摘要

隨著數(shù)字化轉型在工程領域的不斷深入，“數(shù)字主線（Digital Thread）”已成為企業(yè)在復雜產(chǎn)品開發(fā)中提升效率、質量與協(xié)同能力的重要概念。然而，在實踐中，許多所謂的數(shù)字主線仍停留在“信息數(shù)字化”或“數(shù)據(jù)關聯(lián)”的層面，尚未真正發(fā)揮其應有的工程價值。本文從工程決策與系統(tǒng)預測的角度出發(fā)，系統(tǒng)闡述數(shù)字主線的發(fā)展階段，并重點論證仿真驅動型數(shù)字主線在數(shù)字工程體系中的核心作用。

數(shù)字主線：從數(shù)字化到工程能力

在眾多行業(yè)中，團隊往往通過系統(tǒng)模型、設計模型、CAD數(shù)據(jù)或分析報告的集成來宣稱已構建數(shù)字主線。然而，數(shù)字化本身并不等同于能力提升。真正的問題在于：這些數(shù)字資產(chǎn)是否能夠持續(xù)支持工程決策？是否能夠在變更發(fā)生時，幫助團隊提前識別風險并權衡方案？

一個直觀的類比來自地圖應用的發(fā)展歷程。早期的紙質地圖解決的是“信息獲取”問題，數(shù)字地圖提升了可視化與更新效率，而真正改變出行方式的，是導航能力本身—基于實時數(shù)據(jù)進行路徑規(guī)劃、狀態(tài)預測與動態(tài)調整。工程領域的數(shù)字主線亦是如此：只有當模型能夠被持續(xù)運行和計算，數(shù)字主線才具備真正的工程價值。

數(shù)字主線的三種形態(tài)

從工程能力演進的視角來看，數(shù)字通常經(jīng)歷以下三個階段。

1)描述和鏈接型數(shù)字主線

描述和鏈接型數(shù)字主線以工程工件之間的關聯(lián)為核心，通過需求、模型、設計數(shù)據(jù)和分析結果之間的鏈接，提高信息的可見性與可追溯性。該階段的數(shù)字主線為工程活動提供了清晰的上下文，使團隊能夠理解“信息在哪里”以及“信息之間如何關聯(lián)”，但其本質仍停留在信息層面。

2)生命周期管理型數(shù)字主線

在描述和鏈接的基礎上，引入版本管理、配置控制、基線與審批流程后，數(shù)字主線進一步演進為生命周期管理型。此時，工程工件在全生命周期內保持受控與可審計，顯著提升了設計結果的可信度與復用性，為跨團隊、跨項目協(xié)同提供了基礎保障。

3)仿真驅動型數(shù)字主線

仿真驅動型數(shù)字主線標志著數(shù)字主線從“信息體系”向“工程能力體系”的躍遷。在這一階段，系統(tǒng)架構、功能、行為、控制、物理以及測試模型被有機集成，并能夠協(xié)同執(zhí)行仿真與驗證活動。當系統(tǒng)模型可以隨著需求和設計演進持續(xù)運行、重新計算系統(tǒng)行為并刷新驗證狀態(tài)時，數(shù)字主線便具備了預測能力。在設計變更發(fā)生時，工程團隊能夠快速評估行為影響、性能權衡與潛在風險，從而以數(shù)據(jù)和模型為依據(jù)支持決策。

這些差異至關重要：數(shù)據(jù)本身并不能加速決策，經(jīng)過治理的數(shù)據(jù)也無法自動降低風險。只有能夠持續(xù)預測系統(tǒng)行為的數(shù)字主線，才能真正支撐高質量的工程決策。仿真驅動型數(shù)字主線正是通過將模型從“文檔工件”轉變?yōu)椤皼Q策資產(chǎn)”，實現(xiàn)了這一根本性轉變。

仿真驅動的數(shù)字主線

MBSE在仿真驅動數(shù)字主線中的作用

作為數(shù)字主線的重要源頭，MBSE（基于模型的系統(tǒng)工程）通過對需求、架構、功能、行為、接口與驗證方法的系統(tǒng)化定義，為數(shù)字主線提供了統(tǒng)一的系統(tǒng)語義與工程框架。這使得工程信息能夠在全生命周期內持續(xù)關聯(lián)、傳遞與追溯。

在此背景下，仿真不再是設計后期的驗證手段，而是貫穿系統(tǒng)工程全過程的核心能力。以MathWorks的MBSE平臺為例，其在基于模型設計（MBD）的基礎上，進一步擴展了需求管理、架構建模與安全分析能力，并依托Simulink的集成仿真環(huán)境，為構建仿真驅動型數(shù)字主線提供了完整支撐。

基于模型的系統(tǒng)工程平臺

仿真驅動數(shù)字主線的典型實踐

1)場景與用例級仿真

在需求分析階段，工程團隊通常通過用例來定義典型使用場景，并利用活動圖或序列圖描述功能或組件之間的交互過程。通過對這些場景進行仿真，團隊可以在系統(tǒng)層面驗證需求理解的完整性與一致性，從而在設計早期降低誤解與返工風險。

活動圖和序列圖仿真

2)組件行為與多域協(xié)同仿真

在系統(tǒng)架構層，不同類型組件可采用適合其特性的建模與仿真方式：控制邏輯可通過控制（Simulink）與狀態(tài)(Stateflow)建模實現(xiàn)，物理系統(tǒng)則通過物理(Simscape)建模進行刻畫。多域模型在統(tǒng)一環(huán)境中的協(xié)同仿真，使系統(tǒng)行為能夠被準確評估，并支持跨學科的設計權衡。

Simscape建模物理組件行為

3)故障仿真與安全分析

高復雜度系統(tǒng)不僅需要驗證正常工況下的功能表現(xiàn)，還必須系統(tǒng)性評估異常工況的影響。通過在模型中引入故障場景并開展仿真，工程團隊能夠更早識別潛在風險，驗證安全機制的有效性，并為安全相關決策提供量化依據(jù)。

故障仿真和安全分析

結論

通過引入仿真驅動能力，數(shù)字主線不再只是記錄和管理工程信息的工具，而是演進為貫穿全生命周期、具備預測與決策支撐能力的工程中樞。對于希望在數(shù)字工程實踐中實現(xiàn)真正價值的組織而言，仿真驅動型數(shù)字主線并非可選項，而是數(shù)字化持續(xù)深化的必然方向。

關于作者

龔小平，MathWorks 中國

MathWorks 中國區(qū)資深應用工程師，負責基于模型設計和系統(tǒng)工程在汽車行業(yè)的應用，關注 AUTOSAR、功能安全和信息安全等行業(yè)標準在傳統(tǒng)電控和新能源及自動駕駛方向的應用。在加入 MathWorks 之前曾從事多年的汽車底盤電控系統(tǒng)和軟件研發(fā)，在系統(tǒng)工程和軟件工程領域具有豐富的經(jīng)驗。