復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)架構(gòu)分析與需求追溯

羅利杰 王曄云 李鑫

摘要：研發(fā)與設(shè)計(jì)是先進(jìn)復(fù)雜系統(tǒng)工程實(shí)施落地的核心活動(dòng)，而數(shù)字化平臺(tái)是融合軟件與算力，推動(dòng)業(yè)務(wù)變革、能力提升的重要支撐。復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)架構(gòu)需滿足設(shè)計(jì)提質(zhì)增效、科研重點(diǎn)突破、管理統(tǒng)合綜效、流程創(chuàng)新優(yōu)化等多個(gè)維度的需求，從6W2H方法論出發(fā)，結(jié)合研發(fā)項(xiàng)目任務(wù)特點(diǎn)探討了平臺(tái)構(gòu)成要素和需求與架構(gòu)要素的追溯關(guān)系，是后續(xù)做深做實(shí)，推進(jìn)正向科研數(shù)字化平臺(tái)建設(shè)的輸入與參考。

關(guān)鍵詞：正向研發(fā)；復(fù)雜系統(tǒng)；數(shù)字化轉(zhuǎn)型；架構(gòu)分析

一、前言

中國核電工程有限公司是中核集團(tuán)大型核電站及后處理廠的牽頭單位、總包單位和核心研制單位，業(yè)務(wù)涉及新堆型設(shè)計(jì)、核電站設(shè)計(jì)、后處理廠設(shè)計(jì)及各種科研項(xiàng)目。設(shè)計(jì)任務(wù)復(fù)雜、工作量大、設(shè)計(jì)時(shí)間緊、任務(wù)重。如何高質(zhì)量、低成本、短交貨期及個(gè)性化地完成各型研制任務(wù)，已經(jīng)成為核電工程公司獲取新競爭優(yōu)勢的緊迫性問題。目前，國內(nèi)越來越多的企業(yè)正在通過數(shù)字化轉(zhuǎn)型來加快產(chǎn)品系列化和多樣化的開發(fā)周期，大大降低企業(yè)的設(shè)計(jì)成本，提高企業(yè)的競爭力和應(yīng)變市場的能力。本文從6W2H的維度來分析數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)建設(shè)工作，如圖1所示。

二、數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)架構(gòu)要素

（一）確定目標(biāo)、選擇對(duì)象（Which）

數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)包括：

1.基于創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)構(gòu)建制造強(qiáng)國

數(shù)字化企業(yè)的第一目標(biāo)，是構(gòu)建基于正向研發(fā)的設(shè)計(jì)能力，實(shí)現(xiàn)中國企業(yè)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

2.利用數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)彎道超車

相對(duì)于先行了幾十年的國外制造企業(yè)，中國企業(yè)在數(shù)字化、模型化技術(shù)方面有能力、有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)彎道超車。

3.國防軍工“數(shù)字工程”建設(shè)基礎(chǔ)

以美國國防部“數(shù)字工程”為代表的新一代國防體系建設(shè)，目的是構(gòu)建起國防部與眾多研究機(jī)構(gòu)的數(shù)字化共享平臺(tái)。中國推動(dòng)的數(shù)字化企業(yè)也在很大程度上是“數(shù)字工程”實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)手段。

核化工、核電屬于流程制造業(yè)。不同于航空、航天等離散制造業(yè)，核化工、核電還涉及核物理、核化工方向，具有高放射及核安全的特殊性。同時(shí)，核化工廠、大型核電廠的工廠級(jí)系統(tǒng)具有更大的規(guī)模，往往具有邊設(shè)計(jì)、邊建造的特點(diǎn)。因此，核電和核化工的研發(fā)數(shù)字化必須全盤考慮，分步實(shí)施，與航空、航天有所區(qū)別。本文選擇核工程作為研究對(duì)象。

（二）選擇原因、發(fā)生原因（Why）

正向設(shè)計(jì)表現(xiàn)為一個(gè)完整的“V”字模型，從涉眾需求開始，經(jīng)過需求定義、功能分解、系統(tǒng)綜合、物理設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品試制、部件驗(yàn)證、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)驗(yàn)證、系統(tǒng)確認(rèn)、產(chǎn)品驗(yàn)收全過程，完全用數(shù)字化模型表達(dá)產(chǎn)品的所有信息，如圖2（左）所示。

通常來說，企業(yè)發(fā)展都會(huì)經(jīng)歷一個(gè)逆向工程過程。產(chǎn)品設(shè)計(jì)起始點(diǎn)不是涉眾需求，而是從V模型中間某個(gè)點(diǎn)開始?！拔锢碓O(shè)計(jì)”是中國企業(yè)的常見起點(diǎn)。本模式仿照已經(jīng)存在的產(chǎn)品，完成圖紙繪制，進(jìn)入試制和驗(yàn)證各階段，完成產(chǎn)品交付或推向市場。V模型的右邊出現(xiàn)問題時(shí)，由于沒有左邊可對(duì)應(yīng)，所以只能回溯到前一階段查詢和解決問題。當(dāng)回溯到物理設(shè)計(jì)階段仍然解決不了問題時(shí)，那就成為永遠(yuǎn)的問題。清醒的企業(yè)會(huì)有意識(shí)地“補(bǔ)課”，研究物理設(shè)計(jì)之前的各個(gè)過程，以圖追溯和還原仿制對(duì)象的本源。當(dāng)然，這樣只能還原部分本源，以上過程稱為“逆向工程”，如圖2（右）所示。現(xiàn)階段，中核工程研發(fā)板塊大部分仍處于逆向工程過程，本文希望通過建設(shè)數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)提升中核工程“正向工程”研發(fā)能力。

（三）內(nèi)容、本質(zhì)、功能（What）

科技創(chuàng)新是核工業(yè)的立業(yè)之本，是核工業(yè)發(fā)展之魂，是實(shí)現(xiàn)中核集團(tuán)“三位一體”戰(zhàn)略目標(biāo)的動(dòng)力之源，以科技創(chuàng)新推進(jìn)核工業(yè)全鏈條主要環(huán)節(jié)智慧院所建設(shè)，提升科研設(shè)計(jì)數(shù)字化智能化水平，助力完善核科技創(chuàng)新能力體系建設(shè)。

實(shí)現(xiàn)“對(duì)象數(shù)字化、過程數(shù)字化、規(guī)則數(shù)字化”是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。過去開發(fā) IT 系統(tǒng)只是為了固化流程、規(guī)范業(yè)務(wù)，因此需要一個(gè)又一個(gè)“煙囪式”的 IT 系統(tǒng)滿足各個(gè)垂直領(lǐng)域的訴求?，F(xiàn)在通過建設(shè)數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)把流程中的過程數(shù)字化、業(yè)務(wù)規(guī)則數(shù)字化、業(yè)務(wù)對(duì)象數(shù)字化，不僅能實(shí)現(xiàn)從線下到線上的轉(zhuǎn)變，還能快速按需編排，支撐業(yè)務(wù)不斷創(chuàng)新[1]。

在正向設(shè)計(jì)體系建設(shè)過程中，將利用先進(jìn)的創(chuàng)新方法、設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)提升產(chǎn)品的性能，實(shí)現(xiàn)從跟蹤研仿向自主創(chuàng)新的轉(zhuǎn)變。正向變革的驅(qū)動(dòng)力是模型，模型工程是其核心手段。正向變革的過程就是一系列基于模型的工程執(zhí)行過程。數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)的功能需借助基于模型的系統(tǒng)工程方法（MBSE），開展需求管理系統(tǒng)、流程驅(qū)動(dòng)參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)、產(chǎn)品研發(fā)數(shù)據(jù)管理等共性系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)，開展核心工業(yè)軟件自主開發(fā)與應(yīng)用，以及示范工程項(xiàng)目建設(shè)，實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)一架構(gòu)模型的跨專業(yè)數(shù)字化研發(fā)、專業(yè)集成和樣機(jī)協(xié)同，數(shù)據(jù)共享如見圖2所示。

（四）著手點(diǎn)（Where）

“Where”在項(xiàng)目管理中不僅決定了項(xiàng)目的具體實(shí)施地點(diǎn)，還會(huì)影響資源的獲取與利用。通過明確“Where”，可以更好地了解項(xiàng)目周邊的環(huán)境和條件，從而制定出更合理的計(jì)劃。例如，明確資源的分布情況，能幫助項(xiàng)目更高效地調(diào)配物資和人力。

數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)建設(shè)工作圍繞系統(tǒng)工程核心——研發(fā)過程與科研管理雙流程推進(jìn)，基于先進(jìn)的模型系統(tǒng)工程（MBSE）平臺(tái)軟件，充分吸收相關(guān)行業(yè)、案例數(shù)字化轉(zhuǎn)型的良好實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在解決科研任務(wù)需求、推進(jìn)科研課題各項(xiàng)工作的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)正向協(xié)同研發(fā)“V”字技術(shù)流程數(shù)字化轉(zhuǎn)型，建立總體能力和各專業(yè)的引領(lǐng)能力，實(shí)現(xiàn)每個(gè)專業(yè)都具備總體能力及各專業(yè)的引領(lǐng)能力。

（五）完成時(shí)間、時(shí)機(jī)（When）

為深入貫徹黨中央、國務(wù)院關(guān)于加快發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)決策部署，全面落實(shí)上級(jí)部委相關(guān)要求，加快推進(jìn)數(shù)智技術(shù)與核科技產(chǎn)業(yè)深度融合，構(gòu)筑數(shù)字時(shí)代核工業(yè)競爭新優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)數(shù)字核工業(yè)建設(shè)目標(biāo)。中核集團(tuán)發(fā)布了《中核集團(tuán)數(shù)字化轉(zhuǎn)型三年行動(dòng)方案（2023年—2025年）》。相關(guān)部門完成了數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)建設(shè)策劃方案。中核工程核化工院組建了數(shù)字化轉(zhuǎn)型領(lǐng)導(dǎo)小組及數(shù)字化推進(jìn)工作組，工作組的職責(zé)之一是負(fù)責(zé)組織開展核化工院數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)建設(shè)和維護(hù)，在項(xiàng)目實(shí)施中關(guān)注項(xiàng)目啟動(dòng)、任務(wù)期限、時(shí)間節(jié)點(diǎn)、資源分配、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和項(xiàng)目結(jié)束等時(shí)間。借助項(xiàng)目管理工具規(guī)劃和跟蹤，合理規(guī)劃，提高效率，避免延誤。

（六）機(jī)構(gòu)、組織、關(guān)聯(lián)人（Who）

數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)建設(shè)的相關(guān)組織機(jī)構(gòu)包括業(yè)務(wù)部門（核化工院）、信息化部門（數(shù)字化工程技術(shù)中心）和管理部門（科技部）。

中核工程承擔(dān)了大量科研工作，建設(shè)有科研管理信息系統(tǒng)。傳統(tǒng)信息化工作模式中，由信息化部門統(tǒng)一負(fù)責(zé)、組織業(yè)務(wù)開展需求梳理、系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用，存在信息化建設(shè)和型號(hào)應(yīng)用“兩張皮”的現(xiàn)象。因此，將數(shù)字化推進(jìn)工作的牽頭部門明確為科研生產(chǎn)管理部門，在轉(zhuǎn)型過程中，業(yè)務(wù)部門與 IT 部門應(yīng)該緊密結(jié)合，組建業(yè)務(wù)與 IT 一體化團(tuán)隊(duì)，瞄準(zhǔn)業(yè)務(wù)問題，找準(zhǔn)轉(zhuǎn)型的突破口并開展工作，徹底改變“企業(yè) IT 部門跟業(yè)務(wù)部門兩張皮”的現(xiàn)狀[2]。在面對(duì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中組織架構(gòu)、職能定位和專業(yè)團(tuán)隊(duì)的變化時(shí)，相關(guān)部門統(tǒng)籌謀劃、主動(dòng)作為，形成“新組織”。

（七）如何提高建設(shè)效率（How to do）

戰(zhàn)略引領(lǐng)、統(tǒng)籌推進(jìn)。以集團(tuán)公司“三位一體”戰(zhàn)略目標(biāo)為引領(lǐng)，對(duì)齊主責(zé)主業(yè)，瞄準(zhǔn)業(yè)務(wù)能力提升，堅(jiān)持系統(tǒng)觀念，統(tǒng)籌全局、全要素，強(qiáng)化集團(tuán)公司“十四五”信息化規(guī)劃的落地執(zhí)行。

突出重點(diǎn)，試點(diǎn)示范。圍繞科研設(shè)計(jì)核心業(yè)務(wù)，梳理數(shù)字化轉(zhuǎn)型場景，依托試點(diǎn)課題，從典型場景轉(zhuǎn)型切入，制定轉(zhuǎn)型標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，推進(jìn)建設(shè)任務(wù)，突破業(yè)務(wù)重要節(jié)點(diǎn)，依托工程或項(xiàng)目形成示范落地，確保同類場景數(shù)字化轉(zhuǎn)型目標(biāo)高效達(dá)成。

先進(jìn)可靠，安全高效。引入先進(jìn)成熟的數(shù)字技術(shù)，并用在適合的業(yè)務(wù)場景，堅(jiān)持?jǐn)?shù)字化建設(shè)與安全防護(hù)措施同步，確保核心信息資產(chǎn)不外泄，系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

在轉(zhuǎn)變運(yùn)作模式時(shí)，避免一次性投入過大，通過小步迭代的方式進(jìn)行驗(yàn)證和推進(jìn)。建立“建用協(xié)同”的兩化融合組織管理體系，由業(yè)務(wù)主管部門組織各崗位一線人員梳理需求和基于模型的業(yè)務(wù)流程，信息化部門負(fù)責(zé)軟件工具建設(shè)和統(tǒng)籌管理，再由業(yè)務(wù)部門組織應(yīng)用和持續(xù)改進(jìn)。該種組織管理模式的調(diào)整充分調(diào)動(dòng)了全員開展數(shù)字化工作的積極性，有利于提高數(shù)字化成果的實(shí)際應(yīng)用效果。

（八）需要多少資源（How much）

系統(tǒng)建設(shè)主要關(guān)注的是資源的數(shù)量和成本。在項(xiàng)目管理中，通過明確“How much”，可以更好地對(duì)時(shí)間、成本、人力、材料、設(shè)備等方面進(jìn)行評(píng)估和規(guī)劃，通過合理規(guī)劃和持續(xù)監(jiān)控，能夠提高項(xiàng)目資源利用效率，降低風(fēng)險(xiǎn)，確保項(xiàng)目在預(yù)算范圍內(nèi)順利完成。

首先，時(shí)間是項(xiàng)目管理中的關(guān)鍵因素。確定項(xiàng)目的時(shí)間需求，包括各個(gè)階段和任務(wù)的預(yù)估時(shí)間，有助于合理安排工作進(jìn)度。同時(shí)，成本控制也是項(xiàng)目管理的重要環(huán)節(jié)。明確項(xiàng)目的總預(yù)算以及各階段和任務(wù)的成本分配，能夠有效避免預(yù)算超支。人力資源的合理規(guī)劃同樣不可或缺，明確所需人員的數(shù)量和技能，有助于提高團(tuán)隊(duì)效率。此外，對(duì)材料和設(shè)備的需求評(píng)估以及風(fēng)險(xiǎn)管理的成本考慮，都直接關(guān)乎項(xiàng)目能否順利進(jìn)行。

然而，實(shí)際情況中，“How much”的確定往往面臨諸多挑戰(zhàn)。市場行情的波動(dòng)、任務(wù)分解的不確定性以及風(fēng)險(xiǎn)的不可預(yù)測性等因素都可能導(dǎo)致預(yù)算的偏差。因此，在項(xiàng)目執(zhí)行過程中，需要持續(xù)監(jiān)控和調(diào)整“How much”，以確保項(xiàng)目在資源限制內(nèi)順利完成[3]。

中核工程為了更準(zhǔn)確地確定“How much”，采用多種方法，如精細(xì)化的成本估算、資源需求分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等。同時(shí)，建立有效的溝通機(jī)制和團(tuán)隊(duì)協(xié)作，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行調(diào)整。

三、數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)需求評(píng)估

為實(shí)現(xiàn)研發(fā)過程與科研管理雙流程推進(jìn)，擬以先進(jìn)的模型系統(tǒng)工程（MBSE）平臺(tái)軟件作為數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)架構(gòu)框架，充分吸收相關(guān)行業(yè)、案例數(shù)字化轉(zhuǎn)型良好實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)正向協(xié)同研發(fā)“V”字技術(shù)流程數(shù)字化轉(zhuǎn)型，建立總體能力和各專業(yè)的引領(lǐng)能力，實(shí)現(xiàn)每個(gè)專業(yè)都具備總體能力及各專業(yè)的引領(lǐng)能力。結(jié)合設(shè)計(jì)提質(zhì)增效、科研重點(diǎn)突破、管理統(tǒng)合綜效、流程創(chuàng)新優(yōu)化等多維度的需求，形成如下平臺(tái)效能指標(biāo)及具體要求：

高效性：核化工院數(shù)字化MBSE研發(fā)平臺(tái)通過建立全面的數(shù)字化模型，能夠提高研發(fā)過程的效率和準(zhǔn)確性，幫助工程師在設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化過程中快速獲取和分析數(shù)據(jù)，從而節(jié)省時(shí)間和資源。

成本效益：該平臺(tái)可以降低研發(fā)過程中的成本，通過提供模型驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和仿真工具，減少了傳統(tǒng)試錯(cuò)方法所需的實(shí)驗(yàn)和實(shí)際測試成本。此外，數(shù)字化平臺(tái)還可以提高項(xiàng)目管理效率，減少人力和物力資源的浪費(fèi)。

質(zhì)量提升：數(shù)字化MBSE平臺(tái)可以提供更精確和全面的設(shè)計(jì)和分析結(jié)果，幫助工程師更好地理解系統(tǒng)的工作原理和性能特征。通過在早期進(jìn)行模型驗(yàn)證和優(yōu)化，可以顯著減少設(shè)計(jì)缺陷和錯(cuò)誤，提高系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性。

知識(shí)管理：數(shù)字化MBSE平臺(tái)可以集成和管理大量的設(shè)計(jì)和仿真數(shù)據(jù)，形成一個(gè)知識(shí)庫，方便工程師進(jìn)行知識(shí)共享和團(tuán)隊(duì)協(xié)作，有助于避免重復(fù)工作、提高知識(shí)的積累和傳承，提高整體研發(fā)效率和質(zhì)量。

靈活性和可擴(kuò)展性：核化工院數(shù)字化MBSE研發(fā)平臺(tái)應(yīng)具備良好的靈活性和可擴(kuò)展性，以適應(yīng)不同項(xiàng)目和領(lǐng)域的需求[4]。它應(yīng)該支持各種核化工設(shè)計(jì)和仿真工具的集成，同時(shí)允許用戶根據(jù)需要定制和擴(kuò)展功能。

綜上所述，核化工院數(shù)字化MBSE研發(fā)平臺(tái)具有成本效益高、質(zhì)量提升、知識(shí)管理到位以及高效、靈活和可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使數(shù)字化MBSE研發(fā)平臺(tái)具有良好的性價(jià)比。

四、結(jié)語

通過上面6W2H分析，得出了數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)的建設(shè)方案：

總體上，中核工程規(guī)劃通過“三部曲”推進(jìn)MBSE數(shù)字化協(xié)同研發(fā)平臺(tái)的建設(shè)。

第一步，采購成熟的數(shù)字化協(xié)同研發(fā)平臺(tái)產(chǎn)品軟件，搭建軟件基礎(chǔ)環(huán)境。

第二步，充分利用研發(fā)平臺(tái)軟件，結(jié)合科研項(xiàng)目及型號(hào)，定義系統(tǒng)工程全過程的參數(shù)化模型，對(duì)各學(xué)科專業(yè)產(chǎn)生的數(shù)字化進(jìn)行全面管理，形成數(shù)字化總線及數(shù)據(jù)中心。

第三步，將核電工程有限公司的科研項(xiàng)目及型號(hào)研制過程全方位從線下轉(zhuǎn)到線上，提升數(shù)字化研發(fā)效率和質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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作者單位：羅利杰、李鑫，中國核電工程有限公司、中核核燃料后處理工程技術(shù)研究中心、中國核設(shè)施退役與放射性廢物處理工程技術(shù)研究中心；王曄云，中國核電工程有限公司

■ 責(zé)任編輯：張津平、鄭凱津