《复杂装备系统数字孪生 赋能基于模型的正向研发和协同创新》方志刚编著|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《复杂装备系统数字孪生 赋能基于模型的正向研发和协同创新》

【作　者】方志刚编著

【页 数】 290

【出版社】 北京：机械工业出版社 , 2021.01

【ISBN号】7-111-66958-6

【分 类】制造工业-数字化-研究-中国

【参考文献】 方志刚编著. 复杂装备系统数字孪生 赋能基于模型的正向研发和协同创新. 北京：机械工业出版社, 2021.01.

图书目录：

《复杂装备系统数字孪生 赋能基于模型的正向研发和协同创新》内容提要：

本书理论高度和实战经验相结合，阐述新一代主流MBSE方法论，涵盖复杂系统全寿期管理、MBSE（基于模型的系统工程）、多学科建模仿真优化、协同快速迭代平台，构建赋能可持续的正向研发体系的核心，形成基于“数字孪生”系统为核心的新工业生态体系.

《复杂装备系统数字孪生 赋能基于模型的正向研发和协同创新》内容试读

Chapter1第1章

复杂系统研发模式变革一立本趋时，

数济天下

我常常期盼(它必须实现！)》

一个电子生态圈，我们自劳作中解放出来回归自然，

回到我们的哺乳动物兄弟姐妹身边，被那慈爱的机器照看。

-Richard Brautigan,

All Watched Over by Machines of Loving Grace,1967

易穷则变，变则通，通则久。

一《周易·系辞下》

本章导读

本章首先通过对人类科学技术和航天事业的历史和成就的回顾，引出现代航

天装备系统日益增加的复杂性，并以美国国家航空航天局(NASA)火星探测器

2复杂装备系统数字李生

赋能基于模型的正向研发和协同创新

“好奇号”为例，具体介绍系统复杂性的表现及成功应对这种复杂性的新一代数字化研发模式。

航天工程的发展离不开系统工程思想的成功应用，作为系统工程实施典范的诸多重大航天工程也在不断促进系统工程的标准化、体系化和成熟化。但随着现

代航天装备系统日趋复杂化和智能化，传统基于文档的系统工程(DBSE)方法已

难以满足要求，基于模型的系统工程(MBSE)方法日渐成为复杂产品背景下进行

协同产品开发的最佳方法，推动着系统工程领域的变革。以模型为中心的系统工程方法可以进一步拓展应用到所有的工程领域，实现整个生命周期的集成的基于

模型的系统工程(MBSE),进而实现全生命周期的协同产品开发、多学科多属性

的空间探索，以及基于数字线程技术的连续性闭环验证与确认。

传统的产品开发主要依靠物理试验，建模与仿真技术的广泛应用，实现了从“设计一试验验证一修改设计一再试验”反复迭代的串行研制模式到“设计一虚拟综合-虚拟试验一数字制造-物理制造”并行研制模式的转变。建模与仿真技术的终极应用是数字孪生，数字李生技术借助系统集成的多学科、多尺度的概率性仿真，使用最好的可用物理模型、更新的传感器数据和历史数据等来反映与该模型对应的物理实体全生命周期的真实特性，从而帮助企业在研发过程中发现潜在问题、激发创新思维、不断追求优化进步，成为制造企业迈向工业4.0战略目标的关键技术。

科学革命的本质是范式转换。图灵奖得主吉姆·格雷(Jim Gray)提出将科学研究分为四个范式，依次为实验科学、理论科学、计算科学和数据探索科学。以

大数据和人工智能(AI)为代表的第四范式，使人类从对因果关系的渴求，转而关

注数据的相关关系，进而使人类认知方式产生新的变革。进入21世纪，人类已具有使人工智能成为现实的手段，人工智能开始深刻影响人类社会的各个领域，包括复杂系统研发等工程领域。

国外已经开始探索研发体系的数字化转型。美国国防部(DoD)数字工程战略的核心是基于模型的方法在工程中的应用，并且融入高性能计算、大数据分析人工智能、自主系统和机器人等技术以提升工程能力，代表了数字化转型的最新实践。欧盟通过若干框架计划项目来实现研发模式的数字化转型，并特别强化了对环境和社会方面的考量，希望以此使欧盟在未来日趋激烈的国际竞争中保持领先地位。我国科技部支助的面向协同创新的集团企业研发设计资源集成和共享平台研究与应用项目（以下简称“研发设计资源集成共享平台项目”），正是我们面向复杂装备系统创新研发、继承及发展系统工程知识经验的尝试之作，寻求正确的流程、方法和工具。

数字化转型正当时。

第1章3

复杂系统研发模式变革一立本趋时，数济天下

1.1从伽利略到“好奇号”

1.1.1人类太空探索的历史和成就

人类社会的发展历程中，认识世界和改造世界始终是人类创造历史的两种基本活动。人类的活动领域经历了从陆地到海洋，从海洋到大气层，从大气层到宇宙空间的扩展过程。人类活动范围的每一次飞跃，都大大增强了人类认识自然和改造自然的能力，促进了生产力的发展和社会的进步，也帮助人类不断从必然王国向自由王国飞跃。在每一次飞跃中，科学技术都起到了至关重要的作用。

17世纪，伽利略第一个利用天文望远镜观测天体和大量天文现象，并从实验中总结出自由落体定律，开创了以实验事实为依据并具有严密逻辑体系的近代科学，证明了哥白尼“日心说”的正确性。伽利略主张用实验来认识自然规律，他承认物质的客观性、多样性和宇宙的无限性，这些观点对现代哲学也具有重要意义。后来，惠更斯继续了伽利略的研究工作，他导出了单摆的周期公式和向心加速度的数学表达式。牛顿在系统地总结了伽利略、惠更斯等人的工作后，在1687年出版的著作《自然哲学的数学原理》里，对万有引力和三大运动定律进行了描述，从而开创了牛顿经典力学体系，奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点，成为近代物理学和力学的基础。牛顿的万有引力定律和哥白尼的“日心说”奠定了现代天文学的理论基础，直到今天，人造地球卫星、火箭、宇宙飞船的发射升空和运行轨道的计算，都仍以之作为理论依据。

随着科技的进一步发展，人类认知不断产生新的飞跃。1859年达尔文出版了《物种起源》一书，以全新的生物进化思想，揭示了不同物种的变异是“自然选择”的结果，进化论的原则是“物竞天择，适者生存”。《物种起源》不仅开创了生物学发展史上的新纪元，使进化论思想渗透到自然科学的各个领域，而且引发了整个人类思想的巨大革命，在世界历史进程中有着广泛和深远的影响。1873年麦克斯韦出版《论电和磁》，预言了电磁波的存在，建立了电动力学和电磁场理论，并将电学、磁学、光学统一起来，与牛顿经典力学并称为经典物理学的两大支柱。1905年爱因斯坦发表了《论动体的电动力学》一文，提出了区别于牛顿时空观的新的平直时空理论，在相对性原理和光速不变原理的基础上，创立了狭义相对论，时间和空间都与物质运动相关，随着物质运动速度的变化而变化，空间和时间是物质存在的形式。狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系。1915年爱因斯坦又提出了广义相对论。相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念，给出了科学而系统的时空观和物质观，从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。1900年德国人普朗克

4复杂装备系统数字李生

赋能基于模型的正向研发和协同创新

发表论文“论正常光谱的能量分布定律的理论”，提出了量子假说，宣告了量子理论的诞生。爱因斯坦利用量子理论解释了光电效应，玻尔提出了有关原子的量子理论。量子力学标志着人类对客观规律的认识开始从宏观世界深入微观世界，与相对论共同构成了现代物理学的基本理论框架，深刻改变了人类认识世界的角度和方式。

关于人类的航天梦想，在我国古代就有“嫦娥奔月”的传说和“万户飞天”的故事。19世纪中叶，法国著名科幻作家凡尔纳的小说《从地球到月球》启发了现代航天先驱。进入20世纪，人类利用航天技术为探索宇宙的梦想而不懈努力。从1957年苏联发射第一颗人造地球卫星“斯普特尼克1号”(Sputnik-1)开始，在短短60多年的时间里，人类对太空的探索已取得了飞速发展一从人造卫星的应用到星际探索，从月球探险到火星、土星勘探计划再到彗星“深度撞击”。迄今为止，人类已经研制成功载人飞船、航天飞机等不同的载人航天器，将500多人送人太空，有12人登上月球，并已开始建造永久性载人空间站。2019年1月3日10时26分，我国“嫦娥四号”在月球背面成功软着陆。“玉兔二号”成为人类月面工作时间最长的月球车。

进入21世纪，在新一轮科技革命的推动下，人类航天事业更是阔步前行(图1-1)。2011年11月26日，NASA“好奇号”(Curiosity)火星探测器于从美国卡纳维拉尔角空军基地发射升空，于2012年8月6日成功降落在火星表面，展开火星探测任务。好奇号的主要任务是探测火星气候及地质，探测盖尔撞击坑内的环境是否曾支持生命，探测火星上的水，以及研究日后人类探索的可行性。2018年11月26日，“洞察号”(InSight)火星探测器成功着陆靠近火星赤道的Elysium平原西侧，并开始探测火星过去生成的过程、目前的地质活跃度以及陨石击中的频率。“毅力号”(Perseverance)火星探测器于2020年7月成功发射，预计2021年2月登陆火星，在火星的Jezero Crater火山口寻找古老的生命。发表在Icarus杂志上的一篇论文中提到，那里35亿年前就存在湖泊，火星探测器将在密封的管道中收集和存储岩石及土壤样本。关于火星是否拥有生命的谜底正在逐步揭开，登陆火星的梦想也将逐步实现。

SpaceX公司成立于2002年6月，是由埃隆·马斯克(Elon Musk)投资建立的一家美国太空运输公司。埃隆·马斯克是天才的创业冒险家和技术革新者。在马斯克的人生哲学中，他一直都在问自己同一个问题：“哪些事情最有可能影响人类的未来？”并且为此付诸实践。他说：“我想拯救人类，不是在开玩笑。”

埃隆·马斯克认为人类与其坐以待毙，不如成为多行星生物。马斯克的第一个目标是将100万人送上火星。事实上，他所有的商业布局都致力于这个目标：

第1章5

复杂系统研发模式变革一立本趋时，数济天下

太空运输公司SpaceX解决将人类送去火星，电动车公司Tesla解决火星移民后的交通和动力，太阳能系统公司Solar City解决去火星后的能源，研发超级隧道和胶囊列车的The Boring Company解决去火星后的运输，星链Starlink解决火星移民后的通信，在线支付服务商PayPal解决去火星后的商务，以及脑机接口研究公司

Neuralink应对超级人工智能的威胁。这些公司无一不在深刻影响着人类的现在和未来。

图1-1“好奇号”和“洞察号”火星探测器成功登陆火星

SpaceX公司自成立以来就在不断开创人类商业航天史的里程碑。2012年10月，SpaceX“龙”飞船将货物送到国际空间站，开启私营航天新时代。2015年3月，“猎鹰9号”火箭将世界上第一批全电动通信卫星送入预定轨道（图1-2）。12月，“猎鹰9号”火箭在成功将11枚微型通信卫星送入轨道后，将第一级火箭成功回收，这是“猎鹰9号”火箭首次实现发射、回收全过程，同时也是人类第一个可实现一级火箭回收的轨道航天器。2016年7月，SpaceX成功用“猎鹰9号”火箭将

一艘货运“龙”飞船送上太空。2017年3月，成功回收的“猎鹰9号”将卫星送

入轨道，成为人类首个成功再利用的运载火箭。2018年2月，在NASA的肯尼迪

航天中心，SpaceX成功发射猎鹰重型火箭一全世界目前最强大的运载火箭，将

一辆特斯拉超级跑车送到轨道，并完美地进行了回收。2020年2月，SpaceX的一枚“猎鹰9号”火箭发射了第5批60颗“星链”(Starlink)卫星，并成功将这批卫星送上太空。SpaceX计划于2024年发射载人航天器，并于2025年抵达火星，马斯克的愿望正在逐步实现。

在中国，第一颗人造地球卫星“东方红一号”于1970年在酒泉卫星发射中心成功发射，由此开创了中国航天史的新纪元。从1999年中国第一艘宇宙飞船“神舟一号”安全返回，到2003年“神舟五号”、2005年“神舟六号”飞船完成载人航行；从2007年中国发射了第一颗探月卫星“嫦娥一号”，到2019年“嫦娥四号”成功着陆在月球背面预选着陆区，并传回人类首张近距离月球背面照，实现“飞天

6复杂装备系统数字李生

赋能基于模型的正向研发和协同创新

探月，神州梦圆”（图1-3）；再到2016年，“天宫二号”空间实验室在酒泉卫星发射中心发射成功，中国空间站可能是未来世界唯一空间站：中国的航天科技一步一个新台阶，持续取得重大突破。

“长征五号”是目前中国运载能力最大的火箭，于2016年11月3日在中国文昌航天发射场成功发射（图1-4）。2017年7月2日，“长征五号遥二”火箭发射升空后，发动机局部结构出现故障未能将卫星送入预定轨道，任务宣告失败。继二次发射失败后，两年多来“胖五”团队夜以继日、负重前行，克服重重困难，细致梳理400多个重大关键环节，逐一进行复查复算，通过1000多项计算仿真和地面试验，最终于2019年12月27日成功发射，实现“浴火重生，凤凰涅繁”。“胖五涅槃重生的励志故事是人类伟大航天精神的生动展现，“胖五”的成功大幅提升了我国进入空间的能力，为中国探月工程三期、载人空间站工程和火星探测工程等国家重大科技工程奠定了重要基础。

SPACEX

图1-2“猎鹰9号”和“龙”飞船

图1-3人类首次！“嫦娥四号”登陆

图1-4长征五号系列运载火箭“胖五

月球背面

成功发射

人类航天事业的不断进步不仅极大地促进了生产力的巨大变革，改善了人类生活水平，促进了人与自然的协调发展，同时对人类的宇宙观和方法论也产生了

···试读结束···