SysML模型在可再制造产品生命周期中的利用

《Proceedings of the Design Society》：Utilisation of SysML models in the lifecycle of remanufacturable products

　　

这篇文献综述论文分析了与面向再制造设计的产品相关的反复出现的挑战，并将这些挑战与基于模型的系统工程（MBSE）能够通过利用SysML模型提供针对性支持的领域联系起来。该论文提出了基于SysML的策略，用于增强需求可追溯性、改进生命周期数据和仿真支持、实现兼容性评估以及促进利益相关者数据交换。结论强调了这些见解对未来基于MBSE支持的循环经济（CE）策略研究的影响。

研究背景与问题提出

随着可持续性在工程设计中日益重要，循环经济（CE）策略被引入以闭合资源循环，最大化资源效率。CE策略分为 narrowing、slowing 和 closing loops 三类，并通过R-策略（如再利用、再循环、再制造）实施。再制造是将使用过的产品恢复到类似全新状态的过程，涉及拆卸、清洁、检测、修理或更换部件以及重新组装等步骤。然而，再制造过程面临诸多挑战，其中最主要的是由于回收部件（通常称为“旧件”）状况不确定所带来的不确定性。这种不确定性需要在设计阶段加以解决，以确保后续再制造过程尽可能高效。尽管早期设计阶段的决策对产品的环境足迹和生命周期选项的实施具有决定性影响，但在信息有限的情况下做出明智决策十分困难。基于模型的系统工程（MBSE）通过提供网络化、语义丰富的信息描述，为处理复杂产品的设计提供了方法论基础。此前的一项系统性文献综述（SLR）分析了支持可持续产品设计的MBSE方法，发现SysML是主导建模语言，但针对再制造这一特定R-策略的研究仍然不足，缺乏如何利用设计阶段创建的SysML模型来支持再制造生命周期阶段的综合指导。因此，有必要开展一项聚焦于再制造的研究，探索SysML模型在其中的利用潜力。

研究目标与方法

研究人员旨在通过分析文献中反复出现的与面向再制造设计（DfRem）产品生命周期相关的问题，并利用早期设计阶段创建的SysML模型的优势来应对这些问题。研究遵循两个研究问题：第一，再制造过程中哪些具体问题和需求可以通过利用设计过程中创建的SysML模型得到支持？第二，哪些建模策略和SysML元素适合解决这些已识别的问题？为回答这些问题，研究人员扩展了先前关于MBSE支持可持续性的分类（包含五个类别：需求定义支持、结构和行为定义支持、可持续解决方案集成、生命周期参数和数据集成、生命周期分析支持），并进行了新的文献综述，以提取再制造特定问题。随后，他们检查了文献中的方法和技术手段，推导出合适的SysML元素和视图。

关键技术方法

研究人员采用了一种扩展的系统性文献分析方法来识别再制造特定问题。首先选取包含“局限性”和“障碍”等关键词的综述论文作为基线，进而进行详细分析。在此基础上，依据既定的MBSE支持可持续性分类框架，对文献进行归类，并进一步检索方法学和技术手段以应对所识别的需求。同时，研究还参考了先前的系统性文献综述（SLR）结果，确认SysML作为主导建模语言的地位。此外，研究人员启动了一个大规模的案例研究来验证提出的建模策略，合作方为一家电力变压器制造商，利用其工程实践中的企业物料清单（eBOM）作为起点，通过产品生命周期管理（PLM）服务导入SysML建模工具，构建层次化产品结构，并抽象出逻辑和功能结构，同时将标准衍生的需求纳入模型，以测试模型在实际工业场景中的适用性。

研究结果

1. 3.
   再制造挑战和问题
   3.1. 需求定义支持
   文献指出，在再制造的后期阶段，产品和部件需要接受检测和测试以确定其性能是否保持、改善或退化。为了支持这些评估，必须在产品需求和返回部件的状况之间保持可追溯性。SysML模型能够显式地表示这些关系，例如通过整合从原始系统模型衍生的再制造特定需求来指导检测和测试活动。利用mecPro²模型框架等示例，可以在不同工程领域确保可追溯性，从而改善再制造过程的规划和执行。

3.2. 可持续解决方案集成

在再制造过程中，当部件被替换、升级或重新设计时，常常需要重新配置，这可能导致旧部件与新配置不兼容，尤其是在跨机械、电子和软件领域的复杂系统中。SysML能够显式建模兼容性相关信息，以支持此类评估，确保更新后的系统行为不会影响功能或性能。

3.3. 结构和行为定义支持及生命周期分析支持

有效的再制造规划依赖于关于部件状况、性能和可用性的可靠信息，但此类数据的缺失是一个长期存在的障碍。缺乏产品生命周期信息（PLCI）导致整个价值链效率低下。虽然数字孪生（DT）等监测技术可以通过持续数据采集提供洞察，但其部署面临数据收集困难、模型不准确、传感器故障和缺乏互操作性等技术障碍。因此，在产品开发早期就必须考虑DT的集成，系统定义传感和数据处理能力，以减少不确定性。

3.4. 生命周期参数和数据集成

即使收集了生命周期数据，这些信息如何在利益相关者之间充分共享和解释仍是挑战。设计和再制造团队之间的信息交换不足常导致效率低下。数字产品护照（DPP）等新兴方法有望填补信息空白。MBSE的作用是捕捉利益相关者的信息需求，定义视图和视点，以实现结构化的知识转移。

1. 4.
   通过SysML利用应对挑战
   4.1. SysML建模策略和概念
   针对需求定义和可追溯性，建议使用用例图（UC）、活动图（ACT）和序列图（SEQ）等过程导向图来捕获逻辑依赖，从而系统地定义和追溯需求。针对使用阶段数据收集，SysML可表示监测用例、传感器仪器化的关键部件以及数据接口，支持数字孪生（DT）的实现。对于寿命终止（EOL）状态估计，需要基于物理的领域特定仿真，SysML可帮助定义边界条件和约束，并将仿真结果作为离散状态或实例特定的生命周期参数纳入模型。在兼容性问题方面，产品系列工程（PLE）和150%模型可用于管理系统变体和配置选项，支持替代产品配置的创建和评估。对于信息转移，需预先规划模型利用，定义专门的视图（如通过HTML接口），使非SysML专家也能访问模型内容。

4.2. 使用SysML建模元素的实现

通过扩展SysML语言（构造型），可以创建领域特定属性。例如，将需求与描述部件状况参数的约束块通过<>关系链接，再连接到产品部件，实现从部件到用例的完整可追溯性。数字孪生（DT）的开发需要内部块图、状态机图和参数图等元素。兼容性矩阵可通过<>关系实现。信息共享则通过定义<>和<>元素来完成。

4.3. 验证案例研究的准备

研究人员与电力变压器制造商合作，从公司的企业物料清单（eBOM）出发，通过产品生命周期管理（PLM）服务导入SysML建模工具，构建了基于RFLP方法的物理层，并抽象出逻辑和功能结构。需求源自行业标准，并在SysML中建模。变压器测试程序被捕获以表示验证过程，这类似于再制造中的入厂检验。下一步计划对电网系统及相关数据通道和模型视图进行建模。

1. 5.
   讨论和结论
   讨论部分强调，该研究将循环经济的价值保留理念扩展到数字领域，通过重用SysML模型本身来提取额外价值。研究发现的主要挑战包括部件状态不确定性、信息转移、系统元素兼容性和需求可追溯性。提出的建模策略和SysML元素（如表1总结）能够有效应对这些挑战，特别是数字孪生（DT）的集成为使用监测提供了支持，减少了规划中的不确定性。然而，MBSE本身并不足够，必须将SysML模型与知识描述相关联，以纳入相关经验知识。此外，原始设备制造商（OEM）参与再制造的程度有限，阻碍了模型的复用。SysML v2有望通过改进的数据交换能力提供解决方案，但工业界采纳仍需时日。未来的工作应包括详细的行业案例研究，以验证所提出的利用方法，并探索模型复杂性对利益相关者能力的影响。

结论翻译如下：与旨在在产品整个生命周期中提取和保留价值的循环经济（CE）总体原则一致，本研究通过将SysML模型本身的再利用扩展到设计阶段之外，将该理念扩展到数字领域，从而寻求从SysML模型中提取额外价值。通过支持跨生命周期阶段的信息连续性和决策支持，SysML模型可以支持再制造等循环策略。本研究探讨了MBSE如何支持CE中的再制造活动，重点关注可再制造产品特定的生命周期问题。通过分析再制造挑战并将其与不同的MBSE利用机会联系起来，本研究建立了关于如何在后期阶段利用早期系统模型的好处的概述。研究结果回答了这两个研究问题。首先，研究确定了关键挑战，如部件状态不确定性、信息转移、系统元素兼容性和需求可追溯性。其次，研究认识到了适合应对这些挑战的建模策略和SysML元素，如表1所总结。数字孪生（DT）的集成被强调为能够实现使用监测，从而减少再制造规划中的不确定性。这些发现强调了MBSE的多功能性和跨阶段适用性，并表明其主要好处在于系统行为的规划和仿真，以及从统一模型源中提取和使用信息。虽然MBSE为系统建模提供了稳健框架，但它本身并不足够。为了确保明智的决策，SysML模型必须与知识描述相关联，以便纳入相关的经验知识。此外，在再制造中更广泛采用MBSE仍存在若干障碍。一个主要障碍是原始设备制造商（OEM）参与再制造过程的程度有限。由于OEM通常开发系统模型，他们与再制造商的合作对于有效的模型复用至关重要。SysML v2提供了一个有前景的解决方案，通过改进的数据交换能力，尽管工业采纳仍在兴起。未来的工作应包括详细的行业案例研究，以验证所提出的利用方法，以及调查模型复杂性如何影响利益相关者能力和复杂性与可用性之间的平衡。尽管复杂系统再制造在工业界仍相对少见，限制了当前的研究机会，但诸如Circular Car Initiative（CCI）等倡议预示着未来进步的潜力。