基于TRA端到端的追溯——加速MBSE落地
基于TRA端到端的追溯——加速MBSE落地
在复杂系统研发中，可追溯性对于掌握产品设计过程的符合性和一致性、分析各个部件变化产生的影响非常重要。因此，无论是采用传统基于文档的方式还是基于模型的系统工程（以下简称MBSE）进行系统研发，设计可追溯性都是加速研发效率、提升产品质量、提高管理能力的关键因素。建立系统设计全周期端到端的追溯性，可以让系统开发中各利益相关方充分的发掘基于模型研发方式的优势，切实帮助研发人员和管理人员提高效率，并促进各利益相关方的协同，从而从根本上加速企业构建MBSE正向研发能力的进程。
通常来说，在系统设计的不同阶段都会形成相应的模型和数据作为交付物，每个交付物的设计都需要依据上游阶段的输出，同时也要作为下游阶段的输入，可以说，整个设计周期就是交付物之间形成关联的过程，如图1所示。
图1 全周期端到端的设计追溯
所谓追溯性，是指一个设计实体（工件、模型、代码等）与另一个设计实体之间根据业务的内在联系而定义的双向关联关系并进行记录的能力。而端到端的追溯性，就是更进一步定义和记录了从顶层设计的需求一直到详细设计以及系统集成验证与确认之间的闭环关联关系。建立系统设计全周期端到端的追溯性，是复杂系统研发中至关重要的关键因素。
一般来讲，飞机、车辆、卫星等复杂系统由数千至数万个零件组成，系统研发可能在其整个生命周期内经历多次严重程度不一的工程变更，就需要评估和处理与产品开发相关的数千个变更项。这就意味着，在整个产品开发的生命周期中，研发机构必须能够在需要的时间点上准确地保证“设计需求-系统架构-工程交付”之间的设计一致性，并在此基础上进行相应的覆盖度分析、影响分析、以及变更管理。如果没有追溯性作为基础，这些工作都无从谈起。
图2 追溯性是设计质量和管理的基础
设计追溯性不仅在工程实践中显而易见，同时在相关工程设计规范和标准中也有明确的要求。系统工程相关标准和手册（如ISO15288，INCOSE Handbook， NASA SE Handbook等）中，就非常强调建立设计追溯性，要求在整个产品生命周期中都维护和更新需求验证追溯矩阵（RVTM）；同时，安全性关键的相关产品标准（ARP4754A，DO178B，ISO26262等）中，都要求提供证据来证明在开发流程中充分考虑到了法规和安全性需求，并保证需求到实施、集成、验证都建立了工程数据间追溯性连接。
图3 设计规范对于追溯性的要求
由此可见，随着系统功能和技术实现的日益复杂，保持系统设计的可追溯性对有效协调和实施产品开发就变得越来越重要。设计追溯性的建立，本质上是建立系统设计全周期中相关信息的双向关联性的过程。在所有与追溯相关的关联关系的建立活动中，有以下三点因素是不可或缺的：
一、建立设计模型或数据的不间断的双向关联链；
二、通过双向关联链定位并获取相关设计信息；
三、建立协同机制保证利益相关者共享追溯信息。
由于系统开发从高层级系统规格开始，需要确定哪些系统规格需要哪些子系统规格和架构来实现，然后再分配到各个专业，这些专业涉及到电气，流体，硬件，软件和结构等领域，而在不同的阶段、不同的领域都会应用不同的专业工具，处理和存储相应的数据，如图4所示。如何在这些不同类型的数据（也称作异构数据）之间建立不间断的双向关联链，也就成了实现系统设计可追溯的重要基础。
图4 追溯需要异构数据之间不间断的关联链
产品生命周期计划确定的每个活动和工作流都会产生相应的数据交付，还包括了收集的所有证据，用于确保生命周期活动按照生命周期计划执行并进行有效的验证（评审，分析，测试）。而在传统开发方式中，对于设计数据繁重的导入/导出和维护工作，严重的限制了开展有效设计追溯的可行性，如图5所示。因此，在整个开发过程的特定时间点，如何基于追溯性定位所需的数据资产并能够快速方便的获取设计信息，也就成了实现系统设计可追溯的关键环节。
图5 追溯需要能够快速定位并获取设计信息
在设计系统的过程中，良好的设计追溯性允许各领域专家、客户用户、管理人员、设计人员、质量和监管机构深入了解产品中他们关注的特定方面。在整个开发过程的任何特定时间点，可追溯信息都需要能够支持开发和变更过程，保证系统设计人员以及其他利益相关者可以实现对过程的掌控，并获得对系统开发的把握和信心。而在传统开发环境中追溯信息通常基于文本，缺少有效性和实时性，且往往无法共享，如图6所示。因此，如何建立追溯信息协同机制，也就成了实现系统设计可追溯的必要因素。
图6 追溯需要协同机制保证利益相关者共享信息
鉴于追溯性在系统研制过程中所起到的关键作用，为了更好的帮助研发机构提高其在系统开发、质量保证、项目管理等方面的能力，达索系统（DASSAULT SYSTEMES）公司向航空航天、交通运输、船舶海洋、工业装备、高科技等行业客户提出了系统追溯性设计师（TRA，SYSTEMS TRACEABILITY DESIGNER）的解决方案，如下图所示：
图7 DS系统追溯性设计师（TRA）方案
该方案可以提供系统设计端到端的追溯能力，通过提供方便的用户功能，以实现研发过程中异构模型和数据集的预览、导航和注释；并提供可追溯性与配置管理的结合，实现在特定版本的上下文中进行导航的能力，保证设计过程的符合性和一致性；进而实现在追溯性的基础上，提供及时准确的影响分析来支持变更管理；同时，采用单一的数据源以及基于Web端的工作方式，可以充分有效地促进利益相关者之间的实时协作，如下图所示：
图8 TRA方案提供端到端的追溯和协同能力
应用系统追溯设计师（TRA）方案在系统设计过程中建立可追溯性，可以实现自上而下的面向需求牵引、正向研发、确认及验证（V&V）过程的可追溯性，以提供系统开发全生命周期的闭环验证，并在所有级别的设计中保持可追溯性。通过应用系统设计追溯方案，可以有效实现的设计过程追溯能力如下：
· 异构系统模型集的端到端可追溯性和影响分析
· 带有扩展模型注释的扩展企业环境中的团队之间的协作
· 用于工程综合的异构和跨学科模型的系统分析
· 提供有关工程数据的可见性，以更好地进行项目控制
· 在开发过程的每个步骤中都符合利益相关者的要求
以一个实际工程中经常遇到的情景为例，假设某系统设计需要OEM厂商和组件供应商之间进行协作，需要进行的关键活动如表1所示。同时，设计的过程中不可避免的需要进行设计迭代，假设是从架构方案V1演进到V2方案，将传统As-Is追溯解决方案与端到端追溯的To-Be解决方案进行对比，如下表所示：
表1 应用TRA追溯方案效益分析表
分析可见，通过以实现端到端的追溯能力，明显的提高了追溯信息的获取、更新和共享能力，在典型协作场景中应用TRA系统追溯设计师解决方案就可以节省约30%的工作量（人天），从而大幅提高系统研发的效率。
同时，除了对于研发效率的提高，系统追溯设计师TRA解决方案还可以在项目管理和质量保证为企业带来明显的收益，如下表所示：
表2 TRA追溯方案的应用收益
图9 部分TRA解决方案用户
由于TRA系统追溯设计师方案可以为企业带来非常显著的收益，目前已经在航空航天、交通运输、能源、船舶海洋、工业装备、高科技等诸多行业的标杆企业得到了广泛应用，如上图所示。
阿尔斯通（ALSTOM）轨道交通案例
阿尔斯通（ALSTOM）轨道交通案例
以阿尔斯通（ALSTOM）轨道交通业务部门的应用案例为例，阿尔斯通轨道交通运输案例基于转向架监控系统（BMS），该系统需要监控与转向架行为和控制相关的许多参数（例如参考加速度，轴承振动，温度等），从而帮助用户做出操作和维护决策。
图10 BMS系统示意图
本项目的目标是开发与物理系统紧密结合的系统开发可信赖的嵌入式软件，建立软件与架构之间的交互，并开展合作伙伴的新创新技术的开发和评估。为了开发该系统，阿尔斯通轨道交通使用了大量异构的专业工程工具，这些工具大多是独立使用，造成了设计数据相互之间的孤立，缺乏有效的追溯能力，如下图所示，这种情况给整个设计过程的迭代和协作带了很大的困难。
图11 BMS系统设计工具列表
为了在整个开发过程的任何时间点，建立必要的系统设计追溯性，以便支持开发过程并评估设计变更的影响，使得系统工程师以及其他利益相关者可以实现对过程的控制，同时允许对项目协同各方对系统数据进行多学科和多格式导航、查看和评审，该项目应用TRA系统追溯设计师解决方案，建立较为完整的端到端的设计追溯性，如下图所示：
图12 BMS系统端到端的追溯链
通过应用TRA解决方案，阿尔斯通轨道交通有效的实现了对MBSE研发流程的良好支持，实现了对不同的数据模型快速浏览，而无需特殊技能进行横向审阅，质量审查和影响分析；实现了所有系统需求分配给硬件、软件、接口、服务或其他元素的追溯，确保了顶层需求可追溯性贯穿整个项目的生命周期，直到验证程序完成并且获得客户接受；确保了系统上每个需求的历史记录都是可维护的并且是可检索的。
由此可见，在复杂系统研发中，可追溯性对于了解复杂产品设计过程的符合性和一致性、分析各个部件变化产生的影响非常重要。同时不难发现，可追溯性本身并不是目标，而是一种必需的手段，既通过可追溯性来实现对复杂系统开发过程的有效控制和管理，来保证每个级别的每个设计都被明确定义了其来源以及为什么需要它，进而实现：
1.提高从系统级到最低配置项的所有需求的完整性和准确性；
2. 跟踪设计开发和分配过程并定义总体措施；
3. 支持系统设计和实现的维护、更改和复用过程；
4. 支撑面向确认和验证（V&V）的设计闭环。
以上这4点都是MBSE落地的必要方面。通过应用TRA系统追溯设计师解决方案，可以让系统开发中各利益相关方充分的发掘基于模型研发方式的优势，切实帮助研发人员和管理人员提高效率，并促进各利益相关方的协同，从而从根本上加速企业构建MBSE正向研发能力的进程。
