模型，创新研发的使能器

一、背景

“唯改革者进，唯创新者强，唯改革创新者胜。

党的十九大报告提出：创新是引领发展的第一动力，是建设现代化经济体系的战略支撑。习近平总书记强调：‘创新驱动是国策，只有新旧动能真正实现历史性转换，中国才能真正强大起来。’必须把改革创新贯穿于经济社会发展各个领域各个环节，以改革创新促发展、促转方式调结构、促民生改善，做到‘苟日新、日日新’‘天行健、自强不息’。”

--摘自《2018两会?改革新征程》

“强起来离不开自主创‘芯’。

面对技术差距，既不能盲目悲观，也不能被非理性情绪裹挟，而应该激发理性自强的心态与能力，通过自力更生掌握核心技术”

--摘自《人民日报评中兴危机：核心技术靠花钱买不来》

制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。没有强大的制造业，就没有国家和民族的强盛。打造具有国际竞争力的制造业，是中国提升综合国力、保障国家安全、建设世界强国的必由之路。通过上述两则摘要不难看出，创新对于当今中国制造业要求越来越高，当你成为业界标杆时，身后有无数追赶，逼迫你不断创新，稳固竞争优势；当你还处于跟随模式前行时，创新也许可以为你改变业态格局。

然而，长期以来，中国在产品系统层面的创新能力远弱于底层构件的创新能力、整体产品的创新能力远弱于局部零部件的创新能力。其根本原因在于:针对涉及多领域的复杂系统，在最具创新性的概念设计阶段，缺乏对其进行系统层面的整体设计。其后果是:不同子系统间将产生功能交叠与冲突、甚至是不可预测的行为。更为严重的是:这类“先天缺陷”无法经过后续设计与加工弥补。因此，要实现中国由制造大国向制造强国、智造大国的转变，改变“高端失守、 低端混战”的局面，迫切需要支持顶层、系统、整体创新设计的理论、方法与工具。

二、理念及思考

 当前，国内外知名企业在新型研发模式的探索层面，已经从过去关注后段安装视角的全三维的数字样机构建，逐渐向关注前段系统功能、性能的数字样机构建延伸。一些领先大发，纷纷提出了自己的建设愿景，并积极实践中。

洛克希德马丁：数字织锦（Digital Tapestry）

“数字织锦”是洛马提出的基于模型企业的建设愿景。通过“数字织锦”，模型网络的数据传递关系根据业务流程的优化而不断调整，将复杂装备系统的设计、制造和运营保障全面地交织起来。

图1：洛克希德马丁“数字织锦”

雷神：数字化大发（Digital Enterprise）

雷神提出了建设“数字化大发”（Digital Enterprise）的整体建设愿景。为实现这一目标，雷神大发从2010年起，逐步实施了基于模型的大发（MBE）数据集成管理框架，并按照四个方向MBD（基于模型的定义）、MBM（基于模型的制造）、MBSE（基于模型的系统工程）、MBLCS（基于模型的综合后期保障）分步骤地有序推进。

图2：雷神“数字化企业”

华为：全面数字化转型

华为在2016年提出企业的全面数字化转型战略。华为战略Marketing总裁徐文伟在2017年撰文明确提出数字化转型的三个核心：

1、掌控核心数据（资产数据化、数据流动化、产品模型化）；

2、改造生产系统（端：会说话的机器，网：联接万物的网络，云：多层次的云平台）；

3、重塑客户价值（数字化服务）。

图3：华为“数字化转型战略”

美国“下一代制造技术计划”

美国“下一代制造技术计划”（NGMTI）在《“NGMTI Strategic Investment Plan for the Model Based Enterprise”（v2.1版）》中对于先进研发模式的描述是这样的：

l   模型是产品的表达：对产品设计制造来说，模型是产品的数字化描述。从更为完整的角度看，产品模型是产品所有属性的电子化表达，以此作为产品制造、使用和支持的源头。

l   模型是过程交互及结果的表达：在制造过程中，模型模拟或代表一个包括实体和参数相互关系在内的过程。因此，在实体参数和过程变量改变时，通过模型能确定过程运行的结果。

l   模型是使能器：模型可作为许多业务开展的使能器。产品模型能提供使得下游流程运行的各种信息，包括工具设计、工装及模具制造、产品和装配制造、检验操作等流程。模型使得一个产品或过程所有参数和它们对性能、成本及其它重要属性的评估成为可能。

l   模型是集成器：针对一个单一过程建模可能不困难，但也不会带来显著的价值。然而，对相关模型收集成元模型，并将这种元模型组装起来的能力，能实现对跨越产品和过程的复杂交互结果进行定义。

可见，这些领先的大发已经将模型视为了未来的发展方向，打造“基于模型的大发”是他们的共识。大发可以预见并且已经看到，未来产品研发创新的核心驱动力，将通过抽象化、具像化的模型替代传统文字的不规则描述，并通过数字化、模型化的定义与虚拟验证贯穿产品研发各个环节，实现研发过程的敏捷迭代。其核心关注点如下：

图4：创新研发核心关注点

l   数字模型：在产品研发全过程中，以模型为中心进行全面信息的表达，确保研制信息的统一、准确、无二义性的表达。

l   数字传递：以统一的数字模型为核心，集成构建端到端、闭环、顺畅连续的产品研制全生命周期数字链。

l   数字管控：实现跨虚实两界的互动与融合，以流程为牵引，应用大数据技术，实现向数据/知识驱动的管控模式进行转变。

三、模型驱动的创新研发理念的解读

模型驱动的创新研发模式是指整个产品方案定义过程都通过模型进行组织串联，通过不同视图的模型对产品进行多维度的定义，实现产品的逐级拆解定义与分析迭代。

此种模式相较于传统模式将带来如下业务及管理理念的变革：

1.   将系统工程的设计思维通过模型化的方式显性化的表达出来。

在产品设计的初期??概念与方案阶段，通过基于模型的系统工程的引入，使系统工程师与专业工程师可以构建不同专业间统一的沟通语言，通过建模对产品的功能、性能、工作原理、工作模式等设计要素进行表达。同时，以对复杂系统的逐层拆解，将专业耦合、接口繁琐的复杂系统，逐渐分拆为功能独立、专业解耦的简单系统/模块，清晰、准确的表达出设计师的设计意图，减少架构问题、接口问题带来的返工。

2.   打破传统的以部门为导向的研发方式，突破“部门墙”，通过流程驱动创新头脑风暴。

IPD的集成产品研发模式是一种可以突破传统的基于部门的、相对孤立的研发模式，通过华为的验证成功，正伴随着一批流程专家的崛起，在国内各行业进行咨询与改造。基于系统固化研发的流程模板，支持从需求收集到系统设计、整机设计、模块详细设计全过程的流程、任务一体化管理模式，帮助计划管理人员以及管理层有效掌握研发任务的实际进度，进行风险预判与采取管控措施。

3.   需求牵引设计、设计分解需求。

经过对于产品全面模型化的定义，将需求与设计过程实现了有机结合，在设计分解过程中，通过需求、功能、逻辑等不同视图的关联映射，建立需求与设计的关联；同时可将逻辑模块所分配、关联的需求/功能，转换为各组成单元的设计需求，真正做到“需求牵引设计、设计分解需求”。

4.   通过模型进行参数化定义，构建设计、仿真分析间的协作桥梁。

基于模型的创新研发模式需要实现对设计结果的参数化定义，并可通过FMI等标准化接口实现设计模型与仿真模型间的参数关联映射，搭建设计仿真间快速迭代的纽带。

5.   模型化的系统定义有利于知识的沉淀，而知识是驱动研发智能化的核心。

研发过程的全面模型化，可实现对设计要素的结构化定义，且可根据需要对模型进行拆分细化，并可建立模型间的关联，便于知识沉淀后的关联索引。未来可基于大数据技术的引入，实现数据向知识的智能转变挖掘。通过模型化、对象化的产品定义提供了知识沉淀和复用更有效的手段，设计过程更加高效。

四、模型驱动的创新研发架构

图5：模型驱动的创新研发环境架构

因此，我们认为需要通过创新研发环境的构建，以确保模型作为未来研发过程的交互、管理的核心载体，同时保障模型信息无损、准确的逐层传播。初步的创新研发环境框架如上图所示，主要由如下4部分组成：

l   流程驱动的创新研发子环境

以业务流程作为基础支撑能力，同时引入综合项目管理要素。通过流程将产品研发与项目执行紧密关联，将产品结构分解与任务分解、目标成本分解紧密结合，实现计划任务流程一体化管理、研发流程管理、风险、质量、人力资源、目标成本等。

l   模型驱动的敏捷迭代子环境

n   需求管理系统：主要用以接收外部需求的输入，包含军方、用户、市场等，对此类需求进行结构化管理，并作为系统分析建模的输入。研发过程中的需求，将结合建模过程一同管理。

n   体系级分析工具集：引入DoDAF框架，提供大系统级别的建模与分析能力，对产品顶层能力的形成进行作战场景、应用场景建模分析，明确产品能力要求。

n   产品线/谱系管理系统：主要面向研发的不同产品线，基于市场分析、军队发展分析，规划不同产品线的谱系发展，以基础平台的开发+不同配置要求的开发，最终满足改型、变种的要求。通过产品线/谱系，对产品的架构、技术、物理产品进行集中管理，实现新变种的快速孵化和产品质量的有效保障。

n   系统架构设计系统：支撑系统设计过程的架构建模、工作组级的在线协同与审阅、接口信息的统一管理、模型数据的输出、模型数据的关联与技术状态控制，以及构建产品的指标体系，实现总体设计的快速优化与迭代。

n   协同仿真系统：通过流程的封装，构建不同层级的协同设计仿真流程。基于流程实现工具的调用、参数的传递，并最终对仿真数据进行管理与分析。

n   设计仿真工具集：构建设计师统一的工作入口，实现各企业现有的工具资源的集成整合。促进企业专业工具的统型，有利于模型上下游接口的打通。

l   集成化试验验证子环境

▲ 以测试任务流程为主线，覆盖测试业务全过程的规范化、信息化管理；

▲ 以需求指标为牵引，指导测试活动的开展，形成需求→设计→虚拟验证→实物测试的有效闭环优化；

▲ 构建统一的测试资源池，实现测试资源全过程高效运营管控；

▲ 建立统一的测试数据存储中心，支撑测试数据采集、存储、管理、分析、知识转换的全过程。

l   产品全生命周期数据管理子环境

改变传统基于文档的产品数据管理模式，以不同视点的构建，建立各设计阶段模型视点结构。通过模型树的构建将需求、功能、逻辑、物理、仿真等模型进行集中关联组织。同时考虑长周期模型的存储归档，保障模型与文档信息的技术状态关联控制。

五、总结

我国从长期以来的“跟随设计”模式正在向“创新设计”模式的转变，“工业4.0”和“中国制造2025”的大背景下，模型驱动的创新研发模式是大发快速追赶的利器，甚至给大发提供了一个弯道超车的机会。

大发也知道，一种模式的转变必然要经历一段变革带来的阵痛期，这段时期会很痛苦，但是只有经历涅?才能获得新生，才能迎接更光明的未来。

因为，创新不能只是喊口号，更需要的是打造优质的创新环境。吸引优质人才的同时，需要汲取国外先进的研发与管理理念与手段，并通过信息化环境的构建，深化推进以创新为目标的国家两化融合战略的落地。