基于模型的系統工程（model-based systems engineering，MBSE）是近年來針對解決復雜系統產品的研發問題逐漸發展起來的新興技術。在工程實踐中，由于包含完整的過程、方法、工具、支持環境的成套解決方案，因此也被稱為 MBSE方法論。MBSE方法論一經提出，就備受推崇，得到迅速推廣和應用。航空產品作為典型的、高度復雜的系統產品，不可避免地成為 MBSE方法論的重點應用領域。目前，美國國家航空航天局（NASA）、美國波音公司、洛克希德-馬丁公司、歐洲空客公司、達索公司都在多種型號的不同研發階段進行了嘗試。在中國，中國商用飛機有限公司、中國航空工業集團、中國航空發動機集團等航空工業企業也紛紛加入這一領域，啟動了眾多關鍵技術研究。
MBSE方法論是典型的新技術和新方法，為確保航空安全，其應用實踐會給民機適航管理帶來極大的挑戰。目前，針對 MBSE方法論應用于航空產品研發，尚沒有可以參考與借鑒的適航要求和執行標準。
1 民用航空產品的適航管理
適航（airworthiness）即適航性。美國民用航空系統及設備的安全性評估方法與指南（SAE ARP4761）把適航性定義為“飛機、飛機系統及部件安全運行并實現其預定功能的狀態”。美國軍機適航性審定標準（MIL-HDBK-516B）把適航性定義為“航空器系統在規定的使用范圍和限制內能夠安全地開始、保持和完成飛行的特性”。
適航管理是國家法定的適航管理部門根據國家的有關規定，對民用航空器的設計、生產、使用和維修，實施以確保飛行安全為目的的技術鑒定和監督。圖 1概括了民用航空產品適航管理的內涵。
圖 1 民用航空適航管理的內涵
如圖 1所示，適航管理具有極其豐富的內涵，至少包含11個方面。
1）從概念和定義上，包括適航、審定基礎、審定計劃、符合性方法等用于適航管理的專用名稱，這也就意味著面向民用航空，有其獨特的管理理念、管理原則、管理過程和管理方法，也意味著面向民用航空，存在明顯與行業特征相關的管理實踐和管理經驗。
2）從來源和驅動力上，推動適航管理發展的主要來源和驅動力，一是事故調查，二是技術發展。前者是基于事實，對適航管理中存在問題的總結和提升；后者是基于知識和經驗，對適航管理對未來發展規律的提前預判。
3）從責任主體上，適航管理包含公眾、適航管理當局和申請方/持證方。公眾是適航管理的最終決策人和受益人，適航管理的要求由公眾確定，以法律法規形式體現，然后交由適航管理當局代表公眾執行，而民用航空產品的申請方/持證方則是承擔適航責任的第一方。
4）從管理對象上，涵蓋民用航空器的設計、生產、使用和維修的全生命周期，也包括整機、發動機、零部件和材料的全產業鏈。
5）從組織結構上，根據國際民航組織（ICAO）和芝加哥公約的規定，各國都建有相應的民用航空管理機構，承擔相應的適航管理責任與義務。目前全世界標桿的適航管理機構主要是美國聯邦管理局（FAA）和歐洲航空安全局（EASA），基于它們強大的航空工業能力，FAA和 EASA制定了大量民用航空適航管理法規、標準、政策和執行程序。其他主要民航大國如中國、加拿大、巴西等也有各自的航空管理局，相應的適航管理要求或者直接引用 FAA和 EASA的適航管理要求，或者與FAA和EASA的適航管理要求水平持平。
6）從管理目標上，民用航空適航管理的目標出發點是確保航空安全，但并未僅僅停留在確保航空安全上，保護環境也成為民用航空適航管理的另外一個重點。需要注意的是，民用航空適航管理，同時承擔促進行業發展的重任，尤其在新技術、新材料、新工藝出現的時候，適航管理當局的重要職責就是定義出合適的安全要求，即維護公眾的利益，又不能限制新技術、新材料、新工藝的應用，因而需要做大量基礎性的研究和協調性工作。
7）從管理方法上，適航管理歷經立法定標、合格審定、頒發證件和持續監督 4個階段?！皩彾ā被蛘摺斑m航審定”是適航管理的重要活動之一，核心目標是對航空產品“適航性”進行判定。適航審定活動根據航空產品的全生命周期特征，又存在 3種不同類型的審定活動，它們是面向航空產品研發的“型號審定”、面向航空產品制造的“生產審定”和面向航空器本身的“單機適航審定”。
8）從管理的時機和階段上，整個適航管理包含初始適航和持續適航兩大階段。初始適航主要確保航空產品的研發與設計滿足適航要求，從源頭上保證航空產品的安全性和環境友好特性；持續適航主要確保航空產品在使用和維修中，也能夠維持航空器的整體性能和操縱特性，在預期的運行環境和使用條件限制下始終具有安全性和物理完整性。航空器在全壽命階段內，能夠始終保持其符合型號設計和始終處于安全運行狀態。
9）從要求體系上，適航管理屬于典型的依法管理。同時，根據國際民航組織和芝加哥公約的要求，通過借鑒國際標桿適航管理當局的法律法規體系，并結合中國的現實情況，中國民航管理局（CAAC）的法規、規章、規范、標準已經全面覆蓋民用航空的方方面面，并且已經形成良好的修訂和完善機制。
10）從實施過程上，適航管理主要采用證件管理。一般包含：申請方提交申請；適航管理當局受理，并組成審查組；審查組根據合適的適航法規和執行程序開展審查；適航管理當局在申請方通過審查之后，頒發相應的證件，并進行后期的證后管理。
11）從發展趨勢上，由于技術的不斷進步，新設計和新產品不斷涌現，適航管理必須與它們相適應。例如，從管理理念上，由基于產品本身的管理，逐漸發展成基于運營風險的管理；從管理方法上，由管理當局的全面監管，變成部分授權給申請方/持證方的自有組織等。適航管理的理念、方法和實踐經驗，也正由民用航空器外延至軍事、海關、警察等部門使用的國家航空器、軍用航空器、無人飛行器和載人航天器。
2 MBSE方法論的應用對民用航空產品適航管理帶來的挑戰
系統工程是一種使系統能成功實現的跨學科的方法和手段。系統工程專注于：在開發周期的早期階段，就定義客戶需求與所要求的功能，將需求文件化；然后再考慮完整問題，即運行、成本、進度、性能、培訓、保障、試驗、制造和退出問題時，進行設計綜合和系統確認。系統工程以提供滿足用戶需求的高質量產品為目的，同時考慮了所有用戶的業務和技術需求。
顯而易見，只有確保有關適航的要求能夠有效地落入航空產品設計，才能夠在最終的產品演示過程中表明產品符合適航要求。適航要求作為頂層的設計輸入，只有通過正向的設計活動，首先將適航要求分解和分配到系統級，然后再分解和分配到部件層級，并最終成為可以落到實處的設計指標、設計規范，最后通過實現這些指標和規范，并進行部件集成、系統集成、產品集成，最終獲得符合適航要求的產品，并在整個活動中充分收集到各個層級的符合性證據。自頂向下開展需求、功能、架構的分解、分配，自底向上逐層開展部件、子系統、系統的綜合、驗證與確認是系統工程 V模型的核心思想。如圖 2所示，民用飛機及系統研制與集成過程是典型的符合系統工程原則的 V字開發模型。需要注意的是在V字模型的左半邊，需求分析、功能定義、架構設計是最重要的設計活動，并且只有將相關的安全性、可靠性、維修性等設計活動與需求分析、功能定義、架構設計相結合，才有可能將安全性等產品特性融入產品本身，成為產品的固有特性。
圖2 民用航空產品研發過程示意
傳統系統工程中，系統工程活動的產出是一系列基于自然語言的文檔，例如用戶的需求、設計方案。這個文檔又是文本格式的，所以也可以說傳統的系統工程是基于文本的系統工程（text-based systems engineering，TSE）。
一方面，由于現代工程系統在整體復雜度上有了明顯增加，系統設計過程產生的龐大信息與數據開始變得難以管理和維護，傳統的系統工程方法在復雜產品研發活動中引發許多困難，例如：（1）眾多信息分散于各個文檔，難以保證完整性與一致性；（2）傳統工程說明文檔對于復雜的、動態交互性強的活動難以描述，表達力不足。有時會產生歧義，導致工程人員交流時的誤解；（3）工程細節難以維護與跟進，某處文檔內容更改后，與該文檔相關的文檔都需要相應更改。工作量大，維護困難。
另一方面，隨著數字技術的不斷發展，各專業、各領域的設計方法都在向基于模型的方法轉變。例如最早出現在機械工程領域的幾何建模和實體建模，具有標志意義的是 1980 年代后期以Parasolid、ACIS 為內核成熟和廣泛采用的仿真建模工具如 CATIA等。隨后的幾十年間，在電子工程領域出現了功能建模和邏輯建模，在軟件工程領域出現了過程建模，出現了統一建模語言（UML），隨之又出現系統開發領域的系統建模語言（SysML），并最終形成了眾多優秀的仿真建模工具。
基于建模能力的不斷加深，建模細節程度也不斷提高，這使得復雜產品在不同設計階段都帶來巨大的好處：（1）通過模型可以加強利益相關方之間的溝通，并保證對系，統理解的一致性；（2）通過模型元素之間的映射關系可以直觀反映需求到架構之間的追溯性；（3）隨著設計的不斷深入，嚴格遵循建模規則的系統模型的逼真度和置信度會不斷提高，直至達到“模型即設計規范”的目標；（4）提高針對系統復雜性的管控能力，可以有效支持全壽命周期復雜系統研制過程的項目管理，有效管控增量式、迭代式和并行式的項目進展過程。
MBSE于1990年代由Vitech公司提出，作為其支持MBSE 方法論的軟件建模環境 CORE 的產品解釋。在2007 年，國際系統工程協會（INCOSE）推出“MBSE Initiative”項目，對 MBSE 進行正式的理論探索和實踐推廣，其目標是在 2020年將 MBSE理念常態化。INCOSE關于 MBSE的定義：基于模型的系統工程（MBSE）是指在系統概念設計、系統研制、一直到之后的各個生命周期階段中，全面支持系統需求、設計、分析、驗證和確認等活動的模型范式化應用。
文獻中關于“方法論”的定義包括 PMTE 4 個元素，分別是：（1）過程，定義“應該做什么What to be done”；（2）方法，描述執行某項任務的技術途徑，解釋“How to do”；（3）工具，是一種“設施”如軟件、硬件、設備等，在用于某特定方法時，可以提高任務執行的效率；（4）環境，包含一系列可能影響特定對象、個人或者團體活動的外部實體、條件或者其他因素，構成過程和方法執行的上下文環境。
基于 PMTE模型，MBSE方法論提供了復雜系統設計問題的完整方案框架。圖 3 提供了 PMTE 模型的方法論示意。
圖3 方法論的PMTE四元素
基于模型的系統工程，被視為系統工程的“革命”“系統工程的未來”“系統工程的轉型”等。基于 MBSE方法論，NASA、美國波音公司、洛克希德-馬丁公司也積極采用 MBSE 開發各類工程系統，取得了很好的效果。但從航空產品研發的角度，基于MBSE方法論是典型的新技術和新方法，其應用實踐也給民機適航管理帶來極大的挑戰，例如，基于 MBSE方法論對于表明適航管理要求是否存在影響？這種影響是有利于航空產品的適航性，還是不利于？如果是不利于航空產品的適航性，如何管理和控制？相應的管理要求和控制尺度是什么？
3 MBSE方法論應用于航空產品研發應關注適航管理問題
從技術發展的趨勢看，MBSE方法論具有傳統系統工程方法論不可比擬的優勢，必將在航空產品研發活動中得到廣泛應用，但由于該方法論在民用航空產品的研發方面，都處于探索和試用階段，未見有采用MBSE方法論研發并成功通過適航審定的型號案例，因而針對 MBSE方法應用于航空產品研發的適航管理問題尚屬空白。針對這一挑戰，基于對適航管理的基本原則和以往型號合格審定的經驗，提出如下值得關注的問題。
審查方需要關注MBSE方法論的定義和范圍
當前，MBSE方法論對MBSE沒有完全統一的定義，更重要的是沒有對 MBSE的范圍進行清晰的界定?，F實情況中，有時會將 MBSE 方法論限于基于模型的工程（MBE）方法論，有時又會將MBSE方法論的范圍無限擴大，即只要使用了建模語言、建模工具，甚至只要使用了模型化的開發工具，都會被歸納為MBSE方法論。
然而，開展適航管理的工作基礎必須是具有清晰定義和明確范圍的對象，尤其在適航審定環節，申請方如何使用MBSE方法論開展航空產品研制，決定了審查方如何關注MBSE方法論的使用情況，因而申請方必須首先向審查方闡明自己的觀點和立場。類似針對飛行控制系統，目前有“電傳操縱系統”“電傳飛行控制系統”“電飛行控制系統”“Fly-by-Wire”等多個概念，都是在表達飛行控制系統具有新穎獨特的設計，這些概念在描述上有明顯差異，在系統實現上差距更大。在審定實踐中，審查方需要根據實際的型號設計特征做出判定。因而，在目前沒有機構對MBSE方法論進行規范統一的情況下， “一機一議”可能是唯一可實現的路徑。
審查方需要關注 MBSE方法論產生數據的類型和用途
“條款衡量、數據說話”是適航審定的基本原則，MBSE方法論怎樣應用于民用航空產品的研發，產生怎樣的數據，就成為需要關注的重點問題。
根據MBSE方法論產生數據的類型和用途，審查方的關注方式和判定準則完全不同。如果MBSE方法論產生的數據被直接在飛機型號中使用，例如機載軟件開發中的自動代碼生成，那么MBSE方法論產生的數據將獲得最高的關注度，執行最高的審查標準，并且還會根據不同的安全性影響等級，進行差異化的審查工作。如果 MBSE方法論產生的數據不被直接在飛機型號中使用，而是用于飛機型號研發的中間環節，甚至只是作為輔助性的開發方法使用，則無需執行最高的審查標準；但顯然用于飛機型號研發中間環節和作為輔助性開發方法，兩者對于飛機型號的最終影響完全不同。因而，申請方仍然需要向審查方詳細闡明MBSE方法論產生的數據類型和用途，以便審查方區別對待，提出有針對性的關注問題，并執行不同的審查標準和審查判據。
審查方需要關注MBSE方法論的執行規范
盡管 MBSE方法論的價值和優勢是可以使開發活動更加直觀，減少信息傳遞的誤差，保留開發知識和經驗，但是需要清晰的看到，MBSE方法論產生的原因是想從本質上解決復雜系統的開發問題。
復雜系統不僅僅在于系統的構造復雜，更在于系統具有復雜的邏輯性。復雜的設計輸入是導致系統復雜性的首要因素，設計輸入代表了需要系統應對和解決的問題。高度集成和高度軟件化是造成系統復雜度的另一個關鍵因素。
顯然，系統設計的復雜性問題在MBSE方法論的執行過程也會有集中表現，這包括要求執行MBSE方法論的人員基本素質要高、工程經驗豐富，而對于 MBSE方法論的執行過程的規范性要求會更高。
為了判定申請方的工作結果，審查方會對申請方采用MBSE方法論的研發工作體系足夠關注，提出有關組織機構、職責定位、執行程序、工作手冊、人員數量、人員能力以及工作保障條件的管理要求，這也就意味著申請方應建立相應的工作體系。審查方通過對工作體系的審核，控制產生數據的過程，增加對數據有效性、正確性、完整性的信心，幫助審查方進行數據符合性的判定。
MBSE 方法論具有傳統系統工程方法論不可比擬的優勢，必將在航空產品研發活動中得到廣泛應用。但作為典型的新技術和新方法，其應用實踐會給民機適航管理帶來極大的挑戰。針對適航管理問題展開研究，可以為形成型號研發和適航審定的指導性文件提供幫助。
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