模型與數據融合驅動的物流裝備數字化系統工程研究

文 / 岳華

隨著國內智能制造發展，物流裝備在數字化、智能化方面也將面臨著更大挑戰。目前，國內的物流裝備已基本實現自動化，但依舊存在物流設備定制化程度過高的問題，無法實現標準化物流裝備產品的生產和安裝使用，導致試錯成本過高，對項目前期的需求調研和項目實施方的依賴性較大。面對激烈的市場競爭，以及不斷變化的市場需求，物流裝備需要與數字技術進行融合，利用數據與模型驅動物流裝備的數字化系統工程的建設，通過完成物流裝備數字化，實現物流裝備在整個物流行業內的生態圈，實現各物流裝備的無縫銜接，縮短項目現場的設備安調周期，提高項目交付能力。

一、面臨的問題

物流裝備的系統工程設計是一項包含多學科、多專業較為負責的系統工程，對技術難度、研發投入都有著較高要求，同時還需考慮數據安全性、研發環境、企業內部各業務之間的協同問題。智能化和數字化是物流行業發展的必經之路，在這個數字化轉型的關鍵時刻，明確物流裝備的數字化系統工程設計需求，就需要對現狀進行分析。當前的物流裝備行業存在以下問題：

企業內部無法實現在設計過程中保障設計信息的完整性、一致性，缺乏較好的分析平臺和分析手段，無法對當前數據信息之間的關系進行評估和確認。對文檔的信息過于依賴，但是文檔中的信息和數據又存在可利用價值不高的情況，出現數據的分析不徹底，導致設計環節容易出現問題，影響到整個物流裝備產品的設計、開發、制造等過程，產品的質量和生產效率就容易出現過于依賴于人工經驗進行判斷。再加上各專業、各業務之間的信息壁壘、部門墻等問題，對設計人員的綜合能力要求過高，從而造成理解上的偏差，最終表現形式為設計需求和最終的產品交付存在較大的差異。

物流裝備實際是一個集成框架產品，應用場景和使用范圍也會根據需求的不同，同一類型的不同產品有著不小的設計差異。各個獨立的物流裝備之間需要系統、硬件、基礎設備、通訊協議等元素的相互作用才能發揮出實際的能力，但是僅通過圖紙、文檔來進行展示，基本無法實現設備之間的實際運行情況。這導致整個物流倉儲項目中涉及的各功能物流裝備之間的相互協同、動作響應就比較復雜，從而導致各物流裝備在項目現場運行時，前期調試時間過長，僅能保證設備進點前，各系統間的相互調用，無法保證設備間的協同能力滿足條件，進一步導致項目交付時間無法控制，為企業帶來成本增加的風險。

物流裝備的系統工程存在多需求、高要求的情況。對產品的設計的流程容易出現前期溝通不到位的問題，在后續設計中反復變更需求，影響設計交付節點，基本是通過利用設計文檔或者圖紙進行建模，無法從一個整體性、全局性的視角去對產品的全生命周期進行把控，無法了解當前哪個地方存在問題，使需求和設計相互接近，只能在產品設計完成交付時或者產品實物交付時才能發現問題，為企業帶來不小的損失。

物流裝備的設計、采購、生產、制造等階段涉及多部門協同，在這個過程之中，各部門之間存在著較多的動態的內部、外部接口，接口的存在也就意味著在物流裝備實物出現問題時，就會出現推諉責任、激化矛盾、風險失控等問題，最終還是會影響物流設備的項目現場進點時間。

二、MBSE 的應用現狀

MBSE（基于模型的系統工程）是現代系統工程的最新發展結果，近些年也已成為國內系統工程的研究重點，航天、航空、電子、物流等行業都在挖掘其適應自身應用場景的價值，也采購了相關的軟件工具，對該理念和思想進行應用實踐。

早在21世紀初，國際系統工程協會（INCOSE）就提出“基于模型的系統工程（MBSE）”的設計概念，MBSE的核心在于通過結構化的系統模型對設計給予支持，并將此概念貫徹到系統的整個生命周期中，MBSE利用模型規范和標準化系統工程的同時，對信息的獲取、分析、共享和管理與系統相關信息的能力進一步加強。

MBSE的概念能夠有效增強項目中各節點的溝通能力，利用MBSE的系統模型進行表達，能夠能加準確地從系統的需求、設計、功能、標準各個方面進行統一定義，相較于原先的設計需求文檔、分析文檔等資料來說，有利于讓設計人員對系統本身的各個組成部分有統一的理解，有效降低設計環節對設計人員的依賴性，提升產品設計的穩定性，也利于系統內部的數據采集和數據標準化工作的開展。

MBSE可以從不同的角度對系統模型進行檢驗，并且能夠提高對復雜系統的管理能力。系統模型由產品的需求、功能、設計、分析、標準、驗證等多個環節構成系統的全生命周期，能夠呈現出全面完整的系統可追溯性信息，進一步實現體系化的設計分析，降低因需求變更導致設計發生變更引起的不確定風險，實現降本增效、縮減設計周期的效果。

通過提高信息的標準化程度，增強設計分析過程中的信息獲取方式，系統設計是通過已經確定的需求按照設計要求，拆解到各個環節當中，設計過程中就涉及各專業之間的信息傳遞和處理?？梢岳酶拍畹男畔藴驶@一特性，提高設計需求信息、設計數據信息的獲取和處理效率。

利用模型驅動的方式，將實際的設計進行抽象化處理，并逐步固化下來，提高相關知識的儲備和信息管理能力。此時數據的獲取和利用則顯得尤為重要，系統將不斷累積起來的設計經驗、項目實施情況、客戶反饋中的信息和數據進行整理沉淀。在后續的設計過程當中將固化下來的可借鑒性的歷史經驗對設計方案進行優化，有效規避歷史風險項，從而真正做到提高設計效率，從原有的產品模型設計，提升為針對產品設計這一環節的業務建模，最大程度地發揮出信息、數據的復用價值。

三、未來設計模式展望

1.MBSE 的實踐流程

MBSE的概念可用于從需求、設計、研發、測試、運行到報廢的系統全生命周期當中，將系統的數據通過模型進行串接，能夠達到有效識別和規避重大的風險問題，有效降低產品風險。

系統模型分析過程如圖1所示，需要對整個設計過程中的運行場景、系統功能、邏輯架構、物理架構等逐步進行分析，各環節之間為相互依賴，需要通過不斷迭代、優化、升級，才能保證整個設計過程的流暢，從而保障系統信息鏈的完成性。

圖1 系統模型分析過程圖

物流裝備數字化系統工程的實施，需要在MBSE的核心理論基礎之上，結合物流裝備體系的實際情況，構建適合自己的開發總體需求開發流程。物流裝備的數字化系統工作流程，應從需求切入，開展設計、仿真、驗證等活動，輸出物則是滿足于客戶需求的智能物流裝備產品。需求管理的過程則是將原本復雜的需求進行簡化，實現可層層追溯的目的，將產品中的需求、研發、設計、驗證等工作按照項目層、產品層、系統層來進行拆分管理。其中每一層的管理過程相似，再通過不斷循環、迭代和驗證不斷地對產品進行優化調整，總體需求開發流程如圖2所示。

圖2 數字化系統工程總體需求開發流程圖

本文以用于物流裝備數字化系統工程試點項目的煙草配方庫項目為例，通過對工程項目進行產品化分析，總結項目中的共性因素，將組織資產進行沉淀，有效起到減少重復勞動的目的。利用試點項目分析現有的立庫系統架構，對設計思路、設計流程進行分析梳理，嚴格按照系統工程的分析過程，從需求為源頭，開展相關的設計、研發、驗證等工作，從而有效減少工程項目后期出現的迭代返工現象，實現縮減項目交付周期的目的。

2.運行分析建模

通過建模，利用配方庫中現有的配方庫物料流、原料信息流、配方庫信息流、緊急補料信息流等信息流，將各業務模塊進行關聯，將配方庫的業務流轉過程進行梳理，形成直觀的運行分析建模，幫助設計師對整個煙廠整體業務流程進行充分理解，也能夠進一步明確客戶需求，提高溝通業務需求的溝通效率。如圖3所示。

圖3 配方庫運行分析建模

3.系統分析建模

經過配方庫的總體設計需求進行確認后，為滿足客戶對配方庫的使用需求，從各應用系統層面，按照系統功能針對業務需求，進行系統分析建模。利用系統建模對內部功能以及功能之間的物料流和信息流進行重定義。如圖4所示。

圖4 配方庫系統分析建模

4.邏輯架構設計建模

通過系統層面的建模分析后，已經明確了配方庫所需的各系統功能模塊，此時按照功能屬性，結合實際配方庫的物理區域，對各功能分布區域進行劃分，將功能模塊按照業務屬性對應到收貨區、理貨區、立庫區、庫前區、交接區等功能分布區域。邏輯架構設計建模核心是確定各功能分區的分工，以及各功能之間流轉的物料流和信息流為依據，進一步明確數據標準，不斷提升項目運行過程中所產生的業務數據、管理數據的利用價值。如圖5所示。

圖5 邏輯構架設計建模

5.物理架構設計建模

通過之前三個層次的逐步建模后，已經對整個配方的從數據流轉、系統集成、功能邏輯等方面進行了確認，物理架構的設計建模，需要將對配方庫的物理組成結構進行確認，對功能模組進行定義，將具體的功能部署到功能硬件上，實現對最小采購單元賦予業務功能，進而明確其中的數據流和信息流的流轉情況，成功拉通各設備之間的物料流和信息流。如圖6～8所示。

圖6 物料架構設計建模（1）

圖7 物料架構設計建模（2）

圖8 物料架構設計建模（3）

最終通過四個設計建模階段構成配方庫的整個建模過程，MBSE的核心方法貫徹其中，利用MBSE技術為手段，實現對項目需求分析、方案設計與內容的標準化，既為今后相同項目的快速交付、更新迭代牢固基礎，又邁出了對物流裝備數字化系統工程的第一步。

四、總結

利用MBSE方法，明確客戶需求，在保障項目正常運行的情況下，杜絕出現堵點，能夠有效提高倉庫的運行效率，提升客戶使用體驗，并且能夠縮短項目的調試周期，對物流裝備系統工程的需求輸入進行數字化提升。與此同時，從整體性的角度出發，可避免各系統之間的單點信息孤立的現象，為項目中各業務節點之間的相互協同起到關鍵性作用，有效解決信息孤島的問題，利用數據與模型有效推進物流裝備數字化系統工程的實施。本次對物流裝備數字化系統工程的實施，還嘗試了對功能模組的標準化定義，包含功能、設備、接口、能力等，為各專業功能模產品的開發規范了范圍，為企業的定義標準化工作提供參考價值，也能夯實物流裝備系統工程的數字化實施基礎。

今后也將通過利用建立用于支撐數字化設計、制造以及交付的模型構建的標準化規范體系作為基礎，通過構建覆蓋物流裝備全生命周期的樣機和模型框架作為主線，構建出適合于企業發展、行業需求的數字化設計平臺作為支撐，實現設計、建模數據來源統一，提高物流裝備產品質量，產品、系統之間無縫銜接，縮減項目交付周期，提高項目校驗相率的企業目的，最終通過不斷的項目經驗積累和項目業務數據采集，以及對數字技術、MBSE概念的深化應用，構建出物流裝備數字化系統工程的標準化實施模式，助力建設物流裝備行業的協同生態圈。