系統(tǒng)工程和MBSE在正向設計增材制造整體解決方案中的應用

作者：段海波

基于模型的系統(tǒng)工程方法的運用，會對現(xiàn)有核電型號研發(fā)流程、設計模式造成很大沖擊，從而給項目管理、技術管理、風險決策等帶來根本變革。因此，有必要結(jié)合自身的研發(fā)特點和未來發(fā)展需求，制定出長遠發(fā)展規(guī)劃。

相比減材和等材制造，增材制造不僅是一種新的制造加工工藝方法，更是新一輪產(chǎn)業(yè)革命中改變?nèi)祟惿�產(chǎn)和生活方式的重要引擎和顛覆性技術體系。這種顛覆性體現(xiàn)在，除了這種新的制造工藝帶來的、可在一臺設備上快速精密制造出任意復雜形狀的零件，大幅度減少零件數(shù)目和加工工序、縮短加工周期、節(jié)省原材料、降低能耗等眾多好處外，更重要的是，它實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設計、高性能材料制備、復雜構(gòu)件制造的一體化，并為宏觀上的結(jié)構(gòu)設計和微觀上的材料制備帶來革命性的變化。其顛覆性不僅體現(xiàn)在制造和服務端，更體現(xiàn)在設計端。其背后的增材思維將帶來一場釋放自由度和激發(fā)創(chuàng)造力的設計革命。在此基礎上，安世亞太公司（以下簡稱安世亞太）正本清源，給出了正向設計新形勢下的全新定義：以系統(tǒng)工程為框架，以增材思維和技術為抓手，面向人工物理系統(tǒng)的改進設計、原創(chuàng)設計和技術研發(fā)，來提升人工物理系統(tǒng)的設計制造一體化能力、企業(yè)自主創(chuàng)新能力乃至企業(yè)和社會可持續(xù)發(fā)展能力的設計活動、方法和解決方案咨詢體系。

基于正向設計和增材制造的高端研發(fā)與先進制造整體解決方案（以下簡稱整體解決方案）的技術架構(gòu)如圖1所示。保證這一技術架構(gòu)有效運轉(zhuǎn)的整體解決方案的邏輯架構(gòu)如圖 2所示，將按材料設計工藝制造專業(yè)劃分的線性一維樹狀組織架構(gòu)，拓展為面向應用和市場的主營業(yè)務和其他共性基礎業(yè)務構(gòu)成的二維矩陣式組織架構(gòu)。

圖1  基于正向設計和增材制造的高端研發(fā)與先進制造整體解決方案技術架構(gòu)

圖2  基于正向設計和增材制造的高端研發(fā)與先進制造整體解決方案邏輯架構(gòu)

系統(tǒng)工程和基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）的方法、流程、工具不但是這一整體解決方案的重要組成部分；而且，在這一整體解決方案的架構(gòu)和流程體系開發(fā)過程中，系統(tǒng)科學和系統(tǒng)工程的框架、方法、流程起到頂層框架的指導作用；另外，在這一整體解決方案的落地實施過程中，系統(tǒng)工程和MBSE的方法、流程、工具起到了提升正向研制能力成熟度的作用。

系統(tǒng)科學和系統(tǒng)工程在整體解決方案架構(gòu)開發(fā)中的應用

從20世紀80年代初開始，錢學森在系統(tǒng)觀點指導下，探討現(xiàn)代科學的總體系和各門科學的體系結(jié)構(gòu)，提出了“4 個層次 1 座橋梁”的學科體系的本體框架（圖3），并劃分了 11大學科部門。即屬于工程技術層次的學科提供直接用于改造客觀世界的知識，技術科學層次的學科提供指導工程技術的理論，基礎科學層次的學科提供指導技術科學的理論，再通過相應的哲學分論上升到哲學層次，并接受哲學的指導。

圖3  現(xiàn)代科學學科體系的本體框架

整體解決方案技術架構(gòu)的設計參照了上述的“4個層次 1 座橋梁”這一現(xiàn)代科學學科體系的本體框架：（1）基礎學科層包括系統(tǒng)工程、數(shù)學、物理學、材料學、信息化使能環(huán)境——面向數(shù)字主線和數(shù)據(jù)協(xié)同、基于大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的云制造；（2）技術學科層包括發(fā)明問題的解決理論（TRIZ）及技術創(chuàng)新和管理、拓撲優(yōu)化、工程仿真、知識工程；（3）工程技術層包括基于系統(tǒng)工程面向增材制造的產(chǎn)品材料工藝一體化設計方法學，及其流程體系組合配置而成的正向設計咨詢體系、先進制造工藝融合優(yōu)選咨詢體系、先進材料制備研備服務體系；（4）工程實踐層包括面向工業(yè)品的解決方案體系（如飛機、航空發(fā)動機、汽車、模具等）、面向產(chǎn)業(yè)鏈的解決方案體系（如創(chuàng)業(yè)者、消費者、醫(yī)療、高等教育和職業(yè)培訓等公共事業(yè)、文創(chuàng)、建筑等）及面向工業(yè)化和信息化的產(chǎn)品體系（工藝和材料設備、軟件工具和平臺等）。

用這一本體框架重新審視系統(tǒng)的內(nèi)涵，可以得出：在技術科學層次的視圖上，系統(tǒng)是由相互制約的各部分組成的具有一定功能的整體（錢學森）；在基礎科學層次的視圖上，系統(tǒng)是相互聯(lián)系、相互作用的諸元素的綜合體（貝塔朗菲）；在哲學層次的視圖上，系統(tǒng)是在對任一對象上發(fā)現(xiàn)的具有某種屬性的關系或某種關系的屬性（烏約莫夫、閔家胤）。從本質(zhì)上說，任何系統(tǒng)都包括2個方面：元素及其間的關系。把現(xiàn)代科學的學科體系看作一個系統(tǒng)，應用系統(tǒng)的哲學層次視圖和基礎科學層次視圖，可以得到一張現(xiàn)代科學學科體系的二維視圖（圖4）。其中，若只對元素的范圍作出某種限定，就得到以某類事物為研究對象的學科，即圖中的橫坐標上的學科；若只對關系的類型作出某種限定，就得到某種橫斷學科，即圖中的縱坐標上的學科；兩坐標軸構(gòu)成的坐標系在第一象限的每個交點都有可能是或已經(jīng)是一門交叉學科，即“科學的線正在織成科學的布”。

圖4  由系統(tǒng)的內(nèi)涵看現(xiàn)代科學學科體系

整體解決方案邏輯架構(gòu)的設計也借鑒了錢學森關于研究對象的學科和研究關系的學科共同織成一張科學的布的思想；而且根據(jù)這一思想，我們非常重視系統(tǒng)科學、系統(tǒng)工程和數(shù)學在整體解決方案中的骨干作用。同時，這一邏輯架構(gòu)也符合歐美先進企業(yè)的研發(fā)模式。

另外，整體解決方案邏輯架構(gòu)的設計還要滿足對技術架構(gòu)的保障和支撐作用。整體解決方案的 2個架構(gòu)的這一相互關系，源自系統(tǒng)工程生存期階段模型中所關注系統(tǒng)與其生存期各階段使能系統(tǒng)的交互（圖5）。即如果把整體解決方案的技術架構(gòu)當作所關注系統(tǒng)（system-of-interest，即圖 5中的所關心的系統(tǒng)），則整體解決方案的邏輯架構(gòu)中的各功能模塊分別對應技術架構(gòu)的各個生存期階段，提供相應的保障和支撐。

圖 5  從系統(tǒng)及其使能系統(tǒng)的生存期階段模型看整體解決方案邏輯架構(gòu)對技術架構(gòu)的支撐

系統(tǒng)工程在整體解決方案流程體系開發(fā)中的應用
支撐整體解決方案中工程技術層的核心——基于系統(tǒng)工程面向增材制造的產(chǎn)品材料工藝一體化設計方法學——的是一套正向設計流程體系。這套流程體系是基于系統(tǒng)工程的，即將系統(tǒng)工程的技術過程組、技術管理過程組、協(xié)議過程組和組織項目使能過程組下的各個過程（圖 6），在基于正向設計和增材制造的高端研發(fā)與先進制造的各種場景下進行實例化。

圖 6  系統(tǒng)工程相關標準和指南中規(guī)定的標準過程

回顧整體解決方案的 3大目標——提升人工物理系統(tǒng)的設計制造一體化能力、企業(yè)自主創(chuàng)新能力乃至企業(yè)和社會可持續(xù)發(fā)展能力，從高到低橫跨了企業(yè)系統(tǒng)工程、產(chǎn)品系統(tǒng)工程、個體系統(tǒng)工程 3個層次和宏觀-介觀-微觀 3個尺度，所以，需要一個跨層次跨尺度的框架模型來管理這套流程體系。筆者對霍爾模型進行了修改、擴展和抽象，將知識維改為認知維，將時間維改為系統(tǒng)維，將時間的概念引入上述 3 個維度，使得 3 維的箭頭都有實際的業(yè)務意義，提出了精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程模型（圖 7）；于是，基于文檔的傳統(tǒng)霍爾模型系統(tǒng)工程二維活動矩陣構(gòu)成的籬笆墻網(wǎng)格，被拓展為橫跨系統(tǒng)全生存期、系統(tǒng)工程技術域全過程和企業(yè)智力資產(chǎn)價值鏈全過程的正向設計三維協(xié)同空間（圖 8），為整體解決方案的流程體系提供了管理框架。這套流程體系充滿了圖 8所示正向設計三維空間各個維度、各個層次和各個角落。

圖 7  精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程抽象模型

圖 8  精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程模型框架下的正向設計三維空間

系統(tǒng)維上的主流程，即系統(tǒng)生存期階段模型及其相關管理流程，保證組織做正確的事，這是面向外部客戶、聚焦在交付給客戶的產(chǎn)品或服務的物的維度。圖 6系統(tǒng)工程過程中的組織項目使能過程組下的生存期模型管理過程、組合管理過程和基礎設施管理過程，以及協(xié)議過程組下的采辦過程和供應過程，共 5個過程在系統(tǒng)維上。這樣，整體解決方案所涉及的企業(yè)系統(tǒng)工程和產(chǎn)品系統(tǒng)工程的互動協(xié)同，以及基于集成產(chǎn)品開發(fā)（IPD）的產(chǎn)品研發(fā)與技術研發(fā)的互動協(xié)同都被統(tǒng)一在系統(tǒng)維下。

邏輯維上的輔流程，即系統(tǒng)工程的核心技術過程，保證組織正確地做事，這是面向組織內(nèi)部、聚焦在系統(tǒng)工程過程執(zhí)行和管控的事的維度。圖 6系統(tǒng)工程過程中的技術過程組下的 14個過程和技術管理過程組中除信息管理外的 7 個過程，共 21 個過程在邏輯維上。實體 V模型是將圖 6系統(tǒng)工程技術過程組中的各個過程串起來的、也是圖 7、圖 8邏輯維的核心引擎流程，其中技術過程組的后 3個過程（運行、維護、報廢）本身就是實體 V模型的實例化應用。作為整體解決方案流程體系重要組成部分的面向增材制造的設計（DFAM）和面向生態(tài)設計和綠色制造的可持續(xù)性設計（DFS），同傳統(tǒng)的專用特性和通用特性（圖 9）一樣，它們都是實體 V模型左半邊的需求輸入，以實體 V模型和雙 V模型為框架開展實際的產(chǎn)品研制，進而實現(xiàn)對實體 V模型和雙 V模型的實例化應用。例如，面向增材制造設計的頂層流程（圖 10）涵蓋了產(chǎn)品的需求分析、架構(gòu)設計、詳細設計等過程，在實際應用時，需要將其下專業(yè)子流程，如適用于工業(yè)再設計的零件合并和功能集成流程，基于微觀宏觀結(jié)構(gòu)建模和多目標優(yōu)化的工藝、材料、零件/產(chǎn)品并行設計，基于 MBSE的系統(tǒng)建模、拓撲優(yōu)化及仿真和創(chuàng)成設計一體化流程，面向增材制造的創(chuàng)成設計流程等，納入雙V模型的系統(tǒng)工程過程框架。

圖 9  系統(tǒng)工程實體 V模型可以在全系統(tǒng)、全過程、全特性上進行實例化

圖 10  面向增材制造設計的頂層流程

認知維上的能力建設，通過數(shù)據(jù)、信息、知識及智慧（DIKW）的認知流反映了人和組織智力層次結(jié)構(gòu)價值遞增的順序，記錄了主觀世界認識和改造客觀世界的認知過程和結(jié)果，這是關注組織自身成長的人的維度。圖 6系統(tǒng)工程過程中的技術管理過程組下的信息管理過程，以及組織項目使能過程組下的知識管理過程、人力資源管理過程和質(zhì)量管理過程，共 4個過程在認知維上。相比以減材工藝為核心的傳統(tǒng)制造模式，以增材制造為核心的工藝融合和分布式云制造模式更需要DIKW框架和大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等相關方法工具的支持。整體解決方案的后續(xù)開發(fā)會利用增材制造、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術實現(xiàn)分布式制造、泛在制造、社會制造等生產(chǎn)模式，進而在DIKW框架下形成面向賽博物理社會空間的智慧經(jīng)濟。

MBSE在整體解決方案中的應用
系統(tǒng)工程和 MBSE是整體解決方案的重要組成部分。以《系統(tǒng)工程愿景2020》中MBSE英文定義為基礎，綜合 MBSE其他英文定義和解釋，給出MBSE的中文版定義：狹義的MBSE是一種形式化的建模方法學，包括架構(gòu)框架集、基于模型的過程集、建模語言集和建模工具集，它是為了應對基于文檔的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程工作模式在復雜產(chǎn)品和系統(tǒng)研發(fā)時面臨的挑戰(zhàn)，以邏輯連貫一致的多視角通用系統(tǒng)模型為橋梁和框架，實現(xiàn)跨領域模型的可追蹤、可驗證和全生存期內(nèi)的動態(tài)關聯(lián)，進而驅(qū)動貫穿于人工系統(tǒng)全生存期內(nèi)的、以及從體系往下到系統(tǒng)組件各個層級內(nèi)的系統(tǒng)工程過程和活動。廣義的 MBSE是指相對于傳統(tǒng)的基于文檔的系統(tǒng)工程模式的全新研發(fā)范式，包括建模方法學及其使能技術、人員能力和應用環(huán)境等所構(gòu)成的體系，如信息化協(xié)同平臺（這里指的不是 SysML建模工具，而是系統(tǒng)全生存期各階段各領域標準模型的協(xié)同平臺）、實施方法、培訓課程體系、最佳實踐、能力成熟度模型和路線圖等。

由上述定義可以看出，MBSE既是一種新的建模方法學和范式，又指達到理想研發(fā)模式的能力成熟度提升過程。從長遠和全球趨勢看，MBSE正在成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命所導向的智能社會所需的若干基礎設施的關鍵使能技術；從短期和國內(nèi)現(xiàn)狀看，實施MBSE，有助于重建正向設計的理論和實踐，利用后發(fā)優(yōu)勢縮短與歐美發(fā)達國家的差距。因此，以提升人工物理系統(tǒng)的設計制造一體化能力和企業(yè)自主創(chuàng)新能力為主要目標的整體解決方案，通過實施MBSE逐步提升正向研發(fā)能力和水平，成為必然選擇。所以，MBSE整體解決方案中的應用首先是在圖 8 中的邏輯維上，將MBSE建模方法學應用于圖 10和圖 11的面向增材制造設計的頂層流程和具體化流程，以實現(xiàn)組件級和系統(tǒng)級的增材設計。在整體解決方案的基礎科學層，除了系統(tǒng)工程和 MBSE，還有一個與系統(tǒng)工程密切相關的信息化使能環(huán)境模塊——面向數(shù)字主線的數(shù)據(jù)協(xié)同。

圖11  面向增材制造設計的具體流程

數(shù)字主線（或數(shù)字線程）是指通過創(chuàng)建和使用人工物理系統(tǒng)的跨領域通用數(shù)字孿生體，來保證系統(tǒng)全生存期內(nèi)的數(shù)據(jù)集成視圖和傳統(tǒng)上相互孤立視圖間的數(shù)據(jù)流的通信框架，進而實現(xiàn)系統(tǒng)當前和未來能力的動態(tài)實時評估，以輔助系統(tǒng)全生存期內(nèi)的各種決策。而數(shù)字孿生體是指過程、產(chǎn)品或服務的虛擬模型，這種虛擬和物理世界的配對允許分析數(shù)據(jù)和監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)在問題發(fā)生之前阻止問題、防止系統(tǒng)停止工作、開發(fā)新機會、甚至通過模型仿真來規(guī)劃未來。從MBSE和數(shù)字主線的定義可以看出兩者內(nèi)在的一致性。20多年前，并行工程和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（product data management，PDM）實施的目標就是將正確的信息在正確的時間和地點傳給正確的人。這一目標隨著當下 MBSE和數(shù)字主線等新范式、新手段的出現(xiàn)，其內(nèi)涵也與時俱進，不斷豐富，但初心不改。數(shù)字主線概念的提出，將各領域?qū)�業(yè)工程重新納入了系統(tǒng)工程的框架下，MBSE和產(chǎn)品生存周期保障標準（PLCS）成為數(shù)字主線的關鍵使能技術。

美國國家標準技術研究所（NIST）從信息轉(zhuǎn)換和傳遞的角度，將增材制造過程歸納為零件設計、工藝規(guī)劃、制成零件、完成后處理的零件、確認后的零件等活動，涉及的產(chǎn)品、材料、工藝、設備、檢測等信息的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換和傳遞，其數(shù)字主線信息生成地圖如圖 12 所示。NIST在零件級增材設計所做的工作為整體解決方案將數(shù)字主線和MBSE拓展到組件級和系統(tǒng)級、乃至工藝融合的應用打下了基礎。進而基于PLCS標準可實現(xiàn)分布式異地供應鏈協(xié)同和增材減材等工藝融合的云制造模式（圖13）。

圖12  增材制造數(shù)字主線信息生成地圖

圖13  基于PLCS標準數(shù)據(jù)模型協(xié)同的增材減材等工藝融合的云制造模式示例

MBSE 在整體解決方案面向數(shù)字主線和數(shù)據(jù)協(xié)同以及工藝融合云制造模式這兩個模塊的應用，可以認為是MBSE建模方法學在圖8認知維上的應用。而MBSE 在材料領域跨尺度的應用（圖 14），可以認為是MBSE建模方法學在圖8系統(tǒng)維上的應用。

圖14  材料設計流程

MBSE 在精益研發(fā)三維系統(tǒng)工程模型框架下的正向設計三維空間（圖8）3個維度的應用次序反映了整體解決方案的能力成熟度提升過程，即整體解決方案的能力成熟度框架（圖 15）同時也是 MBSE在其中的實施框架。正向設計能力在這個框架中，從沒按系統(tǒng)工程過程的低水平“正向”設計，到MBSE過程模型方法指導的產(chǎn)品正向設計，再到MBSE過程模型方法指導的產(chǎn)品和工藝正向設計，最后到實現(xiàn)了（產(chǎn)品、材料、工藝）設計制造一體化的、整個產(chǎn)品系統(tǒng)全生存期的正向設計，最終完成由低端走向高端的正向設計能力成熟度提升全過程。

圖15  整體解決方案能力成熟度等級框架

系統(tǒng)工程和 MBSE 是中國學術界和工業(yè)界重建正向研制的理論和實踐，進而全面提升人工物理系統(tǒng)的設計制造一體化能力和企業(yè)自主創(chuàng)新能力的綱領性的關鍵使能技術。將系統(tǒng)工程和 MBSE的實施納入基于正向設計和增材制造的高端研發(fā)與先進制造整體解決方案及其能力成熟度提升框架，既豐富和夯實了整體解決方案的內(nèi)涵和框架，也從重建正向研制理論和實踐的視角，以及這一中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級中最具基礎性意義的應用場景出發(fā)，為系統(tǒng)工程和MBSE在中國的推廣應用提供了新的舞臺。

參考文獻（略）

作者簡介
作者簡介：段海波，安世亞太科技股份有限公司，高級工程師，研究方向為基于增材思維的先進設計與智能制造、系統(tǒng)工程與 MBSE、基于標準的數(shù)據(jù)協(xié)同。

注：本文發(fā)表于《科技導報》2019 年第7期，有刪節(jié)，敬請關注。