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工业4.0实战：装备制造业数字化之道 [:1704005731]
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工业4.0实战：装备制造业数字化之道 第3章 基于模型的系统工程解决方案
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3.1 业务挑战
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复杂程度日益增加是产品发展的基本趋势之一。纵观航空、航天、国防、船舶、机车、汽车等各行业，其产品/系统已呈现出功能高度复杂、耦合关联、可重构、跨地域异地设计等诸多特点。与一般产品相比，复杂产品所带来的挑战是：不同领域的子系统间将产生不可预测的功能耦合、交叠甚至冲突，原本功能良好的子系统可能产生不可预测的行为。因此，针对复杂产品，在其概念设计阶段进行系统设计已成为不可缺少的重要一环。
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以飞机的研制为例，飞机的开发经历了从物理样机驱动的开发流程到CAD驱动的开发流程的转变。然而，现在飞机设计又面临新的问题：一是因为飞机系统本身越来越复杂，特别是随着多电飞机的发展，越来越多采用智能控制系统。这就使得在传统飞机的开发流程中如何有效地考虑机电一体化系统开发，特别是在开发阶段如何综合地考虑控制系统和受控对象的耦合成为开发的关键之一。二是飞机开发的全球化使得要对来自不同地区不同研发部门或供应商的系统进行集成，特别是在设计早期如何通过系统集成确保飞机设计的成熟性成为全球飞机开发面临的棘手问题。以上第一个问题要求在飞机的开发过程中协调和同步物理系统与电控系统的开发以确保产品的质量；后一个问题就要求在横跨不同地区的部门之间无缝地共享产品方案、设计和分析以确保协同工作。这两方面问题的系统解决方案就是基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering，简称MBSE），即通过应用模型来支持系统的需求定义、设计、分析、校核和验证，从概念设计阶段开始一直贯穿整个开发流程。
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系统工程是基于模型的企业（MBE）的重要指导思想，基于模型的系统工程为基于模型的工程、基于模型的制造、基于模型的维护等MBE企业的关键活动提供了统一的协调接口，因而成为MBE企业研究和应用实践中的重要组成部分。
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工业4.0实战：装备制造业数字化之道 [:1704005732]
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工业4.0实战：装备制造业数字化之道 3.2 解决方案
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基于文件的系统工程自20世纪40年代提出以来，对复杂产品的系统设计做出了重要贡献，有力地支持了复杂产品的系统设计。然而，随着产品系统复杂性的不断增加，尤其是异地分布式设计的出现，基于文件的系统工程已越来越无法满足要求，基于模型的系统工程（MBSE），或称系统驱动的产品开发（Systems-Driven Product Development，简称SDPD），正成为复杂产品系统设计的基础。
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在国际系统工程学会（INCOSE）发布的系统工程2020年远景规划中，MBSE成为系统工程未来发展的重要方向，图3-1是2007年INCOSE年会发布的MBSE的发展路线图。需要指出的是，西门子工业软件是INCOSE组织的重要成员，特别是在MBSE动议和发展中一直发挥着重要作用。
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图3-1 INCOSE发布的MBSE发展路线图
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MBSE通过应用模型来支持系统的需求定义、设计、分析、校核和验证。MBSE中的模型与MBD/MBM中的三维数字化模型属于不同的范畴，但在一定程度上可以实现模型间的信息传递。SysML是INCOSE和OMG（对象管理组织）在UML 2.0的基础上进行重用和面向系统工程的扩展而定义的新的系统建模语言标准，如图3-2所示，SysML对对象的定义主要通过其结构模型、行为模型、需求模型和参数模型来完成。其中，结构模型侧重于对系统的层次以及系统间不同对象的相互关联关系进行建模；行为模型主要针对基于功能的和基于状态的行为进行建模；需求模型强调用户需求的层次关系、需求间的追溯关系及设计对需求的满足情况等；参数模型主要强调系统或系统内部部件间的约束关系。MBD/MBM中模型的关键在于将产品的设计信息和制造信息共同定义到其三维数字化模型中，以完整地表达产品定义信息，将三维模型打造成产品研制活动中上下游间信息流转的载体。
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图3-2 基于SysML的对象模型定义
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为了更好地为客户提供基于系统工程的“V”模型闭环的系统驱动的产品开发支持，很多软件供应商都通过开发和收购的方式不断满足客户在MBSE方面的需求，如西门子收购了业界优秀软件LMS以完善自己对MBSE的支持：通过Teamcenter的系统工程模块实现对复杂系统的RFLP（Requirement、Function、Logical、Physical）支持。通过LMS产品提供多级复杂程度的建模理念，在概念设计阶段和详细设计阶段，分别对应有一维模型和三维模型，实现多级复杂程度的建模；其次，LMS在仿真和试验领域提供独特的解决方案，并将仿真和试验结合起来，在前期可以进行仿真，在后期可以进行试验，从而实现指标、建模、验证组成的闭环系统。
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支持MBSE的相关软件，需要为复杂产品的研制提供一个独特的模型驱动的系统工程工作环境，它将需求管理、体系架构、系统建模、系统仿真、系统虚拟验证、实物验证与其他产品和流程知识关联起来，将系统工程与产品全生命周期的管理融为一体，为跨领域、跨部门的复杂产品研制提供统一的信息化管理中枢。
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基于模型的系统工程根据系统需求定义的功能来设计整体系统架构，根据该架构的定义，在设计的早期可以把物理系统的模型和控制系统的模型耦合起来建立机电一体化系统的模型，在系统模型的基础上对整体方案进行分析和优化并完成各个子系统的性能指标设定。随后在子系统开发阶段中，通过建立子系统进一步细化的模型，一方面可以审核子系统的性能是否满足系统设计阶段定义的性能指标；另一方面该子系统模型可以替代系统模型中的功能模型，从而可以在整个系统环境中对子系统进行优化。由于不同的部门都是在统一的架构下进行子系统的开发，因此来自于不同部门的子系统模型非常容易进行集成，完成系统的虚拟验证。在设计后期，随着不同部件或者子系统物理样机的出现，又可以将这些物理样机和虚拟的模型结合起来进行仿真，加速物理试验的进程。
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1.基于PLM平台的集成化的系统工程环境
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集成化的系统工程环境为系统工程和需求管理提供了完全整合的方法，如图3-3所示。在统一的平台上实现需求的解析和确立、功能架构、逻辑设计、物理设计、系统验证，实现系统驱动的产品开发，使企业可以从整体上把握价值链的上下游系统，帮助避免因需求与物理实现不符所导致的成本昂贵的后期系统集成问题。
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图3-3 集成化的系统工程环境
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基于IT支撑的集成化系统工程平台将产品的系统工程和全生命周期管理有机结合在一起，如图3-4所示。通过在设计流程早期全面理解产品或系统，使生命周期中所涉及的各个部门都能对整个系统有一个全面的了解，企业就可以利用所掌握的知识来更好地权衡影响具体设计、制造、销售、采购和服务决策的各种因素；同时将系统工程与执行联系起来，使参与生命周期流程中的每个人都能够在需要做出决定时从系统层面出发，做出符合初始战略意图的选择。
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