实例化

若果在复杂系统中安装了同一类型的多重部件，就用实例来区 分相同的部件。由于多种原因，数字化模型的实例化具有重大 意义。在复杂的产品和系统（比如机器、船舶和飞机）中，

必须能够追溯和分别识别安装在多个位置的相同部件。 比如，

在船舶上，一个特定类型的部件（比如泵 4711 D（零件编号 和变更索引号）可以安装在不同的位置，有不同的参数（比 如维护信息和供应商）。通过一个序号来检索各种实例，这个 序号用零件编号和版次 / 版本来明确标识该实例。重要部件按 件追溯，因此每个零件都有一个序号和一个零件编号，从而 形成零件的完整文件。船舶中的泵以上下文特定的方法来标 识，将相关实例（零件编号、版次 / 版本、序号）分配给船 舶的序号（图 14）。

图

14： 类型和实例之间的关系，通过序号区分

如果安装位置不重要，一般通过序号实例化就足够了。大系 列产品的序号通常只在最高层次分配。在电子领域，经常通过 位置标记来进行实例化，因为相关部件的位置与装配过程相 关。 在示意图 / 布置图和 BOM 里面，往往通过附加位置标记 来识别相同的位置（比如：一个容量相同的冷凝器有一个零 件编号，一个版次号 / 版本号，一个名称和安装位置 C1, C2, C3等等）。现在，工业 4.0 首先从面向服务的业务模型中产生 了新的需求，要求通过上下文援引安装位置和产品来实现实例 化。传感器提供的值只能在上下文中解释（图 15）。

图 15：类型和实例之间的关系，通过位置标记区分

5. 产品和过程模型的数字化

　ysLM 支持基于模型的系统工程（MBSE）方法，在概念 PDP 阶段早期主要通过一种系统化、跨学科设计方法（见

图 17： 数字母模与数字双胞胎之间的关系 ^[VPE]

在理论上，数字母模为订单中性，而数字双胞胎是已交付产 品的虚拟图像。不过，在现实中有很多取决于生产类型的混 合形式：

　MTS（按库存生产）

MTS 一般用于散装货物和消费品，指完全隔离订单中性开 发和取决于预测的生产。

　CTO 或 ATO（按单配置或装配）

只有在生产部门收到个别客户需求后才确定特定变型。

　CTO 和 ATO（按单配置和按单装配）

在一个基于模块化或变型概念的终端产品有多重替代时适 合使用 CTO 和 ATO。工程、设计、采购和生产领域一般 采用订单中性工作方式。最终装配生产和配送具有客户特 定性，因此也具有订单特定性。

　ETO （按单工程）

在收到来自开发和设计过程的客户订单之后会立即触发 ETO。开发有时是订单中性，有时是订单特定。在按单工 程中，工程、采购、生产、最终装配和配送一般都具有订 单特定性。这一生产原则最适合于客户特定产品。客制生 产会将标准化降到很低的水平。

如图 17 所示，另一个重要的差异化特征是追溯实际和虚拟实 例（数字双胞胎）。在航空航天等个别行业，通过一个服务过 程实施的每项变更都必须记录在数字双胞胎中。其它行业 – 尤其是非常强调安全或服务的行业 – 目前正在讨论数字双胞 胎永久匹配的技术可行性和经济优势。图 18 显示了传输到其 它术语的“数字母模”和“数字双胞胎”这两个术语。

图 18： 数字母模与数字双胞胎之间的关系 ^[VPE]

6. 产品结构今后将如何变化？

6.1 跨学科性、集成和联合

跨学科性与集成要求在全产品生命周期中（从需求分析、产品 开发、生产计划和制造到运行、服务、备件供应及回收）为 工程提供支持。从组织和技术角度而言，所有学科（机械、

电气和电子工程、软件与服务）和所有业务单位也需要这样的 支持（图 19）。

图 19： 跨学科、集成并且联合的产品生命周期 来源： ^[21]

一个跨学科产品结构要求对全产品生命周期和各个学科的不 同创建系统进行有意义的集成，尤其在 PDP 的早期设计阶段

（见第 6.4 节）以及用于机械、电气和电子工程及软件开发

（CASE）的 CAD 和 CAE 应用。须特别注意机械工程、电子 工程、软件及服务中开发过程的多样性。机械产品工程以第 4 节中描述的层级物料清单为基础。软件和电子开发、生产计划 和服务描述采用不同的结构方法。现在主要在开发 / 设计、生 产计划和制造阶段查看产品结构。现在出现了这样一个明显 趋势，即将 SysLM 解决方案中的早期概念阶段与开发 / 设计 之后的产品生命周期阶段集成在一起，包括生产计划、制造 和服务支持。

术语“联合”指在各个内外组织单位和 IT 解决方案中管理产 品结构的组成部分而不丧失总体连接性的组织和技术能力。

6.1.1 软件

图 20 所示为一个由可以独立修改的各个组件（A、B 等）组 成的软件产品。在特定版本中选择个别组件会创建软件产品 的一个新状态（建造）。

软件一般在支持各种替代版本的版本控制系统中开发。“主 干” 指持续的主要开发路径。所有变更都记录在主干里面。此 外，还可以在开发的各个阶段进行去耦处理，然后作为一个 单独的“分支”继续。这用于表示永久性的小变更，比如一 款专门为一个不同国家开发的软件。尽管如此，一个分支还可 以显示一个短期性质，以便开发和测试新的构件，然后将其 部署到软件中。因此，还可以将一个分支重新与主要开发路 径或主干结合起来。这样将两个版本中的变更结合起来就成 为“合并”。

图 20： 不同软件构件的配置 来源： ^[36]

6.1.2 电气 / 电子工程

电气和电子工程具有多种应用状态（见 图 21）。

图 21：各种类型的电气 / 电子工程应用

马达控制器及其连接的传感器和执行器以及能源供应装置位 于电路的最高层次。控制器本身一般安装在一个电路板上。

电路板是自由电路的一种更高级形式，以紧凑、牢固和刚性 方式固定各个（离散）电气和电子部件。由于这一特定形式，

电路板代表 E-CAD 工具分类的第二个层次。这也被称为 PCB

（印刷电路板）设计。在下一个层次，我们分会发现集成电 路（芯片） 。与在电路板中一样，集成电路的构件（晶体管、

电容器和电阻器）彼此紧密连接。不过，这样（只）直接将 数字构件连接固定到基板上，密度要高很多。外部连接采用 针状物，以便接触电路板以及附加的离散构件。这三个层次 代表了在电气和电子工程中分别通过电气设计、电路板设计和 芯片设计创建电路板的三个选项。在这些层次的工程和生产 过程各不相同，由用于电气电子开发的不同类别的过程模型、

方法、描述性形式体系和 IT 工具提供支持。一个典型例子就 是电气电子物料清单的实例化，实例化部件连同各自的安装位 置被发送给机器。在芯片和嵌入系统的设计中，重点是正式 的硬件设计语言（HDL） ，而不是像电气和离散电子工程中的 E-CAD 系统的图形输入。这些语言包括 SystemC、VHDL 和 Verilog，可用于描述和仿真集成电路上的操作及其设计。

6.1.3 与产品相关的服务

面向服务的业务模型是工业 4.0 或者务联网的典型业务模型

（见图 3 和图 4） ，要求在产品开发早期集成与产品相关的服 务和服务提供。这些服务一般基于部件的通信能力。这与预 测性维护、备件供应或者废物处置优化等服务类型无关（如 图 22 所示）。

图 22： 废物处置中的产品与工程服务^[VPE]

即使在本例中，也是用网络建模语言来描述服务。业务过程 科产品、项目和组合（ISO26550 系统及软件产品线工程的参 考模型。变型和模块化系统尽管在硬件开发领域仍然相对较

图 25：将 SPES 与 VDI 2221 结合，创建一个扩展的 V 模型 来源：^[25][26]

图 24：产品线工程（PLE）与系统建模（MBSE）之间的相互作用

6.4 在产品生命周期早期阶段（上游过程）的产品结构

因工业 4.0 而成为可能的产品、越来越高的数字化程度以及相 关工程过程要求更多地专注于 PDP 的早期阶段。与要求的跨 学科性一起，基于模型的系统工程（MBSE）产生了新的产品 开发方法，为开发复杂的机电一体化和网络电子产品提供了完 美条件，从而产生了被管理并且受制于工程过程的新模型元 素，包括需求、功能、行为、逻辑结构、测试及使用案例以 及利益相关方。通过在早期使用这些建模语言，可以解决在 早期开发过程中集成各个学科的问题，定义指定对象类别之 间的关联关系，描述一个跨学科系统架构。对于虚拟开发而 言，基于模型的一致开发过程至关重要，因此是优化机电一 体化尤其是网络电子产品和系统时面临的一大挑战。基于模 型的系统工程方法有助于简要 描述一个跨学科产品。VDI 2206 指南定义了一种用于开发机电一体化系统的系统化方 法。这里的重点在“V”的左侧，用基于模型的系统工程工具 来扩展它。由德国联邦教育与研究部发起并由西门子配合实 施的 mecPro² 研究项目将用于嵌入式系统的软件平台方法

（SPES）与机械工程的设计方法（VDI2221）结合在一起（图 25），从而扩展了“V”模型 ^[25]。

马数字建模分为三个可识别的层次（图 26）：

　建模与规定：

一个系统通过定性模型进行描述。这些包含需求、功能、

行为或逻辑的系统结构。这些模型具有描述功能，不能被 仿真。合适的创建工具包括用于描述语言的图形编辑器，

比如基于 UML 的一个扩展功能的 SysML。

　建模及初始仿真和验证：

这一层次是开发大部分属于定量的可仿真模型，比如合并 了多学科的多物理场仿真模型。在这一层次的创建工具包

这一层次是开发大部分属于定量的可仿真模型，比如合并 了多学科的多物理场仿真模型。在这一层次的创建工具包