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通过持续工程实现持续创新

我是否应该关心如何缩小两个仿真世界之间的差距?

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在目前的产品开发流程中,各种方法和支持软件套件被用于系统级分析和多物理仿真分析。它们是持续工程方法的两个关键组成部分,但在过去,它们由不同的团队分别完成,这些团队之间的交流极少。在本文中,我提出了几个问题。希望这些问题的答案可以帮助您确定是否有必要通过将系统级分析和多物理仿真联系起来,确保持续工程方法并鼓励持续创新。

著名的 “V” 模型是否可与复杂的产品和系统配合工作?

如图 1 所示的 V 模型多年来一直是工程师查看产品开发流程的一种方式。该流程先从了解需求开始,然后描述系统,设计系统,最后是实现系统的漫长阶段。传统上,软件、机械和电气工程师会建立原型。然后,他们的原型在设计过程中要经历一组昂贵的任务。仅仅是原型测试就会花费 72-90% 的成本,这很常见。当发现一个错误时,您需要再次重复整个循环,并且要加入一个复杂而又昂贵的变更管理流程。

图 1.V 模型
V 模型
V 模型

最近,产品更多地属于数字+物理的类型。产品不再只是机械方面的产品。它们更加智能、更高效,并且是多个工程学科的结合产物。

多个工程学科的结合非常不错。积极创新的结果是产生了创新产品,比如更智能的设备。不幸的是,传统的工作流程意味着多种类型的工程师无法一起工作,共同创造伟大的产品。他们各自工作,专注于自己的学科。在分析设计和预测行为的时候,这种团结就会产生问题。

对于机械工程师的设计、软件工程师的开发,以及系统工程师对市场的看法,必须有新的技术和流程才可以让人民了解这三者之间的交叉相互作用和交叉相关性。

整个生态系统基本上是在号召我们定义新的技术。

目前,在市场上有两种主要的发展会影响今天的工程师的工作方式。一种是基于模型的系统工程的出现。基于模型的系统工程使用模型和一组语言来描述系统的行为。因此,工程师可以更好地沟通和分析系统,以便描述需求,并说明设计如何满足需求。

SysML 和 UML 在系统工程层面上已变得越来越普及,用于正式化并更加严格地规定通过模型指定和代表系统的方式。我们也看到了,在工程公司中,他们非常重视我们所谓的 “物理仿真”。物理仿真就是执行以下软件功能的地方:

  • 分析物理行为
  • 分析系统的物理规范
  • 根据物理定律预测系统将如何行动

系统工程师描述系统级建模,并从整体上来描述我们所说的 “系统”。物理仿真描述了电气、机械、电子、液压和热量等不同的工程方面。使用系统级建模工具和物理仿真工具可以描述许多工程方面。但在这里,所面临的挑战是这两套工具没有相互联系,它们由不同的团队各自隔离使用。这中间存在很大的差距:

  • 如何从高层次的角度描述系统
  • 组件:
    • 它们的交互方式
    • 它们的结构
  • 工具所支持的低保真度分析和低保真度物理仿真

系统级建模和物理仿真对于设计过程都很重要,但是,它们对于持续验证更重要。即使在今天,这两者之间仍然是脱节的。我们的目标是弥补这一差距,并让工程师可以在系统级分析和物理级分析之间获得富有成效的交互。这就是出现新的“V 中 V”模式的原因,如图 2 所示。

图 2.V 中 V 模式
在早期系统设计阶段的持续反馈
在早期系统设计阶段的持续反馈

工程师如何处理物理仿真和分析

最后,这一切归结为在开发过程中的时间和资金节省。预期新产品会更紧凑、更高效、更可靠,并且会以灵活和及时的方式交付。这对于大多数行业都是切实可行的,尤其是来自汽车、能源、石油和天然气、航空航天和国防、医疗工程、采矿、造船的技术系统制造商,或机车车辆或机械的生产商,这些只是其中的一些例子。这就是需要多物理仿真的地方。虚拟原型和测试不仅可以帮助工程师从整体上了解系统(包括所有子系统)的动态行为,还可以节省时间,因为不再有需要创建大量的原型。无需反复进行测量,基于模型的仿真使重复某种状态变得更方便,而且有助于确定最好的设计。

弥补差距的技术和解决方案

有多种方法可以弥补系统级建模和物理模拟之间的差距。例如,您可以找到一个新的语言来将这两个设计世界带入同一个平台。另一种选择是实践和或遵守一个行业标准建模接口。

找一个新的语言:新的语言可以(而且应该)包括与产品开发相关的一切。当您使用新的语言时,可以定义语义来模拟和分析系统。过去曾有几次人们尝试过这样做,但工作量非常庞大,并且很复杂。不幸的是,这些尝试均未成功。

有一个名为 Functional Mockup Interface (FMI) 的新兴标准。我相信,FMI 具备将系统工程和物理仿真结合在一起的能力。它允许在计算机之间进行信息与标准接口的交换。这种交换是在可执行单元之间发生的,这些单元交换信息,并让您可以获得现在所谓的交叉仿真。

交叉仿真是采用描述系统不同方面的多个域和移动模型,并一起运行它们的能力。当这些交互发生时,您可以理解相互依赖关系和所出现的行为。

为什么 FMI 很重要?它很重要是因为这项技术使我们能够弥补系统建模和物理建模之间的这种差距。试想一下,虚拟产品环境就是将这些不同的模式放进单一的环境,并用一个定义系统带宽和系统交互的标准语言(像 SysML)将它们连接在一起的能力。现在,如果可以使用类似 FMI 的标准去创建系统级模型,并在多物理场仿真中描述的行为和特定详细分析之间的交互,那么您不仅有一个将需求从系统级移动到更详细的工程分析中的机制,而且因为可以仿真而拥有一个反馈回路,从而能够理解系统的行为。

想象一下,系统工程师使用 SysML 或其他系统级建模语言来定义:

  • 一组概念
  • 一组组件
  • 交互
  • 系统的高层次行为

今天,这就是知识停止的地方。您不知道

  • 实际的物理行为
  • 物理时序
  • 系统将执行什么行为
  • 其性能如何

如今,利用 FMI,您可以从仿真工具生成一套可执行的单元。您可以将这些单元与一组由 IT 部门提供的软件结合起来,通过 FMI 接口封装。通过单击按钮,系统工程师可以交叉仿真并理解相互依存关系,了解该系统作为一个整体的分析。

从目前系统工程师可以实现的功能来看,这是一个了不起的成就。它正在以系统工程和其他特定工程学科交互的方式在进步,我已经看到市场对那些类型的功能有极大的兴趣。在这个领域,IBM 与 ITI 合作开发了一个混合协同仿真平台。

混合仿真解决方案的好处

当系统工程在早期阶段完成时,它往往更准确,使用更严格,并且可以在适当的时间识别设计错误。工程师们尝试了这些技术,因此他们已经意识到这些好处:

  • 开发周期时间缩短
  • 更快交付给市场
  • 提高质量
  • 提高准确度
  • 降低成本
  • 变更请求的数量随着时间的推移而减少

在周期后段发现的偶然错误并不易克服。最近,这些错误让大型飞机供应商和飞机 OEM 延误了产品交付。延误已持续多年,而且耗费了数十亿美元。

混合协同仿真平台为工程师提供了工具和技术,使他们能够更具创新性。不再需要构建昂贵的单一原型。相反,工程师可以在虚拟环境中查看设计并评估不同的替代方案。他们可以在设计阶段提供更多的创新,因为他们能够探索各种想法,从而实现更智能的产品。

当然,所有这一切都转换成降低成本。这是底线。当您去了解那些应用了这些技术的公司以及仍在使用我之前所描述的旧式学科的公司时,我们很清楚地看得,运用这些新的持续方法并在早期设计阶段投入更多的公司会获得更好的基准测试结果。

利用兼容 FMI 的 IBM® Rational® Rhapsody® Suite,您可以使用 SysML 工具来生成一组 FMI 规范,允许那些模型参与交叉仿真。通过这样做,IBM Rational Rhapsody 集成 ITI 的 SimulationX。它们共同构成混合平台,使您能够在一个集成的环境中同时运行系统级建模和仿真。您可以使用 免费试用版本的 Rational Rhapsody,亲自尝试这个经过测试的解决方案。务必下载试用版的 SimulationX。

我很乐意收到您对这篇文章的反馈和建议。您可以发送电子邮件至 saarafat@in.ibm.com 与我取得联系。


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publish-date=01062015