智能制造概论 课件 第3 章　智能制造的系统工程技术

3.1智能制造的系统工程技术概述《智能制造概论》第1页内容提纲一、系统工程技术的发展历程二、智能制造系统工程技术演变与发展趋势第三章智能制造的系统工程技术第2页一系统工程技术的发展历程什么是系统？系统是由相互作用和相互依赖的若干部件或要素组成，并具有特定功能的有机整体。系统具有目的性、相关性、层次性、整体性和环境适应性等特征。什么是工程？工程是指人类利用科学技术改造客观世界、创造新事物的过程。什么是系统工程？系统工程是运用系统思想和系统分析方法改造客观世界的一种工程技术。它以系统为对象，以系统科学理论和方法为指导，通过系统化的思维和分析，综合运用数学、计算机科学等，对系统的构成要素、组织结构、信息流动和控制机制等进行分析与设计，对系统规划、设计、开发、测试、运营和维护等进行全过程管理，以实现系统整体最优化目标。第三章智能制造的系统工程技术第3页朴素的系统工程思想伴随着人类认识世界和改造世界的活动自古就有，例如我国战国时期修建的都江堰。宝瓶口飞沙堰鱼嘴都江堰水利枢纽工程由分水导流工程、溢流排沙工程和引水口工程组成。分水导流工程为利用江心洲建成的分水鱼嘴等将岷江分为内外两江。内江一侧建有由平水槽、飞沙堰以及具有护岸溢流功能的人字堤等组成的溢流排沙工程。内江水流由上述导流和溢洪排沙工程控制并经宝瓶口流向川西平原，汛期内江水挟沙从飞沙堰顶溢入外江，保证灌区不成灾。宝瓶口是控制内江流量的引水通道，由飞沙堰作为内江分洪减沙入外江的设施，外江又设有江安堰、石牛堰和黑石堰三大引水口。整个工程的规划、设计和施工都十分合理；通过鱼嘴分水，宝瓶口引水、飞沙堰溢洪，形成—个完整的功效宏大的“引水以灌田，分洪以减灾”的分洪灌溉系统。施工中，先开凿玉垒山，解决水患，然后筑分水堰，把岷江水流分为内江和外江两股水道，根治了水害，再建飞沙堰，解决了溢洪排沙问题，变水患为水利。都江堰水利工程的三大部分体现了从总体上分析和解决问题的系统工程思想，被誉为系统工程的典范。第三章智能制造的系统工程技术一系统工程技术的发展历程第4页作为一门系统的工程技术是在20世纪40年代逐渐发展起来的，其发展大致经历了三个阶段：初创时期（1940年代-1950年代初）；形成时期（1950年代-1960年代末）和发展时期（1970年代以后）。系统工程发展大事记19401950196019702000◆1957年，第一本完整的系统工程教科书《系统工程》出版；◆1958年，美国研制北极星导弹潜艇，提出网络优化技术；◆1940年，美国贝尔公司发展通信网络时，首次提出“系统工程”概念;19801990◆1990年，系统工程国际委员会（INCOSE）成立，并出版了《INCOSE系统工程手册》◆1961-1972年，美国实施“阿波罗”登月计划;◆

1972年，国际应用系统分析研究所（IIASA）在维也纳成立◆1965年，R.E_Machol编著《系统工程手册》；◆1969年A.D.霍尔提出霍尔三维结构；◆1984年，盛塔菲研究所（SFI）成立，继而复杂适应系统理论产生;初创时期形成时期发展时期第三章智能制造的系统工程技术一系统工程技术的发展历程第5页初创时期（1940年代-1950年代初）1940年，美国贝尔电话公司开发微波通讯系统，首次提出系统工程（SystemEngineering）一词。自第二次世界大战以来，信息科学和计算机技术的飞速发展，信息的收集、存储、传递和处理能力得到了大幅提升，这为我们科学的组织和管理复杂工程提供了强大的支持。系统工程得以迅速发展，并在美国“北极星”导弹核潜艇、“阿波罗”工程等军事和大型工程系统的建设中得到广泛地应用和验证。微波通讯系统“北极星”导弹核潜艇阿波罗11号登月工程第三章智能制造的系统工程技术一系统工程技术的发展历程第6页形成时期（1950年代-1960年代末）1957年，美国密歇根大学的H.H.古德和R.E.麦克霍尔合作出版了第一本完整的系统工程教科书《系统工程》。1962年，A.D.霍尔创作并出版了《系统工程方法论》，该书深入探讨了系统工程领域的诸多关键要素，包括系统环境、系统要素、系统理论、系统技术以及系统数学等方面。1965年，麦克霍尔再次推出了著作《系统工程手册》，该书以丰富的军事实例为基础，深入探讨了系统工程的原理和方法。1969年，A.D.霍尔提出了著名的霍尔三维结构，该结构由“时间维”、“逻辑维”和“知识维”三个要素构成，也被称作系统工程形态图。在前一阶段大型工程实践活动中取得的成功经验，以及运筹学、控制论、信息论等基础理论发展的基础上，系统工程开始进入理论化发展阶段。尤其是霍尔三维结构及系列相关文献的问世，标志着军事工程、制造工程等硬系统的系统工程方法论的确立。第三章智能制造的系统工程技术一系统工程技术的发展历程第7页20世纪70年代以来，系统工程应用领域向社会、经济、生态等扩展，软系统工程方法论得到快速发展。20世纪90年代以来，非线性系统理论、复杂性科学等的发展，推动系统工程科学与技术不断发展，一些国际组织相继成立，系统工程标准日益完善。发展时期（1970年代以后）1971年罗马俱乐部发表《增长的极限》，围绕解决环境、能源、人口、粮食、社会等世界性危机开展了一系列重大交叉课题研究；1972年国际应用系统分析研究所在维也纳成立，致力于运用系统工程方法研究复杂的社会、经济、生态等问题。1990年系统工程国际委员会成立，致力于发展系统工程和提高系统工程师的专业地位，出版了《INCOSE系统工程手册》；美国航天航空局是系统工程领域另一个研究代表，《NASA系统工程手册》是系统工程标准领域重要的代表。第三章智能制造的系统工程技术一系统工程技术的发展历程第8页系统工程在中国的发展——发展历程1980年，中国系统工程学会成立，加强了与国际系统工程界的学术交流，提出了一系列科技创新理念。20世纪60年代，在著名科学家钱学森教授的倡导下，中国科学院于1956年成立了首个运筹学小组。20世纪60年代，著名数学家华罗庚积极推广统筹法与优选法的普及和应用。期间我国在现代化武器，如导弹的总体设计组织等方面积累了丰富的经验，取得了显著成效。第三章智能制造的系统工程技术一系统工程技术的发展历程第9页1989年,钱学森教授创造性地提出了针对开放复杂巨系统的“从定性到定量的综合集成方法”，建立了“从定性到定量综合集成研讨厅体系”，同时倡导“大成智慧学与大成智慧工程”以及总体设计部思想。这些理念和方法共同构成了中国系统工程学派。系统工程在中国的发展——理论贡献21世纪初，顾基发教授与朱志昌博士共同提出了“物理-事理-人理方法论”。该方法论不仅注重思考方法和工作过程的科学性，更强调人的参与和东方智慧的融入，成为系统工程方法论与东方智慧相结合的重要成果。物理-事理-人理方法论的工作流程综合集成方法的工作流程第三章智能制造的系统工程技术一系统工程技术的发展历程第10页系统工程在我国实践应用领域取得了令人瞩目的成效。特别是在“两弹一星”和“载人飞船”等国防尖端技术领域的成功运用，充分展示了系统工程在解决复杂系统问题中的强大能力，标志着系统工程在我国的研究和应用进入了一个崭新的时代。国防系统工程“两弹一星”载人航天北斗导航工业系统工程三峡大坝港珠澳大桥天眼系统系统工程技术的应用系统工程在我国的发展——实践应用第三章智能制造的系统工程技术一系统工程技术的发展历程第11页二智能制造系统工程技术演变与发展趋势系统工程技术演变传统系统工程依据还原论思想。将系统分解为若干组成部分，在对各组成部分分析基础上，综合得到对整体的认识。这一时期未形成广泛接受和认可的系统工程统一方法和流程。传统系统工程智能制造系统面临部件高效配置、功能实现等系列挑战。美国国防部、NASA等机构制定了系统工程流程标准，融入决策里程碑等关键流程。国际系统工程协会采用跨学科、可扩展的方法论，为工程领域提供解决方案。系统工程流程结构化现代智能制造系统复杂性不断增加，系统间的交互和协作带来大规模跨学科挑战。适应流程变化的IT体系成为基石。在IT支持下，系统工程朝着数字化、大系统集成方向发展，向高度并行、多组织供应链协同转变。系统工程工具信息化传统系统工程依赖文件传递静态信息，难以展现系统动态行为和整体运作。基于模型的系统工程强调信息传递和更改基于统一基准模型，确保信息一致性和连贯性，不仅提高了工作效率，还增强了系统的灵活性和适应性。系统工程知识模型化第三章智能制造的系统工程技术第12页二智能制造系统工程技术演变与发展趋势系统工程技术发展趋势传统的系统工程是一种基于文档的方法，在这种方法中，需求、设计和其他系统信息被捕获在规范、图表和报告等文档中。传统系统工程MBSE是建模方法在系统工程中的形式化应用，用以支持在系统全生命周期内开展需求、设计、分析、验证和确认相关的活动。基于模型的系统工程（MBSE）体系是系统的系统，即由多个系统或复杂系统组合而成的有机整体。体系工程是一种为实现某一动态需求和目标而对体系能力进行计划、分析、组织、集成和持续改进的过程。体系工程数字工程是一种面向产品或系统在设计、制造、运维等阶段的需求，从物理世界出发，通过利用新一代信息技术、数字技术、人工智能技术等，开发利用“数力”和“智力”，逐步构建和完善数字世界，进而实现并提升体系化解决问题和满足需求“能力”的工程范式。数字工程在经历了系统工程流程结构化、工具信息化以及知识模型化后，智能制造系统工程技术由传统系统工程发展到基于模型的系统工程（MBSE），继而演进至体系工程，当前正朝着数字工程迈进。第三章智能制造的系统工程技术第13页二智能制造系统工程技术演变与发展趋势系统工程技术发展趋势数字工程数字技术正渗透到系统工程的方方面面随着数字孪生、人工智能、数据科学和物联网等新一代数字技术的快速发展，数字计算能力越来越强、云计算越来越普及、敏捷开发越来越常见，数字技术正渗透到系统工程的方方面面。数字工程美国国防部将数字工程定义为第四次工业革命的引领技术，是基于模型的系统工程发展的最新阶段，开启了系统工程数字时代的愿景。第三章智能制造的系统工程技术第14页二智能制造系统工程技术演变与发展趋势第三章智能制造的系统工程技术系统工程技术发展趋势数字主线（DT）是数字工程体系架构的关键要素。贯穿产品和系统的全生命周期，包括从概念研发与设计，到分析、计划、制造、装配、维护保障与退役的全过程，实现信息的持续捕获与生成。通过在全生命周期内形成连贯且高效的数字主线，推动高端装备制造向智能化、数字化迈进。数字主线谢谢！3.2智能制造系统主讲人：焦建玲时间：2024年12月《智能制造导论》第17页内容提纲第三章智能制造的系统工程技术一、智能制造生态系统二、智能制造系统及其构成三、智能制造的系统集成第18页第三章智能制造的系统工程技术智能制造系统生态智能制造系统生态是智能制造系统在特定环境下的生存和发展状态。根据智能制造系统的层级和相应的环境界定，智能制造系统生态可以是设备级系统生态、车间/工厂级系统生态，也可以是企业级系统生态，还可以是整个制造业级系统生态。随着智能化程度的不断提高，制造系统中的成员和其生存、发展环境之间的相互作用日益增强。强调单方面追求自身利益而忽视利益相关者的整体利益以及系统生态共生发展的传统经营理念已经过时。现在，制造单元或企业不再仅仅视自己为孤立的实体，而是积极与相关方合作，形成一个有机整体。这种将自身命运与整个系统生态息息相关，并最终创造出超越单一单元或企业组织能力的价值的思维方式，正在成为越来越重要的经营理念。因此，构建良好的系统生态是实现智能制造系统目标，提升智能制造水平的基础和关键。第19页第三章智能制造的系统工程技术智能制造生态系统智能制造生态系统指在一定的时间和空间范围内，为实现特定制造目标而形成的智能制造系统与其生存的市场、技术、政策等环境通过能量流动、物质循环、信息交互过程构成的统一整体，在这个统一整体中，智能制造系统与环境相互影响、相互制约，并在一定时期内处于相对稳定的动态平衡状态。美国智能制造生态系统模型美国国家标准与技术研究院（NationalInstituteofStandardsandTechnology，NIST）于2016年2月发布的《智能制造系统标准》，从商业（Business）、产品（Product）和生产（Production）三个维度对智慧工厂的生态系统进行了模型化表述。商业生命周期主要涉及供应方和需求方之间的互动。产品生命周期关注从产品设计开始，直至产品生命周期结束的整个信息流程和控制过程。生产生命周期则集中于生产设施的设计、调度、执行及最终的退役过程。第20页第三章智能制造的系统工程技术智能制造生态系统具有开放性、互动性和协作性等特点。智能制造生态系统的特点开放性意味着智能制造生态系统是一个开放系统，不断地与外界环境进行物质、能量、信息交换。智能制造生态系统的开放性是多层次的，不仅要素是开放的，子系统和系统都是开放的。开放性互动性指构成生态系统的要素、子系统之间实时、安全、多模式的沟通与互动，从而确保协作更加顺利，进而惠及整个生态系统。在智能制造环境下，互动性进一步发展为智能互联。互动性协作性强调构成智能制造生态系统的各子系统之间，子系统与系统之间的协同性。由于目标不一致，甚至存在冲突，协作对于维持整个生态系统的动态平衡尤为重要。协作性第21页二智能制造系统及其构成第三章智能制造的系统工程技术智能制造系统大致经历了三个阶段，分别为自动化系统阶段、信息化系统阶段和协同化系统阶段。智能制造系统发展的三个阶段分别实现了制造的自动化控制，信息化管理和智能化协同。智能制造系统概述自动化系统阶段利用计算机技术，将产品设计制造过程中的孤立自动化子系统有机集成，形成适应多品种、小批量生产的智能化制造系统，实现整体效益的优化。典型的代表系统有计算机集成制造系统和现代集成制造系统。协同化系统阶段是在信息化系统的基础上，通过进一步引入先进的协同技术和互联网技术，实现企业内部各环节之间以及企业与外部供应商、合作伙伴之间的紧密协作和信息共享。典型的代表系统包括供应链管理系统（SCM）和协同制造系统。信息化系统阶段的发展是在自动化系统的基础上，通过引入信息技术和网络通信技术，实现生产过程中信息的高效流通和管理。典型的代表系统包括生产执行系统（MES）和企业资源计划系统（ERP）。第22页二智能制造系统及其构成第三章智能制造的系统工程技术智能制造系统是一个庞大而复杂的系统，涵盖了智能产品、智能生产以及智能服务等多个功能系统，并且依赖于智能制造云和工业互联网等关键支撑系统。智能制造系统的构成智能产品构成了系统的重要部分智能生产是系统的核心环节智能服务是智能制造系统的重要延伸智能制造云和工业互联网等支撑系统为智能制造系统提供了强大的技术支持和保障第23页二智能制造系统及其构成第三章智能制造的系统工程技术智能制造系统的构成智能产品系统作为连接利益相关者与智能服务系统的桥梁，相较于传统产品系统，通过整合先进的传感器、执行器和通信模块，赋予了产品对环境的智能感知、智能分析决策、智能控制执行以及智能交互的能力。智能生产系统通过集成生产设备、机器人、传送装置、仓储系统等生产资源，形成具备自主、自适应、自重构等特性的循环网络。第24页二智能制造系统及其构成第三章智能制造的系统工程技术智能制造系统的构成智能服务系统智能服务系统通过智能服务平台、智能物流平台、智能运控平台等媒介，为智能产品系统的价值提升开辟了新路径。这些平台覆盖了产品设计、生产、销售和维护等全生命周期的服务，利用人工智能、大数据等前沿技术，为服务赋予了前所未有的新特性。1智能制造云作为智能制造系统的重要支撑，智能制造云通过利用云计算、大数据和人工智能等尖端技术，为制造企业提供全面的信息化和智能化服务。2工业互联网工业互联网，作为新一代信息技术与制造业深度融合的产物，已成为推动工业经济向数字化、网络化和智能化转型的重要基础设施。它通过实现人、机、物的全面互联，构建了覆盖全要素、全产业链、全价值链的全面连接的新型工业生产和制造服务体系。3第25页三智能制造的系统集成第三章智能制造的系统工程技术智能制造的系统集成系统集成是智能制造系统发展过程中的核心技术。智能制造系统集成的对象从信息扩展到过程，再扩展到过程和企业，并逐步扩展到基于智能制造的要素链和价值链的纵向集成、横向集成和端到端的集成三类。利用互联网、物联网等技术对分布式智能生产资源进行高度整合的横向集成；从产品生产流程的角度进行的纵向集成，涉及从企业底层的生产制造单元、制造执行系统（MES）到上层的企业资源计划（ERP）；针对产品生命周期全流程，从原料供应到研发设计、生产制造、销售服务的端到端集成；端到端集成是实现客户价值的途径，而横向集成和纵向集成则是最大化这种价值的保障。它们共同构成了智能制造的系统集成。智能制造的三大集成第26页三智能制造的系统集成第三章智能制造的系统工程技术智能制造的系统集成——横向集成横向集成是一种基于价值网络与企业间协同的集成方式，旨在通过价值链及信息网络的深度融合，实现企业内部与外部IT系统的无缝连接。它以产品供应链为核心，不仅关注企业内部物流、生产、营销等环节的优化配置，更强调跨越企业边界，将不同企业的资源、技术和信息进行高效整合。横向集成的主要目标是提供端到端的解决方案，本质上通过打通企业之间的网络化协同及合作，形成一个整合信息、物流、资源和数据的协同体系。这种集成策略旨在对资源、技术和信息进行合理化配置，实现不仅包括内部的工程、计划、生产、物流、销售，还包括外部的市场、研发人员、供应商、经销商和终端客户等各个节点和角色之间的信息集成和共享。第27页三智能制造的系统集成第三章智能制造的系统工程技术智能制造的系统集成——纵向集成纵向集成在企业内部实现了从原材料采购到产品销售的全业务流程贯通，形成了一个完整的纵向集成体系。其核心在于将企业中从底层的物理设备或装置到顶层的计划管理等不同层面的IT系统，例如执行器与传感器、控制器、生产管理系统、制造执行系统和企业资源计划等进行高度集成，实现企业内部的纵向通联和管控。实现企业内部的企业资源计划（ERP）、产品生命周期管理（PLM）、制造执行系统（MES）和数据采集与监视控制系统（SCADA）等信息化系统之间的深度集成和应用。信息流角度基于工业互联网（I-Internet）和工业物联网（I-IoT），实现物理设备（主要是底层数字化设备）的集成管控、互联互通和信息共享。物理对象角度信息化系统与物理设备的融合与集成，双向打通IT系统与物理设备之间数据和信息通道，实现指令下达、信息感知、状态反馈、动态调整等功能。信息与物理融合角度第28页三智能制造的系统集成第三章智能制造的系统工程技术智能制造的系统集成——端到端集成端到端集成指的是覆盖整个价值链的工程化数字集成，是在所有终端数字化的前提下实现的基于价值链与企业间协同的一种整合，极大地促进了个性化定制的实现。这种集成的核心在于实现产品全生命周期的数字化管理和集成。端到端集成不仅包括企业内部的纵向集成，也涉及跨企业的横向集成。端到端的集成既可以是企业内部的纵向集成，也可以是外部的企业与企业之间的横向集成，关键在于整个流程的整合。以用户订单的全程跟踪协同流程为例，这种端到端集成涉及将用户、企业、第三方物流、售后服务等环节在产品全生命周期内进行有效连接和协作。谢谢！3.3智能制造的系统工程方法主讲人：焦建玲时间：2024年12月《智能制造导论》第31页内容提纲第三章智能制造的系统工程技术一、智能制造的系统思想二、系统工程理论与方法三、智能制造的系统流程工程第32页第三章智能制造的系统工程技术什么是系统思想？系统思想是一种整体分析方法，强调系统的整体功能远超出各部分功能之和。系统思想要求着眼整体，关注结构，保持开放，驾驭复杂。系统工程方法强调系统的整体目标，围绕实现整体目标的最优化来配置和管理系统各部分的运作，其核心思想是系统思想。智能制造的系统思想无处不在，下面从智能制造产品全生命周期和智能制造工程活动全方位两个视角来阐释。第33页第三章智能制造的系统工程技术智能制造产品的全生命周期涵盖从产品原型研发到产品回收再制造的各个阶段，包括设计、生产、物流、销售、服务等一系列相互联系的价值创造活动。智能制造要求对产品进行全生命周期管理，以提高产品全生命周期价值，增强产品市场竞争力。实现智能制造产品全生命周期管理是极其复杂且困难的，需要从整体出发，进行系统性思考。1、智能制造产品全生命周期智能制造产品全生命周期研发设计阶段生产制造阶段交付检验阶段运维服务阶段报废回收阶段设计生产物流销售服务第34页第三章智能制造的系统工程技术智能制造产品在设计、制造、使用和维护等各个阶段都呈现出复杂性特征。这种复杂性既包括来自产品本身结构和功能的复杂性，还包括智能制造产品在生产过程、供应链管理，以及与产品相关的服务和数据处理等方面的复杂性。（1）智能制造产品全生命周期的复杂性智能制造产品结构和功能的复杂性智能制造产品制造的复杂性智能制造产品包含的零部件数量众多，需要将数量庞大的零部件集成为部件或组件，再集成为设备，设备集成为子系统，子系统集成为系统，实践中根据产品功能的需要逐层集成。例如航空发动机包含8千到3万个零件，按照气流流动方向，这些零部件逐步集成为进气道，压气机，燃烧室，涡轮和尾喷管五大部件，全部过程涉及多功能集成、智能化特性（如传感器、控制系统）等，最终的产品在结构和功能上异常复杂。智能制造的产品是软件、硬件和互联网服务的集成，要求产品能够在不断变化的技术环境中保持更新和兼容性，因此智能制造产品的设计需要满足环境适应性要求，如耐用性环境影响等，产品的制造需要集成多种技术、材料和设计理念。制造过程中的多样性和变化性。生产过程中的质量控制和过程优化的复杂性，以及智能制造产品使用过程中的操作复杂性，产品维护、升级和故障排除的复杂性，全生命周期数据和信息管理的复杂性，安全和隐私管理的复杂性等。第35页第三章智能制造的系统工程技术智能制造产品全生命周期是一个复杂的有机整体，不能简单地通过还原论思想来认识和处理。特别是在产品的开发阶段就应该考虑产品全生命周期的问题，如制造、装配、运行优化、维护，甚至报废时的拆卸问题。产品开发中考虑的问题越全面，产品开发成本越低，产品的竞争力就越强。智能制造产品全生命周期的整体观主要表现为产品本身的整体性和产品制造过程的整体性。（2）智能制造产品全生命周期的整体观局部最优不等于整体最优，智能制造产品设计时要从系统的角度考虑，通过多领域物理建模进行仿真从而对产品进行系统设计和优化。例如，航空发动机设计时需要综合考虑气体进口系统、压气机系统、燃烧室系统、涡轮系统、尾喷系统、燃油控制系统、滑油系统、起动点火系统等部分，以达到系统设计和优化的目的。产品功能与结构设计时的整体观在智能制造产品设计和开发过程中，需要从更宏观的角度去思考产品的设计、功能、使用场景以及用户体验。这个过程要求设计者不仅要关注产品本身的特性和功能，还要深入理解产品如何融入外部环境。把智能制造产品放在应用环境的整体中考虑第36页第三章智能制造的系统工程技术智能制造工程活动通过多资源聚合实现资源的高效配置，借助多系统融合打造智能制造优质生态，推动多主体协同作业，确保制造过程的顺畅进行。全过程优化贯穿始终，不断提升制造效率和产品质量。多资源聚合、多系统融合、多主体协同和全过程优化四个方面并行不悖，共同构成了智能制造工程活动的系统框架，体现了智能制造的系统性和整体性。2、智能制造工程活动的全方位视角智能制造的多要素聚合智能制造涉及人、机、料、法、环、测等传统要素资源，以及数据、知识等新型要素资源。智能制造过程中需要将这些资源有效地整合起来，形成一个高效的资源网络。智能制造的多系统融合智能制造涉及数量众多的系统之间的协同工作，如设计系统、生产系统、管理系统、物流系统等，必须对它们进行高效融合，以实现信息的无缝流通和功能的互补。智能制造的多主体协同高端装备智能制造中涉及核心企业、原材料和零部件供应商、客户、战略合作伙伴等诸多主体，需实现这些主体之间的协同，以确保各方利益得到满足，同时提升整个制造过程的效率和质量。智能制造的全过程优化智能制造的全过程优化涵盖了从设计、生产与销售、使用与运维直至退役的每个环节。它既要求对每个阶段进行精细化优化，又要求对全过程进行一体化优化，强调各阶段的协同。第37页第三章智能制造的系统工程技术系统工程是在一般系统论、控制论、信息论、运筹学和计算机科学以及由其发展产生的自组织理论、耗散结构理论、协同学理论和突变理论的基础发展起来的，它既是一门组织管理的技术，又是一种对所有系统具有普遍意义的科学方法。系统工程的研究对象是复杂大系统，这些系统的复杂性主要表现在：①系统的功能多样，结构复杂，系统的多个目标间经常存在冲突；②系统通常由多维异质要素构成，属性复杂，系统规律难以认识；③系统及其环境一般具有动态性，演化机理复杂，系统运动过程往往具有随机性；④系统一般是人机一体化系统，由于人的行为规律的复杂性，导致系统具有固有的复杂性。系统工程的内涵系统工程的特点坚持整体论和还原论相结合的分析方法，即在详细了解组成系统各要素间相互关系的基础上，再从整体出发，研究系统与要素之间的关联关系。认识系统的整体涌现性，揭示系统的内在特征与运动规律，科学地把握全局。研究思路的整体性研究系统工程问题时，必须根据实际问题的需要灵活地选择科学方法。描述系统工程问题的方法一般是定性描述与定量描述相结合、整体描述与局部描述相结合、确定性描述与不确定性描述相结合。分析研究系统工程问题的方法一般是模型分析与仿真实验相结合、系统分析与系统集成相结合等。系统工程流程结构化系统工程的研究对象主要是由人主导或有人参与的复杂大系统，所以处理系统工程问题既要有科学性又要有艺术性。系统工程是由自然科学与社会科学交叉融合所形成的学科，因此在研究系统工程问题时，既要运用数学等自然科学和技术科学知识，又要运用经济学、等人文学科和社会科学知识。运用知识的综合性系统工程的学科属性决定了它具有十分广泛的应用领域，如科技系统工程、工业系统工程、农业系统工程、交通系统工程、建设系统工程、军事系统工程、生态环境系统工程、资源系统工程、经济系统工程、社会系统工程、管理系统工程等。应用领域的广泛性运用系统工程理论与方法来研究与解决现实系统问题时，需要从整体出发，充分考虑整体与局部的关系，按照一定的系统目的进行整体设计、合理开发科学管理与控制协调，以期达到总体效果最优或显著改善系统性能。系统工程具有以下特点。系统工程的特点在实践中，智能制造系统的系统工程呈现出一些新特征。智能制造系统的系统工程秉承以人为中心的开放性思维模式，坚持更加多元化的系统目标，推动系统的革命性升级，捕捉系统阶段性变革的关键要素变化，从中挖掘出系统思维的演进规律。开放与演进智能制造系统的系统工程以新一代信息技术为基础，管理集聚快速增长的多模态大数据和彼此相对独立运行的系统，从数据中挖掘有价值、有深度的系统知识，进而基于知识进行跨层级、体系化的系统管理。数据与系统智能制造系统的系统工程以系统自主管理为目标，以制造领域为基础，创新智能制造系统的业务协同与运行控制方法，进而实现跨层级、跨业务的系统服务化。自主与服务第40页第三章智能制造的系统工程技术霍尔方法论是由美国著名的通信工程师和系统工程专家A.D.Hall

于20世纪60年代提出的，它为解决具有良性结构的大型复杂系统的规划、组织、管理等问题提供了一种科学方法得到了广泛应用。按照霍尔方法论，可将系统工程的全部任务分解为前后紧密相连的七个阶段和七个步骤，并同时考虑为完成各阶段和各步骤中的活动所需要的各种知识，这样就形成了由时间维、逻辑维和知识维构成的三维结构模型。霍尔三维结构模型霍尔方法论第41页第三章智能制造的系统工程技术时间维表达的是系统工程从开始启动到最后完成的整个过程中按时间划分的各个阶段所需要进行的工作，是保证任务按时完成的时间规划。时间维可以划分为规划阶段设计阶段分析阶段运筹阶段、实施阶段、运行阶段、更新阶段等七个阶段。霍尔方法论逻辑维是指系统工程每一阶段工作所应遵从的逻辑顺序和工作步骤，一般分为明确问题目标设计、系统综合、系统分析、评价优化、决策计划、方案执行等七个步骤。知识维是指完成上述各阶段、各步骤中的工程活动所需要的各种专业知识和管理知识，包括自然科学、工程技术、经济学、法律、管理科学、环境科学、计算机技术等。第42页第三章智能制造的系统工程技术针对具有不良结构的复杂大系统，从20世纪70年代中期开始，许多学者在霍尔方法论的基础上提出了多种软系统工程方法论，其中最具有代表性的是英国兰切斯特大学Checkland

和Scholes提出的切克兰德方法论。切克兰德方法论切克兰德方法论的问题处理流程Step1：认识问题切克兰德方法论的核心不是最优化，而是比较与学习，即从模型和现实的比较中来学习改善现状的途径，直至获得满意的效果。Step2：根底定义Step3：概念模型Step4：比较和学习Step5：方案选择Step6：设计与实施Step7：评估与反馈切克兰德方法论的问题处理主要步骤第43页第三章智能制造的系统工程技术中国方法1989年,钱学森创造性地提出了针对开放复杂巨系统的“从定性到定量的综合集成方法”，从而实现了信息、知识、经验、智慧和创造力的综合集成，为研究复杂大系统提供了规范化和结构化的有效方法。综合集成方法作为一种系统工程方法论，其思想基础主要是思维科学，方法基础主要是系统科学，技术基础主要是现代信息科学与技术。物理-事理-人理方法是顾基发教授等于1995年提出的。该方法论的核心思想是，系统工程工作者不仅要明物理，懂自然科学，明白世界到底是什么样的；还应通事理，通晓科学方法论，善于选择科学合理的方法处理事务；更应晓人理，掌握人际交往的艺术，充分认识系统内部各部门的价值取向，协调考虑系统各方利益。物理-事理-人理方法论的工作流程综合集成方法的工作流程第44页第三章智能制造的系统工程技术什么是系统工程流程？系统工程流程（SystemsEngineeringProcess）是一种结构化的方法，用于创建和管理复杂的系统，例如高端装备智能制造系统。它强调在系统工程全生命周期，从概念到设计、实施、测试、部署、运维，直至最终退役的每个阶段中进行系统思维和多学科团队协作。这个过程旨在确保系统高效地满足用户需求和预期功能，同时控制成本与风险，并保证质量。什么是流程？流程是为了实现一个特定目标所执行任务的逻辑序列，它定义“做什么”的问题。系统工程流程定义第45页第三章智能制造的系统工程技术典型的系统工程流程示意图Step1：需求分析Step2：概念设计Step3：系统设计Step4：实施和集成Step5：系统测试Step6：部署和交付Step7：运营和维护Step8：退役随着当代计算机技术与信息技术的长足发展，系统建模语言使得模型在系统工程中的比重与日俱增，并逐步催生出“基于模型的系统工程”理念。据此，基于模型的系统系统的需求、功能与组成利用系统建模语言通过图形化与结构化的方式转化为需求模型、功能模型以及物理架构模型，并对其进行控制与集成，逐级实现系统工程设计管理。典型的系统工程流程8个关键步骤第46页第三章智能制造的系统工程技术系统工程流程标准多个国际标准机构已经制定了一系列关于系统工程流程的标准，以确保工程实践中的一致性和效率。这些标准包括ANSI/EIA632系统工程流程标准、IEEE1220系统工程流程的应用和管理标准，以及ISO/IEC15288系统工程—系统生命周期流程标准。这些标准大多源于美国国防部的早期标准DoD-MIL-STD499，并随着时间的推移进行了演化和更新。系统工程流程标准和能力模型的传承第47页第三章智能制造的系统工程技术系统工程流程V模型KevinForsberg和HaroldMooz于1978年提出的V模型是一种经典的系统工程流程可视化模型。该模型精确地展示了系统工程活动从分解到集成的演进过程，使得系统工程流程变得可视化且易于管理，因而受到了业界广泛的关注与应用。V模型示意图V模型主要用于可视化系统工程的概念和发展阶段，特别是在需求开发过程中定义验证计划的重要性。该模型强调了连续验证与利益相关者需求的一致性，并对连续风险和机会进行了评估。它通过图示化来说明系统工程活动在生命周期阶段的演化过程，将时间和系统成熟度从左向右进行。谢谢！3.4基于模型的系统工程主讲人：焦建玲时间：2024年7月《智能制造导论》第50页内容提纲第三章智能制造的系统工程技术一、MBSE的基本概念二、MBSE的建模过程第51页第三章智能制造的系统工程技术MBSE的内涵在2007年，国际系统工程学会（INCOSE）发布了《系统工程愿景2020》，将基于模型的系统工程（MBSE）定义为：“通过形式化的建模方法创建数字模型，以支持系统从概念设计阶段开始的需求、设计、分析、验证及确认活动，并持续贯穿开发过程及后续的整个生命周期。”智能制造的MBSE是从需求到产品架构的数字化架构设计技术流程和活动，是包括相关过程、方法和工具的集合，以支持基于模型或模型驱动环境下的智能制造系统工程。智能制造的MBSE通过利用计算机技术、网络技术、存储能力和信息技术的优势，针对智能制造复杂系统工程中的挑战，实现从传统的文档中心向模型中心的转变。第52页第三章智能制造的系统工程技术MBSE的核心环节MBSE的核心环节包括系统建模、系统分析、系统设计、系统集成和系统验证。4系统集成3系统设计系统验证5系统建模1系统分析2对系统结构、行为、功能、性能等方面的描述。主要运用建模语言，描述系统的各个方面，并建立模型之间的关联和约束。通过系统建模，可以进行系统分析，包括对系统需求、功能、行为、性能等方面的分析。基于系统模型进行系统设计，包括设计系统的结构、组件、接口、交互等方面。将各部分的模型集成到一个整体模型中，进行系统整体性能和行为的分析和验证。通过系统模型进行系统验证和确认，包括验证系统是否满足需求、功能是否正确实现、性能是否符合预期等方面。MBSE的上述环节相互交织，通过建立和维护系统模型，支持系统工程全生命周期的各个阶段。第53页第三章智能制造的系统工程技术MBSE的演化（图源自书籍《SystemsEngineeringDemystified》）阶段一基于文档的系统工程阶段二以文档为中心的系统工程阶段三模型增强系统工程阶段四以模型为中心的系统工程阶段五基于模型的系统工程从传统的基于文档的系统工程方法发展演变到MBSE，期间大致经历了五个阶段，分别为：基于文档的系统工程；以文档为中心的系统工程；模型增强的系统工程；以模型为中心的系统工程和基于模型的系统工程。MBSE演变阶段第54页第三章智能制造的系统工程技术发展阶段人员过程工具阶段一基于文档的系统工程具备系统工程的基本能力已经落实的过程可能被记录，也可能不被记录，但一定会有一个过程被落实通常基于Office工具，如文字处理器、演示应用程序和电子表格阶段二以文档为中心的系统工程具备系统工程的基本能力，并在非正式的层面上应用符号与过程相关联的工件仍然是文档，但人们开始用符号来支持文本描述与阶段一相同，但能够使用当前的绘图工具创新构成文档一部分的图表阶段三模型增强的系统工程接受了某种正式的符号训练；对MBSE概念的范围有一定的认识水平真正的模型逐渐从文档中显现，知识被模型和文档所区分有多个工具被用作建模的一部分阶段四以模型为中心的系统工程具备使用MBSE和候选工具方面的能力几乎完全基于MBSE；对前一阶段引入的试点项目进行衡量和评估，以展示MBSE方法的有效性首选的工具被选中，并在实际项目中使用阶段五基于模型的系统工程掌握了MBSE及其在组织中的应用完全基于模型；MBSE和其他高级应用正在实施，如模式识别、定义和应用；过程和能力建模；变体建模等不同类型的工具无缝互操作，例如管理工具与MBSE建模工具交互，后者与数学建模工具交互MBSE的不同发展阶段对人员、过程和工具要求不同，具体差异总结如下。MBSE演变阶段第55页第三章智能制造的系统工程技术基于文档的、分离的、手动的方法文档用于信息共享，会导致设计混乱和误解手动更新的设计版本取决于多个作者的更新，会导致团队成员拥有不同的版本多个文档是团队成员和利益相关者之间手动更新的沟通方式原型和文本文档用于开发文本是像英语一样的书面语言，只有简单的正式描述结构规则质量标准不统一各开发阶段的工程数据存储在位于多个地方的文档中，并由多个作者手动更新管理基于文档的系统工程（DBSE）基于文档的系统工程（DBSE）的特点MBSE演变阶段-基于文档的系统工程（DBSE）第56页第三章智能制造的系统工程技术基于模型的系统工程（DBSE）的特点基于模型的系统工程（MBSE）基于模型的集成自动化方法模型和插图用于信息共享设计版本实时自动更新，所有团队成员都拥有当前版本模型是团队成员和利益相关者沟通的主要方式，并且会实时自动更新使用虚拟模型和模拟进行开发使用SysML语言并受到严格控制可追踪的统一质量标准每个开发阶段的工程数据都存储在一个模型中MBSE演变阶段-基于模型的系统工程（MBSE）第57页第三章智能制造的系统工程技术MBSE相对于DBSE具有表达内容清晰性、系统设计一体化、知识利用便捷性、模型可重用性以及系统需求可追踪管理等优势。表达内容清晰性

在传统的系统工程工作过程中，系统的初期需求是以文档为主的方式获取的，但文字描述具有语义模糊性及理解的差异性。MBSE可以清晰地刻画复杂系统的初期结构、功能和行为等多方面的需求，具有无二义性。系统设计一体化

MBSE的建立是涵盖系统的整个生命周期过程的，包括系统的需求、设计、分析、验证和确认等活动，是一个统一整体的过程，可以提供完整、一致并可追溯的系统设计，从而保证系统设计的一体化，避免各组成部分间的设计冲突，降低风险。知识利用便捷性

系统生命周期中包含着许多信息的传递和转换过程，如设计人员需要提取需求分析人员产生的需求信息进行系统的设计。由于模型具有的模块化特点，使得信息的获取、转换以及再利用更加方便和有效。模型可重用性

对比传统以文档为中心的系统工程设计方案，基于模型的系统设计具有更强的模块化特征，特别是在“面向对象的系统设计”中，同层次模型间耦合度较低，封装性好。因此，模型的后期结果可在未来相关领域研究中被重用或修改后重用。系统需求跟踪管理

MBSE可建立需求、功能、系统间的映射关系矩阵，对系统需求进行跟踪与管理。设计方可根据关系矩阵来确认方案与预期结果的差异，明确未达成的需求，并分析需求、功能及系统结构设计的改变对系统整体的影响。MBSE演变阶段-MBSE的优势第58页第三章智能制造的系统工程技术MBSE的应用发展——发展路线国际系统工程学会在《系统工程2020愿景》中提出了MBSE远景规划，规划描绘了2007-2020年MBSE的发展路线和不同时期的成熟度，随着成熟度的不断提升，架构模型在研发过程中的价值越来越凸显。INCOSE提出的MBSE发展路线图第59页第三章智能制造的系统工程技术MBSE的应用发展——国际方面在MBSE出现之初，发达国家就积极开展MBSE的应用实践和创新，不仅在国防、航空航天等多个复杂系统设计领域进行了广泛的探索和实践，并且取得了较大成功。波音公司构建了以任务和需求定义、逻辑和功能集成、功能和逻辑架构设计为核心的、覆盖产品全生命周期的MBSE过程,从运行概念到需求到设计到生产。NASA喷气推进实验室制定了2009—2016年MBSE应用发展战略，提出以模型为中心的集成架构。目前已有超过20个开发任务全生命周期应用MBSE。洛克希德·马丁公司采用MBSE统一进行需求管理和系统架构模型，并向后延伸到机械、电子设备以及软件等的设计与分析之中。空客公司在A350系列飞机的开发中全面采用MBSE，在飞机研制中逐层细化需求并进行功能分析和设计综合。第60页第三章智能制造的系统工程技术MBSE的应用发展——国内方面近年来,

MBSE在我国航空航天领域受到广泛关注，多项国之重器的研发过程开展了MBSE的应用探索。中航工业第一飞机设计研究院采用RationaDOORS进行需求管理,并按照Harmony-SE流程,采用Rhapsody工具完成空中交通防撞系统以及航电系统的系统分析、设计与建模。中航工业西安航空计算研究所利用MBSE需求分析、功能分析、架构设计方法在某型动力电子控制系统设计中得到了初步应用。中国空间技术研究院载人航天总体部将MBSE方法应用于载人飞船交会对接任务中,提高了设计效率、改善了人员沟通、降低了设计风险。中航工业飞行自动控制研究所对MBSE流程进行了结构化定义,明确了系统工程活动、输入输出及相应的岗位角色,并在飞控等复杂系统开发过程中进行了MBSE方法论与工具的实践。第61页二MBSE建模过程第三章智能制造的系统工程技术MBSE的建模过程依赖于三大支柱：建模方法、建模语言和建模工具。建模方法为整个过程提供指导，不仅促进建模语言的发展，也推动建模工具的进步，同时直接指导MBSE模型的构建。建模语言对MBSE模型进行描述，为模型提供标准化的表达方式。建模工具在其中扮演着实现和支持的角色，一方面用于生成和管理MBSE模型，另一方面作为建模语言实际应用的平台。建模方法建模语言建模工具MBSE模型促进促进应用指导描述生成与管理第62页二MBSE建模过程第三章智能制造的系统工程技术系统建模语言定义了多种除自然语言之外的符号系统，包括框图、线条和箭头等元素。框图由封闭的线条构成，内部可以划分为几个区域，每个区域填充不同的自然语言信息。线条元素包括直线和折线，并区分为实线与虚线。箭头表示线条和框图的结合点，承载如泛化、包含等不同的逻辑关系，端口可以视为箭头的一种特殊形式。框图、线条、箭头构成了系统建模语言的“骨架”，用自然语言在规定好的位置表示系统的相关信息。框图01线条02箭头03第63页二MBSE建模过程第三章智能制造的系统工程技术国际系统工程学会与对象管理组织（OMG）共同提出了一种标准化的系统建模语言，即系统建模语言（SysML）。它是OMG发布的统一建模语言（UML）在系统工程领域的延续和扩展。与UML相比，SysML增加了代表系统需求可视化建模的需求图，这是系统工程的关键所在，还增加了显示系统组件在所有水平上参数之间关系的参数图。常用的系统建模语言除了SysML外，还有AP233，BPMN，UPDN等。SysML图结构图需求图行为图块定义图内部块图包图活动图序列图状态机图用例图参数图与UML相同SysML新增的从UML改进的图第64页二MBSE建模过程第三章智能制造的系统工程技术建模工具主要为系统建模语言提供计算机和网络支持的图形化环境。核心功能是支持系统建模语言的应用软件，能在屏幕上展示系统建模语言中的各类符号，供建模者使用。业界主流的建模工具包括IBMRationalRhapsody、CORE（Vitech公司）、EnterpriseArchitect（SparxSystems公司）、Modelio（开源软件）、MagicDraw（NoMagic，达索收购）等，建模工具厂商结合自己对MBSE的理解，开发出各具特色的建模工具。IBMRationalRhapsodyCORE（Vitech公司）ModelioEnterpriseArchitectMagicDraw第65页二MBSE建模过程第三章智能制造的系统工程技术建模方法详细规定了系统开发过程中所需的模型构建内容、各阶段模型生成的视图产品以及模型视图的时序关系，规定了在系统开发中图形的使用规范和模型的组织结构。MBSE的建模方法包括INCOSE面向对象的系统工程方法（OOSEM）方法、IBM的RationalTelelogicHarmony-SE、IBM的RUP系统工程方法、Vitech

MBSE建模方法等。不同的建模方法在形式和特点上各异，但核心都基于V模型，都遵循需求-功能-逻辑-物理（RFLP）的分析过程。需求分析定义产品的需求，用户想要的产品和服务。需求是产品开发的基础，根据性质不同，需求有很多种，例如不同层级需求（用户，系统，软/硬件），功能需求/非功能需求等。功能分析定义并分解产品的功能，即为满足客户需求，产品需要具备什么样的功能以及子功能。功能是根据需求的相关性，被系统化集成和抽象后形成的需求集合。物理设计从物理角度实现系统架构，定义最终实现系统的物理组件实体及接口。从逻辑的角度设计系统的架构，定义实现系统的逻辑组件及逻辑接口。逻辑设计谢谢！3.5智能制造的体系工程主讲人：焦建玲