系統(tǒng)工程和MBSE在正向設(shè)計增材制造整體解決方案中的應(yīng)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(shè)計模式造成很大沖擊,，從而給項目管理,、技術(shù)管理,、風(fēng)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(yuǎn)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(shù)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(shè)備上快速精密制造出任意復(fù)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(shè)計,、高性能材料制備,、復(fù)雜構(gòu)件制造的一體化，并為宏觀上的結(jié)構(gòu)設(shè)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(wù)端,，更體現(xiàn)在設(shè)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(shè)計革命。在此基礎(chǔ)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(shè)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(shù)為抓手,，面向人工物理系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計,、原創(chuàng)設(shè)計和技術(shù)研發(fā)，來提升人工物理系統(tǒng)的設(shè)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(shè)計活動,、方法和解決方案咨詢體系。

基于正向設(shè)計和增材制造的高端研發(fā)與先進(jìn)制造整體解決方案（以下簡稱整體解決方案）的技術(shù)架構(gòu)如圖1所示,。保證這一技術(shù)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(shè)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(yīng)用和市場的主營業(yè)務(wù)和其他共性基礎(chǔ)業(yè)務(wù)構(gòu)成的二維矩陣式組織架構(gòu),。

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

圖2  基于正向設(shè)計和增材制造的高端研發(fā)與先進(jìn)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(xué)和系統(tǒng)工程的框架,、方法,、流程起到頂層框架的指導(dǎo)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(xué)和系統(tǒng)工程在整體解決方案架構(gòu)開發(fā)中的應(yīng)用

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

圖3  現(xiàn)代科學(xué)學(xué)科體系的本體框架

整體解決方案技術(shù)架構(gòu)的設(shè)計參照了上述的“4個層次 1 座橋梁”這一現(xiàn)代科學(xué)學(xué)科體系的本體框架：（1）基礎(chǔ)學(xué)科層包括系統(tǒng)工程,、數(shù)學(xué),、物理學(xué)、材料學(xué),、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(shù)學(xué)科層包括發(fā)明問題的解決理論（TRIZ）及技術(shù)創(chuàng)新和管理,、拓?fù)鋬?yōu)化,、工程仿真、知識工程,；（3）工程技術(shù)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(shè)計方法學(xué),，及其流程體系組合配置而成的正向設(shè)計咨詢體系、先進(jìn)制造工藝融合優(yōu)選咨詢體系,、先進(jìn)材料制備研備服務(wù)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(xùn)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(shè)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(shù)科學(xué)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(xué)森）,；在基礎(chǔ)科學(xué)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(xué)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(guān)系或某種關(guān)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(guān)系。把現(xiàn)代科學(xué)的學(xué)科體系看作一個系統(tǒng),，應(yīng)用系統(tǒng)的哲學(xué)層次視圖和基礎(chǔ)科學(xué)層次視圖,，可以得到一張現(xiàn)代科學(xué)學(xué)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(xué)科,，即圖中的橫坐標(biāo)上的學(xué)科；若只對關(guān)系的類型作出某種限定,，就得到某種橫斷學(xué)科,，即圖中的縱坐標(biāo)上的學(xué)科；兩坐標(biāo)軸構(gòu)成的坐標(biāo)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(xué)科,，即“科學(xué)的線正在織成科學(xué)的布”,。

圖4  由系統(tǒng)的內(nèi)涵看現(xiàn)代科學(xué)學(xué)科體系

整體解決方案邏輯架構(gòu)的設(shè)計也借鑒了錢學(xué)森關(guān)于研究對象的學(xué)科和研究關(guān)系的學(xué)科共同織成一張科學(xué)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(xué),、系統(tǒng)工程和數(shù)學(xué)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(jìn)企業(yè)的研發(fā)模式,。

另外，整體解決方案邏輯架構(gòu)的設(shè)計還要滿足對技術(shù)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(guān)系,，源自系統(tǒng)工程生存期階段模型中所關(guān)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(shù)架構(gòu)當(dāng)作所關(guān)注系統(tǒng)（system-of-interest,，即圖 5中的所關(guān)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(yīng)技術(shù)架構(gòu)的各個生存期階段，提供相應(yīng)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(shù)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(yīng)用
支撐整體解決方案中工程技術(shù)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(shè)計方法學(xué)——的是一套正向設(shè)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(shù)過程組,、技術(shù)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(shè)計和增材制造的高端研發(fā)與先進(jìn)制造的各種場景下進(jìn)行實例化,。

圖 6  系統(tǒng)工程相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和指南中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)過程

回顧整體解決方案的 3大目標(biāo)——提升人工物理系統(tǒng)的設(shè)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(jìn)行了修改、擴(kuò)展和抽象,，將知識維改為認(rèn)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(wù)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(shù)域全過程和企業(yè)智力資產(chǎn)價值鏈全過程的正向設(shè)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(shè)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(shè)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(guān)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(wù)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(chǔ)設(shè)施管理過程,，以及協(xié)議過程組下的采辦過程和供應(yīng)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(shù)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(shù)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(shù)過程組下的 14個過程和技術(shù)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(shù)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(shù)過程組的后 3個過程（運行、維護(hù),、報廢）本身就是實體 V模型的實例化應(yīng)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(shè)計（DFAM）和面向生態(tài)設(shè)計和綠色制造的可持續(xù)性設(shè)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(jìn)而實現(xiàn)對實體 V模型和雙 V模型的實例化應(yīng)用,。例如,，面向增材制造設(shè)計的頂層流程（圖 10）涵蓋了產(chǎn)品的需求分析,、架構(gòu)設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計等過程,，在實際應(yīng)用時,，需要將其下專業(yè)子流程，如適用于工業(yè)再設(shè)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(biāo)優(yōu)化的工藝,、材料、零件/產(chǎn)品并行設(shè)計,，基于 MBSE的系統(tǒng)建模,、拓?fù)鋬?yōu)化及仿真和創(chuàng)成設(shè)計一體化流程，面向增材制造的創(chuàng)成設(shè)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(jìn)行實例化

圖 10  面向增材制造設(shè)計的頂層流程

認(rèn)知維上的能力建設(shè),，通過數(shù)據(jù)、信息,、知識及智慧（DIKW）的認(rèn)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(rèn)識和改造客觀世界的認(rèn)知過程和結(jié)果，這是關(guān)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(shù)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(rèn)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(guān)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(shù)實現(xiàn)分布式制造,、泛在制造、社會制造等生產(chǎn)模式,，進(jìn)而在DIKW框架下形成面向賽博物理社會空間的智慧經(jīng)濟(jì),。

MBSE在整體解決方案中的應(yīng)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(chǔ),，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(xué)，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(yīng)對基于文檔的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程工作模式在復(fù)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(lǐng)域模型的可追蹤,、可驗證和全生存期內(nèi)的動態(tài)關(guān)聯(lián)，進(jìn)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(xué)及其使能技術(shù),、人員能力和應(yīng)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(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)模型的協(xié)同平臺）,、實施方法、培訓(xùn)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(xué)和范式,，又指達(dá)到理想研發(fā)模式的能力成熟度提升過程。從長遠(yuǎn)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(dǎo)向的智能社會所需的若干基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵使能技術(shù),；從短期和國內(nèi)現(xiàn)狀看，實施MBSE,，有助于重建正向設(shè)計的理論和實踐,，利用后發(fā)優(yōu)勢縮短與歐美發(fā)達(dá)國家的差距。因此,，以提升人工物理系統(tǒng)的設(shè)計制造一體化能力和企業(yè)自主創(chuàng)新能力為主要目標(biāo)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(yīng)用首先是在圖 8 中的邏輯維上，將MBSE建模方法學(xué)應(yīng)用于圖 10和圖 11的面向增材制造設(shè)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(shè)計,。在整體解決方案的基礎(chǔ)科學(xué)層，除了系統(tǒng)工程和 MBSE,，還有一個與系統(tǒng)工程密切相關(guān)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(shè)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(lǐng)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(jìn)而實現(xiàn)系統(tǒng)當(dāng)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(wù)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(biāo)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(biāo)隨著當(dāng)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(jìn),，不斷豐富,，但初心不改。數(shù)字主線概念的提出,，將各領(lǐng)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(biāo)準(zhǔn)（PLCS）成為數(shù)字主線的關(guān)鍵使能技術(shù)。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)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(shè)計,、工藝規(guī)劃、制成零件,、完成后處理的零件,、確認(rèn)后的零件等活動，涉及的產(chǎn)品,、材料,、工藝、設(shè)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(shè)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(yīng)用打下了基礎(chǔ)。進(jìn)而基于PLCS標(biāo)準(zhǔn)可實現(xiàn)分布式異地供應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用,，可以認(rèn)為是MBSE建模方法學(xué)在圖8認(rèn)知維上的應(yīng)用,。而MBSE 在材料領(lǐng)域跨尺度的應(yīng)用（圖 14），可以認(rèn)為是MBSE建模方法學(xué)在圖8系統(tǒng)維上的應(yīng)用,。

圖14  材料設(shè)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(shè)計三維空間（圖8）3個維度的應(yīng)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(shè)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(shè)計,，到MBSE過程模型方法指導(dǎo)的產(chǎn)品正向設(shè)計，再到MBSE過程模型方法指導(dǎo)的產(chǎn)品和工藝正向設(shè)計,，最后到實現(xiàn)了（產(chǎn)品,、材料、工藝）設(shè)計制造一體化的,、整個產(chǎn)品系統(tǒng)全生存期的正向設(shè)計,，最終完成由低端走向高端的正向設(shè)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(xué)術(shù)界和工業(yè)界重建正向研制的理論和實踐,，進(jìn)而全面提升人工物理系統(tǒng)的設(shè)計制造一體化能力和企業(yè)自主創(chuàng)新能力的綱領(lǐng)性的關(guān)鍵使能技術(shù),。將系統(tǒng)工程和 MBSE的實施納入基于正向設(shè)計和增材制造的高端研發(fā)與先進(jìn)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(chǔ)性意義的應(yīng)用場景出發(fā),，為系統(tǒng)工程和MBSE在中國的推廣應(yīng)用提供了新的舞臺,。

參考文獻(xiàn)（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(jìn)設(shè)計與智能制造、系統(tǒng)工程與 MBSE,、基于標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)協(xié)同,。

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