Реализация MBSE-подхода при проектировании сложной продукции в PLM-решении АСКОН

Каждый второй или даже первый бизнес-оратор любит цитировать в своих выступлениях «Алису в Зазеркалье» Льюиса Кэрролла: «Приходится бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте! Если же хочешь попасть в другое место, тогда нужно бежать по меньшей мере вдвое быстрее!». Главное, на что обычно обращают внимание в словах Черной Королевы, — это «бежать» и «быстрее», воспринимая их как призыв к непрерывному движению. Но возникает куда более важный вопрос: а куда именно бежать?

Инженеры могут очень быстро разработать документацию, согласовать и запустить в производство новый продукт, а затем столкнуться с трудностями. По данным исследования INCOSE Systems Engineering Vision 2035, в традиционном документоориентированном подходе до 30-40% времени уходит на устранение ошибок и пересогласование решений на поздних стадиях проекта. Причинами могут быть отсутствие системного подхода в разработке и разрозненное хранение информации в текстовых документах, спецификациях и чертежах. Все это в конечном итоге приводит к задержкам и неоправданным затратам в проектах.

Обеспечить не только быструю, но и правильную реализацию востребованных инженерных решений призван системно-ориентированный подход к разработке продукта (системная инженерия). Он позволяет обнаруживать и решать проблемы на ранних стадиях жизненного цикла проекта, когда стоимость исправления ошибок минимальна.

Кривая обнаружения проблем

Хотя основное применение системная инженерия находит в высокотехнологичных отраслях, таких как медицина, транспорт, оборонная промышленность, авиация и космос, ее принципы и подходы могут использоваться для повышения эффективности работы инженерных подразделений любой компании. Системная инженерия и особенно модельно-ориентированный подход в системной инженерии (Model-Based Systems Engineering, сокращенно MBSE) — является более современным и эффективным подходом к управлению проектированием. MBSE заменяет разрозненные документы единой структурой, которая использует модели для представления и анализа сложных систем на протяжении всего их жизненного цикла. Мультидоменная модель становится первоисточником данных для всех участников проекта, при этом общая картина процессов на предприятии выглядит так, как представлено на рисунке.

Схема взаимосвязи процессов. Источник: ГК «ПЛМ Урал»

Схема иллюстрирует взаимосвязь между процессами системной инженерии, где сформированная модель эксплуатации будущего изделия постепенно преобразуется в данные по конструкции, необходимые для его производства. Параллельно проходит поддерживающий процесс, где сформированные данные используются для валидации и верификации проектируемого объекта. За каждый ключевой процесс отвечает определенный инструмент комплексного решения для управления жизненным циклом изделия (PLM-решения).

Управление требованиями

Одной из важных составных частей системно-ориентированной разработки является инженерия требований, которая последовательно от начала и до конца определяет процесс разработки требований, управления и контроля их исполнения. В составе PLM-решения АСКОН за работу с требованиями отвечает система ЛОЦМАН:PLM и ее подсистема управления требованиями.

Инструменты подсистемы умеют фиксировать, структурировать и трассировать требования к объектам функциональной или конструктивной электронной структуры изделия на этапе разработки требований. На этапе контроля требований инструменты подсистемы помогают обеспечить актуальность и согласованность требований к изделию и его составным частям, а также зафиксировать объективные доказательства того, что изделие или его составные части удовлетворяют заданным требованиям.

Функции подсистемы управления требованиями

Поскольку сам ЛОЦМАН:PLM предоставляет широкий набор возможностей для расширения, наши партнеры из группы компаний «ПЛМ Урал» разработали методологию с расширенной функциональностью, которая направлена на закрытие потребностей авиастроительной отрасли. Это, например, поддержка специализированных процессов работы с требованиями (Р-4754А, специфика авиа- и двигателестроения), автоматизированная верификация требований, расширенный перечень отчетов по требованиям, расширенная функциональность управления изменениями требований и чек-листы верификации требований.

Архитектурное проектирование

Еще одной существенной частью модельно-ориентированного подхода является инструмент архитектурного проектирования, реализующий методологию ARCADIA.

ARCADIA (Architecture Analysis & Design Integrated Approach) — это подход, центрированный на архитектуре и моделировании, который применяется к проектированию сложных и критически важных систем. Он учитывает множество функциональных и нефункциональных ограничений, включая программное обеспечение, электронные и электрические архитектуры, промышленные процессы. Сама методология выступает как инженерный метод, основанный на моделях для систем аппаратного и программного обеспечения.

В целом метод предоставляет:

• четкую последовательность уровней и шагов по описанию архитектуры;
• набор терминов, четко определенных для каждого вида деятельности;
• набор графических элементов, составляющих язык, передающий информацию.

Архитектурное проектирование

В основе модуля «ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование», разработанного ГК «ПЛМ Урал», лежит открытое решение Capella, которое использует методологию ARCADIA для визуализации системной архитектуры. Хранение данных и управление ими происходит с помощью инструментов ЛОЦМАН:PLM, а работа с самой моделью ведется уже в модуле «ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование». Между двумя приложениями настроена интеграция, так что инженеры могут использовать зафиксированные в системе требования для аллоцирования их на определенном элементе модели. Кроме того, все элементы, созданные в модели, будут отражаться в виде структуры объектов в дереве ЛОЦМАН:PLM.

Модуль «ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование»

Использование требований при разработке конструкции

Требования, сформированные в PLM, могут использоваться не только при работе с архитектурной моделью, но и в процессе работы над 3D-моделями проектируемых частей системы. ЛОЦМАН:PLM умеет связывать требования с элементами структуры изделия. Мы можем пробрасывать числовые значения требований внутрь 3D-модели и использовать их при построениях или для получения численных значений, которые нужно подтвердить.

В первом случае значения могут быть проброшены как переменные, при этом мы можем использовать их как ограничения для выполнения построений. Также мы можем использовать переменные в модулях, встроенных в КОМПАС-3D. Например, в APM FEM или KompasFlow. В этом случае числовые значения помогут в установке загрузок и выполнении расчетов. Результаты расчетов, которые необходимо зафиксировать в APM FEM или KompasFlow, можно вернуть в виде переменной обратно в КОМПАС-3D.

Работа с переменными

Во втором случае внутри 3D-модели будет создано свойство, в которое разработчик должен поместить некие данные из модели, а также сослаться на них с помощью ссылки. Это позволит в дальнейшем зафиксировать их численное значение как результат. Таким образом, при фиксировании результата в PLM будет получено значение результата непосредственно из 3D-модели.

Виртуальные испытания — подтверждение требований расчетами

В ЛОЦМАН:PLM присутствует часть функциональности SPDM (Simulation Process and Data Management) — системы управления процессами моделирования и данными. Она в первую очередь направлена на управление CAE-данными и интеграцию с программными продуктами членов консорциума «Развитие».

Управление расчетными данными в ЛОЦМАН:PLM предоставляет расчетчикам инструменты для организации и фиксации исходных и выходных данных решаемой задачи, а также выбора и запуска решающего либо оптимизационного программного обеспечения. В зависимости от сложности задачи, пользователи могут выполнить различные типы расчетов, включая прикидочные, проверочные, оптимизационные. Результаты расчета могут быть сохранены в различных форматах, включая файлы результатов, отчеты, графики и картинки, для быстрого доступа и просмотра без специальных инструментов постпроцессора. Важной особенностью является возможность генерации отчетов с данными рассчитанных показателей и сравнения их со значениями, зафиксированными на этапе проработки требований.

Приложения 1D/3D расчетов и оптимизаций предоставляют возможности проведения «экспресс-расчетов» для анализа отдельных деталей или узлов непосредственно в КОМПАС-3D с помощью встроенных приложений. Это могут быть APM FEM, KompasFlow или IOSO-K. Пользователю доступна подготовка модели к расчету, задание граничных условий, генерация конечно-элементной сетки и выбор типа расчета непосредственно в интерфейсе КОМПАС-3D. Кроме того, возможно проведение расчетов с использованием отдельных полнофункциональных приложений, таких как Pradis, APM WinMachine, FlowVision и IOSO. Это позволит провести расчеты сложного узла или изделия в целом, особенно если требуется вычислительная мощность кластеров.

Взаимодействие с расчетным ПО

Общая картина взаимодействия с расчетным ПО представлена на рисунке. Как можно увидеть, в ЛОЦМАН:PLM ведется подготовка исходных данных, фиксация файлов проектов, подготовка необходимой геометрии. Затем через интегратор данные передаются в расчетное ПО, а после расчета вся необходимая информация передается назад в ЛОЦМАН:PLM.

Это позволяет реализовать несколько сценариев работы:

1. Предварительные расчеты/1D-моделирование. В этом случае в ЛОЦМАН:PLM хранится проект Pradis, который мы используем для предварительных расчетов. Постановка задачи и 1D модель формируются внутри Pradis, а назад в ЛОЦМАН:PLM возвращаются численные результаты решения, которые можно использовать в дальнейшем.
2. Проверочные расчеты в CAD. В ЛОЦМАН:PLM хранится модель КОМПАС. Она же хранит информацию, которая используется в приложениях APM FEM и KompasFlow.
3. Расчеты с использованием CAE-пакетов (прочность, гидродинамика). В этом сценарии мы храним в ЛОЦМАН:PLM проекты старших продуктов — APM Studio и FlowVision. Сам проект находится непосредственно в ЛОЦМАН:PLM, информация об окружении расчета передается в проект, а данные от самого проекта пользователь получает в ЛОЦМАН:PLM.
4. Расчеты с использованием автоматизированных расчетных схем. Эти инструменты или оптимизаторы — IOSO и DT Enterprise (предыдущее название продукта — pSeven Enterprise). Проекты либо ссылка на цепочки хранятся непосредственно в ЛОЦМАН:PLM, а вся работа по управлению расчетными данными (хранение проектов, использование и передача данных) уже реализовывается в приложениях IOSO или DT Enterprise.
5. Взаимодействие с системой на уровне подтверждения требований. В этом сценарии часть жизненного цикла требований реализуется в другой системе. Например, взаимодействие с CML-Bench, где будет протекать часть жизненного пути требования, а в ЛОЦМАН:PLM будут зафиксированы конечные результаты.

Перспективы развития системной инженерии в PLM-решении

Одной из ключевых особенностей внедрения MBSE является методическая база. Поэтому мы и наши партнеры активно развиваем ресурсы по предоставлению не только общей методологической информации, но и детальных инструкций пользователей, чтобы быстрее организовать правильные процессы на предприятии.

Еще одним перспективным направлением является интеграция интеллектуальных помощников в систему управления требованиями. ИИ-ассистент будет обрабатывать и оценивать требования, выявлять ошибки и генерировать рекомендации, что улучшит автоматизацию рутинных задач и повысит эффективность таких функций, как импорт и редактирование требований.

Кроме того, предполагается развитие интеграционных механизмов. Например, одним из интересных направлений видится интеграция между приложением по архитектурному проектированию и 1D-моделированием, что позволит использовать модели архитектуры проектируемой системы для выполнения поисковых и прикидочных расчетов. Это особенно важно при разработке сложных систем, таких как авиационные компоненты или автомобильные промышленные процессы.

Напоследок стоит сказать о реализации планов по переходу на WEB-приложения в рамках дорожной карты развития PLM-решения АСКОН. Этот шаг открывает новые возможности для распределенной работы, повышения доступности и интеграции с современными цифровыми экосистемами. Кроме того, это позволит использовать отечественные программно-аппаратные комплексы для работы пользователей, что соответствует актуальным тенденциям цифровой трансформации и требованиям импортозамещения.

В качестве заключения стоит подчеркнуть, что использование программных инструментов без организации важных процессов и методик работы не сможет дать должного эффекта для предприятия. Именно правильная организация системной работы инженерных подразделений должна быть одним из приоритетов при реализации проектов внедрения PLM-решения. В ходе проекта специалисты интегратора помогают перестроить существующие процессы, проводят обучение и обеспечивают необходимую поддержку.

Системный подход, включающий в себя как программные инструменты, так и методики работы, поможет предприятию «быстро бежать в верном направлении» и добиваться своих целей максимально эффективно.

Реклама. ООО «Аскон-Системы Проектирования». erid: 2SDnjd2kSAp