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达索MBSE(基于模型的系统工程)解决方案

1.什么是MBSE(基于模型的系统工程)

系统工程(System Engineer)是为了很好地实现系统的目的,对系统的组成要素、组织结构、信息流、控制机构等进行分析研究的科学方法。它集成了所有学科和专业团队,形成结构化的开发过程:从工程概念到产品到运营,考虑所有客户的业务和技术需求,提供一 个满足用户需求高质量和安全的产品。 


系统工程侧重于在开发早期定义客户的需求和所需的功能,并记录所有需求,然后进行设计综合和系统验证,是一个以客户需求为导向的正向开发过程,以寻求系统很好解决方案。


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而MBSE(Model Based System Engineer)将系统工程传统的文本格式转向了图形化的系统建模语言,形成 “以模型为主,文档为辅”的系统架构方案。 


MBSE通过系统架构方案的模型化,能实现与周边人、机对接,从而完成需求高效准确的传递。MBSE与传统系统工程不同,它强调中央系统模型。该模型描述了捕捉的系统需求以及描述这些需求的设计决策。


2.传统系统工程不足以应对今天复杂产品研发的挑战

传统系统工程活动中,不同利益相关方会使用一系列基于自然语言、以文本格式为主的文档进行知识传递。此时,系统架构描述及研发过程由“一大包”文档共同组成,把这些文档“串起来”的是一系列的规范化术语及参数描述。各专业学科在进行系统分析的过程中,需要先确认术语,再使用参数,再将计算之后的相关参数写入文档,转交给其它学科的相关人员查看。由于交流的信息在各个文档之间“来回流动”,设计人员之间只能隔“墙”而聊。很显然,在这个过程中,文档管理机制,如版本管理、配置管理等非常重要。由于自然语言本身的存在歧义性,这种以文档为中心的工作方式容易引起交流双方的理解偏差。

如今产品的功能之多,结构之复杂,导致系统的规模越来越大,所涉及的学科和参与的人员越来越多,设计信息量爆炸式增长,使得要定位或者管理相关设计参数的状态管理所需的工作量也在不断增长,令人难以应对。

此外,由于交流不完善引起的系统参数状态不一致等问题也越来越突出,这导致了设计过程中信息不一致,为设计过程带来严重的信息管理及版本管理问题。


3.达索MBSE解决方案
随着计算机及信息技术的发展,利用面向对象、图形化、可视化的系统建模语言描述系统越来越容易,相关工程模型在系统设计工作中比重越来越高,因此,基于模型的系统工程(MBSE)相关技术逐渐被更多行业接受及应用。


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达索MBSE解决方案以3DE平台为基础,串联起MBSE全流程的工作。从系统之系统到设计仿真一体化协同,实现系统模型和仿真结果能正向驱动产品设计,面对系统工程模型驱动的需求,达索在3DE平台上,构建起从需求管理、功能设计到逻辑设计再到物理设计的数据架构,并基于RFLP数据框架统一数据源,在深度上,保证了初步设计和详细设计阶段,需求、系统定义和数字样机之间的一致性;在广度上,使系统架构师和学科专家能够预先定义和验证与需求匹配的系统。


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最终在多层面的深度和多专业的广度上,构建完整全面的研发机制,连接各部门及上下游,推动实现产品的需求驱动以及早期验证。


平台除3DE平台外,达索还提供以MagicDraw为核心的CATIA Magic系统级建模工具,以及基于Modelica语言的模型仿真工具软件Dymola等,形成了庞大且完善的达索系统-系统工程解决方案体系。


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3.1 3DE需求工程
产品被设计的目的即为满足需求。著名学者 Crosby 对于质量的定义也无非是“同需求保持一致”。达索定义的需求工程包含以下三方面:需求开发暨需求管理、端到端异构数据追溯及需求仿真暨验证,可概括为下图:


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需求管理可以被定义为确认证实:一、我们确知客户的需求是什么(质量);二、满足客户需求的理想的解决办法(一致性)的过程。需求管理是一种很高层次的系统行为,是开发工作有效进行的保证。因此需求管理所用到的工具必须能够处理和应用于各种需求,应当有助于我们组织需求,开发支持工具以处理与需求相关信息,并使项目的不同部分得到关联。


而需求追溯工作的开展,则有助于每条需求能实现从创建到验证的全生命管理,实现一条需求从捕捉到影响设计的闭环。好的需求追溯让需求工程发挥更大的价值,实现需求可追溯的目标同样也需要好的工具。


达索通过3DE平台TRM和TRY模块,针对以上需求管理的工作流程和对工具的要求,始终致力于用简单的工具将需求管理和追溯工作自动化,采用包括附有标注说明的系统发布工具及关系数据库等方法。

此外,通过复用需求管理所建立的需求模型,可以从平台内任何来源捕获需求,并利用其强大的需求跟踪与影响性分析能力,以及完善的自动化报告与文档生成功能,实现产品的可追溯性,确保所有的需求在研制阶段得到满足和实现。

同时,需求验证也能在3DE平台下展开,TRY和TRM模块所配套的应用能够在架构设计开始之前模拟需求,并检测模糊,不正确,缺失或冲突的需求。并将这些需求具体化、详细化以及合理化,使之成为可以知道设计的有利需求。综合三方面功能,使客户在需求工程部分实现:

  • 通过控制需求管理过程来满足标准和法规;

  • 优化产品开发流程——从需求定义直至产品最终验证;

  • 支持层次迭代的系统工程流程,可在任何层次子系统以需求驱动设计;

  • 能够处理各种不同层次和类型的需求;

  • 可以从任何来源捕获需求,强大的需求跟踪与影响性分析能力。


3.2 CATIA Magic基于MBSE的产品创新和正向开发工具


达索于2018年收购No Magic,并规划至其CATIA品牌之下。该公司聚焦于基于模型的系统工程、软件架构建模和业务流程建模,核心产品是UML建模工具MagicDraw。此次融合使面向“体验互联网”开发的系统工程得到普及,进一步加强了达索系统基于3DEXPERIENCE平台的行业解决方案体验,即智能自动化体验,它能实现真实世界中产品、自然和生活的数字化连接。

目前众多各行业企业客户和专业人士都依靠CATIA Magic的解决方案,包括其核心产品MagicDraw,用于业务流程、架构、软件和系统建模领域,并获得团队支持和巨大成功。他们能获得动态可视化信息,降低企业风险,减少成本,避免采用多种技术和标准的复杂业务和IT系统所造成的运营痛点。


在为CATIA Magic客户提供连续性的同时,达索系统还将通过其3DEXPERIENCE平台支持CATIA Magic的解决方案,补充并强化CATIA系统工程的应用。这将提供“单一数据源”,让企业中的任何用户都能实施持续的3D数字化流程,应对体验的生命周期中方方面面的问题,包括要求、系统架构模型系统、系统和子系统架构以及功能、概念、逻辑和物理3D建模仿真。在体验经济的时代,CATIA Magic将为用户带来更好的解决方案,包括建模、仿真乃至可追溯性分析功能。
3.3 Dymola 多学科系统仿真平台


  Dymola(Dynamic Modeling Lab 动态建模实验室), 是基于公开Modelica系统建模语言的集成建模和仿真环境,是用于模型创建、测试、仿真和后处理的完整环境。通过使用 Modelica 语言和高超的仿真技术,快速解决复杂的多专业系统建模和分析问题。

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主要能力包括:

系统建模:多工程、跨学科、直观建模、重用多层级

仿真分析:快速的动态计算速度、符号方程式处理、3D动画

模型设计:参数扫描、模型校准、设计优化


特色一:基于Modelica语言


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特色二:符号处理


  • 模型简化:在进行数值计算之前自动减少方程组

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特色三:高效的求解器


  • 针对特定问题的多种可能性(刚性-非刚性,可变积分步骤)

  • 并行计算:多核/线程计算的自动分区


特色四:模型资本化
  • 模型可通过模型库分享

  • 完全面向对象的模型

  • 加密保护IP

  • 库锁文件管理(管理自己的库)


特色五:模型重用
  • 模型可以快速地被更详细的表示替换(多层级),保持模型架构不变,只要具有相同的物理连接,新的子系统模型 就可以插入。子系统可以很容易地重用于不同的分析任务,例如,反转物理模型以确定所需的控制输入。


3.4 设计仿真一体化协同
依靠达索3DEXPERIENCE独特且出色的平台架构,以上工作不仅可以集成在达索统一体系中,还能将MBSE的成果继续无阻碍地向下游传递,实现需求模型到仿真模型最终指导设计模型地正向传递,实现研发正向化、流程化和高度自动化,达成设计仿真一体化协同的目的,大幅度缩短前期研发设计阶段周期,提高产品初期的完成度及质量。


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4.正向研发的必经之路

MBSE技术是新一代的产品正向设计研发技术,在实施过程中会与传统的业务流程、工作方式方法有不一致的地方,但同时也是制造业从旧的逆向开发模式向独立自主正向研发的必经之路。在这条路上,达索系统以先进技术优势保证了企业在革新之路上,顺利渡过转型的阵痛期,帮助企业真正实现需求驱动的正向研发流程,打通以模型为基础的同一数据流的全生命周期传递,助力中国制造业技术和产品的腾飞。