複雜裝備系統數字孿生

《複雜裝備系統數字孿生》，副標題：賦能基於模型的正向研發和協同創新，方志剛 著，出版社： 機械工業出版社。

機械工業出版社成立於1950年，是建國後國家設立的第一家科技出版社，前身為科學技術出版社，1952年更名為機械工業出版社。機械工業出版社（以下簡稱機工社）由機械工業信息研究院作為主辦單位，目前隸屬於國務院國資委。

目錄

內容簡介

本書理論高度和實戰經驗相結合，闡述新一代主流MBSE方法論，涵蓋複雜系統全壽期管理、MBSE（基於模型的系統工程）、多學科建模仿真優化、協同快速迭代平台，構建賦能可持續的正向研發體系的核心，形成基於「數字孿生」系統為核心的新工業生態體系。

參與本書策劃和編寫的30餘位專家都是數字孿生的實戰派，在系統工程、產品生命周期管理、機電軟等不同領域擁有豐富的實踐經驗，對複雜裝備系統數字孿生及其實現具有一流的洞見。

目錄

序言一

序言二

前　言

第1章　複雜系統研發模式變革——立本趨時，數濟天下 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」看現代航天系統的複雜性 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　系統工程及航天系統工程應用 11

1.2.2　航天系統複雜性演進對傳統系統工程的挑戰 13

1.2.3　複雜系統驅動系統工程轉型 14

1.3　從物理試驗、建模與仿真到數字孿生 19

1.3.1　物理試驗 19

1.3.2　建模與仿真 20

1.3.3　數字孿生 23

1.4　從第一範式到第四範式 27

1.4.1　吉姆·格雷和科學研究的「四個範式」 27

1.4.2　人工智能及其研究領域 28

1.4.3　人工智能在複雜系統研發中的應用 32

1.5　國外對研發體系數字化轉型的探索 35

1.5.1　美國數字工程 35

1.5.2　歐盟框架計劃項目 40

第2章　創新的三大思維模式——鼎新變通以盡利 46

2.1　設計思維 47

2.1.1　設計思維的發展歷程 48

2.1.2　設計思維的應用 49

2.2　系統思維 51

2.2.1　系統思維的起源與發展 51

2.2.2　開展系統思維的步驟 53

2.2.3　錢學森的複雜巨系統理論 58

2.3　數字思維 64

2.3.1　數字思維的體系化：控制論、信息論和計算機 64

2.3.2　數字思維的拓展：工程控制論等 66

2.3.3　數字思維無所不在：當代數據科學和人工智能新進展 67

2.3.4　數字思維在研發體系數字化轉型中的應用 68

第3章　iMBSE概述——舉其要而用功少 71

3.1　iMBSE定義 72

3.2　基於模型的方法 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　系統工程流程 79

3.3.3　領域工程流程 81

3.4　iMBSE內涵 82

3.4.1　系統模型 84

3.4.2　領域模型 87

3.4.3　系統生命周期管理 88

第4章　產品定義——運行分析與系統建模 89

4.1　系統工程發展演進的四個階段 90

4.1.1　第一階段：基於文檔或視圖的系統工程 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　系統架構 104

4.3　基於ARCADIA的火星車產品定義 106

4.3.1　火星探索運行分析 106

4.3.2　火星車系統功能定義 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　創成式架構設計、探索和優化 113

5.1　系統架構創成式設計和優化 114

5.1.1　系統架構創成式設計理論 114

5.1.2　火星車案例 119

5.2　電子電氣架構創成式設計 123

5.2.1　電子電氣架構創成式設計理論 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　電子電氣系統架構 132

5.3.3　嵌入式軟件架構 134

5.3.4　機械系統架構 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動設計 149

6.2.4　機電系統聯合仿真模型 152

6.2.5　從零部件到系統級聲學仿真模型 156

6.2.6　高級計算流體動力學性能仿真模型 158

6.2.7　基於模型的系統測試 161

6.2.8　集成行業專家知識的定製化 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——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　複雜電氣系統的創成式設計 176

6.5　互聯設備的高效通信——車載網絡設計 181

6.5.1　車載網絡設計 181

6.5.2　火星車網絡設計 184

6.5.3　ECU的軟件開發 186

6.6　基於模型的軟件架構設計 190

6.6.1　開發流程 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　神經網絡在系統仿真中的應用 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　基於數字線程的系統全生命周期管理 211

7.1　數字線程釋放價值鏈潛能 212

7.2　研發設計資源及模型定義 214

7.2.1　研發設計資源建模及共享面臨的困境 215

7.2.2　研發設計資源集成與共享平台的建設 217

7.2.3　複雜裝備系統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　複雜系統的需求管理 227

7.4.2　需求管理的業務流程和方法 228

7.4.3　參數管理 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 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　模型連續的IVVQ流程和管理 246

7.6.1　基於連續IVVQ的業務流程 247

7.6.2　基於連續IVVQ的數字孿生思想 248

7.6.3　基於連續IVVQ的驗證管理方案 249

7.6.4　基於連續IVVQ的設計、仿真、試驗一體化管理 250

7.7　基於模型的質量工程 252

7.7.1　智能複雜裝備系統質量的新需求 252

7.7.2　基於模型的安全可靠性建模分析技術 254

7.7.3　基於數字線程的安全可靠性管理 265

第8章　閉環數字孿生——依於數字，智周萬物 268

8.1　Hackrod：遊戲化的工業4.0 269

8.2　數據探索時代工業的特點 273

8.3　數據探索中的先進技術 274

8.3.1　智能網絡 274

8.3.2　基於模型的先進制造 277

8.3.3　數據閉環 279

8.4　從芯片到城市 283

參考文獻 285