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全方位加速汽车产品创新:基于模型的系统工程MBSE

随着汽车向自动化、网联化、电气化以及共享化的发展,汽车工程面临的挑战已经非常清晰。未来,汽车工业80%的创新将来自于电子,电气和软件领域,也由此带来了一系列的技术挑战。例如:

  • 同款车型的电动汽车与燃油车相比,整车重量增加了大约40%;
  • 带有自动驾驶功能的汽车与同款传统汽车相比,在相同的空间内增加了40%的硬件,包括30-40个新的传感器以及它们之间复杂的接线以及带来的重量;
  • 高端车型的软件代码行数已经接近2亿行。

更为棘手的是,工程师需要在产品复杂性增长的情况下处理机电软等多个领域的协同和变更。在产品工程变更周期中,机械,电子电气,软件的变更频率比一般为1:10:100,而要处理由于电子电气和软件领域变更带来的跨领域影响分析就变得更为复杂。

再者,由于市场激烈竞争的需求,汽车OEM需要开发出更具有竞争力的车型,并缩短整车开发周期(最近十年整车的开发周期已经降低了一半),降低对整车实物验证的依赖性进而降低开发成本,这就需要汽车工程严格遵循产品正向开发流程,实现从需求,研发,仿真,制造到服务全生命周期的可追溯性,通过提高产品开发前期概念设计的准确性减少产品开发后期的设计变更次数。而基于模型的系统工程(MBSE)正是实现上述要求的理想解决方案。

为了贯彻MBSE的研发转型,对数字化实现方面,提出了所需的三大要素:

  • 统一的协同平台和数字化模型生命周期管理系统
  • 卓越的建模能力和追溯
  • 以及完整的多领域集成工具链。
全方位加速汽车产品创新:基于模型的系统工程MBSE - 第1张

西门子基于Teamcenter + Simcenter + Capital + Polarion + NX,构成了MBSE解决方案框架,并提供了实现MBSE所需要的三大要素:统一协同平台,卓越的建模能力和追踪以及完整的多领域集成工具链。这个框架不仅是目前市场上最全面的系统工程框架,同时还具有以下特点:

  1. 以Teamcenter PLM平台为主线实现跨多个领域的协同,需求管理,模型管理,配置管理,变更管理,数据可追溯性,捕获和传递工程交付物,确认和验证等等;
  2. 前期的系统定义,旨在服务所有领域的需求,FMEA,系统模型和其他内容等等;
  3. 全面使用模型和仿真来处理跨领域的大规模验证,并执行跨领域的优化和权衡分析等;
  4. 具备与各个领域工具链的强大集成能力,包括实现机械CAD的NX平台,实现软件生命周期管理的Polarion平台,实现电子电气和嵌入式软件设计和仿真的Capital和XPedition平台等等;
  5. 为实现预测性工程分析,Simcenter支持从概念到详细工程以及到物理测试等各个阶段的仿真,具备多学科和多物理方法探索以及很强的洞察力等;
  6. 能够捕获需求、功能布局、逻辑实现和物理实现之间的关系,评估一个层级的变更如何影响另一个层级的决策;
  7. 通过内部和外部的数据共享能力完成协同开发和各种工作流程,满足对可追溯性,质量保证,法律要求,操作效率等要求;
  8. 具备良好的用户体验,易学易用,灵活的部署时间等;
全方位加速汽车产品创新:基于模型的系统工程MBSE - 第2张

上图是西门子基于Teamcenter平台的MBSE方法部分应用,可以完成从需求规格,系统开发,详细设计到集成测试的整个过程。具体过程为:

  1. 基于Teamcenter整车的需求管理平台,把具体的需求和产品配置信息与System Modeling Workbench(SMW)的多领域模型建立追踪链接以确定模型对需求的满足情况,并在SMW中完成多领域模型的初步优化和多视角分析;
  2. 大多数公司在实现多领域数据集成都有个主要的过程中断。中断发生在孤立的需求模型和机电软等领域数据之间。目前大多数公司不重视需求管理或者刚刚开始搭建需求管理体系,还没有实现需求数据模型在整个产品生命周期范围内与设计,制造和服务数据的关联和管理。基于Teamcenter的MBSE方法可以通过功能或逻辑模型,以及在电子电气和软件领域使用的行为模型来实现需求模型到系统架构再到详细领域的设计以及后面的制造和服务数据的关联和闭环管理。SMW完成的电子电气模型可以传递到Capital平台完成EE架构设计和优化,软件模型可以在ALM平台的管理下完成软件的详细设计,结构相关的模型可以与结构设计平台NX中模型的相关具体设计参数关联起来以确定结构相关的设计参数是否得到了满足;
  3. 多领域的模型还可以基于Simcenter平台完成整车多属性仿真以及相关功能的验证,如ACC的开发验证等;
  4. 关联需求的多领域的模型还可以结合整车开发计划以及仿真管理平台,生成项目的阶段性报表文件,以确认开发进度和详细需求满足情况;
  5. 相关的模型数据还可以作为后续生产所需要的数字化工艺,制造执行系统以及供应商协同设计输入为制造服务,同时还可以传送到服务生命周期管理领域为服务生命周期工程服务。

西门子提供了将建模工具,建模语言和建模方法集成为一体的System Modeling Workbench(SMW)。用户可以在SMW中基于Arcadia(Architecture Analysis and Design Integrated Approach)建模方法完成多领域模型的创建并确认模型对需求的满足情况,同时SMW提供多视角分析对系统模型进行优化分析。下图是SMW的Arcadia建模方法的具体流程以及关键能力。

全方位加速汽车产品创新:基于模型的系统工程MBSE - 第3张

另外,基于SMW和Arcadia建模方法,可以实现:

  1. 基于模型的更严格精确的信息获取和追溯,模型可以快速复用和快速迭代更新;
  2. 基于模型的各部门和各领域的协同和交互,不受人员变动影响;
  3. 有效应对并解决产品复杂性带来的各种挑战;
  4. 有效降低开发风险,提高产品质量和生产力;
  5. 基于模型实现知识库和经验的传递和复用;
全方位加速汽车产品创新:基于模型的系统工程MBSE - 第4张

未来的汽车功能只能是越来越丰富,个性化,自动化,智能化,互联化等将会是未来汽车产品基本的要求。而推动这场汽车产品革命的将会是汽车产品工程学的不断创新,多领域模型的生命周期管理将会是汽车工程创新的重要发展方向。在整个产品生命周期中全面管理这些多领域模型需要遵循基于模型的系统工程开发方法,使用集成系统模型的跨学科描述,实现从产品生命周期的早期阶段一直延伸到后期的服务和资源回收利用。多领域模型的生命周期管理还需要跨产品生命周期的所有阶段收集数据,而后服务的不仅仅是汽车工程开发人员和供应商,还将会为汽车服务人员,汽车驾乘人员,道路设施以及与人和家庭有关的很多设施提供庞大的信息流并由此带来不一样的体验。在未来的数年里,我们将会看到这些发展趋势将会确立并逐步得到用户的广泛接受和赞誉。

本文来源:产业智能官,作者:杨文明。

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