MBSE建模應(yīng)用案例和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)：挖掘機(jī)傾覆解決方案（工業(yè)設(shè)備行業(yè)MBSE方法實(shí)踐）
我國(guó)復(fù)工復(fù)產(chǎn)復(fù)商復(fù)市全面推進(jìn)，生產(chǎn)需求持續(xù)改善，新舊基建項(xiàng)目逐步建設(shè)開工，2020前5個(gè)月，全國(guó)挖掘機(jī)累計(jì)產(chǎn)量153289臺(tái)，同比增長(zhǎng)14.7%。挖掘機(jī)產(chǎn)量大幅增長(zhǎng)的背后是工業(yè)設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜性的提升，應(yīng)對(duì)不同的工作環(huán)境，對(duì)挖掘機(jī)的安全性、可靠性要求也愈發(fā)嚴(yán)格。
挖掘機(jī)等工業(yè)設(shè)備如何有效的針對(duì)市場(chǎng)需求來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)及品質(zhì)提升，快速驗(yàn)證產(chǎn)品對(duì)需求的響應(yīng)覆蓋是各大廠商關(guān)注的重點(diǎn)。如果在設(shè)備設(shè)計(jì)階段引入基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法，明確設(shè)備各個(gè)系統(tǒng)關(guān)鍵功能設(shè)計(jì)過(guò)程中的需求針對(duì)性，便捷追蹤，實(shí)現(xiàn)架構(gòu)的正向設(shè)計(jì)全過(guò)程。
本文以挖掘機(jī)的“智能穩(wěn)定系統(tǒng)”為例，基于達(dá)索系統(tǒng)3DEXPERIENCE平臺(tái)，通過(guò)RFLP系統(tǒng)工程架構(gòu)，辨識(shí)市場(chǎng)反饋的挖掘機(jī)安全規(guī)范和需求、進(jìn)行功能分析及邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)，建立符合用戶需求的仿真模型，進(jìn)行需求、功能、邏輯架構(gòu)、系統(tǒng)仿真、物理設(shè)計(jì)等模型的關(guān)聯(lián)追溯，可以有效地支持面向市場(chǎng)需求進(jìn)行產(chǎn)品研制的過(guò)程。
來(lái)自于市場(chǎng)反饋的產(chǎn)品需求 | 挖掘機(jī)軟土傾覆
挖掘機(jī)的工作場(chǎng)景各種各樣，如果遇到挖掘機(jī)軟土傾覆這種“翻車”情況：
客戶需要在多種不同的工況下工作穩(wěn)定，既能支持礦山環(huán)境下的石料工作場(chǎng)合，又能支持新工地的軟土工作。我們的產(chǎn)品該如何響應(yīng)，保證工作安全，是市場(chǎng)及時(shí)反饋的改進(jìn)需求和新的安全規(guī)范，基于這個(gè)需求，我們就需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行一系列的改進(jìn)。
圖1 需求識(shí)別
有幾種方案可供選擇，比如增大履帶支撐范圍，可以添加配重等。經(jīng)過(guò)工程師們的討論和篩選，最終得出一個(gè)解決方案設(shè)想：為所有新的挖掘機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)強(qiáng)大的穩(wěn)定系統(tǒng)，能夠在危急情況下移動(dòng)配重來(lái)穩(wěn)定挖掘機(jī)，以避免機(jī)器傾覆。
接下來(lái)，基于MBSE流程和RFLP框架，可以在3DEXPERIENCE平臺(tái)的一步步實(shí)現(xiàn)面向需求的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案：
挖掘機(jī)本身是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)，在需求層面上，通過(guò)達(dá)索系統(tǒng)平臺(tái)上的需求管理Dashboard來(lái)進(jìn)行條目化、系統(tǒng)化和離散化的需求梳理。針對(duì)挖掘機(jī)在軟土工況下大的作業(yè)范圍需求需要，需要變更一系列相關(guān)需求條目。在本例中的需求變更來(lái)源于“CSR_026”中的“Stability Case Study”：
圖2 需求管理
而在確定問(wèn)題所在，并提出初步方案“增加智能穩(wěn)定系統(tǒng)”后（這里具體方案確定的過(guò)程：工程師通過(guò)可視化的挖掘機(jī)全3D數(shù)字模型，比較配重部件不同的配置，了解它們的不同之處，提出幾種配置方案可供選擇，這幾種方案有待后續(xù)仿真驗(yàn)證），就可以在需求層增加新的需求項(xiàng)“Improve stability”，為后續(xù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)提供依據(jù)：
圖3 需求變更/添加
需求管理包括變更管理、跟蹤和監(jiān)控等，樹狀結(jié)構(gòu)和條目化的需求管理形式使得變更的需求能夠迅速被響應(yīng)。
功能&邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)
智能穩(wěn)定系統(tǒng)是一個(gè)新增的系統(tǒng)，依據(jù)在前期需求層中確立的方案，在功能&邏輯層面繼續(xù)細(xì)化。該子系統(tǒng)是在挖掘機(jī)項(xiàng)目中采用RFLP方法并行設(shè)計(jì)的。這意味著所有確保機(jī)器穩(wěn)定性的強(qiáng)制性要求都已被分析、分組并與功能聯(lián)系起來(lái)，以便在不考慮現(xiàn)有技術(shù)解決方案的情況下研究幾種可能性。這種功能分析能夠定義組成系統(tǒng)的部件的詳盡列表。選擇的技術(shù)解決方案在邏輯視圖中進(jìn)行了描述。
圖4 需求層架構(gòu)
圖5 功能層系統(tǒng)架構(gòu)
圖6 邏輯層系統(tǒng)架構(gòu)
圖7 在DBM里設(shè)計(jì)和改進(jìn)系統(tǒng)
邏輯層系統(tǒng)架構(gòu)是由具體的物理部件搭建而成，可以進(jìn)行仿真以展現(xiàn)系統(tǒng)的具體行為。在本例中對(duì)配重系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)并進(jìn)行行為仿真，來(lái)驗(yàn)證前期提出的幾種方案。值得注意的是，挖掘機(jī)系統(tǒng)的每個(gè)部分都是一個(gè)智能系統(tǒng)，有自己的架構(gòu)和組件。整個(gè)系統(tǒng)包含大量的的對(duì)象和鏈接。為了方便地在這種web spider中導(dǎo)航，RFLP組件之間的所有關(guān)系都是可視化的。單擊幾下就會(huì)顯示規(guī)范完成并突出顯示對(duì)象之間的現(xiàn)有鏈接。
電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)復(fù)雜性的不同，可以使用系統(tǒng)架構(gòu)的幾種視圖。例如，液壓和電氣原理圖可以顯示;硬件拓?fù)浔硎居兄诙x要使用的最佳電子元件；軟件架構(gòu)可以可視化，以跟蹤在循環(huán)中的硬件。
圖8 電氣原理圖
需求、功能和邏輯之間的聯(lián)系允許跟蹤和證明系統(tǒng)符合所有要求的規(guī)范。然后，三維物理表示法是建立最佳系統(tǒng)的精確研究的結(jié)果。這里的物理設(shè)計(jì)就是前圖所示的三維模型，其參數(shù)往往是和需求層以及邏輯層的數(shù)據(jù)一致的，保證數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一性。
圖9 電氣三維設(shè)計(jì)圖
現(xiàn)在驗(yàn)證移動(dòng)配重是否足夠穩(wěn)定挖掘機(jī)。專業(yè)的仿真軟件能夠模擬機(jī)器在極端情況下的行為。前面的紅色箭頭代表由于桶的巨大負(fù)荷而產(chǎn)生的力，后面的箭頭代表由于平衡力而產(chǎn)生的相反的力。通過(guò)虛擬驗(yàn)證，可移動(dòng)配重保證了挖掘機(jī)的穩(wěn)定性。
仿真驗(yàn)證是針對(duì)具體的物理系統(tǒng)行為進(jìn)行的，比如車輛控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等。同時(shí)仿真數(shù)據(jù)可以放到達(dá)索系統(tǒng)SPDM的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，進(jìn)行DOE優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，以權(quán)衡和比較不同方案的優(yōu)劣，選擇最佳方案。
在完成以上的需求變更、架構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證后，接下來(lái)進(jìn)行的需求追溯和影響性分析，可以看到，不同的需求條目關(guān)聯(lián)著不同的系統(tǒng)模型和邏輯行為，整個(gè)需求覆蓋度較高，以及需求追溯性完整的時(shí)候，才能保證該研發(fā)產(chǎn)品的完整性。
圖10 需求追溯
需求追溯是直觀展現(xiàn)了眾多復(fù)雜需求條目之間的關(guān)聯(lián)性，識(shí)別無(wú)效或錯(cuò)誤需求，分析需求覆蓋率，完善整個(gè)研發(fā)流程。
本文的案例項(xiàng)目通過(guò)系統(tǒng)中的集成系統(tǒng)，在其設(shè)計(jì)過(guò)程中引入模塊化實(shí)踐，以實(shí)現(xiàn)對(duì)新部件開發(fā)的控制。得益于3DEXPERIENCE平臺(tái)和MBSE方法，項(xiàng)目經(jīng)理和工程師們可以在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中驗(yàn)證市場(chǎng)和消費(fèi)者需求之間的正確聯(lián)系，對(duì)市場(chǎng)和客戶需求做出非常積極的反應(yīng)。
根據(jù)國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)給出的定義，MBSE是從概念設(shè)計(jì)出發(fā)，使用建模方法逐次支持系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng)，持續(xù)貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)生命周期。MBSE起源于航空航天領(lǐng)域，致力于解決復(fù)雜系統(tǒng)的研發(fā)問(wèn)題，而現(xiàn)在隨著各行業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品復(fù)雜度的不斷提升，MBSE方法也逐漸“出圈”，開始應(yīng)用于各行各業(yè)。
圖11 “V”形開發(fā)流程
基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）屬于“需求驅(qū)動(dòng)型”研發(fā)模式，在需求分析階段進(jìn)行系統(tǒng)需求的捕獲、分析和驗(yàn)證，在早期暴露并全部解決需求存在的隱患和問(wèn)題，并基于驗(yàn)證后的需求開展后續(xù)研制，大大減少了研制過(guò)程中的反復(fù)和浪費(fèi)。
RFLP框架即分為Requirement、Function、Logical和Physical四個(gè)層面，導(dǎo)入需求管理中的需求條目和架構(gòu)后，在功能和邏輯層進(jìn)行細(xì)分架構(gòu)和建模，物理層面是三維模型，配合仿真可以直觀地觀察其動(dòng)態(tài)行為。特點(diǎn)是統(tǒng)一數(shù)據(jù)源、保證數(shù)據(jù)連續(xù)性，同時(shí)在設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中可以不斷迭代，提高研發(fā)效率。
-END-
文章來(lái)源：達(dá)索系統(tǒng)
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