安懷信正向研發數字化MBSE 解決方案SPIDER

文|安懷信科技股份有限公司

系統工程是為更好地實現系統目的，對系統的組成要素、組織結構、信息流和控制機構等進行分析研究的科學方法。它運用各種組織管理技術，使系統的整體與局部之間的關系協調和相互配合，實現總體最優運行。大型復雜工程系統就是所謂的復雜產品，研制復雜產品的企業如航空航天、高鐵、船舶和汽車等，只有具備好的系統工程能力才能研制出好的產品。

研制導彈時，人們創造出了傳統系統工程（Traditional System Engineering，TSE）。研制由導彈、衛星和航空母艦組成的復雜的“系統的系統”和C4ISR 時，人們又創造出了基于模型的系統工程（Model-Based System Engineering，MBSE）。MBSE不是對TSE 的完全替代，也不是TSE的替補，而是思維和手段的提升。

圖1 系統工程方法與技術開發流程V 模型

系統工程活動主要集中在產品的概念和開發環節（即基于V 模型的技術開發流程），從產品研制總體入手協調平衡各個專業學科的知識，并在系統整體層次上“駕馭”各專業學科，如圖1 所示。因此，規范產品正向研發數字化流程，搭建產品總體協同設計平臺，使整個研發過程高效協同、有據可依，并強化設計過程的條理性、可預測性和可跟蹤性。且隨著產品日趨復雜和市場競爭日益加劇，自主創新研發是大勢所趨，建立基于系統工程的數字化正向研發體系，從根本上實現復雜產品總體設計和系統設計能力的全面提升已刻不容緩。

一、問題與需求

目前，國內復雜產品的工程研制過程普遍面臨如下問題：

◎ 設計質量難以提高，主要體現在：需求及其變更難管控，需求、指標和設計參數不聯動，設計參數和過程不透明。

◎ 設計效率亟待提升，主要體現在：總體設計工作（需求定義—指標設定—總體設計—方案驗證）無數字化協同手段，設計和驗證過程與知識分離，研發知識未共享化、工具化。

◎ 自主創新能力不足，主要體現在：產品正向研發數字化能力不足，仍沿用傳統簡單產品的設計模式，在創新性的概念設計階段缺乏系統層面的整體設計。

因此，研制復雜產品的企業對產品正向研發數字化的能力提升有非常迫切的需求。其中包括：

◎ 采用適合的系統工程最佳實踐，規范產品數字化研發過程，建立規范的正向研發體系，以提升自主研發能力。

◎ 實現TSE（傳統系統工程）工程落地。搭建數字化總體協同設計平臺，解決上述工程研制過程中出現的痛點問題。

◎ 實現MBSE（基于模型的系統工程）工程落地。利用數字化手段集成基于V 模型的各個研發環節，搭建支持MBSE 的數字化總體協同設計服務平臺，實現復雜產品總體協同設計能力的全面提升。

二、MBSE 解決方案

安懷信科技股份有限公司是中國正向研發軟件和咨詢服務的提供商，十五年來一直致力于協助用戶搭建數字化工程、系統工程、MBSE 正向設計研發體系平臺形成工具和流程的落地，已經服務了超過200 家中國頂級研究院所。

“模型”是MBSE 落地的核心，每個模型可以表達系統不同方面 (如系統架構、結構設計以及性能分析等) 的信息。為了充分發揮MBSE 的作用與潛力， 需要將系統建模和MBSE 作為基于模型的大型工程項目的必要組成部分，并與系統生命周期中其他工程學科模型和建模活動有機結合，這對基于V 模型的模型生命周期管理（Model Lifecycle Management， MLM）提出了迫切的需求。實踐表明， 盡管目前的MBSE 實踐可以通過具有含義的模型來表達系統或產品的功能架構，實現基于模型的系統架構設計，但仍缺乏對整個系統生命周期各類模型進行管理的能力和手段。這也是MBSE當前實踐大多停留在系統概念階段且僅在部分大型工業企業展開而沒有被大規模采用的主要原因之一，而協助企業真正解決MBSE 的落地問題正是安懷信重點聚焦的戰略發展方向。

面向企業系統工程或MBSE 研發升級，安懷信提供基于SPIDER 平臺的三大核心工具集，SPIDER基于系統參數的總體協同設計平臺，SimV&Ver仿真及驗證工具包和DFX 設計可達性工具包，助力實現MBSE 中的設計、驗證和并行工程環節，其建模思路如圖2 所示。

圖2 系統模型與SPIDER 的建模思路

1、SPIDER 平臺簡介

安懷信基于系統參數的總體協同設計平臺（Systematic Parameter-based Integrated DesignER，SPIDER）是基于系統參數的集成設計、分析、仿真和驗證等各研發環節應用系統和流程的總體協同設計平臺，實現對需求、指標、方案和驗證等模型的關聯管理和技術狀態的全面管控，使復雜產品研發過程協同化和規范化。

SPIDER 面向企業系統總體和分系統總體設計人員，是系統工程（TSE/MBSE）有效落地的支撐工具，實現將虛擬設計和驗證融入研發前端，可有效解決企業產品研發過程中的（包括但不限于）諸多痛點，如圖3 所示。

◎ 團隊協同困難。需求定義—指標設定—設計實現—方案驗證等研發環節無法關聯，研發過程中的溝通成本極高。

◎ 參數關聯困難。需求參數—指標參數—總體設計參數之間無法實時聯動，數據傳遞主要依賴于文本，嚴重依賴物理驗證手段，總體協同設計效率非常低下，而成本居高不下。

◎ 技術狀態管控困難。基于系統工程（TSE/MBSE）的數字化研發流程不規范，過程不透明、數據不透明，容易出錯，難以形成團隊思維，對研發過程中的溝通交流產生極大障礙。

◎ 知識難以支撐研發活動。知識沒有融入研發過程，傳承與共享沒有途徑和平臺，工程經驗無法有效積累，導致研發過程中的低水平重復頻繁發生。

圖3 SPIDER 解決的需求痛點

圖4 SPIDER 的集成實施與公司組合解決方案

2、SPIDER 的TSE/MBSE解決方案

SPIDER 關注的重點在于：系統建模是基礎、虛擬研發是主體及數據管理是核心。

SPIDER 產品解決方案面向系統工程過程，具體實施時需要通過集成與產品研發業務相關的各專業商用程序和自研程序來搭建支持TSE/MBSE的復雜產品總體協同設計及虛擬驗證系統，如圖4 所示。因此，SPIDER 可與安懷信公司的另外兩款產品線Sim V&Ver 和DFox 集成，為企業提供功能更加強大的組合解決方案。

其中，Sim V&Ver 產品線，即性能仿真模型驗證V&V 系統，用于解決研發過程中產品仿真置信度等問題。DFox 產品線，即設計可達性檢查系統，用于解決研發過程中產品設計可裝配性、可制造性、成本設計及檢查等問題。

3、SPIDER 的價值

◎ 四聯動：實現了需求定義—指標設定—設計實現—方案驗證四個過程的聯動。

◎ 三協同：實現了需求參數—指標參數—總體設計參數之間的實時協同。

◎ 二透明：實現了研發過程中的過程透明、數據透明。

◎ 一落地：實現了系統工程（TSE/MBSE）的工程落地和信息化實現。