1704007354
工业4.0实战：装备制造业数字化之道 [:1704005732]
1704007355
工业4.0实战：装备制造业数字化之道 3.2 解决方案
1704007356
1704007357
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。
1704007358
1704007359
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。
1704007360
1704007361
1704007362
1704007363
1704007364
图3-1 INCOSE发布的MBSE发展路线图
1704007365
1704007366
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。
1704007367
1704007368
1704007369
1704007370
1704007371
图3-2 基于SysML的对象模型定义
1704007372
1704007373
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。
1704007374
1704007375
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。
1704007376
1704007377
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。
1704007378
1704007379
1.基于PLM平台的集成化的系统工程环境
1704007380
1704007381
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。
1704007382
1704007383
1704007384
1704007385
1704007386
图3-3 集成化的系统工程环境
1704007387
1704007388
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。
1704007389
1704007390
1704007391
1704007392
1704007393
图3-4 系统工程与全生命周期管理的有机结合
1704007394
1704007395
2.需求驱动的产品定义
1704007396
1704007397
结构化、集成化的需求管理为企业提供了统一、安全收集和管理客户之声的平台，这里的客户之声包括客户、合同、法规和企业自身标准等各方面的要求。通常的需求管理支持还要提供Live Integration功能。用户可以使用熟悉的Microsoft Office工具创建、编辑和维护需求，这些需求在需求管理环境中以结构化的方式体现。
1704007398
1704007399
集成的、结构化的需求管理环境可在整个生命周期内传达需求，将需求与功能、逻辑和物理实现相关联，将需求与项目管理、配置管理、变更管理相关联，需求管理将随着PLM应用的扩展而扩展，借助生命周期管理对需求进行全生命周期的跟踪。
1704007400
1704007401
基于需求的产品设计与验证集成环境还可以验证指标和行为的可行性。结构化的需求传递至CAD中成为MBD产品设计的需求源，基于HD3D的可视化业务智能环境，实现需求驱动的产品的设计和基于需求的设计验证。
1704007402
1704007403
3.基于模型的系统工程