敏捷系統工程Agile Systems Engineering
《敏捷系統工程》表達了系統工程的一種愿景，即在敏捷的工程背景環(huán)境中，精確的需求規(guī)范、結
構和行為可以滿足系統安全性、安保性、可靠性以及性能等更大的關注。
世界著名的作家及演說家Bruce Powel Douglass博士將敏捷方法和基于模型的系統工程(MBSE)有機結
合在一起，定義了系統整體的特性，從而避免傳統的基于文檔規(guī)范的方式所帶來的錯誤。
《敏捷系統工程》闡述了系統開發(fā)的整個生命周期，包括需求、分析、設計以及向特定工程學科的
轉交。Douglass博士自始至終都將敏捷方法與SysML和MBSE相結合，進而為系統工程師提供概念和方法
層面應用的流程指南，使他們可以避免規(guī)范中的缺陷并改進系統的質量。與此同時，敏捷方法可以降低
系統工程的工作和成本。主要特色
◆ 識別出在系統工程的環(huán)境中如何更有效地應用敏捷方法的概念和技術
◆ 展示了如何進行基于模型的功能分析并將分析的結果往回與系統需求和利益攸關者需要相關聯，并往
前與系統架構和接口定義相關聯
◆ 提供了一種用于保證系統工程數據質量和正確性的方式(并且是在系統建造之前)
◆ 解釋了敏捷系統架構的規(guī)范以及系統功能到系統組件的分配
◆ 闡釋了如何將工程規(guī)范數據傳遞到下游工程而不發(fā)生保真度的丟失
◆ 包括了跨行業(yè)系統全生命周期中不同階段的詳細案例，其中以工業(yè)外骨骼Waldo為例介紹了復雜系
統的系統工程過程
《敏捷系統工程》中的方法基于作者的Harmony敏捷系統工程流程。該流程有關軟件開發(fā)方面的部分在其他文獻中有詳細描述.�！睹艚菹到y工程》僅涉及系統工程的關注點。Harmony敏捷系統工程流程是一種敏捷的、以模型為中心的實施途徑，用于開發(fā)系統工程所需的工程數據；需求、架構、接口以及可依賴性分析是其中*重要的內容。Harmony流程是依據作者在全球范圍內所指導完成、取得飛速進展并在其他方面發(fā)揮作用的實際項目上累積的數十年系統經驗提出和完善的。
前 言
產品的功能和復雜性正在成倍地增加，而且對這些系統的安全性、可靠性以及安保性的關注使得這樣的系統對工程師而言更加困難。同時，產品開發(fā)周期正在萎縮。很顯然，變革是需要的。我們需要能夠以更少的時間制造出更有能力且缺陷更少的系統。
針對此問題，一個受到高度評價的解決方案是避免以文本作為捕獲工程數據的主要手段。雖然文本具有極好的表現力，但是它是有歧義的，而且是極其不嚴謹的。使用更加正規(guī)的定義語言(這里，顯然是指UML和SysML)進行建模是要力求改善特定的工程數據。只要我們能夠想出改進的方式即可。
另一個所提供的解決方案是敏捷方法。盡管敏捷方法已經開始應用于嵌入式和實時系統，但這些方法卻是由軟件IT行業(yè)開發(fā)的。然而，敏捷文獻(幾乎)完全關注在臺式機或IT軟件開發(fā)上。他們考慮的開發(fā)環(huán)境(幾乎)全部都是同地域小型團隊的合作，并不關注安全性、可靠性或安保性問題；而且沒有與電子或機械部件的聯合開發(fā)。因此，系統工程師想要知道的是這種方法如何適用于我和我的工作。敏捷文獻沒有給出答案。
有一些關于系統工程的很好的書籍，也有一些關于SysML與基于模型的系統工程(MBSE)的很好的書籍。有許多關于軟件的敏捷方法的書籍(其中一些書籍也是很好的)。然而，目前還沒有書籍來嘗試將這些概念綜合為一種一致且可用的系統工程方法�！睹艚菹到y工程》的目的就在于滿足這種需要。
我們首先簡單地介紹了系統工程學科，之后又簡短討論了敏捷方法，因為它們在大多數系統文獻中都有論述，包括其益處。除前言部分外，還有一章內容關于基本的SysML。接著，我們就開始理解如何在現實生活中應用MBSE。
《敏捷系統工程》中的方法基于作者的Harmony敏捷系統工程流程。該流程有關軟件開發(fā)方面的部分在其他文獻中有詳細描述a；《敏捷系統工程》僅涉及系統工程的關注點。Harmony敏捷系統工程流程是一種敏捷的、以模型為中心的實施途徑，用于開發(fā)系統工程所需的工程數據；需求、架構、接口以及可依賴性分析是其中最重要的內容。Harmony流程是依據作者在全球范圍內所指導完成、取得飛速進展并在其他方面發(fā)揮作用的實際項目上累積的數十年系統經驗提出和完善的。
在教育工作者中有這樣一種說法我示你看。我講你聽。你做你懂。為此，《敏捷系統工程》中有大量示例用于闡明執(zhí)行所涉及的工程步驟的細節(jié)。這些示例涉及工程學科的多個方面，包括軟件、電子和機械工程。這些示例中的第一個示例是高端跑步機。第二個更復雜的示例是能夠承載1500千克的可穿戴工業(yè)用機器人外骨骼(被稱為waldo)。Harmony敏捷系統工程流程的每個主要活動都是以這些和其他示例展開討論和演示的。我們鼓勵讀者針對提出的問題構建自己的解決方案并建立這些章節(jié)中所描述的模型。
a 例如，參見Real-Time
Agility(Addison-Wesley, 2009)或Real-Time
UML Workshop for Embedded Systems(Elsevier， 2014)。
X 敏捷系統工程
讀者
《敏捷系統工程》的主要讀者不言而喻是系統工程師。系統工程師的主要關注點集中在(通常)由多個工程學科所實施的系統規(guī)范與設計上。系統工程師規(guī)定了產品的系統特性而將學科特有的細節(jié)留給適當的下游工程團隊。一些下游工程師也可能在《敏捷系統工程》中找到感興趣的信息，特別是系統工程數據如何被格式化并采納以滿足轉交活動中他們需要的細節(jié)。
目標
在游歷世界期間，我感受到系統工程師在應用MBSE方法時所遇到的困難。主要的語言SysML令人望而生畏。SysML包括800頁左右的UML規(guī)范并且增加了數百頁。它是一種功能極為強大但是十分復雜的語言。
除了語言本身，隨著產品復雜性成倍增加以及產品交付周期的不斷縮減，亟須同時提高系統工程工作的效率并改進質量。我們看到系統在安全關鍵的、高可靠性和安保性環(huán)境中正日益取代人類，并且我們必須能夠始終依靠這些系統的功能正常運轉。
《敏捷系統工程》有一個簡單目標為系統工程師提供足夠的指導，以便他們能方便有效地將敏捷方法和MBSE應用到復雜系統的開發(fā)中，因為現實世界越來越依賴于這些系統的運行。
工具
《敏捷系統工程》中的所有建模示例都使用IBM
Rhapsody工具進行建模。然而，關于標準的一個好處是對不同工具的多種選擇。如果你偏愛的其他工具支持SysML標準，那么你用你選擇的工具建立這些模型時應該不會遇到什么困難。這不是一本關于Rhapsody的書，也不是專用于Rhapsody的書。
拓展
如果你對工具、培訓或咨詢感興趣，參見www.ibm.com。我在世界范圍內教授關于UML、SysML、MDA、DoDAF、架構設計、設計模式、需求建模、用例、安全性關鍵開發(fā)、行為建模、開發(fā)流程改進、項目管理與調度等多門高等課程并提供咨詢。你可通過Bruce.Douglass@us.ibm.com就培訓或咨詢服務與我聯系。我還開通了一個(免費的)yahoo群組論壇，網址是http://groups.yahoo.com/group/RT-UML快來參與吧！My
IBM Thought Leader頁面(http://www-01.ibm.com/software/rational/leadership/thought/brucedouglass.html)也包含你可能感興趣的白皮書，其涉及不同課題并可供下載。
Bruce Powel Douglass博士
Bruce Powel Douglass 3歲時開始自學讀書，不到12歲就開始學習微積分。他14歲輟學游歷美國，幾年后進入俄勒岡大學學習數學專業(yè)。他最終獲得俄勒岡大學運動生理學科學碩士學位以及USD醫(yī)學院神經生理學博士學位。他在USD醫(yī)學院期間提出了一個名為自相關因子分析的數學分支，用于研究多細胞生物神經系統中的信息處理。
Bruce作為軟件開發(fā)人員和系統工程師在實時嵌入式系統領域已經工作超過30年，是實時嵌入式系統領域著名的演說家、作者與顧問。他是嵌入式系統大會和UML世界大會的顧問委員會的成員之一，并在會議上講授過關于系統工程、項目估算和調度、項目管理、面向對象的分析與設計、通信協議、有限狀態(tài)機、設計模式以及安全性關鍵系統設計方面的課程。Bruce 在實時系統、軟件設計以及項目管理方面有多年的開發(fā)、授課與咨詢經驗。他還為很多(特別是實時領域內的)雜志和期刊撰文。
Bruce是IBM物聯網(IoT)業(yè)務部的首席布道師。作為首席布道師，除了披荊斬棘開拓道路，他更像是一位首席科學家。Bruce與UML合作伙伴在UML與SysML標準的規(guī)定方面密切合作。他開發(fā)了用于Rhapsody建模工具的第一個DoDAF的UML概要以及其他概要，例如故障樹分析概要以及安保性分析概要。他是對象管理組組織的實時分析和設計工作組的副主席。他還撰寫了其他幾本關于系統與軟件開發(fā)方面的書籍，包括Doing Hard Time: DevelopingReal-Time Systems with UML, Objects, Frameworks and Patterns(Addison-Wesley, 1999)、Real-Time Design Patterns: Robust Scalable Architecture for Real-Time Systems(Addison-Wesley,2002)、 Real-Time UML 3rd Edition: Advances in the UML for Real-Time Systems(Addison-Wesley, 2004)、Real-Time Agility(Addison-Wesley, 2009)、Design Patterns for Embedded Systemsin C(Elsevier, 2011)、 Real-Time UML Workshop for Embedded Systems(Elsevier, 2014)等，以及一本關于乒乓球方面的短篇教材。
Bruce喜歡古典音樂，古典吉他彈奏水平達到專業(yè)水準。他參加過多場體育比賽，包括乒乓球、自行車極限馬拉松賽、賽跑以及全接觸跆拳道，盡管目前還只是與打不還手的靜物交手。他最近重新回到三項全能運動比賽以及自行車極限馬拉松賽，并在2014年首次參加了鐵人三項比賽。
Bruce在全世界進行廣泛咨詢與培訓活動。如果你對此感興趣，可以通過Bruce.Douglass@us.ibm.com與他聯系。
目 錄
第1章 什么是基于模型的系統工程 1
1.1 關鍵的系統工程活動 1
1.1.1 識別客戶需要 2
1.1.2 規(guī)定系統需求 2
1.1.3 評估可依賴性 3
1.1.4 評價備選架構和技術 3
1.1.5 選擇特定架構和技術 4
1.1.6 分配需求和接口到架構 4
1.1.7 向下游工程轉交 4
1.1.8 將學科特定的設計綜合至系統組成 5
1.1.9 以整體驗證系統 5
1.1.10 系統確認 8
1.2 系統工程數據 8
1.2.1 系統開發(fā)規(guī)劃 8
1.2.2 利益攸關者需求 9
1.2.3 系統需求 9
1.2.4 認證規(guī)劃 9
1.2.5 子系統需求 9
1.2.6 學科特定的需求 9
1.2.7 安全性分析 10
1.2.8 可靠性分析 10
1.2.9 安保性分析 10
1.2.10 系統架構 10
1.2.11 綜合測試規(guī)劃 11
1.2.12 綜合測試 11
1.2.13 驗證規(guī)劃 11
1.2.14 驗證試驗 12
1.2.15 確認規(guī)劃 12
1.2.16 追溯矩陣 12
1.2.17 綜合測試結果 13
1.2.18 驗證結果 13
1.2.19 確認結果 13
1.3 系統工程的生命周期 13
1.3.1 V模型生命周期 13
1.3.2 增量式 15
1.3.3 混合式 16
1.4 基于模型的系統工程(MBSE) 17
1.4.1 建模的優(yōu)勢 17
1.4.2 用UML和SysML進行高精度建模 20
1.4.3 建模是敏捷系統工程的根本 20
1.4.4 在你的組織或項目中采納建模 21
1.4.5 建模規(guī)則 25
1.5 總結 27
參考文獻 27
第2章 什么是敏捷方法 29
2.1 敏捷宣言 30
2.2 敏捷方法的益處 32
2.2.1 提高工程數據的品質 32
2.2.2 提高工程效率 32
2.2.3 盡早獲得投資的回報(ROI) 33
2.2.4 利益攸關者滿意 33
2.2.5 增強了項目控制 33
2.2.6 響應變化 33
2.2.7 更早且更大幅度地降低項目風險 33
2.3 將敏捷宣言應用于系統工程 34
2.3.1 增量式地工作 34
2.3.2 動態(tài)地規(guī)劃 34
2.3.3 主動降低項目風險 35
2.3.4 持續(xù)地驗證 36
2.3.5 連續(xù)地綜合 36
2.3.6 用例1：在空域中發(fā)現軌跡 36
2.3.7 用例2：進行定期的內置測試(PBIT)
36
2.3.8 頻繁地確認 37
2.3.9 建模是aMBSE的根本 37
2.4 針對系統工程的敏捷最佳實踐 37
2.4.1 工作產品的增量式開發(fā) 38
2.4.2 工作產品的持續(xù)驗證 38
2.4.3 可執(zhí)行的需求模型 39
2.4.4 鏈接到文本規(guī)范的基于模型的規(guī)范 41
2.4.5 連續(xù)的可依賴性評估 41
2.4.6 主動的項目風險管理 42
2.4.7 向下游工程的基于模型的轉交 43
2.4.8 動態(tài)的規(guī)劃 43
2.5 匯總：Harmony aMBSE流程 45
2.5.1 啟動項目 47
2.5.2 定義利益攸關者需求 49
2.5.3 系統需求定義和分析 50
2.5.4 途徑1：基于流的用例分析 51
2.5.5 途徑2：基于場景的用例分析 51
2.5.6 途徑3：基于狀態(tài)的用例分析 52
2.5.7 架構分析 53
2.5.8 架構設計 55
2.5.9 進行迭代回顧 56
2.5.10 向下游工程轉交 57
2.5.11 控制項目 58
2.5.12 進行品質保證審計 59
2.5.13 管理變更 59
2.6 總結 59
參考文獻 60
第3章 SysML介紹 61
3.1 SysML概覽 61
3.2 UML擴展機制 64
3.2.1 SysML模型元素 65
3.2.2 SysML圖 66
3.2.3 行為圖 67
3.2.4 需求圖 68
3.2.5 結構圖 69
3.3 組織你的模型很重要 72
3.4 關鍵SysML視圖和核心語義 76
3.4.1 塊、關系、接口和端口 76
3.4.2 順序圖 86
3.4.3 活動、動作和活動圖 89
3.4.4 狀態(tài)機圖 94
3.5 最小SysML概要 103
3.6 總結 105
3.6.1 摘自UML 105
3.6.2 修改 105
3.6.3 新元素 106
參考文獻 106
第4章 敏捷的利益攸關者需求工程 107
4.1 目標 107
4.2 利益攸關者需求工作流 107
4.2.1 牢記這是敏捷MBSE 109
4.2.2 什么是用例 109
4.2.3 用例圖 112
4.3 示例模型：T-Wrecks工業(yè)外骨骼 116
4.4 識別利益攸關者 117
4.4.1 駕駛員 118
4.4.2 機隊管理人員 118
4.4.3 維護人員 118
4.4.4 采購方 118
4.4.5 安裝人員 119
4.4.6 T-Wreckers測試團隊 119
4.4.7 制造工程師 119
4.5 生成利益攸關者需求 119
4.5.1 什么是需求 119
4.5.2 性能需求和其他QoS需求121
4.5.3 需求可視化 122
4.5.4 需求管理工具 124
4.5.5 組織利益攸關者需求規(guī)范 124
4.6 對利益攸關者用例場景建模 124
4.6.1 什么是用例場景 125
4.6.2 場景分析工作流 127
4.6.3 T-Wrecks利益攸關者用例場景 129
4.7 創(chuàng)建/更新確認規(guī)劃 135
4.8 總結 136
4.8.1 識別利益攸關者 136
4.8.2 生成利益攸關者需求 136
4.8.3 對利益攸關者用例場景建模 136
4.8.4 創(chuàng)建/更新確認規(guī)劃137
4.9 未完待續(xù) 137
參考文獻 137
第5章 敏捷的系統需求定義和分析 139
5.1 目標 139
5.2 系統需求工作流 139
5.2.1 識別系統用例 140
5.2.2 生成/更新系統需求141
5.2.3 進行用例分析 141
5.2.4 創(chuàng)建邏輯數據模式 142
5.2.5 分析可依賴性 142
5.2.6 創(chuàng)建/更新系統驗證規(guī)劃142
5.3 識別系統用例 142
5.4 生成系統需求 143
5.5 分析用例 144
5.5.1 基于流的用例分析 144
5.5.2 基于場景的用例分析 160
5.5.3 基于狀態(tài)的用例分析 176
5.6 創(chuàng)建/更新邏輯數據模式 189
5.7 可依賴性分析 192
5.7.1 安全性分析 192
5.7.2 T-Wrecks初始可依賴性分析 201
5.8 創(chuàng)建/更新驗證規(guī)劃 204
5.9 總結 204
5.10 未完待續(xù) 205
參考文獻 205
第6章 敏捷的系統架構分析與權衡研究 207
6.1 目標 207
6.2 架構分析工作流 208
6.2.1 識別關鍵的系統功能 209
6.2.2 定義備選解決方案 209
6.2.3 架構權衡研究 209
6.2.4 將多個解決方案并入系統架構 210
6.2.5 定義評估準則 210
6.2.6 向準則分配權重 210
6.2.7 為每個準則定義效用曲線 211
6.2.8 向眾多備選解決方案分配MOE 211
6.2.9 確定解決方案 211
6.3 評估方法 211
6.3.1 簡單方法 211
6.3.2 高保真方法 213
6.4 識別關鍵的系統功能(和特性) 216
6.5 定義備選解決方案 218
6.5.1 Speed Demon備選解決方案 218
6.5.2 T-Wrecks備選解決方案 219
6.6 進行架構權衡研究 222
6.6.1 定義評估準則 222
6.6.2 向準則分配權重 223
6.6.3 為每個準則定義效用曲線 224
6.6.4 向備選解決方案分配MOE 226
6.6.5 確定解決方案 229
6.7 將多個解決方案并入系統架構 229
6.8 總結 230
6.9 未完待續(xù) 230
參考文獻 230
第7章 敏捷的系統架構設計 231
7.1 目標 231
7.1.1 什么是子系統 231
7.1.2 關鍵架構視圖 232
7.2 架構設計工作流 234
7.2.1 識別子系統 234
7.2.2 向子系統分配系統需求 234
7.2.3 向子系統分配用例 235
7.2.4 創(chuàng)建/更新邏輯數據模式235
7.2.5 創(chuàng)建/更新子系統需求235
7.2.6 開發(fā)控制律 235
7.2.7 分析可依賴性 235
7.2.8 進行評審 236
7.3 識別子系統 236
7.3.1 Speed Demon子系統 237
7.3.2 T-Wrecks子系統 245
7.4 向子系統分配系統需求 248
7.5 向子系統分配用例 249
7.5.1 自底向上分配 250
7.5.2 自頂向下分配 251
7.5.3 公共任務 253
7.5.4 Speed Demon子系統用例分配示例 254
7.5.5 T-Wrecks子系統用例分配示例 259
7.6 創(chuàng)建/更新邏輯數據模式 265
7.6.1 Speed Demon跑步機示例 266
7.6.2 T-Wrecks示例 267
7.7 創(chuàng)建/更新子系統需求 268
7.8 開發(fā)控制律 269
7.9 分析可依賴性 270
7.9.1 安全性分析 271
7.9.2 可靠性分析 271
7.9.3 安保性分析 271
7.10 總結 271
7.11 未完待續(xù) 272
參考文獻 272
第8章 向下游工程轉交 275
8.1 目標 275
8.2 向下游工程轉交的工作流 275
8.2.1 收集子系統規(guī)范數據 275
8.2.2 創(chuàng)建共享模型 276
8.2.3 定義子系統物理接口 276
8.2.4 創(chuàng)建子系統模型 277
8.2.5 定義跨學科接口 277
8.2.6 將需求分配到工程學科 277
8.3 收集子系統規(guī)范數據 277
8.3.1 收集SysML模型數據 277
8.3.2 收集其他工程數據 278
8.4 創(chuàng)建共享模型 279
8.5 定義子系統物理接口 280
8.5.1 從邏輯規(guī)范中創(chuàng)建物理規(guī)范 281
8.5.2 Speed Demon接口示例 284
8.5.3 T-Wrecks接口示例 287
8.6 創(chuàng)建子系統模型 290
8.7 定義跨學科接口 291
8.7.1 Speed Demon示例：Control Unit子系統接口規(guī)范 291
8.7.2 T-Wrecks示例 293
8.8 將需求分配到工程學科 297
8.8.1 Speed Demon示例 298
8.8.2 T-Wrecks示例 299
8.9 下游工程開始 304
8.10 系統工程還在繼續(xù) 305
參考文獻 305
附錄A T-Wrecks利益攸關者需求 307
附錄B T-Wrecks系統需求 311
書單推薦
