系統和軟件工程的案例
系統和軟件工程生存周期管理標準體系概述
致力于數字孿生體技術的研究與發展
通過解決方案和工程化應用造福人類
作者：段海波
自從2003年ISO/IEC JTC1/SC7聯合INCOSE、IEEE等組織啟動ISO/IEC 15288:2002 Systems engineering — System life cycle processes和ISO/IEC 12207:1995 Information technology — Software life cycle processes兩個標準協調一致工作，十多年來系統工程和軟件工程相關國際標準日益成熟完善，不但實現了ISO/IEC/IEEE 15288和ISO/IEC/IEEE 12207兩個標準的協調一致，形成了系統和軟件工程生存周期管理統一的共用詞匯、過程集合和結構，而且形成了兩個領域共享一致、相對完整的生存周期管理標準體系，如圖1所示。
圖1 系統和軟件工程生存周期管理國際標準體系
系統和軟件工程生存周期管理國際標準體系包括基礎和框架層（系統和軟件工程術語和知識體系、體系分類、過程框架和生存周期管理頂層指南）、生存周期過程層（系統、軟件和體系）、生存周期過程應用指南層（系統、軟件和體系，以及面向國防新項目和小微組織體的應用）、過程詳述層（ISO/IEC/IEEE 15288、ISO/IEC/IEEE 12207各過程組和過程）、評估和治理層（系統、軟件、質量管理、系統和軟件工程職業資格認證）、產出物描述層（架構和文檔）、以及工具層（需求工程、技術狀態管理、產品線、基于模型的系統和軟件工程）。
圖1還提供了各國際標準的負責組織，并更新了制定狀態。
展開 系統工程和MBSE概念定義和內容明晰：MBSE產品的定義、特點和應用范圍
劃重點：
根據以上的系統工程概念介紹，我們可以明確系統工程是技術與管理都涉及的復雜工程方法（論），其覆蓋了我們所熟悉的產品開發整個V模型，甚至可以認為產品開發的V模型及其配套的項目管理和項目支持活動就是系統工程的內容。
所以，開篇提到的把“系統工程”簡單的認為是SysML建模，或者僅僅是技術開發流程都是片面的，也是不準確的。
圖2 產品開發通用V模型
2 基于模型的系統工程
那基于模型的系統工程（MBSE）與系統工程又是什么關系呢？
從概念定義入手，通過查閱資料，選取的主流MBSE定義如下：
支持以概念設計階段開始并持續貫穿于開發和后期的生命周期階段的系統需求、設計、分析、驗證和確認活動的正規化建模應用。（INCOSE 系統工程愿景2020）
基于模型的系統工程是一種形式化的建模方法學，是為了應對基于文檔的傳統系統工程工作模式在復雜產品和系統研發時所面臨的挑戰，以邏輯連貫一致的多視角通用系統模型為橋梁和框架，實現跨領域模型的可追蹤、可驗證和全生命周期內的動態聯動，進而驅動貫穿于從概念方案、工程研制、使用維護到報廢更新的人工系統全生命周期內的系統工程過程和活動。這些過程與活動包括技術過程、技術管理過程、協議過程和組織項目使能過程等，廣泛存在于體系、系統及系統組件各個層級之內。除方法學本身外，廣義MBSE還包括方法學所需的使能技術（如建模語言、工具軟件）和人員能力，以及方法學的應用環境等所構成的體系。
劃重點：
根據以上對MBSE的概念介紹，我們可以明確MBSE在技術流程、技術管理流程方面與系統工程基本一致，即覆蓋了我們所熟悉的產品開發整個V模型。最大的不同之處是工作過程中體現成果的知識載體不同。
展開 航空航天系統工程-載荷和結構
01
概述
系統工程師或經理必須從不同的標準和關注點綜合設計。關注的領域之一是荷載和結構。任何飛機系統，特別是那些有外部部件如操縱面的飛機系統，都會受到設計系統必須適應的許多外部和內部載荷和應力源的影響。
載荷分析是一項巨大的任務，在飛機設計過程中跨越數年。然而，系統設計必須從初步信息開始。顯然，系統工程師必須在某種程度上說負載分析師的語言，并且能夠進行粗略的負載分析。
有些情況下，工程師在設計的第一次迭代中花了很多時間，卻因為忽略了一個基本的結構原理或者根本不知道而被載荷分析師直接拒絕。本節的一個目的是盡量減少(如果不是完全消除)這種低效率。
更理想的是，認知工程師，如果他要真正認知，將對結構原理有一個基本的理解。他將非常熟悉載荷分析，因此很有可能在設計中及早發現結構問題。他將知道何時咨詢負載工程師，并在共同理解的背景下與他們溝通。因此，他的設計將很快獲得負載組的青睞，永遠不必從頭再來。
機體結構的工程設計是一個涉及多個學科的過程。它的兩項主要活動是:
1.外部載荷分析
2.內部載荷分析外部載荷分析屬于載荷組的范疇，是本節的主題。應力分析小組負責內部載荷和機體結構的詳細規范。
這里介紹以下內容：
產生空氣動力載荷的力和壓力；
慣性載荷的基本知識和影響慣性載荷的參數(慣性載荷是加速質量產生的力，作用方向與加速度矢量相反)；
摘要形式的負載組的工作；荷載組和其他工程組之間的接口。外部載荷是作用在機翼或垂直尾翼等結構表面的空氣動力和慣性力。
展開 基于模型的系統工程MBSE探索和實踐
主講嘉賓：張玉宏
引言
推薦兩本書:《思維的囚徒》和《假設的世界—一切不能想當然》
幾個思考問題：
（1）萬有引力定律背后的假設是什么？F=G*m1*m2/r^2
（2）牛頓時代能不能發現關于電磁場的麥克斯韋方程組？
（3）F = m * a；E=m*c^2這兩個公式里都有質量,這兩個質量一樣嗎？
（4）國內現有教育體系對系統工程重視程度不夠,事實還是假設？
1.系統工程的基本認知
(1)系統的基本屬性
完整性,目的性,涌現性,開放性。
(2)系統工程是什么
工程=規范、方法、流程、工具
系統工程的問題和解決方案空間
使用系統工程的方法為你的下一次野營制定一步一步的計劃。列出項目時間表、露營地、交通和成本等項目的備選方案。講述你為什么做出這樣的選擇，做了哪些改進。
(3)系統工程是問題空間和方案空間之間的橋梁
研究問題靠專業,解決問題靠綜合（系統思維)
系統工程綜合多個學科,從用戶的運行需求（怎么用),變成一個涵蓋多個學科的解決方案,這是系統工程的職責所在。但我國在系統工程教育上有較大缺失,大學里只設置各專業,沒有教系統工程,沒有提供多學科綜合人才的培訓,而國外幾乎每一個有名的大學,都有系統工程專業。研究問題靠專業,解決問題靠綜合（系統工程),不可能由一個專業去回答解決辦法的問題。
分科而學,嚴重阻礙復雜系統設計的發展,如土木工程、機械工程、電氣工程、化學工程、控制工程、電子工程、光學工程等
(4)為什么我們需要系統工程模型
傳統系統工程面臨的挑戰：高復雜,高并行,高不確定性,高風險
避免無意識下被他人從高價值鏈端降維打擊要樹立升維思考意識。目前企業的數字化僅僅是信息化,缺少數字化的模型,只有信息化文檔和人腦；知識傳承困難,無法站在巨人肩膀上敏捷迭代。
展開 
機器人工程：高效開發機器人和機器人系統
機器人工程方面的進步對于制造企業提高機器人采用率而言至關重要。
機器人工程構成了幾項前沿技術（人工智能、機器學習、傳感器、可編程邏輯控制器等），并且在平衡可靠性、可擴展性、安全性和能效這幾方面性能時，面臨著一些特有的挑戰。
完全依賴原型測試不僅耗時，而且也是成本無法允許的。仿真和測試解決方案為高效設計制造未來的機器人提供了幾項先進功能。
在本場宣教類網絡研討會中，機器人專家們將為大家演示使用跨領域解決方案的機器人工程最佳實踐。學習內容：
根據真實載荷評估機器人致動器的選型并通過軟件在環/硬件在環測試驗證可編程邏輯控制器的控制邏輯
驗證潛在功能環境中機器人操作手的工作包絡和性能
使用仿真、測試和物聯網執行資產健康情況監控
滿足更嚴苛的性能、可靠性、安全性和效率目標
機器人集成和調試
機器人集成和調試是開發階段至關重要的最后步驟。機器人集成或調試過程中的任何控制邏輯集成問題或自動化故障，其解決成本都極為高昂。系統設計師、制造商、集成商、供應商和最終用戶依賴虛擬建模和測試工具來應對機器人的復雜難題。
采用數字化雙胞胎方法可以盡早、在原型制造之前獲得機器人的性能見解。在本場網絡研討會中，您將了解到，從設計早期階段開始研究各個子系統之間的相互關系，可以消除機器人集成和調試過程中的系統或性能問題。
機器人結構分析
抬升重物的機器人和機器人系統必然會遭遇機械變形。機器人結構分析允許工程師以虛擬方式評估真實工作載荷下機械臂、關節和軸承上的應變。
從分析機器人操作手的運動學和動力學到改進其動力性能，甚至是開發具有無窮無盡種插件的模塊化系統，多物理場 CAE 仿真和測試工具可以提供能夠實現目標結果的實惠解決方案。
展開 ALOF系統─專業的工程結構斷裂失效仿真軟件
而基于強度設計法的傳統有限元軟件(如ABAQUS)和斷裂力學軟件(如Zencrack號稱是“當前世界上唯一能夠模擬三維裂紋擴展的軟件”)都需要根據裂紋面修改網格。ALOF可以根據用戶建立的產品模型與定義荷載，全自動判斷裂紋止裂與失效擴展判據，并根據用戶需求繪制裂紋擴展過程各個重要參量的動畫。
CAE軟件已成為涉及一個國家戰略安全的重要高新技術產業，是工程計算與科學研究必不可少的重要工具。某些CAE系統甚至是歐美國家對華出口管制的重要高科技產品。
系統工程大講堂——實施MBSE，如何選擇建模工具？MBSE建模平臺的選擇和使用
圖6 mbse.tools/網站對Rhapsody的評價[10]
關于MBSE相關的軟件功能，應該說MagicDraw、Rhapsody各有千秋；綜合與標準的符合性、軟件易用性和價格等因素后，MagicDraw稍勝一籌。這一結果與OMG發布的MBSE建模工具項目滿意度結論一致（圖7）。
圖7 MBSE建模工具項目滿意度[5]
3
MBSE方法學
SysML有九種相互關聯、可部分仿真執行的模型圖，其軟件工具必定復雜難學。所以，破解軟件功能和易用性這對矛盾就是靠MBSE方法學。除了軟件功能，實施方法學也是MBSE整體解決方案的重要組成部分。用戶畫的各種模型圖都質量好壞的差別，對于同一問題系統，模型存在最優解甚至標準解，如何提高建模質量就是方法學要解決的問題。
No Magic公司的MBSE方法學是MagicGrid，號稱是IBM Harmony、OOSEM等各家方法學（圖8）和DoDAF、NAF等各家架構框架的綜合集成，為用戶提供無二義性的系統建模工作流程。
IBM的Harmony方法學也是集成折衷的產物，首先是IBM包容調和了兩位大師在系統工程領域和嵌入式軟件工程領域的兩種思想方法（即Harmony = Harmony MBSE + Harmony ESW），其次是包容了Peter Hoffman對SysML建模功能和Rhapsody軟件功能的裁剪。這就造成Harmony MBSE并不完全符合系統工程最新標準（ISO 15288:2015）對系統工程過程的定義，如Harmony MBSE以涉眾需求作為輸入，而忽略了涉眾需求定義過程。
展開 借助基于模型的系統工程 (MBSE) 應對如今的汽車行業和可持續發展難題
對于汽車行業而言，滿足如今日益增長的可持續發展和互聯互通需求至關重要。
客戶和政府機構都要求汽車更加清潔、更加環保。同時，這些客戶還要求汽車更加智能、互聯性更強。
要在如此復雜的行業中蓬勃發展，汽車制造商必須轉變既有觀念并改變多年來使用的方法，才能打造出滿足如今需求的車輛。
基于模型的集成式系統工程方法恰好可以發揮用武之地，助力您的團隊開始集成并保持集成。
這樣一來，就可以每次都在正確的時機交付正確的車輛。
詳細了解軟件和系統工程，推動改變汽車駕駛的變革。
借助西門子基于模型的系統工程 (MBSE) 應對汽車開發的復雜性問題
在本電子書中，CIMdata 探討了汽車行業普遍面臨的諸多挑戰，因為軟件如今已成為汽車中最關鍵的一個方面。這導致客戶和政府機構提出了越來越多的要求。最終，這便導致汽車的復雜性遠遠超過了汽車制造商先前所開發的汽車。汽車制造商該如何應對呢？他們如何解決這些難題，并搶在競爭對手之前解決呢？基于模型的集成式系統工程 (MBSE) 方法能夠幫助打造這樣的車輛。
推動汽車行業的可持續發展，滿足并超越政府法規要求
隨著消費者對于更加清潔、更加環保的車輛需求的不斷增加，各個國家和地區政府機構紛紛頒布各項法律法規，以推動汽車行業的進一步可持續發展。實際上，已經有 13 個國家和 31 個地區政府機構宣布實施逐步禁止內燃機車輛銷售的計劃。從挪威到法國、英國等國家正在推進相應計劃，旨在于未來 10-20 年內實現這一目標。汽車制造商目前面臨著嚴峻的現實，即如何應對這樣大規模的行業變革。
展開 Cubis Systems提供入孔井和電纜管道系統的3D BIM CAD工程數據
新的服務使建筑師和規劃人員能夠輕松方便地進行產品配置，從而大大簡化了建筑設計與規劃流程，節省了大量的時間
Cadenas與Cubis Systems展開合作，幫助其發布了基于eCATALOGsolutions技術的全新3D BIM CAD產品目錄。自2019年5月起，建筑師、規劃師和工程師們可以輕松獲取和使用Cubis旗下產品的BIM工程數據，例如：入孔井系統 STAKKAbox? ULTIMA Connect 和多孔管道系統MULTIduct?等，并可以以多種原始和中性BIM CAD格式（例如Autodesk Revit，Graphisoft Archicad，Nemetschek Allplan，Vectorworks，Tekla Structures和SketchUp）對模型數據進行免費下載。在PARTCOMMUNITY上，客戶和潛在用戶可以輕松找到所需的組件，根據需要進行配置，并在下載后將其集成到各自的計劃軟件中。
Cubis Systems是一家為基礎設施項目提供網絡接入和電纜通道系統的世界領先者。項目遍布英國、法國、斯堪的納維亞、北美和澳大利亞。Cubis與全球電信網絡領域的一些超大型工程公司以及鐵路基礎設施項目密切合作，為各種公用事業和網絡運營商提供創新的網絡接入系統。
直面客戶、改善服務、實現入孔井和電纜保護系統產品的最佳市場營銷
Cubis Systems是一家為基礎設施項目提供網絡接入和電纜通道系統的世界領先者。項目遍布英國、法國、斯堪的納維亞、北美和澳大利亞。Cubis與全球電信網絡領域的一些超大型工程公司以及鐵路基礎設施項目密切合作，為各種公用事業和網絡運營商提供創新的網絡接入系統。
展開 ANSYS發布SeaHawk--率先將大數據和機器學習系統引入工程仿真領域
---實現電子設備低功耗和高性能的全新ANSYS SeaHawk軟件進軍移動設備、數據中心和物聯網（IoT）市場
ANSYS 已將先進計算機科學中的靈活計算、大數據和機器學習系統應用于以物理學科為基礎的工程仿真領域，為業界提供未來產品開發的一手信息。已經面市的第一代ANSYS?SeaScape?架構能夠讓企業用戶以比以往更快的速度實現產品創新。作為首款利用這一新平臺功能的產品，ANSYS? SeaHawk?能夠加速優化設計實現下一代芯片產品。
與工程仿真生成的海量數據相比，能夠有效利用在新產品設計上的數據量對于大多數組織機構而言簡直是九牛一毛。例如，一個集成電路中可以仿真的數據變量通常達數十億個。然而，目前高度專業化的工程超級計算資源仍未能滿足不斷精細化產品對仿真精準性的高標準。通過使用諸如靈活性計算和映射化簡之類的大數據技術，SeaScape為實現工程設計目標提供一個解決上述各種問題的基礎平臺。并且，SeaScape讓產品開發者在設計流程的早期就具備更全面的研究分析能力，從而在最短的時間內研發出創新產品。
ANSYS SeaHawk是基于SeaScape平臺生產的第一個產品，這大力推動了電子產品設計的轉型，實現擴大仿真覆蓋區域、縮短周轉時間、提高分析靈活性大數據技術與ANSYS高性能仿真能力的整合讓SeaHawk的用戶能夠盡可能縮小芯片尺寸，并降低能源消耗，而且無需犧牲產品性能，或受時間約束。SeaHawk的早期用戶們的芯片尺寸平均縮小了5%，因此節省了數百萬美元的生產成本。
“我很高興能夠見證ANSYS SeaHawk在性能上的大幅提升，并因此促進了工程仿真產業的轉型，使得用戶能夠不受限制自主優化并創新產品設計，”英特爾公司副總裁兼HPC平臺事業部總經理Charlie Wuischpard表示。
展開 工程，設計，PLM和仿真軟件市場現狀
ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，最早在中國高校推廣較好，有100多所理工院校采用ANSYS作為仿真分析的軟件教學。ANASYS也是美國納斯達克上市企業，目前市值140.91億美元（截止2019.3）。
自2010年起，ANSYS已經完成了16次收購活動，近期完成的收購有材料信息提供商Granta Design（2019.1）和芯片系統（SoC）電磁串擾解決方案供應商Helic。
ANSYS在收購Helic后，將能夠為芯片3D集成電路和芯片-封裝-系統電磁及噪聲分析提供綜合解決方案, 幫助ANSYS的客戶開發尖端產品，推動5G、AI和云計算領域的發展。Granta Design是業界領先的材料信息技術供應商。此次收購有助于將ANSYS的產品組合擴展到重要領域，為ANSYS客戶提供各種重要的材料數據信息，使ANSYS客戶能夠訪問Granta豐富的材料智能數據庫以及市場領先的材料選擇和管理解決方案。這些對于確保準確的模擬結果至關重要。
3.Autodesk
Autodesk是一家總部位于美國加利福尼亞州San Rafael市的3D設計、工程和娛樂公司。從1982年AutoCAD軟件發布開始，一直為全球客戶開發最廣泛的軟件組合。服務的客戶主要集中在制造業、建筑設計、媒體和娛樂業。所以，Autodesk不僅僅是我們認知的在工程設計領域，一些電影視覺效果的建模也應用了Autodesk的軟件。Autodesk也是納斯達克上市企業，截止2019.3，市值345.03億美元。
Autodesk自2010年起收購活動頻繁，共有63次收購活動，包括近期收購的建筑藍圖管理應用PlagGrid（2018.11）和建筑軟件平臺BuildingConnected（2018.12）。
展開 
豐田最新L2系統和軟件架構解析
今天我們來進一步看看TAD系統的架構。
系統冗余介紹
上一篇說過TAD系統在電源、通信、ECU等都做了備份，可以再看一下圖1。該圖中展示了關鍵組件的冗余硬件配置。
圖1 TAD系統的冗余配置
在電源冗余方面，除了制動電子控制單元和轉向電子控制單元外，負責執行識別、決策和控制等基本功能的自動駕駛ECU也都連接至主電源和備份電源。即使主電源系統出現故障，這些ECU依然可以正常工作。
在前置傳感器方面，為了保證數據輸入的安全，雷達和廣角攝像頭連接到主電源，而激光雷達和長焦攝像頭連接到備份電源，保證前方的傳感器覆蓋。
在通信冗余方面，數據通信不僅在自動駕駛ECU內部建立，還通過CAN和ETH與其他ECU進行數據通信。另外自動駕駛、制動和轉向電子控制單元之間的通信線路也是冗余構建的。這允許制動和轉向電子控制單元在檢測到來自自動駕駛電子控制單元的一些通信中斷時，切換到從另一個通信路徑獲取的數據，以保持車輛受控。
在ECU冗余方面，TAD系統中采用了Soc+ MCU的組合，其中Soc負責識別和決策，MCU負責控制。除了硬件的自我監視功能以及SoC和MCU中的計算操作故障外，還通過MCU監視SoC的操作輸出數據的有效性來增強系統可靠性。
軟件架構
自動駕駛ECU為車輛控制提供必要的外圍識別、高精度地圖信息處理、車輛位置估計、行為規劃、軌跡及其速度規劃的生成、生成規劃的跟蹤控制、系統狀態管理等功能。
軟件功能的功能分配
圖2顯示了主要軟件功能組件的分配及其處理流程。系統芯片負責包括DNN的圖像識別、傳感器融合的外圍對象識別、用于識別車輛位置的定位以及用于行為決策和軌跡生成的規劃器等功能，另外OTA管理器被部署在SoC。
展開 Moldex3D模流分析SYNC之系統和軟件需求及教學
系統和軟件需求 (System and Software Requirements)
在 SYNC 中定義射出成型組件 (Defining Injection Molding Components in SYNC)
本章節將介紹成型組件的設定，如下：
?塑件 (Part)
?材料精靈 (Material Wizard)
?塑件嵌入件 (Part Insert)
?流道 (Runner)
?進澆口 (Melt Entrance)
?模座 (Moldbase)
?模具嵌入件 (Mold Insert)
?冷卻系統 (Cooling System)
?感測節點設定 (Sensor Node Setting)
1. 塑件 (Part)
此章節將演示如何設置塑件(Part) 和其相關參數。
?雙擊Part在樹狀菜單中選擇您的塑件。
?單擊您的模型進行選擇，Moldex3D材料精靈 將會被啟用。
?從下拉式選單中選擇所需的材料，然后單擊 OK 以確認您的設定。
?透過單擊 進階…，使用者可以進入完整的 Moldex3D材料庫 。
?完成設定后，樹狀菜單上將會顯示你所設置的項目。
?雙擊項目以修改先前任何的設定，或是使用鍵盤上的 Delete 鍵進行刪除。
2. Moldex3D材料精靈 (Moldex3D Material Wizard)
選單工具欄位于 材料精靈(Material Wizard) 窗口的頂部。它包含檔案、檢視、編輯、曲線、材料和幫助。其中，檔案、編輯和材料中的內容會因切換到不同的項目而有所不同。您可以在以下說明中獲得更多信息。
l 檔案 (File)
1.
展開 以 Ncode 為例，軟件基礎操作和工程應用差距有多大?
機械設備專業高級工程師、機電工程專業國家一級建造師。負責完成國內國外多個工程項目具體工作，發表10篇中英文專業論文及15項專利著作權。
軟件基礎操作和工程應用差距有多大?
這個問題是工程技術學習初期，每個人都會遇到的問題。尤其是學生群體，買本書練幾個案例，就認為自己已然擁有了工程計算能力。這種想法很普遍，卻不可笑，因為幾乎每個工程師都經歷過這個過程。直到有一天去面試，才發現基礎操作和工程應用完全不是一回事，面試問題根本聽不懂。等到做工程項目的時候發現困難很多，接受新任務的時候會產生明顯的畏難情緒，甚至影響到心理狀態和作息習慣。
以疲勞計算軟件Ncode為例，找一本書籍很容易，淘 寶當當上都有銷售，先不說水平如何，學習一下軟件基礎操作應該還可以，然后呢？如果會了Ncode軟件操作就想當然的以為自己會疲勞計算了，那做實際項目時一定會被當頭一棒。
疲勞計算是以有限元計算結果為基礎的，是不是得知道有限元計算怎么算才行？是不是得知道疲勞基礎理論，才能分得清各種疲勞計算類型？是不是得知道材料SN曲線如何計算，才能做工程項目？是不是既要能自己處理載荷也要能自己生成載荷，才能解決實際載荷問題？要自己生成載荷，是不是得會動力學計算軟件才行？說到動力學計算軟件，那又會引出一大堆的問題。
實際疲勞損傷圖片
說了這么多，其實就是系統學習的問題。實際工程中遇到的問題千差萬別，需要學習了解各方面的相關知識才行，不一定都能自己解決，至少需要自己知道如何解決，找誰解決。
展開 AMESim Rev v7.0A(國際最著名的工程系統高級建模和仿真平臺)英文安裝特別版.rar
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