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數字化轉型與智能制造叢書復雜裝備系統數字孿生:賦能基于模型的正向研發和協同創新 版權信息
- ISBN：9787111669586
- 條形碼：9787111669586 ; 978-7-111-66958-6
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
數字化轉型與智能制造叢書復雜裝備系統數字孿生:賦能基于模型的正向研發和協同創新 本書特色
適讀人群 ：本書的讀者對象主要是裝備制造企業的領導者、負責研發數字化轉型的架構師、企業中的研發及IT人員，以及各類研究機構、大專院校中有志于數字化轉型、正向研發、協同創新、iMBSE、數字孿生、工業4.0、工業互聯網等方面研發創新的人士。【免費視頻課】作者親授《數字孿生》視頻課，搭配圖書學習效果更佳！ 觀看方式： 1、微信關注“華章計算機” 2、在后臺回復關鍵詞：數字孿生 當前，人類社會正在經歷第四輪工業革命，快速演進到工程學科和數字科技大融合的工業互聯網新時代。中國制造企業要搶占先機成為引領者，就必須進行數字化轉型，由逆向工程為主轉型到真正的正向研發和創新驅動。而實現創新快速迭代的關鍵就是在數字虛擬世界里快速試錯、快速學習——追求日臻完美的產品系統“數字孿生”。懷著加速中國從制造大國轉型為制造強國的夢想，西門子數字化工業軟件大中華區技術團隊依托科技部“網絡協同制造和智能工廠”重點專項，組織30多位資深技術專家，歷時兩年多，研究了大量世界頂級大學、研究機構和創新型企業的有關理論和實踐，并總結多年來工業領域的實戰經驗，編寫了本書。 本書從復雜裝備系統研發模式變革和創新思維模式出發，創造性地提出了新一代集成的基于模型的系統工程（iMBSE）的先進理念，將系統模型、領域模型和系統生命周期管理（SysLM）三者有機地統一起來，繪制了構建復雜裝備系統數字孿生的基本框架，并以“火星車2030”為案例，展示了基于數字孿生的iMBSE的關鍵實現過程，為復雜裝備系統正向研發和協同創新提供了初步的理論指導和切實可行的實現途徑。
數字化轉型與智能制造叢書復雜裝備系統數字孿生:賦能基于模型的正向研發和協同創新 內容簡介
本書理論高度和實戰經驗相結合，闡述新一代主流MBSE方法論，涵蓋復雜系統全壽期管理、MBSE（基于模型的系統工程）、多學科建模仿真優化、協同快速迭代平臺，構建賦能可持續的正向研發體系的核心，形成基于“數字孿生”系統為核心的新工業生態體系.
數字化轉型與智能制造叢書復雜裝備系統數字孿生:賦能基于模型的正向研發和協同創新 目錄
序言一
序言二
前 言
第1章 復雜系統研發模式變革——立本趨時，數濟天下 1
1.1 從伽利略到“好奇號” 3
1.1.1 人類太空探索的歷史和成就 3
1.1.2 從“好奇號”看現代航天系統的復雜性 7
1.1.3 “好奇號”的成功秘訣 9
1.2 從DBSE到MBSE和iMBSE 11
1.2.1 系統工程及航天系統工程應用 11
1.2.2 航天系統復雜性演進對傳統系統工程的挑戰 13
1.2.3 復雜系統驅動系統工程轉型 14
1.3 從物理試驗、建模與仿真到數字孿生 19
1.3.1 物理試驗 19
1.3.2 建模與仿真 20
1.3.3 數字孿生 23
1.4 從**范式到第四范式 27
1.4.1 吉姆·格雷和科學研究的“四個范式” 27
1.4.2 人工智能及其研究領域 28
1.4.3 人工智能在復雜系統研發中的應用 32
1.5 國外對研發體系數字化轉型的探索 35
1.5.1 美國數字工程 35
1.5.2 歐盟框架計劃項目 40
第2章 創新的三大思維模式——鼎新變通以盡利 46
2.1 設計思維 47
2.1.1 設計思維的發展歷程 48
2.1.2 設計思維的應用 49
2.2 系統思維 51
2.2.1 系統思維的起源與發展 51
2.2.2 開展系統思維的步驟 53
2.2.3 錢學森的復雜巨系統理論 58
2.3 數字思維 64
2.3.1 數字思維的體系化：控制論、信息論和計算機 64
2.3.2 數字思維的拓展：工程控制論等 66
2.3.3 數字思維無所不在：當代數據科學和人工智能新進展 67
2.3.4 數字思維在研發體系數字化轉型中的應用 68
第3章 iMBSE概述——舉其要而用功少 71
3.1 iMBSE定義 72
3.2 基于模型的方法 74
3.2.1 正式模型 74
3.2.2 以模型為中心 75
3.3 iMBSE流程 76
3.3.1 需求工程流程 78
3.3.2 系統工程流程 79
3.3.3 領域工程流程 81
3.4 iMBSE內涵 82
3.4.1 系統模型 84
3.4.2 領域模型 87
3.4.3 系統生命周期管理 88
第4章 產品定義——運行分析與系統建模 89
4.1 系統工程發展演進的四個階段 90
4.1.1 **階段：基于文檔或視圖的系統工程 90
4.1.2 第二階段：Harmony-SE/OOSEM+SysML V1 92
4.1.3 第三階段：ARCADIA+Capella 95
4.1.4 第四階段：OOSEM/ ARCADIA+SysML V2 98
4.2 新一代MBSE方法和實踐：ARCADIA/Capella 99
4.2.1 功能分解 100
4.2.2 系統架構 104
4.3 基于ARCADIA的火星車產品定義 106
4.3.1 火星探索運行分析 106
4.3.2 火星車系統功能定義 107
4.3.3 火星車邏輯架構定義 108
4.3.4 火星車物理架構定義 110
第5章 創成式架構設計、探索和優化 113
5.1 系統架構創成式設計和優化 114
5.1.1 系統架構創成式設計理論 114
5.1.2 火星車案例 119
5.2 電子電氣架構創成式設計 123
5.2.1 電子電氣架構創成式設計理論 123
5.2.2 火星車案例 126
5.3 領域架構設計 131
5.3.1 多領域仿真架構 131
5.3.2 電子電氣系統架構 132
5.3.3 嵌入式軟件架構 134
5.3.4 機械系統架構 134
第6章 領域建模與仿真 136
6.1 領域模型概述及研究進展 137
6.2 機械領域模型 142
6.2.1 機械領域模型概述 142
6.2.2 從綜合架構設計到DFX設計 146
6.2.3 設計仿真一體化和仿真驅動設計 149
6.2.4 機電系統聯合仿真模型 152
6.2.5 從零部件到系統級聲學仿真模型 156
6.2.6 高級計算流體動力學性能仿真模型 158
6.2.7 基于模型的系統測試 161
6.2.8 集成行業專家知識的定制化 162
6.2.9 火星車機械領域模型實踐 165
6.3 電子器件的實現——PCB設計 171
6.3.1 PCB設計 171
6.3.2 PCB驗證 174
6.3.3 火星車電氣分配盒的PCB設計 175
6.4 復雜電氣系統的創成式設計 176
6.5 互聯設備的高效通信——車載網絡設計 181
6.5.1 車載網絡設計 181
6.5.2 火星車網絡設計 184
6.5.3 ECU的軟件開發 186
6.6 基于模型的軟件架構設計 190
6.6.1 開發流程 191
6.6.2 火星車軟件架構設計 194
6.7 多學科仿真和設計空間探索 198
6.7.1 多學科仿真和設計空間探索綜述 198
6.7.2 神經網絡在系統仿真中的應用 201
6.7.3 多物理場耦合模型 204
6.7.4 設計空間探索 207
第7章 基于數字線程的系統全生命周期管理 211
7.1 數字線程釋放價值鏈潛能 212
7.2 研發設計資源及模型定義 214
7.2.1 研發設計資源建模及共享面臨的困境 215
7.2.2 研發設計資源集成與共享平臺的建設 217
7.2.3 復雜裝備系統相關模型空間的表達 219
7.3 模型生命周期管理的要素 220
7.3.1 模型生命周期管理及模型定義 221
7.3.2 模型生命周期管理要素 223
7.3.3 模型存儲、通信和安全技術 225
7.4 需求管理 227
7.4.1 復雜系統的需求管理 227
7.4.2 需求管理的業務流程和方法 228
7.4.3 參數管理 233
7.5 模型生命周期管理 235
7.5.1 模型生命周期管理需求 235
7.5.2 模型生命周期管理系統 236
7.5.3 仿真模型生命周期管理 238
7.5.4 試驗模型生命周期管理 244
7.6 模型連續的IVVQ流程和管理 246
7.6.1 基于連續IVVQ的業務流程 247
7.6.2 基于連續IVVQ的數字孿生思想 248
7.6.3 基于連續IVVQ的驗證管理方案 249
7.6.4 基于連續IVVQ的設計、仿真、試驗一體化管理 250
7.7 基于模型的質量工程 252
7.7.1 智能復雜裝備系統質量的新需求 252
7.7.2 基于模型的安全可靠性建模分析技術 254
7.7.3 基于數字線程的安全可靠性管理 265
第8章 閉環數字孿生——依于數字，智周萬物 268
8.1 Hackrod：游戲化的工業4.0 269
8.2 數據探索時代工業的特點 273
8.3 數據探索中的先進技術 274
8.3.1 智能網絡 274
8.3.2 基于模型的先進制造 277
8.3.3 數據閉環 279
8.4 從芯片到城市 283
參考文獻 285
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數字化轉型與智能制造叢書復雜裝備系統數字孿生:賦能基于模型的正向研發和協同創新 節選
序言一 中國制造必須從逆向工程為主轉型到正向研發為主 快速瀏覽方志剛博士的新著，便深為此書所吸引。 幾年前，我曾經訪問一家著名的國有企業。在車間參觀時，陪同的一位企業高管告訴我，他們的數字化水平與國外同行差距不大。我隨即問到產品的水平如何，他的回答使我大吃一驚——與國際領軍企業的產品差距約30年。中國近些年推進智能制造，總體上成效似乎不錯。但就產品的創新（尤其是原創）而言，令人頗為揪心。看看工業世界的萬千產品，屬于中國首創的寥寥無幾。這對身處制造大國的我們而言，是一件值得深刻反思的事情：中國要為世界未來的工業文明貢獻什么？明天為全球、為人類增添福祉的創新機遇在哪里？ 人類技術文明歷經了農業文明、工業文明、互聯網文明，正在進入新的階段——“智能文明”時代。今天，智能制造已成為全球制造業的發展趨勢和中國制造強國的戰略方向，正在引領新一輪的制造業革命。 我國很多企業在推進智能制造的過程中，需要改變忽視智能化產品創新的現象。智能化產品已經不再是單純的機電系統，而是復雜的機電軟系統，“軟件定義世界，數據驅動未來”的趨勢越來越明顯。大眾CEO Herbert Diess博士在2019年達沃斯的“世界經濟論壇年會”上表示：“在不遠的將來，汽車將成為一個軟件產品，大眾也將會成為一家軟件驅動的公司。”可以斷言，未來的產品創新大多離不開軟件的創新。本書正是聚焦于產品的正向研發和協同創新，書中從產品開發思維模式的轉化，到產品定義、創成式設計、建模仿真等，無一不關乎軟件。 第四次工業革命的核心理念是CPS（Cyber Physics System），即數字與物理世界的深度融合，而*能反映CPS理念的非數字孿生（digital twin）莫屬。數字孿生是指以數字化方式創建物理實體的虛擬模型，借助數據和模型模擬來改善物理實體在現實環境中的行為或性能。智能產品的研發需要利用數字孿生技術，發現潛在問題，激發創新思維，并不斷追求優化進步。 數字孿生需要基于模型的系統工程（Model Based Systems Engineering，MBSE）方法，MBSE是在復雜產品的背景下進行協同產品開發的*佳方法。NASA講的“fly before built”（建造前飛行）就是指開始并沒有制造，而是在虛擬數字環境下基于模型去設計、制造、試驗等，這樣就可以看到*終場景，并在整個過程中不斷完善需求，不斷適應變化，這就是基于模型的系統工程所帶來的巨大變革。作者創造性地提出了復雜裝備系統新一代MBSE，即iMBSE（integrated MBSE）的先進理念，并將系統模型、領域模型和系統生命周期管理（SysLM）三者有機地統一起來，進而實現基于模型的方法在整個工程中的應用，極大地拓展了傳統系統工程和MBSE的內涵，為復雜裝備系統研發模式的數字化轉型提供了完備的理論指導和切實可行的實現路徑。 書中系統地介紹了復雜裝備系統研發模式的變革歷程，國外在研發體系數字化轉型方面的探索，創新的三大思維模式，基于iMBSE的復雜裝備系統正向研發體系、流程和方法，以及支撐研發模式數字化轉型的關鍵技術——數字孿生和數字線程（digital thread），并通過火星車2030數字化工程實踐驗證（POC）為讀者展示了iMBSE的應用場景，相信能夠為有志于研發模式數字化轉型和提升自主研發能力的企業提供巨大的參考價值。 數字孿生需要眾多數字–智能技術的支撐，讀者從此書中可以領略數字前沿技術的不同應用。例如：增強現實（AR）、混合現實（MR）技術應用在諸如協同設計、裝配、運維等場景；拓撲優化、創成式設計提供了區別于傳統經驗式設計模式的創新設計方案，實現創新設計的自動化與智能化，即智能設計；3D打印技術讓制造企業不再受傳統工藝和制造資源的約束，在“設計即生產”“設計即產品”的理念下，為企業追求“創造無極限”拓展了產品創意與創新空間；多學科優化和設計空間探索可以極大地拓展設計師的設計空間，幫助設計師充分探索和利用系統中相互作用的協同機制，從而快速找到復雜裝備系統的優化設計……隨著越來越多新技術的融入，相信將進一步推動智能產品研發的革命。 特別值得一提的是，作者深厚的理論功底和他在世界制造業/軟件行業巨頭西門子公司的供職，使得此書成為同類著作中的佳作。從數字–智能技術（如數字孿生）的發展歷程和演進，到前沿新技術（如iMBSE）的探索，均體現了作者對數字–智能技術領悟的廣度和深度。另外，此書的一大亮點便是豐富的案例，包括西門子公司在數字孿生等方面的探索和實踐。這些都是值得中國學界和工業界讀者學習和借鑒的。 中國欲從制造大國轉型為制造強國，要點之一當是從產品逆向工程轉型為正向研發，而數字孿生的應用又是其關鍵。相信本書將對數字孿生技術在中國工業界的應用以及推動中國企業的產品正向研發和協同創新產生重大影響！ 李培根 中國工程院院士 中國機械工程學會理事長 華中科技大學教授 2020年10月 序言二 倡導基于數字孿生的正向研發，努力建設創新型國家 親愛的各位讀者： 雖然目前是信息爆炸的時代，網絡信息很豐富，但我仍然要向各位強烈推薦本書。 大家知道，改革開放以來，我們用短短40年的時間，基本全面實現了工業化，并力圖在第四輪工業革命過程中擔當排頭兵。作為排頭兵，我們要攻入“無人區”，但是我們沒有現成的經驗可以參考，也沒有地圖和羅盤，因此必須從現在的以逆向工程為主的創新模式轉型到真正的正向研發，實現從0到1的突破，為人類知識的大廈添磚加瓦。唯有如此，我們的企業才能發展成為真正意義上的創新型企業，我們的國家才能建設成為真正意義上的創新型國家。 第四輪工業革命時代的核心技術特征是眾多工程學科和數字科技的大融合，我們需要學習的東西很多，很容易淹沒在知識海洋里（有許多可能是粗制濫造的知識）。如果有一本書能幫我們快速鳥瞰全貌，建立清晰的知識層次結構，做到“心中有數”，那么對于提高學習效率和工作效率將有很大幫助。本書就具有這樣的鮮明特點，它是國家重點研發計劃“網絡協同制造和智能工廠”重點專項2019年度課題的成果之一，研究過程歷時兩年多，有30多名專家參與其中。他們花費大量時間研究了世界眾多領先的大學、研究機構和創新型企業的理論和實踐，基于系統工程的思路和框架進行總結，并用成熟的數字孿生技術驗證其可操作性。他們參考了諸如麻省理工學院（MIT）航空系主任Edward Crawley教授的著作《系統架構：復雜系統的產品設計與開發》、國際系統工程學會的OOSEM方法論、歐洲航天局的ARCADIA方法論和Capella系統建模工具，以及系統工程錢學森學派的成果，利用西門子工業軟件（包括但不限于系統建模與分析工具SMW、結構/電子/ 電氣/網絡/軟件領域的建模和仿真驗證工具Simcenter、系統生命周期管理與快速迭代平臺Teamcenter等）進行對照實驗，并結合火星車2030進行了實踐驗證。 本人從20世紀80年代初開始從事軟件研發和應用工作，在近40年的時間里，在北美和亞太區積極推動企業數字化轉型，親歷了中國企業在金融業、電信業、能源業和制造業的數字化歷程，看到中國企業從“小學生”成長為今天的“大學生”，自主創新、獨立創造的勢頭日益強勁。歷史已經發展到中國人向世界展示聰明才智的時候了！數字孿生這一技術給了我們強大的助力，可以幫助我們自信、高效地開展正向研發，努力建設創新型國家！ 梁乃明（Leo Liang） 西門子工業軟件全球高級副總裁 兼大中華區董事總經理 2020年4月
數字化轉型與智能制造叢書復雜裝備系統數字孿生:賦能基于模型的正向研發和協同創新 作者簡介
方志剛 西門子數字化工業軟件大中華區副總裁兼CTO，聯合出版《數字孿生實戰》《智能制造之路》與《工業4.0實戰》等書。
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