系统工程和MBSE在正向设计增材制造整体解决方案中的应用
时间：2019-05-28 15:49 来源：南极熊 作者：中国3D打印网 阅读：次
基于正向设计和增材制造的高端研发与先进制造整体解决方案（以下简称整体解决方案）的技术架构如图1所示。保证这一技术架构有效运转的整体解决方案的逻辑架构如图 2所示，将按材料设计工艺制造专业划分的线性一维树状组织架构，拓展为面向应用和市场的主营业务和其他共性基础业务构成的二维矩阵式组织架构。
图1 基于正向设计和增材制造的高端研发与先进制造整体解决方案技术架构
图2 基于正向设计和增材制造的高端研发与先进制造整体解决方案逻辑架构
系统工程和基于模型的系统工程（MBSE）的方法、流程、工具不但是这一整体解决方案的重要组成部分；而且，在这一整体解决方案的架构和流程体系开发过程中，系统科学和系统工程的框架、方法、流程起到顶层框架的指导作用；另外，在这一整体解决方案的落地实施过程中，系统工程和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。系统科学和系统工程在整体解决方案架构开发中的应用
从20世纪80年代初开始，钱学森在系统观点指导下，探讨现代科学的总体系和各门科学的体系结构，提出了“4 个层次 1 座桥梁”的学科体系的本体框架（图3），并划分了 11大学科部门。即属于工程技术层次的学科提供直接用于改造客观世界的知识，技术科学层次的学科提供指导工程技术的理论，基础科学层次的学科提供指导技术科学的理论，再通过相应的哲学分论上升到哲学层次，并接受哲学的指导。
图3 现代科学学科体系的本体框架
整体解决方案技术架构的设计参照了上述的“4个层次 1 座桥梁”这一现代科学学科体系的本体框架：（1）基础学科层包括系统工程、数学、物理学、材料学、信息化使能环境——面向数字主线和数据协同、基于大数据和物联网的云制造；（2）技术学科层包括发明问题的解决理论（TRIZ）及技术创新和管理、拓扑优化、工程仿真、知识工程；（3）工程技术层包括基于系统工程面向增材制造的产品材料工艺一体化设计方法学，及其流程体系组合配置而成的正向设计咨询体系、先进制造工艺融合优选咨询体系、先进材料制备研备服务体系；（4）工程实践层包括面向工业品的解决方案体系（如飞机、航空发动机、汽车、模具等）、面向产业链的解决方案体系（如创业者、消费者、医疗、高等教育和职业培训等公共事业、文创、建筑等）及面向工业化和信息化的产品体系（工艺和材料设备、软件工具和平台等）。用这一本体框架重新审视系统的内涵，可以得出：在技术科学层次的视图上，系统是由相互制约的各部分组成的具有一定功能的整体（钱学森）；在基础科学层次的视图上，系统是相互联系、相互作用的诸元素的综合体（贝塔朗菲）；在哲学层次的视图上，系统是在对任一对象上发现的具有某种属性的关系或某种关系的属性（乌约莫夫、闵家胤）。从本质上说，任何系统都包括2个方面：元素及其间的关系。把现代科学的学科体系看作一个系统，应用系统的哲学层次视图和基础科学层次视图，可以得到一张现代科学学科体系的二维视图（图4）。其中，若只对元素的范围作出某种限定，就得到以某类事物为研究对象的学科，即图中的横坐标上的学科；若只对关系的类型作出某种限定，就得到某种横断学科，即图中的纵坐标上的学科；两坐标轴构成的坐标系在第一象限的每个交点都有可能是或已经是一门交叉学科，即“科学的线正在织成科学的布”。
图4 由系统的内涵看现代科学学科体系
整体解决方案逻辑架构的设计也借鉴了钱学森关于研究对象的学科和研究关系的学科共同织成一张科学的布的思想；而且根据这一思想，我们非常重视系统科学、系统工程和数学在整体解决方案中的骨干作用。同时，这一逻辑架构也符合欧美先进企业的研发模式。另外，整体解决方案逻辑架构的设计还要满足对技术架构的保障和支撑作用。整体解决方案的 2个架构的这一相互关系，源自系统工程生存期阶段模型中所关注系统与其生存期各阶段使能系统的交互（图5）。即如果把整体解决方案的技术架构当作所关注系统（system-of-interest，即图 5中的所关心的系统），则整体解决方案的逻辑架构中的各功能模块分别对应技术架构的各个生存期阶段，提供相应的保障和支撑。
图 5 从系统及其使能系统的生存期阶段模型看整体解决方案逻辑架构对技术架构的支撑
系统工程在整体解决方案流程体系开发中的应用支撑整体解决方案中工程技术层的核心——基于系统工程面向增材制造的产品材料工艺一体化设计方法学——的是一套正向设计流程体系。这套流程体系是基于系统工程的，即将系统工程的技术过程组、技术管理过程组、协议过程组和组织项目使能过程组下的各个过程（图 6），在基于正向设计和增材制造的高端研发与先进制造的各种场景下进行实例化。
图 6 系统工程相关标准和指南中规定的标准过程
回顾整体解决方案的 3大目标——提升人工物理系统的设计制造一体化能力、企业自主创新能力乃至企业和社会可持续发展能力，从高到低横跨了企业系统工程、产品系统工程、个体系统工程 3个层次和宏观-介观-微观 3个尺度，所以，需要一个跨层次跨尺度的框架模型来管理这套流程体系。笔者对霍尔模型进行了修改、扩展和抽象，将知识维改为认知维，将时间维改为系统维，将时间的概念引入上述 3 个维度，使得 3 维的箭头都有实际的业务意义，提出了精益研发三维系统工程模型（图 7）；于是，基于文档的传统霍尔模型系统工程二维活动矩阵构成的篱笆墙网格，被拓展为横跨系统全生存期、系统工程技术域全过程和企业智力资产价值链全过程的正向设计三维协同空间（图 8），为整体解决方案的流程体系提供了管理框架。这套流程体系充满了图 8所示正向设计三维空间各个维度、各个层次和各个角落。
图 7 精益研发三维系统工程抽象模型
图 8 精益研发三维系统工程模型框架下的正向设计三维空间
系统维上的主流程，即系统生存期阶段模型及其相关管理流程，保证组织做正确的事，这是面向外部客户、聚焦在交付给客户的产品或服务的物的维度。图 6系统工程过程中的组织项目使能过程组下的生存期模型管理过程、组合管理过程和基础设施管理过程，以及协议过程组下的采办过程和供应过程，共 5个过程在系统维上。这样，整体解决方案所涉及的企业系统工程和产品系统工程的互动协同，以及基于集成产品开发（IPD）的产品研发与技术研发的互动协同都被统一在系统维下。
(责任编辑：admin)
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