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工程系统和系统工程串起数字化的两条线(下)

2017/11/29    来源:e-works    作者:纪多斌      
关键字:数字化  工程系统  系统工程  
近日在细细研究No Magic的Magic Draw后,益发觉得MBSE是串起数字化的另一条线,以项目为边界,系统工程尝试围绕某具体对象串起相应的领域知识。大而言之,系统工程尝试串起需求,工程,测试和部署;小而言之,系统工程围绕产品打通机械,电气,软件等之间的接口通路,从关注系统内部的影响转个关注系统间的影响。再结合自己过往对于工程系统的理解,就得到个人理解系统工程和工程系统是串起数字化的两条线。系统工程围绕产品、对象关注系统和系统间的关系,其子集MBSE【ModelBased System Engineering】尝试用数字化的方法来表现系统间的关系。工程系统是平台,为各个系统的设计提供工程工具,诸如所知的PLM,ALM,CAD,CAE都属此类。在这里,尽量尝试不将系统工程和工程系统狭义化,只是落到具体的思考里不可避免要狭义化才能形成于文。因而下面只是一家之言,可借鉴可参考,不足以为凭据,毕竟也就是略窥门径。
工程系统和系统工程作为串起数字化两条线的举例

    举例之前,先阐明两个个人观点,其一,工程系统为数字化提供实现平台;其二,系统工程为数字化双胞胎提供技术支持。

    例一:需要某机器上部件降低成本30%。

    这是一个纯商业化的需求,产品经理进过拆解后,将降低成本的任务分解为工程和制造两大块。接下来先只看工程商的细化需求,工程上希望能降低产品成本10%。在看到这个需求后,工程经理确定能实现需求的具体路径是对零件进行适当减重15%,这样节约的材料成本就能满足工程要求。此后,机械设计工程师按照这个要求,对产品的结构进行重新设计,费了九牛二虎之力后,终于完成了减重要求,结构强度完全符合。新的结构件被提交生产用于新的整机,直到此时一切看起来都还很好。在转配试机的时候问题发生了,因为没有考虑结构件在减重后受热变形的问题,在一些场景里,结构件受热变形和不能满足要求。同时由于减重,整机的电磁屏蔽不能满足要求。分析这个例子,可以看到整个降低成本项目缺乏系统工程的思维,割裂成孤立的机械负责降低多少成本,电气负责降低多少成本,未能考虑可能受影响的相关领域;工程工具被局限在子系统内使用,缺少系统间集成,导致集成层面的问题无法再工程校验阶段被发现。要想解决这个问题,需要解决的就是系统工程中相干性的问题,和具体工程工具集成使用的问题。很明显印证了工程系统和系统工程是数字化的两条线。如果用系统工程和集成的工程工具来完成这个案例,可能对于减重15%的要求是难于达到的,合适的目标可能是7%,或者能达到15%目标,但是减重后结构是异型的。这里我们尚未提及工程与制造整个作为一个系统工程看的问题,也许减重后异型结构,可能导致制造成本的急剧上升。例如由于大量减重出现了很多筋结构,对于铸坯的铸造成本造成极大提升。因而工程上辛苦省下的,还不够制造上填窟窿,整个成本不降反增。

    例二:在某机电软一体化设备研发上系统工程应用。

    某产线的某工站,需要定制化设计机械结构实现零件折弯动作。整个设备涉及机械的折弯结构设计,气动结构件选择,马达选择,电路设计,自动化开发等内容。如果割裂的看,机械部分只负责设计折弯治具;电气部分只负责电路设计,马达连接;自动化部分则需要在前两者都准备好后,才能在相应的硬件平台上设计自动化过程。在这个环节中,一旦发现问题,需要发生的变更涉及电气或者机械部分,其成本将是极其高昂的。基本上就行业经验而言,一个机电软一体化的产品,机械、电气和软件变更对应的成本基本是100:10:1的量级。一个变更如果软件层面就能修复,那么修复成本可能就是开发人员的劳动时间成本;一旦需要在电气层面修复,则需要设计开新的电路板,进行新的电路设计,PCB板打样一次成本20万很正常;而需要在机械结构层变更,成本高达百万也很普遍。如果在考虑到因变更带来的库存料间的处理问题,成本往往更高。由于成本的原因,我们也常常能看到,软件内容的版本迭代频繁,电子电气内容的版本迭代比软件要少的多,而机械内容的版本大更新往往很谨慎。回到这个例子,如果缺少运用系统工程来管理整个设备研发,相应的机械、电气和自动化缺少接口,常常会出现,在自动化调试阶段重新返工设计机械电气的情形。现行的工程系统已经开始提供进行虚拟化调试的能力,运用系统工程的理念,在机械和电气设计CAD完成后,就可以通过相应的接口配置技术,实现用真实的PLC或软PLC针对CAD模型进行调试的数字双胞胎。它的运用,能提前机器设计过程中自动化需要等待机械和电气的组里完成后才进行;同时,虚拟调试也帮助尽早发现一部分可能在调试中出现的问题,如动作冲突。亲身经历这样的项目能将原本需要等待8周后才开始的自动化调试,直接提前到CAD完成的时间点。这个例子可以看做是基于模型的系统工程和工程系统在新机器设计上运用的一个例子,数字化有效帮助设计节省时间和提高设计质量。

评价数字双胞胎的价值

    最后花一点篇幅谈一下数值双胞胎和评价数字双胞胎的价值。按照双胞胎的层级,可以将在工程系统中的各类模型视作不同的双胞胎,这里加个定语是最好的办法。例如在PLM里的CAD模型,就可以视作是数字化设计双胞胎,它从几何层面反应真实世界的产品和数字环境的内容一致性;相应在PLM中CAE结构和热力学分析的结果,则可以视作数字化验证双胞胎,它从相应的物理学层面反应真实世界的产品和数字环境的内容有相同或相似的特性;而在MES中生产的规划的排程,不妨将它视作是在数字环境中规划真实生产的数字化生产规划双胞胎

    这里涉及另一问题,如果评价这个数字双胞胎是不是真的需要的数字双胞胎。这里想提及两个个人观点,其一,千万不要尝试理解数字双胞胎就是在虚拟世界中建立一个和物理世界一模一样的模型,有一样的行为,一样的反馈,这根本不现实;其二,数字双胞胎是个群集概念,它包含了一堆的模型用来反映真实世界里的模型的方方面面,每个模型只反映其中一个或几个方面,但这个被挑选出来建立的数字双胞胎是有价值的。对于这个价值,个人以为从三个角度去判断它是不是真的有意义的双胞胎就可以,即最经典的时间、成本和质量三个要素。如果一个数字双胞胎的存在,能正面回答上述三个角度中一个,那就是个数字双胞胎;一般情况而言,能正面回答两个要素,那这个双胞胎一定是有价值的,值得去尝试的。

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责任编辑:郑倩
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