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“弯道超车”正当时 ——中航工业机电系统基于模型系统工程的实践案例
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  • 发布时间:2016-02-24

Vinbet浩博娱乐注册 www.fu120.cn 中航工业南京机电在专业发展中先后承担了60余型飞机机载系统及附件的研制任务,正逐步形成以系统总体为核心,以附件为依托,科研、生产相结合的发展格局,专业技术实力及影响力不断提升。随着飞机机载机电技术和产品不断向系统综合化方向发展,对系统技术和系统集成能力要求越来越高。从研制机载设备到研制系统、成为系统级供应商,是中航工业南京机电发展的关键路径。为客户提供机载系统解决方案,成为中航工业南京机电的核心价值。

引入基于模型的系统工程(MBSE)方法论,逐步开展整机级、系统级、子系统级、部件级的系统工程迭代,提高航空产品研制周期早期阶段的方案设计能力,促进航空产品研制模式的创新,成为南京机电实现“弯道超车”,达到航空机载领域国际领先水平的重要途径。

2014年,中航工业南京机电成为中航工业机电系统的首批入选集团MBSE的试点单位。两年来,在积极推进MBSE落地上进行了大踏步的实践。

系统工程的推进势在必行

近年来,中航工业南京机电利用国家发展民机系统供应商的相关政策,大力发展和建设民机机电系统供应商能力,特别是利用通用飞机的发展,逐步在小飞机、特种通用飞机上发展和建立子系统、系统级的供应商能力。初步建立了机电系统研发体系,通过分析和借鉴国外系统供应商与总承包商间的业务合作模式与流程,掌握了部分民机机电系统设计与验证技术,提升了机电各系统顶层设计和验证能力。

冰冻三尺非一日之寒。由于受到传统研发模式的限制,南京机电在系统设计、集成、验证等方面还存在很大的差距,对大系统甚至整架飞机的认识和理解存在一定局限性,在子系统级的设计开发过程中采用的方法和手段仍较为粗放,缺乏正向设计的方法和指导。从传统系统工程到复杂系统工程的理论及实践尚在尝试和积累阶段。

破冰非一日之功。系统工程的推进首先在高层达成了共识:推进势在必行,全方位宣贯系统工程思维,推进各种复杂架构,包括功能架构、逻辑架构、行为架构、物理架构,过程可能漫长而艰苦,但能提升航空产品的研发能力和水平,适应航空型号工程数字化和管理信息化的发展趋势,实现南京机电创新能力的飞跃式进步。

航空机载专业的特点是在逻辑关系的基础上更有复杂的结构关系。为此,南京机电从广度和深度两个层面制定了行动纲领:广度上从各专业选择一个系统为试点,全面打通需求、建模、仿真的技术路线,实现“任务驱动”向“需求驱动”设计模式的转变;深度上构建南京机电AIPD集成研发体系。

 

 

推进系统工程是一场思维的变革

中航工业机电系统对推进系统工程这场变革给予了高度重视和关注,王坚董事长、李开省副总多次到南京机电指导,高层的重视是顺利推进的前提。中航工业南京机电总经理焦裕松、总师李实求根据要求,分别带队成立了“MBSE项目推进团队”和“MBSE试点项目团队”。焦裕松在动员会上反复强调系统工程的重要性:南京机电需要在技术上不断提升关键部件研发水平、不断提升系统集成能力,在管理上建立和完善快速敏捷的体制机制;牢牢掌握关键部件、子系统研制技术是我们争取大系统的技术基础,没有核心产品的系统将受制于人;复杂系统项目的管理面临以往意想不到的困难,有时候管理上的困难甚至超过技术能力本身;所有问题的答案都可以在系统工程的四大流程中找到依据。他要求全体技术人员改变思维模式,以系统思维建立先进有效的复杂组织体架构和基于模型的系统工程方法论,支撑中航工业实现工程与制造和组织与管理模式的转型升级,以应对系统复杂性和新一轮工业革命带来的挑战。

系统工程的推进是一场思维的变革。在高层的大力支持下,南京机电开启了对标国际标准,全面提升研发能力之路。但是,在试点项目实施初期,项目组成员遇到的最大问题不是“如何开展MBSE”,而是大家对MBSE概念的认识和方法的理解,“什么是MBSE”、“为什么要开展MBSE”。内部大部分干部员工也对MBSE不了解,在推进过程中出现各种问题。

201539日,集团公司张新国副总经理到南京机电调研,给机电系统干部员工作了题为《复杂系统架构与工程》的专题讲座。张新国通俗易懂地讲解了复杂系统架构和复杂系统工程等概念,使大家深刻理解了引进系统工程的重大意义。

张新国的这次讲课,在南京机电引起了积极响应,广大干部员工主动了解系统工程的热情高涨。借此之力,南京机电展开了多渠道、多层次的人员培训、多方宣贯,务求达成全员共识。

培训宣贯从中高层开始,包括中心领导、总师、副总师、科研管理职能机关领导、各专业研究部领导和专家等,开展了中高层MBSE培训。在理论学习的同时,利用周日一天时间,赴国家级信息化和工业化深度融合创新体验中心参观,直观体验MBSE以及全数字化设计给飞机研制带来的突飞猛进成效。

集团公司MBSE试点项目只选取了液压专业和机电控制专业,为了尽快推广MBSE的理念和方法,南京机电要求其他专业部门也选取相关项目参与到MBSE的学习和实践中。

短短几个月,南京机电开展了全体研发人员MBSE的理论和方法普及性培训,推广系统工程的先进理念;开展了需求管理规范、功能逻辑建模培训,将MBSE理念与南京机电现状结合起来,提出适合南京机电的研制流程、方法和工具层面的改进需求;精选31名南京机电管理骨干和技术骨干,开展国际系统工程师(SEP)认证专场培训,培养与国际接轨的系统工程师,有效发挥基于模型的系统工程方法论及软件工具在型号研制中的支撑作用,助推产品研发能力提升和研发模型创新,更好地满足客户的需求,为客户服务;引入国际三大知名企业ITI、Dassault、Siemens,深度开展SimulationX、Dymola、AMESim多学科联合仿真的培训和交流,打开技术视野,探索航空机电系统数字化设计验证路线。

通过一系列的宣贯、培训,使广大干部员工在加快推动系统工程的应用上达成了共识,积极对系统工程的流程、方法和工具进行了实践和探索。

专业实践探索带来传统模式的转型

“机电振兴计划”中提出,机电系统将按照飞机“能量”和“任务保障”两条主线发展。南京机电所属的机电综合、环控、液压、燃油、二动力专业,都要重点围绕“能量”开展建设。但这些专业缺乏顶层设计,仍采用实物“设计-制造-验证-更改”的传统研发流程,反应速度慢,研制周期长,已不能满足专业发展需求。这就需要采用系统思维方式,打破专业界限,打通一套完整的能量综合系统工程技术路线:机电系统能量综合-子系统(动力/燃油/液压能/气动能/电能)-关键部件-……-电子/软件/机械基础专业。

为此,南京机电从机电综合-子系统-机械/电子/软件分别实施MBSE,突破需求分析、系统功能分析、系统架构设计、多物理场仿真、控制算法仿真、联合仿真和实时仿真等技术难点,与相应的研发平台对接。拟构建航空产品联系数字和物理两个空间的桥梁,形成对客户的需求进行设计、仿真、验证、确认最终延伸到物理世界的数字化架构设计路线,并在此基础上构建各系统层级全数字仿真试验系统,支持设计初期总体对于系统要求确认的需求,提高设计效率,从而驱动研发模式的创新。

在机电综合上的实践。以“能量综合”为主线,围绕多能源体制、多电体制、能量优化发展脉络,采用模型驱动的设计方法,在技术创新、研发流程、研发平台等方面着力。针对多能源体制,从电能、液压能、气压能的利用角度,对能量进行相关需求分析,研究系统多种构型,建立了电能、液压能、气压能网络模型,开发了飞机多能源体制能量管理仿真软件;针对飞机多电体制,将机电系统多电化作为整体概念,提出机电系统多电化综合设计方法,建立多电化部件、发电、配电和管理策略的模型,初步开发了机电系统多电化仿真平台;在平台建设中对南京机电各个专业统筹考虑,正在建设基于模型的机电综合管理系统研发平台,实现数字仿真验证、快速原型实时仿真验证、硬件在环仿真验证、台架试验对接等功能。这些成果可以为未来机电综合的原理研究和工程应用提供技术支持和平台支撑。

在子系统上的实践。除了在机电综合技术预研方面的应用,南京机电重点实现与系统级型号项目的对接。首先选取了已完成的“前轮转弯系统”型号项目作为中航工业MBSE试点项目,该系统涉及流体机械、电子、软件等领域,是一个具有航空机电专业特点的典型系统,采用传统的基于文档的研制过程,通过MBSE的流程、方法和工具对该系统进行重新分析,包括梳理需求、构建逻辑模型等,比较新的研制模式和原有模式的区别,验证新思路,调整和改进原有过程。

另外,选取正在研制的吊舱系统,作为南京机电MBSE正向设计的典型代表,在一个月时间里已完成10000条左右的需求分析和分配,条目清晰,极大提升了设计效率,这是传统设计模式无法想象的。后续将通过模型传递需求、结构、行为和参数等各种动态信息,使参与吊舱系统研制的整个组织中各个专业、各技术领域的人更容易理解系统,消除相互之间歧义、加快协调过程,采用计算机进行模型的高速处理和大数据量计算,为进一步提升系统开发效率提供了可能。

在机械专业上的实践。选取了一些典型的机械部件,如柱塞泵、电液伺服阀等进行实践。柱塞泵在设计之初就采用基于DOORS软件的产品需求工程管理,识别出了产品的核心利益相关方。在此基础上完成了产品信息架构的梳理,做到了利益相关方需求的可追溯性。在需求分析的基础上,与高校合作,借助基于多物理的虚拟样机技术,实现了产品的虚拟仿真及验证。在产品试制阶段,对于结构复杂的零组件如分油盖、壳体等,运用最新的3D打印技术,实现了原理样机在极短周期内的验证,缩短了研发周期,提升了专业的竞争力。采用基于MBSE的方法,归纳出了一套“需求工程-架构设计-虚拟仿真及验证-/全物理验证”的设计研发流程。

在电子专业上的实践。对某电子控制器提出了303条设计需求,通过需求管理软件DOORS建立该控制器的需求模型,与主机直接对接,取消纸质传递,利用DOORS对工作电源、模式功能、硬件、接口等要求进行逐条分析,建立需求可追溯性矩阵(RVTM),发现了需求不完整、需求不明确、需求不一致等情况,对主机需求进行了补充和完善,与主机协商完成协议修订,并生成需求规范文档。目前正在通过Rhapsody开展功能分析和架构设计,将基于Rhapsody工具和SysML语言构建功能样机,对功能逻辑进行建模和仿真运行、验证。后续开发基于SimulinkHDL Coder??榈拇胱远善教?,根据实际硬件接口,直接将Simulink中的系统设计方案转化生成CPLD/FPGA可识别的软件代码。

 

 

在软件专业上的实践。南京机电GJB5000A二级软件体系经过两年的运行已经基本成熟,目前正承担着软件二级体系维护、软件三级体系建设、软件项目全面实施。软件三级体系建设正在进行需求开发、技术解决方案、产品集成、验证、确认、集成项目管理、测量与分析、决策分析和决定等多个过程域的体系文件编制工作。同时结合多个型号项目,按专业领域建立软件需求模型、软件架构模型,开发基于Simulink RTW??榈拇胱远善教?,直接将Simulink中的系统设计方案转化生成处理器可识别的软件代码,从而提高编程效率,缩短研发周期,保证代码质量。

重点构建集成的研发组织体系

系统工程方法作为一个跨学科的理论体系,既有技术层面的方法又有管理层面的方法,涵盖了确保复杂系统工程项目成功的各个方面流程,包括:技术流程、项目流程、使能流程、协议流程等。这些流程覆盖了系统项目从探索研究到退役整个生命周期的各个环节,并全面考虑了进度、成本、技术等因素。只有全面落地MBSE流程体系,才能真正提升研发效率,为此,南京机电对整个研发体系进行了梳理分析,确定了今后推进的两个阶段性目标:

一要建立满足客户需求的工作机制。南京机电各型号产品和研究项目面向不同用户,技术状态涵盖关键技术研究、型号预先研究、工程研制等不同阶段,客户要求产品寿命长、可靠性高、易维护、成本低,对产品研发的需求非常庞杂。随着客户数字化设计水平的突飞猛进,飞机研制周期大幅缩短,且多项目并行,机电产品设计验证的时间远远不足。因此必须建立满足客户需求的工作机制,对客户的不同目标需求兼顾并举。

二要构建集成的研发组织体系。南京机电原有产品设计过程不透明,串行研发周期长,新老品设计细节的继承性不强,知识缺乏积累和共享,缺少数字化研发手段;设计员个人承担产品整体设计,风险大,任职门槛高,需要足够宽的知识面和足够多的经验支撑。因此,必须进行研发人员组织体系的调整,进行角色分工和任务定义,构建将人员、方法、工具综合集成的研发体系。

站在巨人的肩膀上才能望的更远。IPD(集成产品研发)是IBM落地INCOSE系统工程方法的最佳实践,已被华为、思科等多个国内外知名企业应用并取得成效。南京机电将现有研发体系与IPD进行了差距分析和梳理,开展了一系列的面向多项目敏捷管理需求的A-IPD研发模式建设与实践活动:

——从市场上,建立“片区模式”对客户需求进行细分,系统全面地收集客户需求信息和客户需求分析,集中定位进行产品规划;

——从技术流程上,建立结构化流程,明确定义各个角色在“需求驱动型”研发活动中的具体工作内容和职责;

——从产品设计上,进行技术分层,倡导产品通用化、系列化、??榛?ldquo;三化”设计,进行产品设计的精益化创新;

——从产品实现上,专业化制造(内外部的精艺生产)打造社会化分工与伙伴共赢式的制造体系社会化协同的模式。

2015年,《面向多项目敏捷管理需求的A-IPD研发模式建设与实践》的工作成果获得国防科技管理创新三等奖、中航工业管理创新二等奖,标志着已初步构建了面向需求、集成研发的框架体系。在后续的工作中,将进一步实施过程改进,在IPD的基础上完善满足客户需求的工作机制,构建集成研发体系;重点建设MBSE技术流程,形成MBSE技术流程规范;构建MBSE项目流程和组织的项目-使能流程,最终形成AIPD研发模式。

在基于模型的系统工程推进中,中航工业南京机电正加快以系统级供应商技术能力建设、先进航空机电产品研制为重点,通过关键技术攻关和科研能力建设,初步形成满足新一代航空产品发展需要的研发体系和技术能力,建立较为完善、系统、科学、合理的机电系统设计方法和手段,有力支持在研、预研航空机电系统的开发和设计,持续引领航空机电专业的发展,为中航工业机电系统实现“弯道超车”,加速变革发展提供有力支撑和保证。

 

(本文转自《中国航空报》)