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系统驱动的产品研发与协同应用研究

2020/4/13    来源:e-works    作者:张志强  邵小军      
关键字:MBSE  系统驱动  技术数据包模型  数字脉络  
本文提出基于系统驱动的产品研发与协同解决方案,从而实现军工企业研发自上而下的设计与整体协同,有效提高企业研发协同效率。
1 军工企业研发面临新的困惑
 
       军工企业承担着为我国军队提供型号装备重任,是实现我国军队现代化、信息化的最重要最直接的保障力量。在进入二十一世纪,我军在装备型号研制的投入也日益增大,军工企业研制任务繁重。如何在繁重的科研任务中实现创新,保障型号研制进度与质量,这是我国军工企业面临的困难,为此,各个军工院所也纷纷引入信息化的技术手段,逐步引入了CAD、CAE等数字化设计工具,开展数字样机设计应用,并引入项目管理、PDM等协同研发管理平台,将实现科研任务及过程的管控。但这些应用主要集中在数据结果的管控和主要过程的追溯上,而对型号的整体设计的协同管控、多学科的协同应用、全过程的技术状态管控等缺乏有效的管控,主要体现在:
 
       ●军工企业研制型号产品复杂,功能繁多,产品覆盖多领域,例如一个坦克系统,涉及到武器系统、推进系统、防护系统、通信系统、电气设备等。武器系统由包括打击武器和火力控制系统;推进系统包括动力、传动装置、行动和操纵装置;防护系统包括装甲壳体、伪装设施等;通信系统包括无线通信、直接通话装置等,这些装置设备是一个涉及到机电软综合一体化、智能化的产品。
 
       ●多学科协同困难,目前的协作模式仍然采用传统总体部门进行总体方案设计,并向各个分子系统提出研制任务、接口文件等,而这些都是采用传统文档方式进行协作。这种方式一定程度上促进了很多设计仅仅考虑单学科的设计应用最优,难以估计多学科多领域的整体设计最优。
 
       ●技术状态控制困难,由于军工企业仍然采用厂所分离,企业之间信息系统难以进行关联管理,企业内部系统也是各自管理,难以站在业务全局角度进行业务协同与数据管控,数据的发布很多采用纸质文档、常规邮件等方式进行下发,上下游采用变更单、偏离单等方式进行技术状态的协同管控,技术状态控制完全靠企业人员个人责任心、经验等,这为技术状态一致性管控带来了不小的困难和风险。
 
       ●创新困难,军工企业研发人员大部分的工作时间并不是花在创新上;在产品研发过程中,一个工程师平均有20%的时间花在产品或流程相关信息的检索上,另外30%时间化在协同更改以及指导后端生产及现场维护上。而真正用于设计创新的时间很少。同时企业设计创新手段也比较落后,很多采用爱迪生试错方式进行,效率低、成本高,很难适应当代社会对创新的高效要求。
 
2 系统驱动的产品研发是MBSE的应用实践
 
       系统驱动的产品研发为企业提供了解决这些问题的方法,系统驱动的产品研发强调:在型号研制初期就可以在需求分析、系统功能分析和设计综合等核心技术环节通过模型实现系统需求及功能逻辑的验证和确认,在整个工程的早期通过系统建模,就将产品定义清楚、定义正确,并在后续的工程设计和开发过程当中不停的去验证这些需求和模型一致性。

MBSE的V型研制过程

MBSE的V型研制过程
 
       MBSE是结合当前企业信息化环境下,如何应用系统工程的思想和方法,解决复杂产品研发控制困难的有效方法,其V型研制过程如上图所示,企业的研发活动起步于客户的需求,型号研制从概念设计阶段开始,即在V形图左侧是自上向下的需求捕获、定义、分解的过程,实现从复杂系统到子系统、组件、零件的需求分解分配,完成对应的架构及解决方案;V型右侧是自底向上的从零件、组件、子系统、系统的测试与验证,验证各层级对需求是否全面满足和覆盖的过程。
 
       基于系统驱动的产品研发正是MBSE在产品研发应用实践和落地,其强调设计由需求来,通过需求定义系统功能模型与逻辑,并通过系统建模来提前规划和定义未来系统及产品性能,全面满足客户对产品的需求定义。复杂系统开发最重要的一点就是保证合理、统一的系统概念,而系统模型是最佳的表达方式,也是信息传递的载体重要载体。通过多学科系统模型及需求去驱动后续的研发活动,并通过各种仿真验证和试验研制,控制研发与整体系统要求的一致性、保障研发与需求的一致性,实现闭环的验证与确认过程(V&V)。
 
3 系统驱动的产品研发核心构建内容
 
       实现系统驱动的产品研发,其核心就是要实现MBSE相关的需求管理、系统设计、详细设计、试验验证的全面打通,真正让研发从需求的规范定义开始,基于需求进行系统级的建模与仿真,并形成系统方案设计,基于系统方案设计进行后续详细设计及仿真,包括后续的试验验证,让研发活动之上而下紧密关联,从而实现企业研发活动更为广泛的体系化的协同,进而保障整体技术状态的管控。
 
       3.1 系统驱动的产品研发整体框架
 
       通力公司提供基于自主研发的Ablaze平台,基于该平台构建产品研发整体框架。该平台凝结了通力人20多年的自主研发积累和信息化业务实践,旨在为不同的业务应用系统提供共同的基础运行环境、集成、业务协同服务,并保障其稳定性、扩展性。平台的构建基于微服务的思想,通过封装形成制造业业务中的大量共性服务,实现服务模块化,这些业务服务包括系统管理服务(文件服务、权限服务、安全机制服务、消息服务)、综合检索服务、技术包模型服务、专业模型服务、分类服务、可视化服务、统计服务、工作流服务等。
 
       该平台通过开发的集成服务接口,很方便的与各种专业设计工具集成,这些专业工具涵盖了从需求、系统建模与仿真、多学科仿真、优化、六性设计、软件设计平台、详细设计平台、工艺平台、仿真平台等,这些工具或平台的涵盖了典型军工企业从型号研制从需求到验证的各个业务应用方面。

基于Ablaze构建系统驱动的研发平台框架

图1 基于Ablaze构建系统驱动的研发平台框架
 
       3.2 基于Ablaze平台构建技术数据包与数字脉络模型
 
       通过Ablaze提供的包括技术数据包、业务流程服务等核心服务,通过技术数据包服务实现数据模型定义,通过业务流程服务实现企业业务从需求到验证的贯通,从而为实现基于系统驱动的研发与协同提供基础。
 
       3.2.1 基于技术数据包管理全过程数字模型
 
       以系统驱动的产品研发过程是企业正向设计研发过程,此过程从需求定义开始,到系统设计、详细设计、仿真设计、试验过程。在此过程中形成需求模型、功能模型、六性控制模型、机械设计模型、电子设计模型、软件设计、仿真、试验等各种模型,我们以业务为核心,梳理和规划研发过程中数据模型以及模型之间的关联约束关系。并通过Ablaze集成平台将其定义和封装,形成各种技术数据包。

全过程数据模型

图2 全过程数据模型
 
       技术数据包是根据不同业务需求和场景,构建出不同的具有属性表达和行为表达的相对独立的技术数据方法。其具有如下几个特性:
 
       1)独立性,技术数据包结合业务场景进行定义,其独立性主要体现在其本身具有完整的识别定义和行为定义能力,可以对技术书包进行单独的设计、调试、修改和存储,Ablaze平台的微服务也将基于一个个技术数据包进行展开。
 
       2)包容性,Ablaze平台中定义的技术数据包是对业务工具及业务平台中模型数据的承接与定义,其实质是实现对这些承接的数据的管理封装,因此其相对于业务工具及业务平台中数据,其必须具有包容性。
 
       3)行为关联性,各个技术数据包作为独立的场景定义数据,其本身定义相关的关联接口,例如对于需求技术数据包,其可以定义需求对系统、子系统、组件、零件的规格要求,这些可以通过其关联性建立与系统、子系统、组件、零件的关联性。
 
       4)扩展性,技术数据包的定义依据业务中数据而来,而业务中数据的定义是千差万别,变化性强,可能由于业务工具、业务场景不同,其相对的技术数据包的定义将由变化,这就要求技术数据包具有灵活定制及扩展。
 
       基于Ablaze平台构建系统驱动的产品研发平台,实现对研发过程的全面规划,形成多样化的技术数据包,对研发资源的综合关联和调度,对研发技术状态的标识和确定,通过技术数据包的搭建逻辑,依托全面过程协同的技术数据采集和定义,系统提供研发全过程数据包管理功能。 

研发技术数据包模型结构

图3 研发技术数据包模型结构
 
       3.2.2 构建数字脉络,实现研发数字模型的互联互通
 
       数字脉络(Digital Thread)是伴随着数字孪生提出概念,其实质是要构建虚拟世界模型的关联关系,实现在虚拟世界从需求模型到系统模型、功能模型、设计、工艺模型、试验以及使用维护全部环节的环联互通,集成并驱动以统一的模型为核心的产品设计、制造和保障的数字化数据流,是保障数据在虚拟世界的唯一性、一致性的关键,并实现正确的数据在正确时间送到正确的人、正确的系统终端。

基于业务形成数字脉络

图4 基于业务形成数字脉络
 
       在集成平台中,需要管控各种建模工具建立的数字模型,例如需求模型、系统功能模型、结构模型等,针对一个具体的业务对象,例如火炮的火控系统,在集成平台中,通过系统建模,构建形成火控系统技术数据包模型。此数据包模型中,关联了火控系统需求模型、系统功能模型、结构模型、仿真模型等,而这些模型的产生都是通过与各种专业的需求工具、建模工具、设计工具、仿真工具集成形成,并在集成平台中构建技术数据包模型,建立其中管理各个专业模型的关联关系。同时对外通过展示设计参数和接口,实现跨技术数据包的分解及关联,最终形成基于系统驱动的产品研发数字脉络。其主要通过模型定义,实现驱动流、分解流、迭代流的三流打通,形成三通数字脉络,最终实现基于系统驱动研发,形成整体闭环体系,实现技术状态整体协同控制。

构建三通数字脉络

图5 构建三通数字脉络
 
       1)分解流的形成
 
       武器系统的设计需要层层分解,协同设计,其总体分解成系统,系统分解形成子系统,再分解形成组件与零件,各个层间的需求、功能等都是依靠分解关系形成,因此,通过集成平台建立的技术数据包与数据包之间也是通过建立分解关系,实现各种分解的追溯与联动,形成分解流。分解流主要是指各个层级技术数据包之间的需求、设计参数接口。
 
       2)驱动流的形成
 
       针对一个火控系统的技术数据包,在数据包内部构建各个相关模型的驱动关联,其源头模型是火控系统的需求模型,基于火控系统需求模型去控制和驱动火控系统的系统建模、功能分配,基于火控系统模型驱动系统级结构设计、电气设计等,并驱动火控系统的系统级多领域联合仿真业务应用。系统的驱动流在实现上将基于集成平台的强大流程引擎实现,用户可以根据需要定义企业系统驱动流程,流程中定义的系统功能设计、详细设计、仿真等活动,并将活动与技术数据包模型中关联的需求模型、功能模型、设计模型、仿真模型进行对应,从而实现基于流程的驱动。
 
       集成平台上的工作流引擎负责工作流流程定义,创建并初始化流程实例,控制流程流动的路径,记录流程运行状态,挂起或唤醒流程,终止正在运行的流程,与其他引擎之间通讯等等工作,如下为平台基于Web图形化流程设计器,用于流程设计建模。

图形化流程配置

图6 图形化流程配置
 
       3)迭代流的形成
 
       系统下的分系统设计和仿真结果需要反馈到上游结构,实现上下游结构的协同迭代,此时需要将下游分子系统对应的技术数据包中对应结构、仿真设计结果传递到上游,在具体实现上可以基于流程定义下游结果向上游反馈提交的活动,实现数据模型对与上游数据的关联,实现数据的共享查看和提醒应用。
 
       3.3 与专业工具及平台集成,实现系统驱动的产品研发与协同
 
       在基于Ablaze平台提供的技术数据包服务、数字脉络服务的基础上,需要通过Ablaze平台驱动需求设计、系统建模、详细设计管理系统、仿真、试验等相关专业工具和业务平台,基于Ablaze形成数字脉络,进行相关业务设计的驱动,驱动系统与子系统等上下游设计,驱动系统或子系统内部从需求到设计、仿真、验证的正向闭环设计。同时进行个业务模型的获取与封装,逐步形成各个系统、子系统等对象的技术数据包,包括了需求模型、系统模型、设计模型等内容。 
 
       3.3.1 与需求管理集成,实现需求模型管理
 
       平台通过与需求管理软件的集成,建立了一套严谨的需求管理模式,将需求管理、平台化项目管理、基于知识的概念设计与详细设计、多学科性能仿真与优化、试制试验等研发活动联系起来,建立以需求管理为源头的产品设计验证闭环体系。

需求管理为源头的产品设计验证闭环体系

图7 需求管理为源头的产品设计验证闭环体系
 
       一般的,需求管理的业务活动一般包括两个过程,一方面是技术过程;另一方面是管理过程。需求管理的技术过程包括:需求捕获、需求分析、需求确认、需求分配、需求验证等工作;管理过程包括:需求变更、需求追踪与追溯。

需求管理的业务活动

图8 需求管理的业务活动
 
       基于需求管理在产品研发中的重要地位,设计集成平台通过与需求管理软件的集成接口,将需求管理活动各阶段:需求捕获、需求分析、需求分析、需求分配、需求验证等的结果在设计集成平台中进行展示,同时还具备以下功能:
 
       ●从需求管理软件中获取需求场景分析的结果,确定各系统相关者的目标、活动、状态、约束以及系统在使用过程中的接口与交互条件,通过这些内容的综合,得到系统相关方需求,从而进一步明确系统相关者需要具备的条件,并通过与各系统相关者的确认,形成需求基线;
 
       ●从需求管理软件中获取需求关联关系,包括需求之间的约束、需求对各个子系统的外部接口等实现对需求的分析与分解过程;
 
       ●实现需求的关联性设置,基于协同平台,形成需求的技术数据包,同时对技术数据包建立与后端技术数据包的关联关系,后端技术数据包包括系统建模形成的功能模型数据包、六性模型数据包等;
 
       ●需求的验证管理,通过与后端技术数据包的管理协同,获取后续研发对需求的响应状态,实现对需求的验证管理。
 
       3.3.2 与系统建模工具集成,实现系统设计与需求的关联管控
 
       实现与主流系统建模工具的集成,包括达索的MagicDraw、IBM的Rational Rhapsody、西门子的SMW(System Model Workbench)等,企业应用系统建模工具根据需求进行系统功能与逻辑建模,形成相关活动图、能力图、功能框架图等,此时通过开发实现如下应用:
 
       ●集成平台通过集成将总体需求传递到系统建模工具中,形成系统建模的输入,在系统建模中根据需求定义能力要求,定义能力需要哪些活动,并将能力图分配到到各个系统,形成系统能力,并最终形成系统功能架构;
 
       ●系统建模工具产生的功能架构模型通过集成提交到系统集成平台进行管理,同时要对功能模型进行信息的解析,包括其中涉及的利益相关方信息,需要在系统平台中定义相关技术数据包进行模型的管理与映射;
 
       ●在进行系统模型仿真时,通过集成平台,将系统中管理的逻辑架构数据包传递到集成的系统仿真环境中,进行多领域耦合环境下的系统仿真验证,系统仿真验证结果传递到集成平台,形成集成平台的仿真验证技术数据包模型。
 
       3.3.3 与PDM系统集成,基于系统驱动详细设计
 
       Ablaze集成平台提供与PDM系统的集成接口,实现与PDM的业务联动及数据双向联通传递功能,设计集成系统与设计系统(PDM系统)的集成逻辑如下所示:

集成平台系统与PDM设计系统集成逻辑

图9 集成平台系统与PDM设计系统集成逻辑
 
       在集成平台中需要通过如下工作:
 
       ●在业务集成层面,通过集成平台中建立的业务流程,驱动详细设计的活动,并以任务方式,传递到PDM系统平台。
 
       ●在数据集成层面,定义技术数据包模型及设计模型,设计模型用于在集成时接收从PDM获取的设计模型信息,技术数据包模型作为一个关联的容器,会与设计模型关联管理,这样就实现了数据模型层面的数据管理。
 
       3.3.4 驱动一体化仿真应用
 
       Ablaze集成平台提供与仿真管理平台的集成,例如Teamcenter for Simulation、ANSYS EKM、SimManager等系统的集成接口,其集成逻辑结构和与PDM集成雷同,但此需要考虑由于仿真的多样化,需要考虑在集成平台中如何规范而有效的定义仿真数据模型,防止仿真数据模型定义过多而影响到系统易用性。仿真管理系统集成逻辑如下图:通过集成平台的集成,并定义仿真模型和技术数据包模型,实现在业务上基于上游系统控制模型来驱动系统及性能仿真应用,实现系统模型、功能模型、到设计、仿真模型的关联应用。

集成平台系统与仿真管理系统集成逻辑

图10 集成平台系统与仿真管理系统集成逻辑
 
       3.3.5 与试验系统集成,实现全面从需求到验证的闭环
 
       对型号的需求、性能验证需要通过大量的虚拟试验、半实物试验,全实物试验来进行验证,这些试验验证是回答Ablaze平台系统中型号需求、子系统需求、型号总体功能模型、系统功能模型等,因此通过Ablaze平台与试验系统的集成,将实现从信号需求到具体对象需求、验证策略、过程、结果的关联管控,形成基于系统驱动的研发验证管控,保障验证需求、过程等数据的一致性,形成一体化试验过程管理,实现从需求到验证的闭环与追溯。
 
       在实现过程上,系统将试验全过程中形成的需求模型、验证模型、试验规划模型、结果模型等统一管理,通过Ablaze平台技术数据包模型进行封装连接,形成面向试验的数字脉络,打通试验从需求到结果的贯通。

从需求到验证的闭环

图11 从需求到验证的闭环
 
4 系统驱动的产品研发带来全新业务模式转变
 
       以系统驱动的产品研发,是一种全新产品研发模式,其有效的将产品研发前期的论证设计与工程详细设计与验证联系起来,让企业的研发协同更为高效,有效保障了研发过程中技术状态一致性,彻底改变之前的“自顶向下分解、字底向上设计”研发模式,形成“自上而下设计,自底向上的综合”全新研发模式,其为企业研发带来如下几个方面转变:
 
       1)以需求和系统模型驱动研发,形成正向研制体系。随着我国经济的发展和军工科研实力增强,我国已经成为制造大国,再依靠之前的逆向设计、拿来主义已经无路可走,也永远无法实现制造强国的目标,只有依靠我们自己,发展企业自身创新能力,才是唯一出路,军工企业尤其需要重视自主创新,构建企业自主创新能力体系建设,提升企业型号产品正向研制能力。
 
       2)仿真成为研发闭环中一个关键环节,基于系统驱动的产品研发,强调仿真的应用,建立从需求模型到系统模型、功能模型、设计模型、各层级仿真模型的全过程模型化应用,全面构建数字孪生中数字虚拟世界,并对需求模型、系统模型、功能模型、设计模型等进行仿真,形成需求仿真验证、系统仿真验证、设计仿真验证、多学科验证等,每个过程都是一个设计到仿真的闭环迭代,并通过仿真再驱动后续的设计环节,形成设计到仿真再到设计的迭代。
 
       3)促进单一学科的设计向多学科关联性设计转变,基于系统驱动的产品设计强调总体设计,强调自上而下的设计与分析,因此具体一个产品、系统、组件的设计都会先在总体上进行各个学科、组成部分的分析,实现多学科的联合分析设计,避免出现之前的单方性能最优而整体出现问题的情况,而从保障系统整体最优化设计,保障型号的成功率。
 
       4)有效解决系统偏离问题,基于系统驱动的产品研发,将型号从需求到设计、验证整体过程、过程数据等进行模型化管理,在集成平台中形成基于技术数据包的统一关联管理,并构建三通数字化神经脉络,有效将型号设计相关部门研发活动形成广泛协同,研发从需求到验证形成完整闭环。这也为型号技术状态管控提供便利,为技术状态控制、技术状态一致性等垫定基础。
 
5 结论
 
       本文结合通力公司在MBSE的研究及实践,研究系统驱动的产品研发与协同技术,并结合通力公司Ablaze开放性平台,基于军工企业复杂产品研发应用场景,构建支持军工企业系统驱动的产品研发整体框架,并面向型号全业务场景,提出构建涵盖需求到验证的技术数据包管理模型。在此基础上打通驱动流、分解流、迭代流,全面构建企业数字化神经脉络,为系统驱动产品研发应用与协同提供全面支撑。这将为企业带来全新面向正向设计的研发模式转变,为企业技术状态全面管控、保障技术状态一致性、进而提升企业研发整体效率与质量提供了新的路径。
责任编辑:程玥
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