复杂系统数字化研发平台架构分析与需求追溯

2024-06-27罗利杰王晔云李鑫

信息系统工程 2024年6期

罗利杰王晔云李鑫

摘要：研发与设计是先进复杂系统工程实施落地的核心活动，而数字化平台是融合软件与算力，推动业务变革、能力提升的重要支撑。复杂系统数字化研发平台架构需满足设计提质增效、科研重点突破、管理统合综效、流程创新优化等多个维度的需求，从6W2H方法论出发，结合研发项目任务特点探讨了平台构成要素和需求与架构要素的追溯关系，是后续做深做实，推进正向科研数字化平台建设的输入与参考。

关键词：正向研发；复杂系统；数字化转型；架构分析

一、前言

中国核电工程有限公司是中核集团大型核电站及后处理厂的牵头单位、总包单位和核心研制单位，业务涉及新堆型设计、核电站设计、后处理厂设计及各种科研项目。设计任务复杂、工作量大、设计时间紧、任务重。如何高质量、低成本、短交货期及个性化地完成各型研制任务，已经成为核电工程公司获取新竞争优势的紧迫性问题。目前，国内越来越多的企业正在通过数字化转型来加快产品系列化和多样化的开发周期，大大降低企业的设计成本，提高企业的竞争力和应变市场的能力。本文从6W2H的维度来分析数字化研发平台建设工作，如图1所示。

二、数字化研发平台架构要素

（一）确定目标、选择对象（Which）

数字化研发平台的建设目标包括：

1.基于创新设计技术构建制造强国

数字化企业的第一目标，是构建基于正向研发的设计能力，实现中国企业的创新设计能力。

2.利用数字化技术实现弯道超车

相对于先行了几十年的国外制造企业，中国企业在数字化、模型化技术方面有能力、有机会实现弯道超车。

3.国防军工“数字工程”建设基础

以美国国防部“数字工程”为代表的新一代国防体系建设，目的是构建起国防部与众多研究机构的数字化共享平台。中国推动的数字化企业也在很大程度上是“数字工程”实现的基础手段。

核化工、核电属于流程制造业。不同于航空、航天等离散制造业，核化工、核电还涉及核物理、核化工方向，具有高放射及核安全的特殊性。同时，核化工厂、大型核电厂的工厂级系统具有更大的规模，往往具有边设计、边建造的特点。因此，核电和核化工的研发数字化必须全盘考虑，分步实施，与航空、航天有所区别。本文选择核工程作为研究对象。

（二）选择原因、发生原因（Why）

正向设计表现为一个完整的“V”字模型，从涉众需求开始，经过需求定义、功能分解、系统综合、物理设计、工艺设计、产品试制、部件验证、系统集成、系统验证、系统确认、产品验收全过程，完全用数字化模型表达产品的所有信息，如图2（左）所示。

通常来说，企业发展都会经历一个逆向工程过程。产品设计起始点不是涉众需求，而是从V模型中间某个点开始。“物理设计”是中国企业的常见起点。本模式仿照已经存在的产品，完成图纸绘制，进入试制和验证各阶段，完成产品交付或推向市场。V模型的右边出现问题时，由于没有左边可对应，所以只能回溯到前一阶段查询和解决问题。当回溯到物理设计阶段仍然解决不了问题时，那就成为永远的问题。清醒的企业会有意识地“补课”，研究物理设计之前的各个过程，以图追溯和还原仿制对象的本源。当然，这样只能还原部分本源，以上过程称为“逆向工程”，如图2（右）所示。现阶段，中核工程研发板块大部分仍处于逆向工程过程，本文希望通过建设数字化研发平台提升中核工程“正向工程”研发能力。

（三）内容、本质、功能（What）

科技创新是核工业的立业之本，是核工业发展之魂，是实现中核集团“三位一体”战略目标的动力之源，以科技创新推进核工业全链条主要环节智慧院所建设，提升科研设计数字化智能化水平，助力完善核科技创新能力体系建设。

实现“对象数字化、过程数字化、规则数字化”是数字化转型的关键。过去开发 IT 系统只是为了固化流程、规范业务，因此需要一个又一个“烟囱式”的 IT 系统满足各个垂直领域的诉求。现在通过建设数字化研发平台把流程中的过程数字化、业务规则数字化、业务对象数字化，不仅能实现从线下到线上的转变，还能快速按需编排，支撑业务不断创新[1]。

在正向设计体系建设过程中，将利用先进的创新方法、设计和仿真技术提升产品的性能，实现从跟踪研仿向自主创新的转变。正向变革的驱动力是模型，模型工程是其核心手段。正向变革的过程就是一系列基于模型的工程执行过程。数字化研发平台的功能需借助基于模型的系统工程方法（MBSE），开展需求管理系统、流程驱动参数化协同设计系统、产品研发数据管理等共性系统平台建设，开展核心工业软件自主开发与应用，以及示范工程项目建设，实现基于统一架构模型的跨专业数字化研发、专业集成和样机协同，数据共享如见图2所示。

（四）着手点（Where）

“Where”在项目管理中不仅决定了项目的具体实施地点，还会影响资源的获取与利用。通过明确“Where”，可以更好地了解项目周边的环境和条件，从而制定出更合理的计划。例如，明确资源的分布情况，能帮助项目更高效地调配物资和人力。

数字化研发平台建设工作围绕系统工程核心——研发过程与科研管理双流程推进，基于先进的模型系统工程（MBSE）平台软件，充分吸收相关行业、案例数字化转型的良好实践经验，在解决科研任务需求、推进科研课题各项工作的同时，实现正向协同研发“V”字技术流程数字化转型，建立总体能力和各专业的引领能力，实现每个专业都具备总体能力及各专业的引领能力。

（五）完成时间、时机（When）

为深入贯彻党中央、国务院关于加快发展数字经济决策部署，全面落实上级部委相关要求，加快推进数智技术与核科技产业深度融合，构筑数字时代核工业竞争新优势，实现数字核工业建设目标。中核集团发布了《中核集团数字化转型三年行动方案（2023年—2025年）》。相关部门完成了数字化研发平台建设策划方案。中核工程核化工院组建了数字化转型领导小组及数字化推进工作组，工作组的职责之一是负责组织开展核化工院数字化研发平台建设和维护，在项目实施中关注项目启动、任务期限、时间节点、资源分配、风险预警和项目结束等时间。借助项目管理工具规划和跟踪，合理规划，提高效率，避免延误。

（六）机构、组织、关联人（Who）

数字化研发平台建设的相关组织机构包括业务部门（核化工院）、信息化部门（数字化工程技术中心）和管理部门（科技部）。

中核工程承担了大量科研工作，建设有科研管理信息系统。传统信息化工作模式中，由信息化部门统一负责、组织业务开展需求梳理、系统建设与应用，存在信息化建设和型号应用“两张皮”的现象。因此，将数字化推进工作的牵头部门明确为科研生产管理部门，在转型过程中，业务部门与 IT 部门应该紧密结合，组建业务与 IT 一体化团队，瞄准业务问题，找准转型的突破口并开展工作，彻底改变“企业 IT 部门跟业务部门两张皮”的现状[2]。在面对数字化转型过程中组织架构、职能定位和专业团队的变化时，相关部门统筹谋划、主动作为，形成“新组织”。

（七）如何提高建设效率（How to do）

战略引领、统筹推进。以集团公司“三位一体”战略目标为引领，对齐主责主业，瞄准业务能力提升，坚持系统观念，统筹全局、全要素，强化集团公司“十四五”信息化规划的落地执行。

突出重点，试点示范。围绕科研设计核心业务，梳理数字化转型场景，依托试点课题，从典型场景转型切入，制定转型标准规范，推进建设任务，突破业务重要节点，依托工程或项目形成示范落地，确保同类场景数字化转型目标高效达成。

先进可靠，安全高效。引入先进成熟的数字技术，并用在适合的业务场景，坚持数字化建设与安全防护措施同步，确保核心信息资产不外泄，系统安全、稳定、高效运行。

在转变运作模式时，避免一次性投入过大，通过小步迭代的方式进行验证和推进。建立“建用协同”的两化融合组织管理体系，由业务主管部门组织各岗位一线人员梳理需求和基于模型的业务流程，信息化部门负责软件工具建设和统筹管理，再由业务部门组织应用和持续改进。该种组织管理模式的调整充分调动了全员开展数字化工作的积极性，有利于提高数字化成果的实际应用效果。

（八）需要多少资源（How much）

系统建设主要关注的是资源的数量和成本。在项目管理中，通过明确“How much”，可以更好地对时间、成本、人力、材料、设备等方面进行评估和规划，通过合理规划和持续监控，能够提高项目资源利用效率，降低风险，确保项目在预算范围内顺利完成。

首先，时间是项目管理中的关键因素。确定项目的时间需求，包括各个阶段和任务的预估时间，有助于合理安排工作进度。同时，成本控制也是项目管理的重要环节。明确项目的总预算以及各阶段和任务的成本分配，能够有效避免预算超支。人力资源的合理规划同样不可或缺，明确所需人员的数量和技能，有助于提高团队效率。此外，对材料和设备的需求评估以及风险管理的成本考虑，都直接关乎项目能否顺利进行。

然而，实际情况中，“How much”的确定往往面临诸多挑战。市场行情的波动、任务分解的不确定性以及风险的不可预测性等因素都可能导致预算的偏差。因此，在项目执行过程中，需要持续监控和调整“How much”，以确保项目在资源限制内顺利完成[3]。

中核工程为了更准确地确定“How much”，采用多种方法，如精细化的成本估算、资源需求分析和风险评估等。同时，建立有效的沟通机制和团队协作，能够及时发现问题并进行调整。

三、数字化研发平台需求评估

为实现研发过程与科研管理双流程推进，拟以先进的模型系统工程（MBSE）平台软件作为数字化研发平台架构框架，充分吸收相关行业、案例数字化转型良好实践经验，实现正向协同研发“V”字技术流程数字化转型，建立总体能力和各专业的引领能力，实现每个专业都具备总体能力及各专业的引领能力。结合设计提质增效、科研重点突破、管理统合综效、流程创新优化等多维度的需求，形成如下平台效能指标及具体要求：

高效性：核化工院数字化MBSE研发平台通过建立全面的数字化模型，能够提高研发过程的效率和准确性，帮助工程师在设计、仿真和优化过程中快速获取和分析数据，从而节省时间和资源。

成本效益：该平台可以降低研发过程中的成本，通过提供模型驱动的设计和仿真工具，减少了传统试错方法所需的实验和实际测试成本。此外，数字化平台还可以提高项目管理效率，减少人力和物力资源的浪费。

质量提升：数字化MBSE平台可以提供更精确和全面的设计和分析结果，帮助工程师更好地理解系统的工作原理和性能特征。通过在早期进行模型验证和优化，可以显著减少设计缺陷和错误，提高系统的质量和可靠性。

知识管理：数字化MBSE平台可以集成和管理大量的设计和仿真数据，形成一个知识库，方便工程师进行知识共享和团队协作，有助于避免重复工作、提高知识的积累和传承，提高整体研发效率和质量。

灵活性和可扩展性：核化工院数字化MBSE研发平台应具备良好的灵活性和可扩展性，以适应不同项目和领域的需求[4]。它应该支持各种核化工设计和仿真工具的集成，同时允许用户根据需要定制和扩展功能。

综上所述，核化工院数字化MBSE研发平台具有成本效益高、质量提升、知识管理到位以及高效、灵活和可扩展等优点，这些优点使数字化MBSE研发平台具有良好的性价比。

四、结语

通过上面6W2H分析，得出了数字化研发平台的建设方案：

总体上，中核工程规划通过“三部曲”推进MBSE数字化协同研发平台的建设。

第一步，采购成熟的数字化协同研发平台产品软件，搭建软件基础环境。

第二步，充分利用研发平台软件，结合科研项目及型号，定义系统工程全过程的参数化模型，对各学科专业产生的数字化进行全面管理，形成数字化总线及数据中心。

第三步，将核电工程有限公司的科研项目及型号研制过程全方位从线下转到线上，提升数字化研发效率和质量。