安懷信正向研發(fā)數(shù)字化MBSE 解決方案SPIDER

文|安懷信科技股份有限公司

系統(tǒng)工程是為更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目的，對(duì)系統(tǒng)的組成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息流和控制機(jī)構(gòu)等進(jìn)行分析研究的科學(xué)方法。它運(yùn)用各種組織管理技術(shù)，使系統(tǒng)的整體與局部之間的關(guān)系協(xié)調(diào)和相互配合，實(shí)現(xiàn)總體最優(yōu)運(yùn)行。大型復(fù)雜工程系統(tǒng)就是所謂的復(fù)雜產(chǎn)品，研制復(fù)雜產(chǎn)品的企業(yè)如航空航天、高鐵、船舶和汽車等，只有具備好的系統(tǒng)工程能力才能研制出好的產(chǎn)品。

研制導(dǎo)彈時(shí)，人們創(chuàng)造出了傳統(tǒng)系統(tǒng)工程（Traditional System Engineering，TSE）。研制由導(dǎo)彈、衛(wèi)星和航空母艦組成的復(fù)雜的“系統(tǒng)的系統(tǒng)”和C4ISR 時(shí)，人們又創(chuàng)造出了基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based System Engineering，MBSE）。MBSE不是對(duì)TSE 的完全替代，也不是TSE的替補(bǔ)，而是思維和手段的提升。

圖1 系統(tǒng)工程方法與技術(shù)開(kāi)發(fā)流程V 模型

系統(tǒng)工程活動(dòng)主要集中在產(chǎn)品的概念和開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)（即基于V 模型的技術(shù)開(kāi)發(fā)流程），從產(chǎn)品研制總體入手協(xié)調(diào)平衡各個(gè)專業(yè)學(xué)科的知識(shí)，并在系統(tǒng)整體層次上“駕馭”各專業(yè)學(xué)科，如圖1 所示。因此，規(guī)范產(chǎn)品正向研發(fā)數(shù)字化流程，搭建產(chǎn)品總體協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，使整個(gè)研發(fā)過(guò)程高效協(xié)同、有據(jù)可依，并強(qiáng)化設(shè)計(jì)過(guò)程的條理性、可預(yù)測(cè)性和可跟蹤性。且隨著產(chǎn)品日趨復(fù)雜和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，自主創(chuàng)新研發(fā)是大勢(shì)所趨，建立基于系統(tǒng)工程的數(shù)字化正向研發(fā)體系，從根本上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的全面提升已刻不容緩。

一、問(wèn)題與需求

目前，國(guó)內(nèi)復(fù)雜產(chǎn)品的工程研制過(guò)程普遍面臨如下問(wèn)題：

◎ 設(shè)計(jì)質(zhì)量難以提高，主要體現(xiàn)在：需求及其變更難管控，需求、指標(biāo)和設(shè)計(jì)參數(shù)不聯(lián)動(dòng)，設(shè)計(jì)參數(shù)和過(guò)程不透明。

◎ 設(shè)計(jì)效率亟待提升，主要體現(xiàn)在：總體設(shè)計(jì)工作（需求定義—指標(biāo)設(shè)定—總體設(shè)計(jì)—方案驗(yàn)證）無(wú)數(shù)字化協(xié)同手段，設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過(guò)程與知識(shí)分離，研發(fā)知識(shí)未共享化、工具化。

◎ 自主創(chuàng)新能力不足，主要體現(xiàn)在：產(chǎn)品正向研發(fā)數(shù)字化能力不足，仍沿用傳統(tǒng)簡(jiǎn)單產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模式，在創(chuàng)新性的概念設(shè)計(jì)階段缺乏系統(tǒng)層面的整體設(shè)計(jì)。

因此，研制復(fù)雜產(chǎn)品的企業(yè)對(duì)產(chǎn)品正向研發(fā)數(shù)字化的能力提升有非常迫切的需求。其中包括：

◎ 采用適合的系統(tǒng)工程最佳實(shí)踐，規(guī)范產(chǎn)品數(shù)字化研發(fā)過(guò)程，建立規(guī)范的正向研發(fā)體系，以提升自主研發(fā)能力。

◎ 實(shí)現(xiàn)TSE（傳統(tǒng)系統(tǒng)工程）工程落地。搭建數(shù)字化總體協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，解決上述工程研制過(guò)程中出現(xiàn)的痛點(diǎn)問(wèn)題。

◎ 實(shí)現(xiàn)MBSE（基于模型的系統(tǒng)工程）工程落地。利用數(shù)字化手段集成基于V 模型的各個(gè)研發(fā)環(huán)節(jié)，搭建支持MBSE 的數(shù)字化總體協(xié)同設(shè)計(jì)服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品總體協(xié)同設(shè)計(jì)能力的全面提升。

二、MBSE 解決方案

安懷信科技股份有限公司是中國(guó)正向研發(fā)軟件和咨詢服務(wù)的提供商，十五年來(lái)一直致力于協(xié)助用戶搭建數(shù)字化工程、系統(tǒng)工程、MBSE 正向設(shè)計(jì)研發(fā)體系平臺(tái)形成工具和流程的落地，已經(jīng)服務(wù)了超過(guò)200 家中國(guó)頂級(jí)研究院所。

“模型”是MBSE 落地的核心，每個(gè)模型可以表達(dá)系統(tǒng)不同方面 (如系統(tǒng)架構(gòu)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及性能分析等) 的信息。為了充分發(fā)揮MBSE 的作用與潛力， 需要將系統(tǒng)建模和MBSE 作為基于模型的大型工程項(xiàng)目的必要組成部分，并與系統(tǒng)生命周期中其他工程學(xué)科模型和建?；顒?dòng)有機(jī)結(jié)合，這對(duì)基于V 模型的模型生命周期管理（Model Lifecycle Management， MLM）提出了迫切的需求。實(shí)踐表明， 盡管目前的MBSE 實(shí)踐可以通過(guò)具有含義的模型來(lái)表達(dá)系統(tǒng)或產(chǎn)品的功能架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)基于模型的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，但仍缺乏對(duì)整個(gè)系統(tǒng)生命周期各類模型進(jìn)行管理的能力和手段。這也是MBSE當(dāng)前實(shí)踐大多停留在系統(tǒng)概念階段且僅在部分大型工業(yè)企業(yè)展開(kāi)而沒(méi)有被大規(guī)模采用的主要原因之一，而協(xié)助企業(yè)真正解決MBSE 的落地問(wèn)題正是安懷信重點(diǎn)聚焦的戰(zhàn)略發(fā)展方向。

面向企業(yè)系統(tǒng)工程或MBSE 研發(fā)升級(jí)，安懷信提供基于SPIDER 平臺(tái)的三大核心工具集，SPIDER基于系統(tǒng)參數(shù)的總體協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，SimV&Ver仿真及驗(yàn)證工具包和DFX 設(shè)計(jì)可達(dá)性工具包，助力實(shí)現(xiàn)MBSE 中的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和并行工程環(huán)節(jié)，其建模思路如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)模型與SPIDER 的建模思路

1、SPIDER 平臺(tái)簡(jiǎn)介

安懷信基于系統(tǒng)參數(shù)的總體協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)（Systematic Parameter-based Integrated DesignER，SPIDER）是基于系統(tǒng)參數(shù)的集成設(shè)計(jì)、分析、仿真和驗(yàn)證等各研發(fā)環(huán)節(jié)應(yīng)用系統(tǒng)和流程的總體協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)需求、指標(biāo)、方案和驗(yàn)證等模型的關(guān)聯(lián)管理和技術(shù)狀態(tài)的全面管控，使復(fù)雜產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程協(xié)同化和規(guī)范化。

SPIDER 面向企業(yè)系統(tǒng)總體和分系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)人員，是系統(tǒng)工程（TSE/MBSE）有效落地的支撐工具，實(shí)現(xiàn)將虛擬設(shè)計(jì)和驗(yàn)證融入研發(fā)前端，可有效解決企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中的（包括但不限于）諸多痛點(diǎn)，如圖3 所示。

◎ 團(tuán)隊(duì)協(xié)同困難。需求定義—指標(biāo)設(shè)定—設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)—方案驗(yàn)證等研發(fā)環(huán)節(jié)無(wú)法關(guān)聯(lián)，研發(fā)過(guò)程中的溝通成本極高。

◎ 參數(shù)關(guān)聯(lián)困難。需求參數(shù)—指標(biāo)參數(shù)—總體設(shè)計(jì)參數(shù)之間無(wú)法實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，數(shù)據(jù)傳遞主要依賴于文本，嚴(yán)重依賴物理驗(yàn)證手段，總體協(xié)同設(shè)計(jì)效率非常低下，而成本居高不下。

◎ 技術(shù)狀態(tài)管控困難?；谙到y(tǒng)工程（TSE/MBSE）的數(shù)字化研發(fā)流程不規(guī)范，過(guò)程不透明、數(shù)據(jù)不透明，容易出錯(cuò)，難以形成團(tuán)隊(duì)思維，對(duì)研發(fā)過(guò)程中的溝通交流產(chǎn)生極大障礙。

◎ 知識(shí)難以支撐研發(fā)活動(dòng)。知識(shí)沒(méi)有融入研發(fā)過(guò)程，傳承與共享沒(méi)有途徑和平臺(tái)，工程經(jīng)驗(yàn)無(wú)法有效積累，導(dǎo)致研發(fā)過(guò)程中的低水平重復(fù)頻繁發(fā)生。

圖3 SPIDER 解決的需求痛點(diǎn)

圖4 SPIDER 的集成實(shí)施與公司組合解決方案

2、SPIDER 的TSE/MBSE解決方案

SPIDER 關(guān)注的重點(diǎn)在于：系統(tǒng)建模是基礎(chǔ)、虛擬研發(fā)是主體及數(shù)據(jù)管理是核心。

SPIDER 產(chǎn)品解決方案面向系統(tǒng)工程過(guò)程，具體實(shí)施時(shí)需要通過(guò)集成與產(chǎn)品研發(fā)業(yè)務(wù)相關(guān)的各專業(yè)商用程序和自研程序來(lái)搭建支持TSE/MBSE的復(fù)雜產(chǎn)品總體協(xié)同設(shè)計(jì)及虛擬驗(yàn)證系統(tǒng)，如圖4 所示。因此，SPIDER 可與安懷信公司的另外兩款產(chǎn)品線Sim V&Ver 和DFox 集成，為企業(yè)提供功能更加強(qiáng)大的組合解決方案。

其中，Sim V&Ver 產(chǎn)品線，即性能仿真模型驗(yàn)證V&V 系統(tǒng)，用于解決研發(fā)過(guò)程中產(chǎn)品仿真置信度等問(wèn)題。DFox 產(chǎn)品線，即設(shè)計(jì)可達(dá)性檢查系統(tǒng)，用于解決研發(fā)過(guò)程中產(chǎn)品設(shè)計(jì)可裝配性、可制造性、成本設(shè)計(jì)及檢查等問(wèn)題。

3、SPIDER 的價(jià)值

◎ 四聯(lián)動(dòng)：實(shí)現(xiàn)了需求定義—指標(biāo)設(shè)定—設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)—方案驗(yàn)證四個(gè)過(guò)程的聯(lián)動(dòng)。

◎ 三協(xié)同：實(shí)現(xiàn)了需求參數(shù)—指標(biāo)參數(shù)—總體設(shè)計(jì)參數(shù)之間的實(shí)時(shí)協(xié)同。

◎ 二透明：實(shí)現(xiàn)了研發(fā)過(guò)程中的過(guò)程透明、數(shù)據(jù)透明。

◎ 一落地：實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)工程（TSE/MBSE）的工程落地和信息化實(shí)現(xiàn)。