
版本管理、流程管理和权限管理
基于web的文档生成、模型查看
提供RESTful webservices为更多工具集成提供接口

OpenMBEE在构成上分为三部分：

Model Management System (MMS)，提供模型管理功能
View Editor (VE)，提供web端的模型同步、查看、文档生成功能
Model Development Kit (MDK): 建模工具Web service接口

OpenMBEE与周边部署环境

ViewEditor界面

OpenMBEE的用户包含Boeing, Ford, NASA JPL, Lockheed, OMG, TMT等，不同用户的应用状态如下表所示（截至2018/01）：

OpenMBEE代码均开源，详细信息可通过http://www.openmbee.org查看和下载。

2) NASA JPL: OpenCAE

虽然上述OpenMBEE环境解决了系统工程基于模型的协同问题，但其仍然局限在系统建模（SysML模型），从产品研发全生命周期来看，缺少了与后端多学科领域设计数据的关联和同步。

因此，在OpenMBEE基础上，JPL又提出了OpenCAE的概念 – Open Computer Aided Engineering，将OpenMBEE的理念从系统工程扩展到了Electrical, Mechanical和Software Engineering中，解决系统模型与多学科模型的数据集成问题。

整个OpenCAE环境以中间数据管理为核心，通过Web Service实现与各个不同客户端建模工具的数据交互，包含SysML建模工具(MagicDraw),数学计算工具, 仿真优化工具,CAD, JIRA等，最终实现数据源唯一管理、跨部门数据协同。

2. NASA MBSE历程: 2009~2019

NASA对于MBSE概念的接触始于2008年，该技术路线随后获得了几位管理高层支持。2009年之后，NASA开始在执行层面加大投入，先后在规划、推广和试点方面投入人力和资源。

总的来说，其MBSE技术引入和普及历程大致分为以下三个阶段，下文将展开分析：

2009-2012：规划、推广和试点
2013-2016：逐渐成熟
2017-2019：成熟应用

1) 2009-2012:规划、推广和试点

a) 路线规划

NASA在引入MBSE初期即意识到了这是一个长期的技术转型，因此初期规划了2009-2016共7年的大概技术路线，大致分为了：

Phase I: Building，即MBSE能力构建
Phase II: Performing, MBSE项目落地
Phase III: Integrating, MBSE在产品全生命周期的应用，并构建基于模型的统一跨部门协同、管理平台

如下图所示：

b) 推广工作内容

为推动MBSE的落地实践，NASA在最初几年进行了大量的资源投入，以支撑MBSE的落地实践，这些工作包含但不限于：

培训: 2011年前后，其已经完成了内部120+工程师的MBSE培训，其中50+积极实践者
咨询资源引入: 积极引入MBSE内外部咨询专家资源
内部沟通: 形成80+左右的MBSE技术沟通团队，每两周沟通一次
经验总结与分享: JPL形成基于案例模型的SysML指导手册
建模工具实践和扩展探索

搭建起MBSE工具平台
与高校合作暑期项目，探索工具之间集成路线
基于模型的文档生成技术验证

c) 项目试点：2个案例

可公开获取资料中，2011、2012前后，NASA先后在Langley Research Center、Glenn Research Center先后进行了MBSE试点工作，具体试点项目内容如下。

Materials International Space Station Experiment-X (MISSE-X)

用户：NASA Langley Research Center，
项目团队及工作开展方式：在JPL的培训基础上进行试点。部分有MBSE基础的人+零基础项目人员(在项目试点过程中边看、边学)。
项目结论

基于模型的系统设计方式需要巨大的前期投入
但随之带来的价值同样明显，通过模型能够更加高效、准确地进行信息传递，在项目成员对基于模型的流程、工具更熟悉后，这种价值将会更加明显

遇到的挑战

MBSE相关知识储备不足
缺少使用SysML进行该领域产品设计的经验指导
通过模型进行系统设计，但同时仍然需要满足项目流程中对文档交付物的要求
基于系统模型的仿真验证工作未涉及，并意识到构建系统级、跨领域的仿真模型难度较高

项目范围: 蓝色是项目相关内容，绿色为外部接口

系统结构分解

Space Communications Networks

用户: NASA Glenn Research Center
项目团队: 来自NASA不同部门专家团队，包含

Jet Propulsion Laboratory
Goddard Space Flight Center
Glenn Research Center
NASA Headquarters

项目内容: 将3个松散集成的通信网络系统 - the Near Earth Network (NEN), the Space Network (SN), and the Deep Space Network (DSN) 集成为统一管理和维护的通信网络系统。从理解当前已有系统开始，设计集成网络系统的架构。
项目结论

MBSE帮助实现了多个复杂系统架构的分析、对比和选择
MBSE能够建立多级复杂系统架构的完整关联追溯
统一系统描述语言和唯一数据源使得系统多方案比选更高效
MBSE对复杂系统设计有价值，且在项目实施过程中体会更深

系统架构图：PPT vs 模型

d) 本体模型 & SysML

由于SysML中定义了各类产品构成元素（功能、结构等），以及元素之间的完整关联关系，这与本体的概念不谋而合。

因此，在2012年，NASA JPL开展了通过SysML模型转换形成本体模型，用以支撑其知识工程的工作。

2) 2013-2016: 逐渐成熟

a) 2013: 项目应用状态

基于前面几年的投入和铺垫工作，从2013年开始，NASA开始展开更大规模的MBSE应用，并开始考虑MBSE在产品全生命周期中的应用问题以及跨部门协同问题等。

2013年前后，NASA不同研究中心内部已经培养了大量MBSE专家，这些专家有力支撑了MBSE在不同项目上的落地。

在INCOSE International Workshop MBSE Workshop中，JPL专家提到其当前MBSE的项目应用已经接近20个。

b) 2014: 全生命周期应用拓展

2014年前后，NASA的MBSE应用已经从最初的系统方案设计，逐渐扩展到产品全生命周期中，包含概念选型、方案设计、集成仿真分析、系统验证V&V（测试规划）、报告自动生成等。

NASA产品全生命周期

产品架构方案分析比选

产品设计

基于模型的测试规划

基于模型的仿真分析测试

文档自动生成

c) 2015: 基于模型的协同工作环境OpenMBEE

基于模型的企业级跨部门协同方案 - MBEE概念提出，原始需求为是希望搭建一套平台，实现：

实现模型数据统一管理，包含数据版本管理、流程管理、权限管理
实现网页端模型查看、报告生成
基于Web Service的数据调用

但在当时该方案尚未成熟落地。

d) 2016: NASA GRC MBSE应用状态更新

NASA GRC在公开介绍中更新了当时MBSE在其内部的应用状态。

从2012年最开始的试点项目，到2016年的MBSE应用项目超过7个，且在产品全生命周期都有应用。

3) 2017-2019: 成熟应用

到2017年前后，NASA的MBSE应用已经基本成熟，MBSE生态已经建立，主要工作是在更大范围地普及和推广，以及在真实项目应用中的价值深度挖掘。

a) 2017：应用总结 & OpenCAE概念提出

2017 NASA MBSE应用总结

累计开展30+场SysML培训课程
多个研发中心开展了MBSE研讨会
所有团队都进行过大量系统建模工作，并各自总结项目经验
开展基于模型的框架集成工作
推进云端部署：包含浮动license共享、模型数据的统一存储和共享

NASA JPL OpenCAE概念提出

这一年，NASA JPL在工具落地方案方面也进行了更新：

更新OpenMBEE方案内容，并建立统一维护网站” http://www.openmbee.org/”
提出更加具体和落地的OpenCAE概念和方案

b) 2018:OpenCAE更新&企业技术成熟度评估表

在2018年，MBSE在NASA内部多个研究中心已形成最佳实践，包含NASA Jet Propulsion Laboratory, NASA Glenn Research Center, NASA Goddard Space Flight Center等。

同年，NASA JPL公布了基于模型的协同环境 - OpenCAE更成熟版本。

在2018 INCOSE International Workshop上，NASA MSFC联合The Aerospace Corporation上共同发布MBSE技术成熟度评估表单。

c) 2019:OpenCAE & 企业技术成熟度评估表版本更新

更新OpenCAE平台方案与企业MBSE技术成熟度评估表

3. NASA MBSE的借鉴意义

对于当前国内目前正在实践MBSE的企业来说，NASA现阶段较为成熟的OpenMBEE & OpenCAE方案、技术成熟度评估方法可以作为企业落地MBSE的参考路标。

同时，其10年MBSE推广历程中遇到的困难、积累的经验也可帮助企业明确MBSE的技术发展路线，更清晰的认识MBSE引入可能的挑战、需要的投入及落地后的价值。

试点项目中可能遇到的挑战

基于模型的设计语言学习
研发管理流程需要适应新的研发方式
从单个部门应用到产品全生命周期应用的协同问题
系统级仿真分析的实现
…

NASA MBSE成功落地背后的推动力

人才的培养
项目实践
持续地投入（高层支持）
外部顾问资源、与业内的技术沟通与共享，与时俱进

4. 本文调研材料清单

2017 Annual INCOSE International Workshop, “NASA Model-Based Systems Engineering Pathfinder 2016 Summary and Path Forward”, NASA Glenn Research Center & NASA Engineering and Safety Center
2011, Experiences Deploying MBSE at NASA JPL
Jenkins S, Rouquette N. Progress on Integrating OWL and SysML[J]. 2012.
Vipavetz K, Murphy D, Infeld S. Model-Based Systems Engineering Pilot Program at NASA Langley[C]//AIAA SPACE2012 Conference & Exposition. 2012: 5165.
Bhasin K, Barnes P, Reinert J,et al. Applying model based systems engineering to NASA's space communications networks[C]//2013 IEEE International Systems Conference (SysCon). IEEE, 2013:325-330.
Nichols D, Lin C. Integrated Model-Centric Engineering: The Application of MBSE at JPL Through the LifeCycle[C]//INCOSE International MBSE Workshop. 2014.
Christopher L D, Cin-Young L, Marie P. Model-Based Engineering Environment for Model-Based Systems Engineering
Parrott E, Trase K, Green R, etal. NASA GRC MBSE Implementation Status[J]. 2016.
Weiland K, Holladay J. NASA Model-Based Systems Engineering Pathfinder 2016 Summary and Path Forward[C]//2017 Annual INCOSE International Workshop, Los Angeles, CA. 2017.
Edith P. The Value of Successful MBSE Adoption
Christopher D. The Workshop of Change for the Information Craftsman[C]//2017 Annual INCOSE International Workshop, Los Angeles, CA. 2017.
Madni A M, Sievers M. Model‐based systems engineering: Motivation, current status, and research opportunities[J]. Systems Engineering, 2018, 21(3): 172-190.
Robert K. NASA JPL Systems Environment//2018 OMG Technical Meeting, Seattle,WA, USA.
Hale J, Hoheb A. Digital Engineering (DE) Capabilities Definition Document[J]. 2018.
Eric W Brower. OpenCAE Case Study: Europa Lander Concept[C]//2019Annual INCOSE International Workshop, Torrance, CA, USA. 2019.