Что такое MBSE-подход к проектированию и каковы его преимущества?
Поделиться
В 80-х годах прошлого столетия произошел один из основных шагов в развитии САПР — это внедрение «Цифрового макета» (Digital Mock Up) изделия. Разработка продукта с использованием этой технологии до сих пор является основной для эффективного проектирования изделий в разных отраслях промышленности. В последние десятилетия разработчики САПР вкладывали много сил в развитие программного обеспечения для управления данными об изделии (Product Data Management (PDM)) и управления жизненным циклом продукта — (Product Lifecycle Management (PLM)). Рассмотрим, какие преимущества несет улучшение подходов к проектированию.
В настоящее время перед человечеством стоят экологические и экономические проблемы, меняется культура потребления в целом. Эти факторы приводят к увеличению количества требований к изделиям, что влечет за собой появление дополнительных сложностей при разработке — чтобы соответствовать новым требованиям, необходимо выпускать продукты более высокого класса в более сжатые сроки и с расширенным функционалом. И из-за постоянного растущего количества требований происходит и увеличение сложности разрабатываемого изделия. С точки зрения разработки назрела необходимость в значимом прорыве в процессе проектирования. В новых экономических реалиях производители больше не могут позволить себе терять деньги на перепроектирование тех изделий, которые не соответствуют требованиям заказчика. Конструктивные недостатки, которые выявляются уже после создания физического образца, устранять тяжело и дорого, и это приводит к несвоевременному выпуску продукта на рынок.
Со времен внедрения цифрового макета процесс проектирования не менялся, а только выверялись и улучшались рабочие процессы. Даже использование идеальных процессов в САПР давало минимальный прирост функциональности и эффективности. Оказалось, что выпустить изделие более высокого класса с использованием традиционного подхода становится довольно сложной задачей. Теперь от производителей требуется учитывать пожелания каждого клиента, сохраняя при этом минимальную стоимость изготовления. Компании перестали укладываться в сроки и бюджеты, а также не всегда могут достичь заложенных в технических заданиях характеристик. И производители осознали, что необходим качественный скачок на более высокий уровень проектирования. Изменение подхода позволит им гарантировать получение того результата, который они задумали.
Модельно-ориентированная системная инженерия
Серьезное развитие программного обеспечения для управления жизненным циклом изделия Product Lifecycle Management (PLM) позволило компании Dassault Systèmes создать новый подход к проектированию, который называется модельно-ориентированная системная инженерия — Model-Based Systems Engineering или сокращено MBSE. MBSE — это принципиальное изменение подхода к разработке изделия с этапа создания моделей и до проектирования. И эти модели непосредственно влияют на полученный результат.
Подход к проектированию MBSE опирается на процессы управления жизненным циклом изделия — (Product Lifecycle Management (PLM), а не заменяет их. MBSE — это скачкообразный рост в процессном подходе проектирования, который не обновлялся в течении последних нескольких десятилетий.
Что же поменялось при переходе к модельно-ориентированному системному подходу к проектированию? При использовании традиционных способов эскизы, которые были нарисованы главным конструктором, передавались на детальную проработку инженерам-конструкторам, и те, в свою очередь, создавали цифровой макет изделия. При модельно-ориентированном подходе генеральный конструктор оформляет свои идеи в моделях, и передает их в конструкторский отдел. Далее специалисты отдела создают цифровой макет.
Раньше главной конструктор держал все в голове, а сегодня он может создать несколько концептуальных моделей и с помощью программного обеспечения выбрать самую оптимальную из них с учетом различных критериев. MBSE — это совокупность инструментов, которые повышают производительность проектирования в конструкторском бюро.
Как упоминалось выше, из-за постоянно растущего количества требований растет сложность самого изделия. И для того, чтобы его спроектировать, команды должны комплектоваться инженерами из разных дисциплин. Каждый инженер привык разговаривать на своем языке, что чаще всего приводит к недопониманию между ними. MBSE-подход поддерживает использование унифицированного языка моделирования, что значительно упрощает взаимодействие и совместную работу как внутри проектной команды, так и за ее пределами.
С использованием традиционного подхода проектирования конструктивные ошибки выявлялись, как правило, на этапе опытного производства, или во время испытаний. В то время использование физического прототипа исторически считалось необходимым для определения и сравнения характеристик с техническим заданием, а также выяснения, имеет ли изделие необходимую функциональность. При неудовлетворительном качестве физического прототипа принимались решения о доработке, но на сегодняшний день такая практика непозволительно расточительна, ведь на исправление конструкторских ошибок тратится значительное количество времени и денег. Все это может привести к задержке вывода продукта на рынок, или к тому, что изделие не будет конкурентоспособно.
«В 2018 г. компания Dassault Systèmes приобрела одного из наиболее серьезных разработчиков на рынке системной инженерии— No Magic. Приложение No Magic совместно с приложением для проектирования CATIA, которые входят в состав платформы 3DEXPERIENCE, позволяет полностью реализовать MBSE-подход к проектированию. На техническом уровне комбинация приложения и платформы представляют собой систему, состоящую из приложений для управления требованиями, для определения функциональной и логической архитектуры и для создания цифрового макета изделия, а также использование цифровой среды для проведения расчетов и имитаций», — объясняет Евгений Федотов, руководитель департамента технической экспертизы, Dassault Systèmes.
Преимущества MBSE-подхода
«MBSE-подход позволяет перенести процесс выявления недостатков и несоответствий на более ранние этапы проектирования. Кроме того, он дает возможность провести большую часть натурных испытаний, обычно тестируемых на физическом прототипе, в виртуальном пространстве с использованием цифрового макета. Поэтому внесение изменений обходится на порядок дешевле, а также сокращается количество ошибок, которые могут быть выявлены на этапах опытного производства и испытаний. И их суммарная стоимость перестает быть критичной для бизнеса», — раскрывает логику преобразований Семен Лях, ведущий специалист CATIA по системной инженерии и проектированию систем Dassault Systèmes в России и СНГ.
Цифровые двойники
В начале XXI века Международный совет по системной инженерии (INCOSE) предложил концепцию, которая позволила бы оперировать при разработке продуктов не документами и физическими прототипами, а виртуальными моделями. Сегодня эта концепция реализуется в виде цифровых двойников изделия. С их помощью компании могут отработать внесение тех или иных изменений практически для любых продуктов — от бытовой техники до беспилотных летательных аппаратов, автомобилей, самолетов и вплоть до целых электростанций или заводов. Компании все чаще создают себе таких «цифровых двойников», руководствуясь принципами модельно-ориентированной системной инженерии (MBSE).
В сентябре 2021 г. приказом Росстандарта был утвержден новый национальный стандарт серии «Численное моделирование» — ГОСТ Р 57700.37–2021 «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения». Как отмечают в ведомстве, цифровой двойник — это передовая технология, созданная на пересечении материального и цифрового миров в рамках четвертой промышленной революции. И её активное применение наблюдается во всех отраслях.
Разработка и принятие стандарта — это переломный момент. «Это означает, что машиностроение, научно-техническое сообщество переходит на новый уровень развития, — полагает Алексей Боровков, руководитель Центра НТИ «Новые производственные технологии» и инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга». — Прошел период некой турбулентности, неопределенности и множества трактовок, и начинается серьезная онтологическая работа, систематизация всех знаний, приобретенного опыта в ходе выполнения тех или иных пилотных проектов для разных отраслей. И вот эти знания нужно уже стандартизировать, дать очень четкие определения и применять их в дальнейшей деятельности — причем, я еще раз подчеркну, как основу для движения вперед по трем направлениям стандартизации».
Управление требованиями
В платформе 3DEXPERIENCE при использовании MBSE-подхода к проектированию основное внимание уделяется как раз выявлению и управлению требованиями. Одно из недавних исследований показало, что причина провала в разработке продуктов в 62,5% случаев была связана недостатками в этой сфере. Иными словами, лица, принимающее конструкторские и технологические решения, не обладает полной информацией. Вторая по значимости проблема заключалась в представлении требований. Хранение на разных носителях, например, на бумаге, в файлах формата Word или Excel и т. д., а также представление в виде текста, таблиц, графиков приводит к тому, что затрудняет поиск и анализ взаимосвязей между требованиями и другими моделями.
«Заказчик, как правило, не может сразу и полностью описать все требования к продукту. MBSE-подход позволяет на последующих этапах выявлять требования к изделию, к его системам, подсистемам и компонентам, и учитывать их при разработке. Подобный подход позволяет перенести максимальное количество натурных испытаний в виртуальную среду, а на приемо-сдаточные и сертификационные испытания подойти с максимально проработанным продуктом», — объясняет Семен Лях.
Западные гиганты уже оценили MBSE
Хорошим примером внедрения MBSE-подхода для проектирования считается разработка дальнемагистрального самолета A350 XWB, реализованная Airbus. Это самолет был создан с учетом потребностей авиакомпаний и пассажиров, начиная с показателей топливной эффективности, эргономики салона и заканчивая системой развлечений на борту.
Для этого Airbus внедрил решения Dassault Systèmes для совместной работы по всей цепочке создания самолета — от проектирования до производства.
«Когда мы начинали этот проект, — вспоминает исполнительный вице-президент Airbus Дидье Эврар, — нам действительно нужно было применить методы и инструменты, которые радикально отличались бы от тех, что мы использовали при создании A380. Мы хотели прийти к ситуации, в которой все инженеры, участвующие в разработке, работали бы на одной платформе проектирования, а также чтобы они могли общаться в единой среде».
В другой компании — CLAAS Group, одном из мировых лидеров в сфере производства сельскохозяйственной техники — также с помощью MBSE-подхода к проектированию решают самые серьезные задачи. Рост численности населения Земли вынуждает сельскохозяйственные предприятия наращивать объемы выпускаемой продукции. Для того, чтобы сохранить стабильное снабжение городов к 2050 г., темпы производства продуктов питания должны увеличиться вдвое, а это напрямую зависит от цикла производства уборочной техники.
«В последние 20–30 лет технологический прогресс в машиностроении был связан с увеличением размеров и мощности, — констатирует член исполнительного совета по перспективным разработкам CLAAS Group Томас Бёк. — Сегодня основное внимание производителей сосредоточено на создании энергоэффективных интеллектуальных машин, которые сочетают высокую производительность и минимальные эксплуатационные расходы».
Работающие в CLAAS инженерные команды из разных стран постоянно вносят изменения в цифровые макеты собственной продукции, чтобы не только удовлетворять потребности потребителей, но и предугадывать их ожидания.
Представители разных департаментов имеют доступ к продукту на протяжении всего его жизненного цикла, что увеличивает число требований еще на виртуальной стадии существования изделия. Проектировщики из разных уголков планеты с помощью платформы 3DEXPERIENCE создают и тестируют свои решения, создавая все более и более интеллектуальную сельскохозяйственную технику. В компании признаются, что благодаря платформе ресурсы CLAAS больше не расходуются впустую, а число ошибок на стадии тестирования и производства значительно сократилось.
Подобный опыт внедрения хорошо иллюстрирует общую выгоду от использования модельно-ориентированной системной инженерии. Она способна увеличивать ценность продукта за счет ускорения его разработки и устранения даже малейших конструктивных недостатков еще на этапе проектирования. Очевидно, что в условиях ускорения технологического развития MBSE-подход будет решающим аргументом в условиях жесткой конкурентной борьбы на рынке.
Полный текст статьи читайте на CNews
