06-大基建系统工程与数字孪生全攻略 | F-功能分析
▲06-大基建系统工程与数字孪生全攻略 | F-功能分析
本系列文章将致力于阐述系统工程与数字孪生在大型基础设施数字化转型中的应用与实践。笔者核电人出身，故文章逻辑与案例将以核工业作为牵引，用来阐述广义上大基建行业数字化转型与传统制造业的区别，以及其价值(Why)、工作内容(What)、解决方案(How)与实施方法(How to)。
如本系列开卷第一回所述，系统工程（SE - System Engineering）是处理复杂项目的规划、研究、设计、制造、测试和运营的方法，按照正向设计的逻辑（非翻版或逆向），核电新型号等大型复杂基建项目的研发与设计工作需通过R-F-L-P的流程去实现。
如果您不希望做出的所谓“数字孪生”只是个用来查查几何碰撞的“空壳子”，那就需要承接前文的R-需求工程去实现F-功能架构和分析，用于满足需求、仿真系统行为以及动态多物理场。
CATIA-Dymola （Dynamic Modeling Laboratory - 动态建模实验室）作为行为仿真APP集成在3DEXPERIENCE平台中，应用Modelica建模语言同时符合FMI接口标准（Functional Mock-up Interface）。
用于支持先进MBSE（基于模型的系统工程）的功能架构，实现稳健的系统安全性分析并强化风险管理；同时连接上游需求工程（R），实现基于未来运行需求来定义的系统规格书、并以施工和运行目标来驱动的初步设计。
为大基建项目设计和升级做长周期的数据管理，提升数据质量和可复用性；尽量在前期仿真迭代以减少后期不必要的设计变更，节省设计与施工工期。
1. 功能架构 （Functional Architecture）
定义并优化系统架构，尽量减少子系统间的互依赖关系，充分利用需求管理和验证测试来简化映射：
实现功能分析（functional analysis）
给系统功能（functions）分配需求（requirement）
管理所有内部和外部的功能接口（ functional interfaces）
进行权衡研究以确定最佳方案
实现系统层级的KPI自动生成
2. 行为建模与仿真
Dymola应用Modelica语言实现行为建模和仿真动态系统，其优势体现为：
多专业仿真 - 跨专业定义和仿真“由诸多工程领域的物理组件”所构成的模型；
直观化建模 - Dymola的图形编辑器和多专业模型库使建模快速且易上手；
开放灵活 - 基于Modelica的开放环境，对外部建模工具都配有其专属的导入方案
3. 关于FMI标准
Functional Mock-up Interface （FMI）是一种开放的、独立于工具的标准，支持使用xml文件和编译的C语言组合进行动态模型交换和协同仿真。
4. 关于商用模型库
a. 工业流程系统库- Systems Industrial Processes Library (PRZ)：用于仿真流程工业的动态行为，解决有关流程工业的控制策略、生产计划、操作员培训和控制系统代码测试等问题；可建立复杂工艺流程的动态模型；适用于检测设备的瞬态行为、进行操作员培训或验证控制系统代码；可实现库的模块化扩展。
b. 热工系统库 - Systems Thermal Library (TIZ)：为热工系统提供了通用的模型，一方面可对单个组件进行详细的建模和计算；另一方面模型适合于大型复杂系统的设计和优化，如混合循环制冷、热泵和热吸附式系统。
c. 电气系统库- Systems Electric Power Library (EWZ)：交流电路相量图描述，可仿真供电系统（交流平衡/不平衡、直流、混合）。
d. 克劳修斯-朗肯循环系统库- Systems ClaRa+ Library (CRZ)：支持发电厂的数字孪生模型，调查瞬态行为并获取更多信息以优化流程，用于在未来的能源市场获得竞争力。包含完整的电厂设备、控制系统和电网模型，同时支持项目的不同阶段，如概念设计、组件设计、仪控技术优化、虚拟调试和运行优化。
e. 流体动力系统库- Systems Fluid Power Library (FPZ)：支持对水力系统进行建模和仿真。
f. 暖通空调系统库- Systems HVAC Library (HVZ)：支持分析不同的系统布局，并比较任何参考期的一次能源消耗、二氧化碳排放或能源成本；快速分析成本优化的系统布局和供热及制冷设备等场景；可用于大型热工-水力系统的优化。
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HOW TO – 如何落地实施
吕柯夫
数字核电高级咨询顾问
毕业于UTT法国特鲁瓦工程技术大学并获得硕士工程师学位，十二年核电项目经验，中国核学会高级会员。加入达索系统之前，曾供职于EDF法国电力集团，负责核电站停堆大修项目管理、后福岛事故全法核电站应急机组改造设计、英国欣克利角C欧洲第三代压水式核反应堆三维数字化设计与配置管理。
