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【iMBSE】| 架构设计的创新——创成式工程

当今复杂系统的复杂度已经呈现出爆炸式的增长,创新的重要性又毋庸置疑,日新月异的先进技术更是大幅增加了设计开发和工程的难度。同时,为了保持竞争力,企业又必须提供最佳设计来保持产品优势。这些,对于设计工程师而言,真的背负了太多的责任,既要使系统设计满足需求,又要考虑技术、成本、材料等多方面约束,还要在有限的时间内探寻到更好的设计,可当前设计探索方式已快达极限,设计过程却愈加复杂。

设计不易,路在何方?企业和工程师迫切需要一种新的方法论。那么,智能化、自动化当家的今天,对于设计建模来说,建模过程本身是否也能实现自动化呢?幸运的是,创成式工程或创成式设计(Generative Engineering)提供了这种可能。创成式工程是一个自我创新的设计过程,能够根据给定的设计意图和约束条件,通过创成式设计来生成潜在的可行性设计方案,然后进行综合对比,将筛选方案推送给设计者进行最优决策。

所谓创成式设计,通俗的说就是,根据需求和约束条件,通过设计软件中的算法和基于知识的推理方法自主生成模型,或者说是使用算法将需求转换为产品设计,是一种参数化的建模方式。在设计中,只需要提供参数,算法将自动进行调整,生成大量备选设计方案,而无需工程师的指导。设计工程师的任务主要转为创建规则,生成模型的任务则是交由软件自主完成,并且在设计规则中融入的资深的知识和经验能够指导经验不足的工程师快速优化设计,提高工程师的生产力。这种设计方法能够助力设计工程师,用更少的时间,探索更多的方案可能性,与更多的利益相关方协同,平衡更多的需求,设计出更加复杂和更好性能的产品。

系统架构设计中的创成式工程

在MBSE正向设计过程中的系统架构设计,体现的是系统的核心价值,也是企业价值工程之所在。设计工程师在进行系统架构设计时,为了满足各利益相关者的需求和系统顶层的功能,需要从系统的不同维度进行设计,而这一复杂系统的设计过程也是创新的过程。设计来自于想法,但不仅是想法,更是基于规划,分析每一步的复杂实现,尤其是对架构进行细化定义和分解的过程中,更需要有效探索设计空间。换言之,在对系统的功能和架构进行建模之后,架构创成和优化就成为了MBSE中很重要的环节。

创成式工程始于系统功能模型,代表的是需要实现的系统功能(但并不指定如何实现该功能)。然后,将系统定义和功能作为输入,理清各目标功能间的相互关系,并以规则来描述。再基于规则,自动且快速地生成系统的逻辑和物理架构方案,并评估和比较多个架构方案进行优化设计。在这一过程中,企业能够通过创成,利用算法和基于知识的推理方法自动生成选项,尽早地进行创新解决方案的探索,并且协助向下选择替代方案并验证最佳概念和设计,也就是说创成式工程旨在支持从产品创意到最终产品的工作流程。

创成式工程对复杂系统工程架构设计的创新意义非凡,应用的领域也很广。以阿波罗号使命任务架构设计为例,该应用使用西门子的Simcenter Studio工具,首先从使命任务角度出发,定义设计问题,再对系统模型进行定义和架构生成,然后将模型转换为数学公式并求解,最后进行架构的评估,以及权衡研究,从而探索出将宇航员送入月球并带回地球的最佳概念性解决方案。

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《阿波罗号使命任务架构设计》案例

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火星车2030的具体案例,也通过机器推理技术(Machine Reasoning)或其他技术进行综合对比,进行了优化设计,展示了创成式工程的基本过程。

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《火星车2030》案例

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