MBSE落地实现的关键环节和技术

一、MBSE产生背景及其实现的核心

MBSE产生的背景,是当前的产品越来越复杂,传统的系统工程工作模式,研发人员处理复杂系统问题能力的增速已然跟不上系统复杂性的增长速度,新的系统工程工作模式已经迫在眉睫。

但MBSE依然是系统工程,MBSE可理解为SE 2.0,得益于以模型化为代表的IT技术的快速发展,使得传统由人工为主的方式,转变为了可全过程基于模型化、数字化表达和运行的方式。

MBSE核心是一个“数字化模型+数字化过程”驱动的系统工程研发模式,因此有几个重要的观点必须遵循:

①、MBSE是一套方法论和流程体系,而不是特指某个工具或某些工具;

②、MBSE的实现需要大量工具协同和流程集成服务,但凡是符合MBSE思想的工具和流程,都可以成为构建MBSE体系的组成部分。

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            一个完整的MBSE过程包括了需求、设计、并行、验证与确认等几大工程

MBSE实现必须遵循的几个原则包括:

系统建模的思想-统一建模语言及工具

– 用统一的系统模型来描述物理对象,实现研发人员对需求和方案的准确理解、设计和跟踪,目前最流行的是SYSML语言来描述需求模型;

注重研发过程中实现全过程虚拟验证

– 借助全过程虚拟模型,在研发各个阶段实现早期虚拟验证,尽量减少物理样机的次数,包含虚拟功能模型验证,虚拟性能模型验证,以及设计工艺性验证等等;

建立MLM模型全生命周期管理

– 全过程模型和数据能够被统一管理,并能够实现相互之间的联动,一个能够实现MLM的系统工程过程管控平台是必不可少的。

二、数字化模型挑战

数字化模型是实现MBSE的基础要求,数字化模型包括需求模型、总体设计模型、CAD/EDA模型、CAE仿真性能模型、工艺模型、制造加工模型等等。目前,各个模型的数字化程度不一,可用性程度也不一,需要逐步实现成熟可用:

系统需求模型

当前MBSE宣讲最多的理念,就是实现需求模型从需求文档向SYSML模型的转变,核心代表工具国外有Magicdraw,Rhapsody,国内有烜熠的蓝图sysml工具、楚凡科技的SysML建模工具,浙大M-DESIGN,三部SYSDEsim等,均可在不同程度上,实现对系统需求模型的模型化、可视化描述。

总体设计模型

系统工程研发过程中,尤其是航天、兵器等传统以总体设计部为牵引的研究院所中,总体设计参数是总体设计的核心,但往往只能以参数表、设计文档等方式传递和表达,并未实现数字化和模型化,导致总体设计模型无法进入MBSE过程。目前安怀信的SPIDER平台中建立了系统参数元模型定义,完成了结构化、参数化表达总体设计参数模型的工作。

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CAD/EDA模型

CAD/EDA模型是过去数十年模型化的核心,大部分企业已经实现了三维CAD/EDA参数化模型的构建,甚至过渡到了MBD的阶段,是当前最成熟的模型之一。

功能虚拟样机

用数学模型搭建的复杂系统模型,用来确认系统的功能可实现,近年来得到较大的发展,很多研究院所已经开始了利用Modelica等工具搭建全系统产品功能样机的工作。比较有代表性的产品,国外有AMEsim,SimulationX,达索的Dymola等等,国内有苏州同元的基于Modelica语言的自研M-works系统等工具。目前功能虚拟样机的创建也是当前MBSE实施中比较看重的方向。

性能虚拟样机

企业在过去的二十年中,通过采购大量的CAE仿真软件,形成了多学科的性能仿真能力。但是,仿真与试验结果的差距较大,精度无法评估,且仿真结果没有形成基于产品研发的性能层级主视图,因此无法很好地担负起MBSE中虚拟性能验证的地位。因此,在性能仿真模型方面,当前核心的工作是实现产品的性能虚拟样机库建设工作,解决性能模型的精确化、结构化问题,从而最终实现数字化可实施。安怀信的SimV&Ver Pyramid工具,目前是国内最完整知名的性能虚拟样机创建工具。

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                企业性能虚拟样机金字塔视图

设计工艺性模型

设计CAD模型的设计师,往往要花大量的时间在工厂里,沟通设计方案的可制造性/可装配性,即使这样,工艺人员最终加工的模型,为了可制造性,也往往与设计方案不完全相同,这造成了MBSE数字化过程的中断。DFX技术是打通设计制造一体化的重要工具,也是并行工程的主要技术,利用面向CAD模型的DFX工艺检查软件系统,可以在CAD设计早期就完成数字化工艺性审查。目前该领域的方案国外有HCL公司的DFM Pro工具,国内的有安怀信的DFox设计工艺性检查工具。

数字化加工模型

CAM模型可以解决数字化加工模型的问题,该领域目前成熟度较高,可以做到基于CAD模型的全虚拟加工过程设计。该领域主要需要解决的是国产自主可控替代的问题。

三、数字化过程挑战

产品研发三要素–过程

一个好的产品研发,包括三个要素一个过程。MBSE的全面落地,不仅仅包括工具和方法的数字化,也包括研发过程的数字化。采用人力实现,而不是协同化、数字化的平台实现的系统工程,不能称之为MBSE。

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                                       产品研发三要素一过程

研发过程管控的必要性

真实产品的系统工程研发过程,是一个立体网状的复杂V型研发过程:设计方案从顶层向下层分解;验证过程从底层上上层递归;大量反复、迭代、优化过程。如果这个过程不能被数字化、协同化管控,那么MBSE是无法实现的,总体设计知识也很难实现管理和重用。

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                                 一个复杂产品的多层网状V型研发流程

过程管控和PLM之间的关系

结果管理解决做什么的问题,基本已经由PLM系统实现了。但过程管控系统解决怎么做的问题,却很少被重视提及。随着军工武器产品越来越复杂,对过程管控系统的呼声越来越强烈。

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                              研发结果的管理+研发过程的管控

研发过程管控系统目标

          -人员、数据、任务协同

          -流程、工具、结果透明

          -状态、基线、版本管控

国内外系统工程过程管控平台现状

研发过程管控平台,国外目前达索系统的3DE系统及其他几个系统,都定义在这个位置,但很多此类系统事实上是基于PLM系统的能力扩展,并不是完全为过程管控所定制的系统;

国内,先后有多家公司,希望通过平台开发,来解决研发过程管控的难题。但是,国内之前发布的系列研发平台,都企图用流程封装的概念来完成研发流程的捕捉和重用,未能考虑系统工程的主流程很难通过固化、封装来实现,因此最后往往缩减为一个完成具体任务的工具流APP集。

汉德天下拥有10多年聚焦以UML、SysML建模规范的模型驱动MBSE实施经验,熟悉业内各类工具,拥有航天、机械、工业、汽车、船舶、军工、软件等领域实施经验,可结合实际业务进行MBSE具体实施方案咨询和培训、可根据不同业务进行工具链的定制研发。欢迎联系了解

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