安怀信正向研发数字化MBSE 解决方案SPIDER

文|安怀信科技股份有限公司

系统工程是为更好地实现系统目的，对系统的组成要素、组织结构、信息流和控制机构等进行分析研究的科学方法。它运用各种组织管理技术，使系统的整体与局部之间的关系协调和相互配合，实现总体最优运行。大型复杂工程系统就是所谓的复杂产品，研制复杂产品的企业如航空航天、高铁、船舶和汽车等，只有具备好的系统工程能力才能研制出好的产品。

研制导弹时，人们创造出了传统系统工程（Traditional System Engineering，TSE）。研制由导弹、卫星和航空母舰组成的复杂的“系统的系统”和C4ISR 时，人们又创造出了基于模型的系统工程（Model-Based System Engineering，MBSE）。MBSE不是对TSE 的完全替代，也不是TSE的替补，而是思维和手段的提升。

图1 系统工程方法与技术开发流程V 模型

系统工程活动主要集中在产品的概念和开发环节（即基于V 模型的技术开发流程），从产品研制总体入手协调平衡各个专业学科的知识，并在系统整体层次上“驾驭”各专业学科，如图1 所示。因此，规范产品正向研发数字化流程，搭建产品总体协同设计平台，使整个研发过程高效协同、有据可依，并强化设计过程的条理性、可预测性和可跟踪性。且随着产品日趋复杂和市场竞争日益加剧，自主创新研发是大势所趋，建立基于系统工程的数字化正向研发体系，从根本上实现复杂产品总体设计和系统设计能力的全面提升已刻不容缓。

一、问题与需求

目前，国内复杂产品的工程研制过程普遍面临如下问题：

◎ 设计质量难以提高，主要体现在：需求及其变更难管控，需求、指标和设计参数不联动，设计参数和过程不透明。

◎ 设计效率亟待提升，主要体现在：总体设计工作（需求定义—指标设定—总体设计—方案验证）无数字化协同手段，设计和验证过程与知识分离，研发知识未共享化、工具化。

◎ 自主创新能力不足，主要体现在：产品正向研发数字化能力不足，仍沿用传统简单产品的设计模式，在创新性的概念设计阶段缺乏系统层面的整体设计。

因此，研制复杂产品的企业对产品正向研发数字化的能力提升有非常迫切的需求。其中包括：

◎ 采用适合的系统工程最佳实践，规范产品数字化研发过程，建立规范的正向研发体系，以提升自主研发能力。

◎ 实现TSE（传统系统工程）工程落地。搭建数字化总体协同设计平台，解决上述工程研制过程中出现的痛点问题。

◎ 实现MBSE（基于模型的系统工程）工程落地。利用数字化手段集成基于V 模型的各个研发环节，搭建支持MBSE 的数字化总体协同设计服务平台，实现复杂产品总体协同设计能力的全面提升。

二、MBSE 解决方案

安怀信科技股份有限公司是中国正向研发软件和咨询服务的提供商，十五年来一直致力于协助用户搭建数字化工程、系统工程、MBSE 正向设计研发体系平台形成工具和流程的落地，已经服务了超过200 家中国顶级研究院所。

“模型”是MBSE 落地的核心，每个模型可以表达系统不同方面 (如系统架构、结构设计以及性能分析等) 的信息。为了充分发挥MBSE 的作用与潜力， 需要将系统建模和MBSE 作为基于模型的大型工程项目的必要组成部分，并与系统生命周期中其他工程学科模型和建模活动有机结合，这对基于V 模型的模型生命周期管理（Model Lifecycle Management， MLM）提出了迫切的需求。实践表明， 尽管目前的MBSE 实践可以通过具有含义的模型来表达系统或产品的功能架构，实现基于模型的系统架构设计，但仍缺乏对整个系统生命周期各类模型进行管理的能力和手段。这也是MBSE当前实践大多停留在系统概念阶段且仅在部分大型工业企业展开而没有被大规模采用的主要原因之一，而协助企业真正解决MBSE 的落地问题正是安怀信重点聚焦的战略发展方向。

面向企业系统工程或MBSE 研发升级，安怀信提供基于SPIDER 平台的三大核心工具集，SPIDER基于系统参数的总体协同设计平台，SimV&Ver仿真及验证工具包和DFX 设计可达性工具包，助力实现MBSE 中的设计、验证和并行工程环节，其建模思路如图2 所示。

图2 系统模型与SPIDER 的建模思路

1、SPIDER 平台简介

安怀信基于系统参数的总体协同设计平台（Systematic Parameter-based Integrated DesignER，SPIDER）是基于系统参数的集成设计、分析、仿真和验证等各研发环节应用系统和流程的总体协同设计平台，实现对需求、指标、方案和验证等模型的关联管理和技术状态的全面管控，使复杂产品研发过程协同化和规范化。

SPIDER 面向企业系统总体和分系统总体设计人员，是系统工程（TSE/MBSE）有效落地的支撑工具，实现将虚拟设计和验证融入研发前端，可有效解决企业产品研发过程中的（包括但不限于）诸多痛点，如图3 所示。

◎ 团队协同困难。需求定义—指标设定—设计实现—方案验证等研发环节无法关联，研发过程中的沟通成本极高。

◎ 参数关联困难。需求参数—指标参数—总体设计参数之间无法实时联动，数据传递主要依赖于文本，严重依赖物理验证手段，总体协同设计效率非常低下，而成本居高不下。

◎ 技术状态管控困难。基于系统工程（TSE/MBSE）的数字化研发流程不规范，过程不透明、数据不透明，容易出错，难以形成团队思维，对研发过程中的沟通交流产生极大障碍。

◎ 知识难以支撑研发活动。知识没有融入研发过程，传承与共享没有途径和平台，工程经验无法有效积累，导致研发过程中的低水平重复频繁发生。

图3 SPIDER 解决的需求痛点

图4 SPIDER 的集成实施与公司组合解决方案

2、SPIDER 的TSE/MBSE解决方案

SPIDER 关注的重点在于：系统建模是基础、虚拟研发是主体及数据管理是核心。

SPIDER 产品解决方案面向系统工程过程，具体实施时需要通过集成与产品研发业务相关的各专业商用程序和自研程序来搭建支持TSE/MBSE的复杂产品总体协同设计及虚拟验证系统，如图4 所示。因此，SPIDER 可与安怀信公司的另外两款产品线Sim V&Ver 和DFox 集成，为企业提供功能更加强大的组合解决方案。

其中，Sim V&Ver 产品线，即性能仿真模型验证V&V 系统，用于解决研发过程中产品仿真置信度等问题。DFox 产品线，即设计可达性检查系统，用于解决研发过程中产品设计可装配性、可制造性、成本设计及检查等问题。

3、SPIDER 的价值

◎ 四联动：实现了需求定义—指标设定—设计实现—方案验证四个过程的联动。

◎ 三协同：实现了需求参数—指标参数—总体设计参数之间的实时协同。

◎ 二透明：实现了研发过程中的过程透明、数据透明。

◎ 一落地：实现了系统工程（TSE/MBSE）的工程落地和信息化实现。