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當前，人類社會正在經(jīng)歷第四輪工業(yè)革命，快速演進到工程學科和數(shù)字科技大融合的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)新時代。中國制造企業(yè)要搶占先機成為引領者，就必須進行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，由逆向工程為主轉(zhuǎn)型到真正的正向研發(fā)和創(chuàng)新驅(qū)動。而實現(xiàn)創(chuàng)新快速迭代的關鍵就是在數(shù)字虛擬世界里快速試錯、快速學習——追求日臻完美的產(chǎn)品系統(tǒng)“數(shù)字孿生”。
懷著加速中國從制造大國轉(zhuǎn)型為制造強國的夢想，西門子數(shù)字化工業(yè)軟件大中華區(qū)技術團隊依托科技部“網(wǎng)絡協(xié)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(chuàng)新型企業(yè)的有關理論和實踐，并總結多年來工業(yè)領域的實戰(zhàn)經(jīng)驗，編寫了本書。

本書從復雜裝備系統(tǒng)研發(fā)模式變革和創(chuàng)新思維模式出發(fā)，創(chuàng)造性地提出了新一代集成的基于模型的系統(tǒng)工程（iMBSE）的先進理念，將系統(tǒng)模型、領域模型和系統(tǒng)生命周期管理（SysLM）三者有機地統(tǒng)一起來，繪制了構建復雜裝備系統(tǒng)數(shù)字孿生的基本框架，并以“火星車2030”為案例，展示了基于數(shù)字孿生的iMBSE的關鍵實現(xiàn)過程，為復雜裝備系統(tǒng)正向研發(fā)和協(xié)同創(chuàng)新提供了初步的理論指導和切實可行的實現(xiàn)途徑。

內(nèi)容簡介

本書理論高度和實戰(zhàn)經(jīng)驗相結合，闡述新一代主流MBSE方法論，涵蓋復雜系統(tǒng)全壽期管理、MBSE（基于模型的系統(tǒng)工程）、多學科建模仿真優(yōu)化、協(xié)同快速迭代平臺，構建賦能可持續(xù)的正向研發(fā)體系的核心，形成基于“數(shù)字孿生”系統(tǒng)為核心的新工業(yè)生態(tài)體系。

參與本書策劃和編寫的30余位專家都是數(shù)字孿生的實戰(zhàn)派，在系統(tǒng)工程、產(chǎn)品生命周期管理、機電軟等不同領域擁有豐富的實踐經(jīng)驗，對復雜裝備系統(tǒng)數(shù)字孿生及其實現(xiàn)具有一流的洞見。

作者簡介

方志剛

西門子數(shù)字化工業(yè)軟件大中華區(qū)副總裁兼CTO，聯(lián)合出版《數(shù)字孿生實戰(zhàn)》《智能制造之路》與《工業(yè)4.0實戰(zhàn)》等書。

精彩書評

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(yè)/軟件行業(yè)巨頭西門子公司的供職，使得此書成為同類著作中的佳作……此書的一大亮點便是豐富的案例，包括西門子公司在數(shù)字孿生等方面的探索和實踐。這些都是值得學術界和工業(yè)界讀者學習和借鑒的。
中國欲從制造大國轉(zhuǎn)型為制造強國，要點之一當是從產(chǎn)品逆向工程轉(zhuǎn)型為正向研發(fā)，而數(shù)字孿生的應用又是其關鍵。相信本書將對數(shù)字孿生技術在中國工業(yè)界的應用以及推動中國企業(yè)的產(chǎn)品正向研發(fā)和協(xié)同創(chuàng)新產(chǎn)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

第四次工業(yè)革命的核心技術特征是眾多工程學科和數(shù)據(jù)科技的大融合，在這個信息繁雜的時代，本書能夠幫助讀者快速鳥瞰全貌，建立清晰的知識層次結構。
—— 梁乃明　
西門子數(shù)字化工業(yè)軟件全球高級副總裁
兼大中華區(qū)董事總經(jīng)理

目錄

序言一

序言二

前　言

第1章　復雜系統(tǒng)研發(fā)模式變革——立本趨時，數(shù)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(xiàn)代航天系統(tǒng)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(tǒng)工程及航天系統(tǒng)工程應用 11

1.2.2　航天系統(tǒng)復雜性演進對傳統(tǒng)系統(tǒng)工程的挑戰(zhàn) 13

1.2.3　復雜系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)工程轉(zhuǎn)型 14

1.3　從物理試驗、建模與仿真到數(shù)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(shù)字孿生 23

1.4　從第一范式到第四范式 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(tǒng)研發(fā)中的應用 32

1.5　國外對研發(fā)體系數(shù)字化轉(zhuǎn)型的探索 35

1.5.1　美國數(shù)字工程 35

1.5.2　歐盟框架計劃項目 40

第2章　創(chuàng)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(fā)展歷程 48

2.1.2　設計思維的應用 49

2.2　系統(tǒng)思維 51

2.2.1　系統(tǒng)思維的起源與發(fā)展 51

2.2.2　開展系統(tǒng)思維的步驟 53

2.2.3　錢學森的復雜巨系統(tǒng)理論 58

2.3　數(shù)字思維 64

2.3.1　數(shù)字思維的體系化：控制論、信息論和計算機 64

2.3.2　數(shù)字思維的拓展：工程控制論等 66

2.3.3　數(shù)字思維無所不在：當代數(shù)據(jù)科學和人工智能新進展 67

2.3.4　數(shù)字思維在研發(fā)體系數(shù)字化轉(zhuǎn)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(tǒng)工程流程 79

3.3.3　領域工程流程 81

3.4　iMBSE內(nèi)涵 82

3.4.1　系統(tǒng)模型 84

3.4.2　領域模型 87

3.4.3　系統(tǒng)生命周期管理 88

第4章　產(chǎn)品定義——運行分析與系統(tǒng)建模 89

4.1　系統(tǒng)工程發(fā)展演進的四個階段 90

4.1.1　第一階段：基于文檔或視圖的系統(tǒng)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(tǒng)架構 104

4.3　基于ARCADIA的火星車產(chǎn)品定義 106

4.3.1　火星探索運行分析 106

4.3.2　火星車系統(tǒng)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(chuàng)成式架構設計、探索和優(yōu)化 113

5.1　系統(tǒng)架構創(chuàng)成式設計和優(yōu)化 114

5.1.1　系統(tǒng)架構創(chuàng)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(chuàng)成式設計 123

5.2.1　電子電氣架構創(chuàng)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(tǒng)架構 132

5.3.3　嵌入式軟件架構 134

5.3.4　機械系統(tǒng)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(qū)動設計 149

6.2.4　機電系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型 152

6.2.5　從零部件到系統(tǒng)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(tǒng)測試 161

6.2.8　集成行業(yè)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(xiàn)——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(tǒng)的創(chuàng)成式設計 176

6.5　互聯(lián)設備的高效通信——車載網(wǎng)絡設計 181

6.5.1　車載網(wǎng)絡設計 181

6.5.2　火星車網(wǎng)絡設計 184

6.5.3　ECU的軟件開發(fā) 186

6.6　基于模型的軟件架構設計 190

6.6.1　開發(fā)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(jīng)網(wǎng)絡在系統(tǒng)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(shù)字線程的系統(tǒng)全生命周期管理 211

7.1　數(shù)字線程釋放價值鏈潛能 212

7.2　研發(fā)設計資源及模型定義 214

7.2.1　研發(fā)設計資源建模及共享面臨的困境 215

7.2.2　研發(fā)設計資源集成與共享平臺的建設 217

7.2.3　復雜裝備系統(tǒng)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(tǒng)的需求管理 227

7.4.2　需求管理的業(yè)務流程和方法 228

7.4.3　參數(shù)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(tǒng) 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(xù)的IVVQ流程和管理 246

7.6.1　基于連續(xù)IVVQ的業(yè)務流程 247

7.6.2　基于連續(xù)IVVQ的數(shù)字孿生思想 248

7.6.3　基于連續(xù)IVVQ的驗證管理方案 249

7.6.4　基于連續(xù)IVVQ的設計、仿真、試驗一體化管理 250

7.7　基于模型的質(zhì)量工程 252

7.7.1　智能復雜裝備系統(tǒng)質(zhì)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(shù)字線程的安全可靠性管理 265

第8章　閉環(huán)數(shù)字孿生——依于數(shù)字，智周萬物 268

8.1　Hackrod：游戲化的工業(yè)4.0 269

8.2　數(shù)據(jù)探索時代工業(yè)的特點 273

8.3　數(shù)據(jù)探索中的先進技術 274

8.3.1　智能網(wǎng)絡 274

8.3.2　基于模型的先進制造 277

8.3.3　數(shù)據(jù)閉環(huán) 279

8.4　從芯片到城市 283

參考文獻 285

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