集成的需求工程:需求驱动的复杂产品研发

2023-08-16 09:52

1 背景介绍


1.1 需求是什么?它为什么那么重要?


在复杂产品研发中,越来越多的企业开始意识到需求的重要性。没有需求导向的产品研发就好像在茫茫大海中航行,没有方向也没有目的地。那么需求是什么?它为什么那么重要?


国际标准IEEE 610.12给出的需求定义是:客户为了解决某个问题或实现某个目标所需要的能力或条件。

从需求概念定义中可以看出它反映了客户购买产品的动因;它是产品设计的目的,决定了什么程度设计合理;它是衡量是否设计出高质量产品的标尺。这就是它为什么那么重要的原因。


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图-1 需求如此重要的原因


可以想象,如果不能充分理解客户的需求或者需求定义不完整,这意味了即使你正确设计了产品,但你设计出来的产品不满足客户需求,也是一个失败的产品。这正如管理学大师彼得.德鲁克所说:“高效地做根本就不需要做的事情,再也没有比这更无用的了”。所以在开发一款复杂产品时,一上来就是方案设计,把所有的精力都用于关注某个性能指标或者某个元件的优化,有点本末倒置。好的产品开发流程应从理解客户的需要和期望开始,弄清楚客户想要解决的问题本质,这是产品能否成功研制的关键。


1.2 传统的需求工程存在的一些问题


传统的需求工程提供了一种正确定义需求和有效管理需求的方法,包括发现需求,捕获需求,分析需求,记录需求并确定验证需求的方法,当需求之间冲突时与利益相关方的沟通和协商,最终确认需求,与各利益相关方达成一致并有效地管理需求的共享、变更等。


传统的需求工程对于初始的需求定义和需求条目本身的结构化管理提供了很好的方法,以及详细的流程步骤,但对于后续的产品设计过程如何使用这些需求?这些需求如何驱动后续的产品设计没有给出明确的方法?需求的“孤岛”状态抑制了它在后续产品研发过程的价值和意义。如果把产品研发比喻成一次长途旅行的话,当前的需求“孤岛”状态就好比在长途旅行出发之前我们是清楚目的地和前进方向,但在后续的长途旅行过程中我们却丢失了目的地,迷失了方向。

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图-2 需求的“孤岛”状态


1.3 集成的需求工程


集成的需求工程要做的就是不仅要在长途旅行之前清楚目的地和方向,而且要在长途旅行途中每一个人任意时刻都清楚目的地在哪?离目的地还有多远?是否偏离了方向?这就是集成的需求工程要做的事情,需求驱动的产品研发,产品生命周期中的需求GPS。

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图-3 需求GPS


集成的需求工程解决方案,将之前“孤岛式”的需求延伸到后续的产品研发过程中。1)需求管理集成指标参数。提取需求中关键的效能指标(MOE)、系统性能指标(MOP)和技术性能指标(TPM),驱动后续的设计、仿真验证。2)需求、参数与系统模型的集成,需求作为系统架构设计的基础,在系统模型中清楚表达需求如何实现。3)指标、参数与几何模型的集成,机械设计以需求指标为导向,结构设计的参数结果回传系统与需求关联,完成设计闭环。4)需求与仿真、试验的集成,基于需求的验证,制定仿真或试验验证计划,执行仿真或试验并将仿真结果回传系统与需求关联,完成验证闭环。


2. 集成的需求工程解决方案


2.1 需求管理集成指标参数


大多数需求管理工具中不具备指标和参数管理的功能,这样就很难把文本式需求条目与产品设计中的几何模型的尺寸、仿真模型求解的数值、试验测试的结果数据直接关联,也无法在产品开发过程中实时监测到效能指标(MOE)、系统性能指标(MOP)和技术性能指标(TPM)的演进和成熟度变化。

集成的需求工程解决方案能够在创建或查看文本式需求时,添加指标和参数,并自动建立指标和参数与文本式需求的追溯关系。这样精细化的需求管理,能够实现需求驱动的后续产品研发活动。

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图-4 需求管理集成指标参数



通过需求管理集成指标参数,让以前隐藏在文本需求的指标参数变得一目了然,避免在后续产品研发中遗漏掉这些反映产品性能和质量的关键指标。


2.2 需求、参数与系统模型的集成


  • 文本需求与系统模型的集成

目前在开展MBSE实践时,需要文本需求与系统模型相辅相成,而不是取代关系。系统模型可以清晰表达文本需求无法表达的复杂逻辑关系(一个逻辑清晰的图片胜过千言万语),而文本需求又能够对模型元素的使用场景或约束条件进行详细补充描述。文本需求与系统模型相辅相成,构成当前MBSE落地的最佳实践。


需求图由于建模繁琐,需求与模型元素追溯表达不直观,也无法保持需求管理工具的文本需求内容与需求图的需求元素内容的一致性。集成的需求工程解决方案采用将需求管理工具集成到系统建模工具的方式,通过简单的拖拽即可实现文本需求与模型元素的追溯建模。大大简化了建模过程,又保持了文本需求内容的一致性。

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图-5 文本需求与系统模型的集成


通过文本需求与系统模型的集成,能够让系统设计更有目的性,让系统设计师清楚知道自己设计的方案是否满足了所有需求;对于需求工程师来说,通过这种集成,也能清楚地知道每条需求在系统方案中是如何实现的。


  • 指标参数与系统模型的集成

重用Teamcenter中的参数,建立指标或参数与模型元素的关联关系。关键指标或参数通常反映了性能、质量需求以及约束,通过建立这些关联关系能准确反映出功能、性能指标、质量指标和约束的逻辑关系。通过重新Teamcenter中的参数,又能将这些关键指标和参数传递到下游的详细设计,保证指标、参数在整个设计过程的一致性。

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图-6 参数与系统模型的集成


通过指标参数与系统模型的集成,补充了在系统设计中指标分解的过程,对当前系统模型只重视逻辑表达,缺少性能、约束的定量表述的很好补充。


2.3 指标参数与几何模型的集成


指标参数与几何模型的集成目的是在需求中设定的目标能够有效地向下传递到机械工程师,机械工程师根据要求的指标开展几何建模,并把关键参数以及设计后实现的指标上传到管理平台中。产品经理收到这些设计实现的指标和关键参数,并与之前设定的目标值进行对比分析,实现产品指标的计划-设计-对比的闭环确认。

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图-7 指标参数与几何模型的集成


结构设计工程师更清楚结构设计必须要满足的指标要求和约束,避免过设计或欠设计。


2.4 需求与仿真、试验的集成


仿真执行和试验测试的一个很重要的目的是提供证据证明设计出来的产品满足用户需求,达到用户期望的目标,这就是系统工程流程中的验证与确认。需求和仿真&试验的集成就是为了满足对需求进行更有效、更高效的验证与确认。通过需求与仿真&试验的集成能够让研发产品更快取得认证,相比竞争对手更早地投入市场。

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图-8 需求与仿真、试验的集成


一个验证请求(Verification Request)中可以包含仿真请求和测试请求。


需求驱动的仿真与试验验证,建立了需求、指标、仿真模型、仿真结果、试验程序和试验结果的追溯链接,使验证工程师更轻松地提供仿真结果、试验数据作为证据,验证和确认产品满足了客户要求,加快产品认证和定型。


3. 小结与展望


集成的需求工程解决方案能够进一步地发挥需求的价值,让需求不再只是需求工程师一个人的工作,需求库不再是个“孤岛”,需求与系统设计、仿真分析和试验测试建立紧密关系,让每个产品研发中的工程师都能清楚理解需求与当前从事的设计工作的关系,工作努力的方向更明确:满足客户的需求,解决客户提出的问题,达到客户期望的目标。需求驱动的产品研发建立了需求的数字线程,当客户的某些需求发生变更时,能够快速地识别出针对这些需求变更需要改变那些设计方案,实现产品的敏捷开发。在试验阶段甚至产品运行阶段发生故障时,通过需求数字线程也能轻松追溯到发生故障的部件所实现的功能、对应的需求以及与该部件关联的其他部件,快速地找寻到故障原因。

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图-9 需求驱动的产品研发


做到需求驱动的产品研发的企业才能实现产品的创新,充分而深入地理解客户的真正需求才能研发出广受客户喜爱的魔力产品。需求驱动的产品研发是复杂产品成功实现的关键。