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开启MBSE之旅的第一步——确定当前位置

在复杂组织中规划MBSE旅程及集成式MBSE成熟度评估

摘要

随着系统工程软件工具能力的提高,目前工具已不再是大多数企业或组织的问题。然而,组织和基于文档的文化却成了系统工程项目实施的主要障碍,即使使用最好的软件工具,我们仍然面临困难。

国际系统工程协会(INCOSE)认为,组织变革需要一种系统的方法来推动重大的企业文化变革,从而更好地发挥MBSE解决方案的作用。

关键的第一步是了解您的组织在此旅程中的位置。正如系统工程基本原则之一所述,“在解决问题之前定义问题。”

1 我们的问题

今天的产品变得越来越复杂,由数百个电子控制单元(ECU)、数百万行代码、数百万次交互以及快速变化的需求和法规组成,越来越多的人意识到,传统的面向文档的产品开发方式并不是可扩展的。因此,越来越多的人关注系统和基于模型的方法来改进产品开发过程。

许多组织使用的经典V开发过程说明了几乎所有行业在其开发实践中都存在的问题:

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图1 标准ARP4754航空开发流程

图2中的ARP 4754A显示了多年来用于生产适航机型的典型方法。这个过程试图协调许多不同的学科和组织来制造飞机。根据康威定律,两个组织将产生与其组织通信结构相匹配的产品,因此称为“孤岛式开发”,每个学科和组织使用与该组织部分相匹配的“局部”开发和存储库来创建产品的某个部分,包括电气、软件、机械、测试、制造、安全、可靠性、材料、规划、成本等。

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图2 沿着流程、组织和规程的边界创建多个产品存储库

结果是,没有跨产品的统一知识源,没有重用以往的宝贵经验,也没有跨领域的可追溯性等。一个“局部”的变更无法传达给其他部分,因此,组织的不同部分使用不同的产品信息。而添加软件工具还会导致基于模型的局部自动化的混乱。最后,跨产品集成问题直到组织试图在V右侧的系统集成过程中将所有部分整合在一起时才被发现。结果是多次重新设计、次优决策和艰难的集成工作,最终消耗了30%到70%的项目进度和资源。

在MBSE出现之前,我们生活在低效率的环境中,但今天的复杂系统变得负担不起。

由德克萨斯A&M大学主办的航空航天飞行器系统研究所(AVSI)是一个由飞机制造商组成的组织,负责管理多个研究项目,包括系统架构虚拟集成(SAVI)。SAVI的“目标是通过实现模型驱动的虚拟集成来降低复杂航空航天系统的开发成本。”该项目监控各种复杂度的度量,如图3中所示的源代码行(SLOC)数量。

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图3 飞机越来越复杂,超出承受能力限制

根据Barry Boehm教授的软件工程经济学构造成本模型(COCOMO),该行业在2013年达到了可承受性阈值。“随着SLOC的指数增长,飞机的开发工作正在以惊人的速度增长。例如,F-35的SLOC数量大约是F-16的175倍。但据估计,它需要300倍的开发工作。”

为了扭转这一趋势,AVSI呼吁改变当今孤岛组织中常见的“规范——设计——构建”的流程;他们希望“集成,然后构建”,这是一种变革,强调系统架构、需求等在开发的早期阶段就已经到位,通过始于集成并保持集成来避免问题。

无独有偶,集成问题不仅仅是飞机制造企业才有的。据美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)统计,2020年美国约有2900万起汽车召回事件。

根据全球咨询公司AlixPartners的汽车和工业实践,过去10年汽车召回的平均成本约为每辆车500美元,2020年的召回价格为1450亿美元(不包括间接成本,如额外零件、隔夜运输成本、声誉受损、法律索赔等)。

图4是来自RecallMasters.com的信息图。按原因列出了2020年的召回,显示软件和电子产品是最大的原因,我们也可以在列表中看到明显的跨领域集成问题。报告称,对年度财务报告的审查显示了汽车制造商的保修计划,并在其账目上记录了1130亿美元的保修准备金,占收入的2.5%。

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图4美国2020年汽车召回事件

2 “非理性”的设计行为

组织和领域孤岛不仅造成了产品故障,还阻碍设计的沟通。

爱因斯坦对非理性的一个定义是:“一遍又一遍地做同样的事情,期望得到不同的结果。”在复杂产品研发中,它指的是在孤立的组织中重复发生的代价高昂的设计错误的数量。

最近的某汽车博客中有篇文章提到:一位年轻的汽车工程师反映,接到一个客户投诉:“膝盖上有水”。在调查过程中,客户发现当低音打开时,水会从车门扬声器中流出。往门里面看,她发现原本应该从门底部的排水孔中排出的水,溅到了扬声器电线上,然后顺着电线向下进入扬声器,剩下的都是低音振动。查看扬声器电线的修订记录,她看到以前版本的电线有一个由系带固定的环。环路自然地将水带到扬声器下方。从记录来看,扬声器导线的修改在循环/无循环之间来回切换,约有六个月之久。

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图5 客户投诉:膝盖上有水

显然,有人查看了额外的电线长度、成本等,但不了解其背后的原因,消除了环路,节省了很少的成本,却导致了更大的问题。这就是一个非理性设计行为的例子。

那么,组织中有多少非理性的设计行为,一遍又一遍地重复同样的错误?“问题解决后需要多长时间才能恢复”可能是一个孤立组织多领域产品开发成熟度的指标。根据统计,各行业有所不同:

  • 汽车行业三年
  • 在高科技领域六个月
  • 在航空航天领域15年

当我们遇到跨领域的问题时,只有通过经验才能解决,没有特定于领域的工具可以捕捉这些跨领域问题。特别是当有经验的人离开时,问题又会出现。

系统工程旨在解决跨学科的产品综合问题,同时实现整体产品优化。如果系统工程实践缺失或没有以可扩展的、连通的方式足够快地完成,最终都会冒着以非理性的方式重复这些问题的风险。常见的跨领域问题包括:

  • 孤岛式、不连通的决策
  • 功能问题:
  • 协同问题
  • 需求追溯性不佳
  • 变更无法同步
  • 问题多发于部门之间或领域交互处
  • 以来经验,人员变动影响研发
  • 系统架构不完整

因此,使用MBSE解决方案支持的标准系统工程流程,将使我们确定如何以及在哪里改进,以防止问题再次发生。

3 西门子集成式MBSE成熟度评估

在图6中的西门子集成式MBSE成熟度矩阵中,MBSE标准过程元素(第一列)中的每一个都可以通过从左侧的断开模式到右侧的连通模式来实现。

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图6 西门子集成式MBSE成熟度矩阵

根据表格,以需求管理一行为例,从左至右分为五个等级:

  1. 基础:组织可以使用断开连接的、不受控制的电子表格和文档来管理需求。
  2. 较低:维护和管理文件中的需求。
  3. 中等:在独立需求解决方案中使用。
  4. 较高:其他地方出现的个别需求(如数学或CAD模型中出现的需求)。
  5. 高阶:与其他领域相关的产品数据集成/管理/配置的单个需求,创建跨领域影响可见性和可追溯性。

再例如接口管理。我们关心产品中的接口,因为这是产品中所有不好的、意想不到的事情发生的地方。在接口管理一行中从左向右来看:

  1. 基础:管理未连通的接口控制文件(ICD)。
  2. 较低:作为单独接口管理。
  3. 中等:具备接口库。
  4. 较高:以支持重用的方式分组(例如将所有传输接口分为一组)。
  5. 高阶:分配功能时,通过集成的功能建模来定义接口。

西门子集成式MBSE成熟度矩阵与能力成熟度模型集成(CMMI)类型的阶段可进行比照,从(1)初始阶段到(5)优化阶段(在矩阵底部,供参考)。这为我们提供了一种方法,可以看到现状是多么的不连贯,并可衡量我们对于重复同样设计错误的非理性设计行为的倾向。

为了改变当前的开发模式,我们希望从断开的、孤立的模式转变为连接的、集成方法,因为断开/隔离的系统工程工件无法适应当前的产品复杂性。您可以通过当前非连接的现状看到断开MBSE的后果和成本,在系统集成问题上,这些占了时间周期的一半。

我们已经在不同行业的多个企业和组织进行了基于西门子集成式MBSE成熟度矩阵的30分钟快速评估,发现几乎所有企业都会反复出现设计问题,如图7所示。

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图7 各行业平均MBSE成熟度

4 MBSE旅程

任何改变的第一步都是认识到问题的存在以及当前的位置,这样就可以知道自己需要去哪里。我们可以从这个西门子集成式MBSE成熟度矩阵中获得以下见解:

  1. MBSE是一个旅程,而不是一个事件;
  2. 根据系统工程工具数据库工作组(SETDB)的建议,应先指定组织战略和流程,再进行软件工具部署;
  3. 没有一个特定于领域的工具会在早期发现跨孤岛问题,因此这不仅仅是关于某个工具的讨论。因为占用我们一半项目进度的集成问题是跨领域的;因此需要跨域集成系统工程和产品生命周期管理(PLM)解决方案来维护跨领域的数字线程(Digital Thread),需要SysML v2和其他综合技术来实现持续沟通;
  4. 从现在开始。 “从你所在的地方开始,利用你所拥有的,尽你所能”;
  5. 要想尽快取得成效,企业或组织文化的变革需要联合盟友,例如供应商等。

MBSE成熟度矩阵将让您明确在哪里进行最快的MBSE突破。回顾图7中的平均MBSE成熟度,您可以看到一些机会:

  • 多个需求存储库可以与PLM同步,以提供跨领域的可追溯性和理解变更的全局影响;
  • 数百个独立的项目参数库可合并到PLM,以提供一个可信的、可重用的企业库;
  • 将测试与需求合并到PLM中,使需求、测试用例和测试设备能够在产品配置中共存,实现集中测试(仅测试已更改的内容),而不是每次都测试所有方面的低效模式;
  • PLM综合产品的系统架构,而不是当前未连通的PowerPoint和Visio架构图,以创建对所有领域和供应商可见的集成可配置产品架构以实现持续的产品集成。

在MBSE企业文化的变革过程中,以上每一项都将带来显著成效。

5 结论

本文的目标是提供在企业/组织的复杂系统中规划MBSE旅程所需的第一步。这段旅程始于了解您在哪里。

您也可从其他来源获得许多评估的方法。西门子集成式MBSE成熟度矩阵旨在根据您使用的技术,快速评估和沟通您所在的位置。西门子评估方法基于INCOSE的模型能力矩阵,帮助您掌握组织当前的的MBSE成熟度。一旦您了解自己的位置,下一步就是决定目标,准备好接受变化,并制定一个计划,提供适当的资源,以到达想去的地方。

在您的规划中,一定会考虑集成式MBSE带来的价值。跨领域集成产品的系统架构、综合的需求等,其价值都将显示于未来,而不是今天节省的资金。越来越多的企业正在进行MBSE转型,如果他们在产品开发过程中更早地了解跨领域的影响和问题,就可以在当前支出中节省大量资金,并避免数十亿次的召回甚至停产。

集成式MBSE的系统架构、需求、参数等确定了需要做什么以及如何做。系统工程决策创建了一组数字线程的关联,这些关联贯穿产品的整个生命周期,其建立将减少未来可能出现的风险或问题。我们的目标是将架构化的跨领域数字线程与产品生命周期相结合,以避免成本高昂的错误。

集成式MBSE之旅值得吗?就这个话题W. Edwards Deming说过:“如果改变不是必要的,那生存也不是必须的。”

本文来源: iMBSE Online,作者:张露。

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