Los sistemas de vías navegables y canales son particularmente rentables en el transporte de mercancías a granel y contenedorizadas para apoyar el comercio global. Sin embargo, a pesar de estos beneficios, se encuentran entre las formas de ingeniería de transporte más subestimadas. Mirando hacia el futuro, la perspectiva a largo plazo no es alentadora. Las fallas, retrasos, incidentes y accidentes en los sistemas de vías navegables envejecidos están haciendo poco para atraer la asistencia técnica y económica necesaria para la modernización y sostenibilidad. En un paso hacia la superación de estos desafíos, este documento argumenta que los programas de modernización y sostenibilidad de vías navegables y canales pueden beneficiarse significativamente del pensamiento sistémico, respaldado por técnicas de ingeniería de sistemas. Proponemos una metodología de múltiples niveles y múltiples etapas para el diseño basado en modelos, la simulación y la verificación formal de las operaciones de sistemas de vías navegables automatizados. En la fase inicial del desarrollo, se emplean técnicas de modelado semi-formales para la representación de los objetivos y escenarios del proyecto, requisitos y modelos de comportamiento y estructura de alto nivel. Para asegurar la precisión de las predicciones de ingeniería y la corrección de las operaciones, se utilizan técnicas de modelado formal para la evaluación del rendimiento y la verificación formal de la corrección de la funcionalidad. Las características esenciales de esta metodología se destacan en un estudio de caso sobre el comportamiento de barcos y sistemas de esclusas en un sistema de esclusas de dos etapas.