汽车行业如何构建数字主线闭环？

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本文摘要：（由ai生成）

数字主线是航空航天工业数字化转型的关键，管理产品生命周期一致性，通过链接数字工件实现。它支持基于模型的系统工程，实现物理与虚拟的连接，提供正向/反向可追溯性、权威数据一致性等价值。安怀信产品数字主线结合MBSE，实现指标参数数字化贯通，解决数据一致性问题，提高性能开发过程的可视化、可追溯性和一致性。

作者：系统事业部应正健

数字主线近年来一直是航空航天工业数字化转型的核心。何为数字主线？

简单地说，数字主线可以定义为在产品、过程或系统的生命周期中积极管理其一致性的一组链接的数字工件。

航空航天行业数字主线框架

对于汽车行业，特别是汽车研发领域；基于物理的工程建模与仿真、人工智能、大数据、弹性云存储、物联网等技术和学科的融合，推动了许多经济领域的数字化转型；然而，它们的应用还不足以实现汽车研发数字化转型。因为真正核心的问题是随着企业规模和业务复杂度的增加，企业内部署的应用系统也不断增加，一般在几十个到上百个之间。随之而来的是集成复杂度也急剧增加。

集成复杂度增加

因为汽车研发复杂性需要混合建模方法，从概念系统模型（1D）到详细的三维模型，当不同的组织需要协作时，如何保证模型的一致性并且进行交互的能力是令人生畏的；这些跨领域、跨专业、跨阶段的模型、数据集、实践和监管要求的多样性和演化性构成了重大挑战，并强调了管理整个生命周期一致性的重要性。这些模型包含在复杂的技术堆栈中，这些技术堆栈由商业软件产品、免费开源软件和企业定制开发的工具和模拟组成，如果没有适当的管理和聚合，大量的数据(测量和模拟)会导致错失利用集体知识和信息重用的机会。在这种情况下，数字化转型必须影响决策制定，而这正是数字主线的基础所在。

当数字主线在数字生态系统中成为企业数字底座核心工件时，它将成为管理这些模型的一致性的授权环境，这使得量化和传播有关数字线程中不断发展的信息的不确定性对于在整个产品生命周期中支持及时、明智的决策变得更加重要。

最后，通过实现物理和虚拟之间的连接，数字主线是开发和实现有效数字孪生的基础。

数字主线定义总结

基于上面简单阐述，数字主线是与流程、产品或系统相关的链接权威数字信息的集合，其一致性在整个生命周期中得到积极管理。这支持信息的可访问性、可追溯性、流通性、适用性和可信度，从而促进知识的获取、交流、使用和重用，从而有效地为实现价值的决策提供信息。

总之，数字主线是一个工程数字系统。它描述了模型和相关产品信息的综合联系，涵盖了整个产品生命周期，并包括客户、供应商、合作伙伴和配置管理。数字主线无缝连接整个生命周期中的信息，从而能够深入理解、跟踪和重用在其生命周期中获得的知识。无缝数字链接意味着数字主线上的数据和信息是在数字的、可伸缩的和灵活的框架内产生和使用的，无需手动切换，如图 1 所示。

模型全生命周期管理

在数字主线内链接的信息包括用于描述系统整个生命周期的所有方面的所有数据和模型。这些信息可以采取多种形式，从描述性到计算模型和数据。

根据业界总结，数字主线不是一个具体的系统也不是一个产品，尽管实现的本质是系列数字技术的组合，但同时其本身又承担着其他数字技术穿针引线的使命，支撑实现由点到线、由线到面的全面数字化转型。拿人体来比喻，数字主线更像人体的血管和神经网络，供养着各器官，同时又智能地连接了大脑和器官，将类似传感器收集的器官数据实时汇集到大脑，经过大脑评估后又将反馈结果指令下达给各器官执行。

数字主线不能仅仅在技术层面进行理解，其带来的价值将直接反应在企业生产经营的诸多方面，是打通企业全价值链的数字化手段，并且与传统总线技术不同的是内嵌了各种产品数字化模型，而不仅仅是数据和用集成的信息通道，从而具有更强的智能、柔性和可扩展等特点；如果说Digital Twin等数字技术是把物理世界中某一个或几个实物搬进了虚拟世界割裂存在，那么Digital Thread是把虚拟世界中所有的虚拟实体连接在一起，使其成为真正的“数字企业”。

数字主线与数字孪生

基于模型的系统工程

（MBSE）与数字主线

由于在数字主线中开发的模型具有上下文、可追溯性、来源、与其他模型的关系以及增加的价值，因此数字主线支持并增强了 MBSE方法论的可靠落地。也可以说MBSE是数字主线技术核心的应用场景之一。

安怀信产品数字主线应用场景

数字主线包括识别、捕获、管理、传播和确保相关产品和生命周期数据的权威来源;在 MBSE环境中，数字生态系统使用数字主线以模型形式管理和提供权威数据。连接 MBSE环境中使用的工具和流程的能力使数字模型成为权威的事实来源。

近年来, MBSE以系统模型方式与数字化技术深度融合,通过更多的“控制”来减少系统的不确定性行为,能够重新达到与现代复杂工程系统的协调匹配状态 . 如美国国防部(DoD)发布的《数字工程战略》,以推进DoD数字化转型为目标,指出数字工程是数字化版本的MBSE;随着MBSE标准化工作的持续开展以及波音MBSE钻石模型等方法的提出,预示着MBSE与数字主线、数字孪生等数字化技术的进一步融合。

数字主线与MBSE等设计方法融合

一个模型可以由数据、状态、行为和与其他模型的关系组成。有些模型，比如需求模型，是描述性的;其他的，如有限元模型，是计算性的。数字主线提供了一个结构来存储模型数据和状态，将模型彼此链接(关系模型)，并管理模型行为的执行环境(作为软件)。然后可以利用数字主线的集成功能来自动化跨模型分析或报告，例如生命周期数据(需求-指标-方案-验证)的可跟踪性报告。类似地，数字主线可以将模型链在一起，以支持在多个尺度、多个保真度或跨学科上进行系统分析。例如，通过集成汽车的基于模型的定义、网格生成软件、计算流体动力学软件和有限元软件，数字主线可以部分或完全自动化气动弹性效应分析。

安怀信产品数字主线功能图

作为 MBSE的核心，数字主线提供了创建、维护和传播数字模型的基本能力。它还为开发多学科分析或开发自动化或辅助功能等高级功能提供了基础，这些功能可以减少工程师或操作人员的工作量。

数字主线的特征包括：

引用：在数字主线中不应该有孤立的实体，即表示关系或依赖性的简单指针。
全量无缝连接：最好没有“断点”或只存在于纸上或人类记忆中的线程部分。
一致性：实体之间的上述关联连接需要保持一致，或至少识别出不一致之处。
唯一源：受授予实体权威真相来的验证。

经典的系统工程方法努力减轻不一致性;然而，我们复杂的汽车产品系统日益增加的相互关联性质使得减少或消除不一致性变得极其困难。在过去，类似于数字主线的链接关系被捕获在各种文档中。链接是参考文献和交叉参考文献，以及文件的修订。这些文档可以包含模型的输入和输出，甚至可以包含可用于重建的足够详细的模型描述。

如果没有数字主线，所引用的链接是静态的，通常是隐性的，很容易断开或丢失。

数字主线不仅仅是一个单一的工件或不相连工件的集合;它是一组相互连接的工件，显示可追踪的关系。另外，数字主线也不仅仅是代表感兴趣系统的模型或模型集合。换句话说，数字主线不仅仅是一个SysML模型或系统的可执行表示，包括开发有用的替代概念，包括设计原理，以满足其他需求，并为这些概念形成新的数字线索。通过提供权威的真相来源，数字主线本身也应该成为权威的真相来源。通过将模型与数据源及其来源(使用元数据捕获)集成在一起，数字主线可以实现随时间和跨领域的数字连续性，并且，这样就不会与离散的、孤立的数字工件的集合混淆。同样，数字主线也不仅仅是链接的集合。数字主线促进了物理和虚拟之间的连接，是开发和实现有效数字孪生的基础。

基于元模型实现对研发全过程模型的统一定义和管控

数字主线提供了通过产品生命周期的所有长度尺度和阶段的数字表示之间的最低级别的信息链接。在加速产品开发、生产和运营的同时，数字主线必须暴露和管理不一致性。

价值

数字主线的核心是在整个生命周期中加速和促进敏捷捕获、维护和使用模型、仿真数据、实验/操作数据和相关元数据的基础技术之一。

与数字主线相关的三种集成程度:可集成性、互操作性和可组合性。

可集成性包括数据和模型的信息技术连通性，实现可查找性和可访问性。
互操作性支持模型的协作执行，实现模型协同。
可组合性提供了组件模型模拟的组合组装和执行，实现模型可重用。

数字主线的集成特性使多保真度、多尺度和多学科分析能力的发展以及数字系统模型或数字孪生的构建能够支持系统鉴定、操作和维护。

数字主线在行业应用的应用价值包括:

正向/反向可追溯性：在整个产品生命周期内链接、跟踪、协调和通信配置管理数据和模型的能力对于汽车复杂产品开发过程至关重要。链接促进了线程中产品信息的双向可追溯性或可导航性。因此，可以按照数字主线中的关系沿着或跨系统的生命周期进行遍历。这有助于确保开发正确的产品，并增加我们对不确定性如何在整个产品生命周期中传播的理解。最后，将操作数据链接回设计阶段有助于通知和改进当前和后续几代产品。

重量性能目标追溯

权威数据一致性：识别和保存权威信息，并确定权威数据和模型之间的关系，可产生通用参考模型部分所述的一致性质量。数字主线确保所有涉众的权威数据，即所有权威派生(或继承)信息与其权威父(或前身)信息完全兼容。版本控制系统的编排也是管理模型和文档变更的关键，跟踪由谁做出的变更，在需要时恢复到以前的版本，并确保团队使用相同版本的工具、模型和文档进行工作。

权威数据源

同样，数字主线可以跟踪任何一个信息项的更改对上游和下游项目的影响，准确地识别产品信息体中的不一致，直到所有受影响的信息项都被更新。将配置管理合并到数字主线中，使用户能够使用不同的、一致的基线进行工作。

因此，操作可以使用一致的基线来描述运行中的已构建系统，而开发团队使用派生的和一致的基线来设计系统升级。当扩展到整个供应链时，数字主线使数字识别、跟踪和验证零件和产品成为可能。通过捕获产品设计信息、工艺能力、产品质量和完整性，有助于确保零件符合其期望的规格，并遵循所有相关协议。

数字主线能够提供安全和网络安全控制，以加强对供应商数据的数据权利，确保只有授权人员才能看到适当的数据，并且权威数据源不会被破坏。

跨领域的沟通和协作：数字主线的一致性和集成质量一起解决了开发复杂系统的项目的主要风险(例如，集成困难)。项目中的知识工作者可以花费 30%的时间搜索信息，通常需要多达八次尝试才能找到准确的搜索结果。更具体地说，工程师花费大量时间搜索、整合和提供数据。此外，当团队使用旧的或不正确的信息时，会导致产品缺陷; 缺陷也可能是由于在开发过程中发现的新知识没有正确地传播给所有受影响的各方。

数字主线的一致性和集成度减少了：

①沟通不畅事件；

②跨学科和团队集成产品和生命周期信息的工作量。

此外，所有相关元数据的保存和链接使决策过程和结果的文档化成为可能，使团队能够捕获导致决策的步骤，并以透明的方式在整个设计过程中提供制定的假设。这种能力还促进了可能在不同分析层次上做出贡献的后来者或涉众的集成。

安怀信产品支持系统工程研发协同过程

工作流自动化：一致性和集成也是数字主线内工作流自动化的基础;信息项之间的关系虚拟化了工程工作流程中的输入和输出链。数字主线的集成能力使工程工作流程中的预处理、分析和后处理软件能够连接起来。结合起来，团队可以部分或完全自动化:

权威信息的检索
该信息的翻译、转换和融合以输入到分析活动中
生成原始分析数据的模型和软件工具的协作执行
可视化或减少分析数据以供分析师或下游活动使用的后处理

因此，人们可以设想，即使是半自动化的数字主线也可以自动执行部分工程工作流来响应更改。例如，对汽车某子系统的计算机辅助设计(CAD)模型进行批准的更改，改变几何形状，可以自动执行计算流体动力学(CFD)工作流来更新汽车的空气动力学模型。在不需要工作流自动化的情况下，工程判断和对分析工作流的控制可以通过仪表板和通知系统进行通知，并通过数字主线的集成功能进行促进。

自动化仿真计算

分析能力:通过实现信息的连通性和连续性，数字主线为许多分析能力提供了基础，这些分析能力对于识别和量化风险和不确定性，并在整个生命周期中做出明智的决策至关重要。数字主线有助于识别和量化特定输入对感兴趣的结果(质量、可靠性、可制造性等)的影响，并在不易通过物理实验识别或量化的参数之间建立相关性。从更广泛的意义上说，在强大的分析基础设施(计算，存储，算法等)的支持下，数字主线有助于:

描述性分析:将需求和功能模型与来自详细学科分析的结果联系在一起，以根据需要满足的需求快速评估系统的当前状态。
预测分析:当使用代表系统当前状态的数据进行校准和更新时，模型可以更准确地预测系统的未来状态，并量化利益数量的边际和不确定性。
规定性分析:基于特定(预测性)结果推荐行动方案。

知识和模型重用：数字主线通过语义本体、知识图谱和联邦实现了生命周期数据表示和模型的索引、归档、集成和检索。反过来，这允许在当前和新的设计配置的开发中对数据、领域知识和模型进行探索、共享和重用。通过表示领域语义，本体提供了一种标准化数据表示的方法，这对数字主线的互操作性和集成的质量至关重要。通过提供与模型工件相关的可用元数据，并将验证数据与它们各自的模型同步，数字主线为设计人员和决策者提供了关于现有模型的目的、范围和精确度的关键信息，以及模型的假设和验证和应用领域。这种可追溯性促进了适当的模型和设计重用。

基于本体的实体关系图谱

安怀信数字主线参考模型

数字主线的应用范围也可以非常大，且由于各个企业情况各不相同，因此需要以一种足够通用的方式来描述这种共享的理解，以涵盖这个范围，但要有足够的精度和参数化，以便为各个实现配置相关的概念。因此，提供了一个安怀信定义的通用数字主线参考模型。安怀信使用的通用参考模型是国际系统工程委员会(INCOSE)使用的可配置的基于模型的系统工程(MBSE)模式。

安怀信产品数字主线参考模型

这个通用参考模型描述了一组统一的概念，所有数字主线或它们周围的相关上下文都有这些概念——尽管程度不同。

参考模型考虑了整个工程产品生命周期的可能应用。早期的产品市场分析，定义和验证产品技术需求，定义产品架构及其详细设计，通过分析、模拟和测试，以及制造工程，以及生产操作、操作服务、产品维护和退役来验证该设计。所有这些都为数字主线信息应用程序用例提供了环境。

安怀信产品数字主线支持产品生命周期应用

通用参考模型是数字主线的一个模型——它不是数字主线。一个类似的例子是开放系统互连(OSI)参考模型，这是一个统一的中性描述框架，描述了不同通信网络和协议中常见的可配置底层概念。数字主线通用引用模型应该是一个紧凑的关系框架，描述数字主线的所有基本概念。经典的系统工程方法努力减轻不一致性;然而，我们复杂的汽车产品系统日益增加的相互关联性质使得减少或消除不一致性变得极其困难。在过去，类似于数字主线的链接关系被捕获在各种文档中。链接是参考文献和交叉参考文献，以及文件的修订。这些文档可以包含模型的输入和输出，甚至可以包含可用于重建的足够详细的模型描述。

建议

标准方面：建立最佳实践，从而形成指导数字主线标准实施的行业标准，为实现创新、创造和竞争奠定坚实基础。因此，需要适当的标准来连接数字主线的不同部分，包括应用程序编程接口(API)和其他数据互操作性标准；数字主线需要新的功能来支持创建、管理、导航和分析实体之间的联系。

保真度和效率方面：了解整个数字主线中使用的方法和模型保真度和效率之间的权衡，以确保符合目的和成本效益的实现。MBSE在系统级进行大规模设计探索和优化的能力还有待开发。因此，数字主线需要应对规模问题。开发具有很多设计变量和约束的复杂汽车系统需要继续研究多保真度建模方法和系统范围的不确定性量化(UQ)。虽然这些计算需求与高保真模型和数字孪生的模拟有关，但数字主线需要维护与一组可以以同步方式执行的联合仿真模型的关系。

自动化方面：为了减轻数字主线框架的负担，应该通过自动化将数据/元数据的手动捕获、链接、分析、维护和传播最小化。如果不能最大限度地减少输入数据及其适当元数据的负担，数字主线的实施、维护和效用就会因其所服务的用户缺乏参与而受到损害。因此，在设计支持数字主线的基础设施时，应该始终将自动化放在首位。

业务案例：汽车性能开发主线闭环

目前汽车行业以性能指标开发为主线，性能主线更多是以工作任务流为主线，缺乏真正或者只是某个局部领域以性能参数的设计和验证作为主线，更多是基于集成现有信息化系统实现性能指标管控流程在线化，核心问题是没有实现数字主线技术对于这些参数从哪里来，怎么实现，实现的合不合理等决策和性能指标端到端的追溯能力。

现状：性能目标管控侧重项目管理主线

性能开发是系统工程重要过程，传统系统工程面临系统复杂度快速提升面临挑战，即对客观事物的认知（即模型）存在于大脑中，是隐性的；团队间基于文档进行认识的共享，精确度低，管控难度高。

而MBSE从传统的基于文档和以代码为中心的过程过渡到更高效的基于模型的过程(也就是模型驱动的过程)，其主要特点是：从一开始即以模型的形式，对复杂系统的需求、结构与行为等进行基于图(Diagram)的无二义性说明、分析、设计等，从而在在产品的相关人员间建立统一的交流平台，更好的支持会造车的问题，这也是越来越多的主机厂关注MBSE的原因吧。

基于模型的系统工程（MBSE）是对传统的基于文本系统工程（TBSE）的一脉相承，又区别于传统系统工程，重点关注基于模型的系统全生命周期管理，强调数字主线和基于系统架构的跨学科全链路融合，实现系统生命周期所有开发阶段与全部模型的互连与追溯。

安怀信解决方案总体以数字主线技术实现性能目标及相关参数，包括需求参数、指标参数和设计参数，以参数树的形式存在，能够将需求、指标、设计参数、设计过程、验证过程实现统一管理、关联和追溯，还要能够集成设计和验证所需要的工具，实现研发过程模型自动转化。

期望：业务视角的性能开发主线

汽车性能集成是一项系统工程，在涉众需求（客户需求、业务需求、法律法规需求）的基础上，转换为车辆的开发过程中使用和管理这些属性，属性管理过程包括开发属性需求，将属性需求从整车级分解到系统级、子系统级和部件级，将功能分配给车辆中的所有架构设计，开发测试来验证每个实体是否满足需求，完成验证及认证测试。

基于模型的系统工程（MBSE）和多学科设计优化（MDO）的结合是新的性能集成开发方法，是性能集成开发的趋势和方向，从逻辑建模及量化分析的角度为性能集成开发提供了数字化支撑。

某汽车研发单位性能开发主线业务蓝图

安怀信以数字主线技术结合基于模型的系统工程（MBSE）方法论，并在华为统一数字底座基础上保证权威数据源，进行指标参数全链条数字化贯通，有效解决数据之间的一致性和冲突分析，形成数字化闭环，能够更有效率更科学进行决策。最终可以提高性能开发过程的可视化、可理解性、可追溯性和一致性，以及系统的交互性和可重用性。