蒂森克虜伯海洋系統(tǒng)與洛克希德馬丁案例研究

復(fù)雜的系統(tǒng)一貫存在，甚至是智慧超群的工程師也總是面臨著制造業(yè)的重重考驗(yàn)。然而近幾十年來，大多數(shù)公司必須應(yīng)對(duì)的復(fù)雜性水平有了顯著提高，且復(fù)雜性提高的速度也正在不斷加快。例如自動(dòng)駕駛汽車、自動(dòng)駕駛城市飛行器（UAV）、量子計(jì)算以及新一代移動(dòng)連接技術(shù) 5G。在按時(shí)、按成本設(shè)計(jì)、制造和交付能夠滿足客戶性能預(yù)期的新產(chǎn)品時(shí)，制造商面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。

在這種環(huán)境中進(jìn)行創(chuàng)新和制造需要一種不同的思維方式，即通過建模來為系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)工作提供支持。所有這些基本步驟必須從概念設(shè)計(jì)階段開始，并貫穿產(chǎn)品的整個(gè)生命周期。然而，單靠基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）不足以管理復(fù)合系統(tǒng)的復(fù)雜性。 專用工具能夠使所有項(xiàng)目利益相關(guān)方共享同一種通用語言和方法，以便在產(chǎn)品早期階段跨職能學(xué)科進(jìn)行協(xié)作，從而幫助避免在產(chǎn)品開發(fā)周期的后期階段為實(shí)現(xiàn)技術(shù)更改而付出高昂代價(jià)。 No Magic 公司在 MBSE 以及針對(duì)軟件架構(gòu)和業(yè)務(wù)流程的建模解決方案領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。達(dá)索系統(tǒng)在2018年完成收購后，No Magic 加入達(dá)索系統(tǒng)，目前正在與 3DEXPERIENCE? 平臺(tái)進(jìn)行整合。No Magic 的用戶（涵蓋核心產(chǎn)品 MagicDraw 的用戶）跨越多個(gè)行業(yè)，包括寶馬、通用電氣、輝瑞、洛克希德馬丁、蒂森克虜伯海洋系統(tǒng)等眾多領(lǐng)先企業(yè)。 在下面的簡述中，工程師分享了他們實(shí)施 MBSE 的親身體驗(yàn)。兩者都描述了 No Magic（與 MBSE 結(jié)合使用）如何幫助其組織應(yīng)對(duì)與復(fù)雜性管理有關(guān)的挑戰(zhàn)。

蒂森克虜伯海洋系統(tǒng)

當(dāng)?shù)偕颂敳Ｑ笙到y(tǒng)在五年前決定將 MBSE 作為其產(chǎn)品開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)方法時(shí)，該公司試圖解決兩類長期存在的挑戰(zhàn)：

1.如何簡化包含柴電潛艇在內(nèi)的眾多子系統(tǒng)之間的接口管理。該公司為20多個(gè)國家建造潛艇，其霍瓦茲-德意志造船廠（HDW）建造的209型潛艇能夠在各海域執(zhí)行作業(yè)。

2.如何幫助供應(yīng)商更好地理解蒂森克虜伯的嚴(yán)格要求，以確保在蒂森克虜伯位于德國基爾的造船廠進(jìn)行裝配時(shí)實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)的完美集成。

Piotr Malecki 是受過培訓(xùn)的電氣工程師，目前是一名在該公司工作長達(dá)20年的系統(tǒng)工程師，他說：“你需要了解我們的產(chǎn)品，才能領(lǐng)會(huì)為什么解決這些挑戰(zhàn)是至關(guān)重要的”。

眾所周知，潛艇需要精密工程和建造。所有接口和系統(tǒng)集成必須完美無缺，才能確保潛艇潛入水下時(shí)不被發(fā)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)最大限度的隱身，潛艇的不依賴空氣推進(jìn)系統(tǒng)（AIP）沒有運(yùn)動(dòng)部件。各級(jí)別潛艇均面向特定客戶定制，生產(chǎn)批量少且投產(chǎn)前無法依賴原型開發(fā)。

No Magic 可幫助簡化接口（機(jī)械、電氣、電子、計(jì)算機(jī)及其他類型的組件之間的共享邊界）之間的系統(tǒng)工程復(fù)雜性。Malecki 表示，No Magic 提供了一種基于標(biāo)準(zhǔn)的溝通方法，便于各方在描述問題以及就解決方案達(dá)成一致意見時(shí)互相理解。他說：“在開發(fā)復(fù)雜的復(fù)合系統(tǒng)時(shí)，這種[No Magic]統(tǒng)一方法有助于提高效率。”

Malecki 指出，工程學(xué)科通常各自為政地開展工作，并分別擁有用來表達(dá)技術(shù)信息的專屬方法。 他說：“不幸的是，特定學(xué)科的工程語言并不適合以一種普遍能夠理解的方式傳達(dá)思想，這就是要采用通用語言的重要原因，因?yàn)閷?duì)于所有項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員和潛在的利益相關(guān)方來說，通用語言都清楚易懂。為了克服這些溝通障礙，統(tǒng)一多種[軟件 ]語言的建模語言是必不可少的?！?/p>

No Magic 用戶采用的通用語言是系統(tǒng)建模語言（SysML），它支持所有項(xiàng)目成員共享他們所收集到的信息。通過更完整地表達(dá)系統(tǒng)，SysML 有助于減少系統(tǒng)開發(fā)流程中的錯(cuò)誤和歧義。 以統(tǒng)一的建模語言（UML）為基礎(chǔ)，SysML 能夠確保開發(fā)初期階段在工程師之間傳遞的信息更加準(zhǔn)確。作為開放標(biāo)準(zhǔn)，SysML 允許與其他系統(tǒng)工程工具（如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、電氣和工程分析工具）進(jìn)行信息交換。

Malecki 表示，No Magic 是一種嚴(yán)格符合標(biāo)準(zhǔn)的建模應(yīng)用，可以為系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、分析、仿真和驗(yàn)證工作提供支持，這一點(diǎn)“非常重要”。仿真的目的是在不操縱真實(shí)系統(tǒng)的情況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了解，這可能是因?yàn)橄到y(tǒng)尚未明確或無法使用，也或者是由于成本、時(shí)間、資源或風(fēng)險(xiǎn)約束等限制條件而無法直接訪問。

通過應(yīng)用 No Magic 工具的分析功能，可以確保蒂森克虜伯模型中包含的所有技術(shù)信息（例如接口的定義和工程圖）易于所有人的理解。此外，隨著這些模型在產(chǎn)品開發(fā)流程中不斷更新，它們將繼續(xù)提供明確且精準(zhǔn)的系統(tǒng)模型，便于對(duì)系統(tǒng)的一致性、正確性和完整性進(jìn)行評(píng)估。 達(dá)索系統(tǒng)工程師學(xué)習(xí)體驗(yàn)專家 Martin Neff 將這一過程稱為“MBSE 的普及化”。

Malecki 表示：“No Magic 從創(chuàng)始之初開始就專挑團(tuán)體注于簡化工程團(tuán)隊(duì)之間共享信息的復(fù)雜性。因此，我們要生產(chǎn)的最終產(chǎn)品不僅設(shè)計(jì)過程更順利、設(shè)計(jì)結(jié)果更優(yōu)秀，而且項(xiàng)目后期階段發(fā)生問題的概率也更小。這樣有助于節(jié)省時(shí)間和成本。”

按照Malecki的觀點(diǎn)，系統(tǒng)復(fù)雜性通常難以管理?！笆紫?，你必須解決如何認(rèn)識(shí)復(fù)雜性這一難題。 只有這樣，你才能開始采取必要的步驟，將復(fù)雜性簡化至事物本質(zhì)。”為了說明他的觀點(diǎn)，他舉了一個(gè)非常簡單的例子，他反問道：人體心臟除了一個(gè)泵，兩個(gè)瓣膜和兩條管道，還有什么？ “但是，對(duì)于外科醫(yī)生來說，這種理解水平是否足以進(jìn)行移植手術(shù)？”他說，工程師希望看到所有內(nèi)容都以最簡單的形式呈現(xiàn)，這是很自然的，但這并不總是像技術(shù)人員盼望的那樣簡單?！皬?fù)雜程度各不相同。MBSE 和 No Magic 能夠幫助我們理解復(fù)雜性，并將其簡化為我們需要了解的內(nèi)容，以便更好地管理它?！盡alecki 引用了英國小說家和散文家G.K. Chesterton 的一句名言，該名言總結(jié)了管理復(fù)雜性的困難本質(zhì)?！安⒎?[ 技術(shù)專家 ]找不到解決方案。而是他們看不到問題所在。”

Malecki 表示，除了“降低復(fù)雜性”來發(fā)現(xiàn)問題之外， MBSE 和 SysML 的另一大附加優(yōu)勢在于，它們?yōu)椴捎谜咛峁┝艘粋€(gè)幾乎無限的信息庫，這一切都圍繞著各種標(biāo)準(zhǔn)。 他說：“這有助于你全面開放地了解整個(gè)行業(yè)。這是無法用金錢來衡量的價(jià)值。”

將 No Magic 集成到 MBSE 流程中并非完全是“即插即用”的交鑰匙實(shí)踐。他列舉了成功的先決條件。首先，你需要具備一個(gè)專注于 MBSE 的核心團(tuán)隊(duì)，他們堅(jiān)信 MBSE 能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來價(jià)值。其次，富有遠(yuǎn)見卓識(shí)的管理者應(yīng)該以非常規(guī)的方式解決問題和改善產(chǎn)品開發(fā)流程，以此作為組織的領(lǐng)導(dǎo)方式。Malecki 表示：“兩者相輔相成?！苯⑶泻蠈?shí)際的期望、鍛煉耐心、相信自己正在竭盡所能取得成功，并提供一個(gè)安全的學(xué)習(xí)環(huán)境。當(dāng)我們應(yīng)用 MBSE 時(shí)，我們會(huì)非常仔細(xì)地觀察什么對(duì)我們最有幫助，并從失敗中吸取教訓(xùn)。

“復(fù)雜程度各不相同。MBSE 和 No Magic 能夠幫助我們理解復(fù)雜性，并將其簡化為我們需要了解的內(nèi)容，以便更好地管理它。” Piotr Malecki，蒂森克虜伯海洋系統(tǒng)系統(tǒng)工程師

在被問及如何使用 No Magic 工具集來揭示 MBSE 實(shí)施過程中公司的投資回報(bào)率（ROI）時(shí)， Malecki 認(rèn)為衡量投資回報(bào)率非常困難，因?yàn)樗枰獙⒁唤M關(guān)鍵績效指標(biāo)（KPI）與另一組進(jìn)行比較。他說：“考慮到我們應(yīng)用 No Magic 這樣一款首次用于產(chǎn)品開發(fā)的全新環(huán)境以及我們需要經(jīng)歷漫長的產(chǎn)品周期，要想完成大型復(fù)雜的項(xiàng)目，在這種情況下衡量投資回報(bào)率可能不切實(shí)際?！?/p>

Malecki 表示：“然而，多年來的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，如果你想要一個(gè)能與你共同履行 MBSE 承諾并幫助你解決問題的[軟件 ]合作伙伴，最好的做法就是與 No Magic 攜手。這并不意味著所有的問題都有解決方案，但 No Magic 并不這么認(rèn)為。這是他們?cè)诠ぷ麝P(guān)系中建立起的信任?！?/p>

達(dá)索系統(tǒng)希望通過開發(fā)一種方法來幫助客戶衡量 No Magic 的價(jià)值。達(dá)索系統(tǒng) Cyber Systems 高級(jí)總監(jiān) Moy Speckman 表示：“我們不僅贏得了系統(tǒng)工程界的歡心，還將開始逐步贏得財(cái)務(wù)部的青睞?！?/p>

Speckman 聲稱，大多數(shù) No Magic 的客戶已經(jīng)相信，與 No Magic 替代方案相比，他們的投資很有價(jià)值。蒂森克虜伯海洋系統(tǒng)就是這樣一個(gè)客戶。Malecki 說：“你花的錢絕對(duì)物超所值。就他們的工具和客戶服務(wù)而言，No Magic 在收費(fèi)和所交付的價(jià)值之間實(shí)現(xiàn)了良好平衡?！?/p>

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放水域的潛艇和水面艦船

洛克希德馬丁

No Magic 成立于1995年，創(chuàng)始人認(rèn)為開發(fā)更好的軟件“沒有魔法”可言。他們認(rèn)為，一個(gè)組織獲得成功的秘訣在于對(duì)軟件開發(fā)的投資以及嚴(yán)格的員工培訓(xùn)。十年后，在一個(gè)由大型計(jì)算機(jī)、軟件和信息服務(wù)公司主導(dǎo)的領(lǐng)域里，No Magic 只是一個(gè)小角色。模型解決方案小組高級(jí)經(jīng)理 Laura Hart 支持洛克希德馬丁在全公司范圍內(nèi)推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，她回憶道，不久之后，公司“真正起飛了”。洛克希德馬丁公司是 No Magic 的客戶之一。

她說：“因?yàn)?No Magic 致力于了解客戶的需求，所以在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)，No Magic 在系統(tǒng)工程領(lǐng)域取得了引人矚目的進(jìn)步。通過在國際系統(tǒng)工程委員會(huì)（INCOSE）和對(duì)象管理組織（OMG）等專業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)組織中積極擔(dān)任領(lǐng)導(dǎo)角色，并與行業(yè)和政府客戶進(jìn)行協(xié)作，他們一次又一次地證明了他們所取得的進(jìn)步。合作的成果在于不僅推出了更完善的標(biāo)準(zhǔn)，如 SysML 和統(tǒng)一架構(gòu)框架（UAF），而且也實(shí)現(xiàn)了功能更豐富的兼容軟件?！?/p>

Hart 表示，當(dāng)洛克希德馬丁首次與 No Magic 進(jìn)行合作時(shí)，與一家大型[系統(tǒng)工程解決方案]提供商相比，它不具備任何競爭優(yōu)勢。

她說：“是的，No Magic 的工具不僅功能更出色，而且還能幫助我們對(duì)員工進(jìn)行再培訓(xùn)，并管理另一套（軟件）許可證。最重要的是，它不是一星半點(diǎn)的好，而是非常出色，的確名符其實(shí)?？蛻粢恢睂?duì)它們的依賴程度非常高。”

Neff 表示，通過聘請(qǐng)達(dá)索系統(tǒng)，公司利用 No Magic（現(xiàn)稱為 CATIA?Magic）實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止是一項(xiàng)商業(yè)交易。他說：“達(dá)索系統(tǒng)與公司合作，確保它們能充分發(fā)揮價(jià)值。組織內(nèi)系統(tǒng)思維的成熟度決定了他們將這些工具集成到產(chǎn)品開發(fā)流程中的速度?！?/p>

在 Hart 看來，洛克希德馬丁之所以采用 No Magic，最令人信服的原因可能是它的開放標(biāo)準(zhǔn)。到 No Magic 出現(xiàn)時(shí)，其他系統(tǒng)工程工具和“眾多 [ 軟件 ]許可證”已經(jīng)被大量授予給了洛克希德馬丁。大約在同一時(shí)間，洛克希德馬丁正試圖通過使用 No Magic 的競爭對(duì)手提供的軟件工具來實(shí)現(xiàn) Hart 所說的“一些相當(dāng)高級(jí)的集成”。事實(shí)證明：它與其他集成工具的接口連接是行不通的。她說：“我們不能繼續(xù)使用那些不斷變化的東西?！?/p>

洛克希德馬丁發(fā)現(xiàn)自己處境艱難。盡管 No Magic 工具提供了最出色的功能并且也符合標(biāo)準(zhǔn)，但是從單一的供應(yīng)商采購所有系統(tǒng)工程軟件工具所需的費(fèi)用令人望而卻步。由于 No Magic Cyber MagicGrid 能夠適應(yīng)任意給定系統(tǒng)，因此可以決定是否在異構(gòu)環(huán)境中運(yùn)行。（在被達(dá)索系統(tǒng)收購之前，No Magic 開發(fā)了 Modeling Methodology for Systems?（MMS）和 MagicGrid?。每種方法處理的系統(tǒng)工程流程范圍略有不同。）

Hart 表示，以完善的系統(tǒng)工程方法論為基礎(chǔ)且符合標(biāo)準(zhǔn)的最佳實(shí)踐是 MBSE 成功的關(guān)鍵因素。她說：“我們必須能夠支持不止一種工具，并且由于 No Magic 實(shí)現(xiàn)了高度合規(guī)，我們能夠使用標(biāo)準(zhǔn)語言和標(biāo)準(zhǔn)方法，清晰、明確地表達(dá)概念，而不必為了處理異常情況而教授繁瑣的變通方法。如今，系統(tǒng)工程基礎(chǔ)知識(shí)的教學(xué)工作變得更加高效了?！?/p>

“MBSE （使用 MagicDraw）的關(guān)鍵輸出是系統(tǒng)模型，它可以作為集成結(jié)構(gòu)，通過使用先進(jìn)的模型和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)跨越設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)、測試和維護(hù)的更大型的協(xié)同數(shù)字地圖?！?Laura Hart，模型解決方案小組高級(jí)經(jīng)理

自2003年起，Hart 一直倡導(dǎo)使用 MBSE。她在洛克希德馬丁工作了15年，在2005年左右，她接受邀請(qǐng)，加入了美國聯(lián)邦政府資助的主要研發(fā)實(shí)驗(yàn)室之一。隨后，洛克希德馬丁吸引她回到公司，當(dāng)時(shí)的總裁、董事長兼首席執(zhí)行官 Marilyn Hewson 支持洛克希德馬丁在所有制造流程中推進(jìn)自上而下的轉(zhuǎn)型，其中包括在整個(gè)公司范圍內(nèi)實(shí)施 MBSE。Hart 估計(jì)，到2020年中期，這項(xiàng)龐大的工程大約完成了40%。

Hart 表示，洛克希德馬丁和整個(gè)行業(yè)長期以來一直主張使用符合標(biāo)準(zhǔn)的工具，其最終目標(biāo)是跨工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)工具的互操作性，以及避免“供應(yīng)商鎖定”（與特定的工具供應(yīng)商合作），因?yàn)檫@樣一來，公司將被限定在固有模式中。她表示：“最終目標(biāo)是在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)全面的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，包括產(chǎn)品的可持續(xù)發(fā)展。由于 No Magic 在標(biāo)準(zhǔn)工作組中的實(shí)際作用，[No Magic]通常比競爭對(duì)手提前6個(gè)月到1年發(fā)布新版本的工具，而且通常更符合要求?！?/p>

她表示，她的團(tuán)隊(duì)不斷完善技術(shù)，并將其納入到洛克希德馬丁的數(shù)字化轉(zhuǎn)型項(xiàng)目中。團(tuán)隊(duì)確定差距和需求，并開發(fā)一體化解決方案來填補(bǔ)這些差距和需求。我喜歡 No Magic，但我更感興趣的是，我們?nèi)绾谓柚ぞ?，通過應(yīng)用基于模型的系統(tǒng)工程，提高復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)效率。”

除了幫助洛克希德馬丁在建造先進(jìn)的航空航天平臺(tái)方面更具創(chuàng)新性以外，Hart 認(rèn)為，在獲取大型高端、長期項(xiàng)目（可能投產(chǎn)20年或更長時(shí)間）中的系統(tǒng)知識(shí)方面，MBSE 和 No Magic具有同等重要的作用。洛克希德馬丁擁有眾多類似項(xiàng)目，其中維護(hù)、維修和升級(jí)是大問題，而可持續(xù)發(fā)展是關(guān)鍵。她說：“當(dāng)團(tuán)隊(duì)成員離開公司時(shí)，一些知識(shí)就會(huì)丟失，隨著時(shí)間的推移，這會(huì)使系統(tǒng)受到很大約束。”

Hart 說：“No Magic 是跟蹤項(xiàng)目決策的完美工具。這實(shí)際上關(guān)系到所有飛機(jī)項(xiàng)目的壽命，不僅僅是‘設(shè)計(jì)’而是‘設(shè)計(jì)決策’?！彼忉屨f，如果不知道這些決策，制造商可能會(huì)在不理解為什么做出某個(gè)決策的情況下，對(duì)升級(jí)一架傳統(tǒng)飛機(jī)猶豫不決。MBSE 創(chuàng)建了數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)記錄（知識(shí)庫），允許工程師進(jìn)行任何必要的更改，以升級(jí)這些飛機(jī)或更高效、更經(jīng)濟(jì)地創(chuàng)建變體。

解決現(xiàn)實(shí)世界的挑戰(zhàn)

在數(shù)字時(shí)代，需要降低與日俱增的復(fù)雜性，而又有哪家以工程為導(dǎo)向的制造商不會(huì)面臨這類 嚴(yán)峻挑戰(zhàn)呢？工程驅(qū)動(dòng)的制造商必須弄清楚如何跨領(lǐng)域解決各種難題，才能成功地使用基于模型的系統(tǒng)工程來設(shè)計(jì)和構(gòu)建復(fù)合系統(tǒng)。洛克希德馬丁、蒂森克虜伯海洋系統(tǒng)以及其他眾多公司也能證實(shí)這一點(diǎn)。