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工程信息化与研发协同

2018-11-27 来源:云枢创新 点击:
      背景
      行业背景
      电子系统的研制正迎来可喜的变化。
      传统思路崇尚技术至上,更强调技术先进性、追求更高的性能指标而忽视工程化质量。同时质量可靠性保障手段的欠缺又进一步加剧了过度选型、过度设计、过度加工和过度试验。一个典型的现象就是所有参与者辛辛苦苦作了最大努力,最后一刻终于交出了自己的心血之作,但是谁也不能保证系统绝对可靠,直到发射成功、应用成功前都一直提心吊胆。
      今天,电子系统研制工程师们更真切地感受到了来自质量、可靠性、研制周期、研制成本、运行维护、国外禁运、国产替代等各方面的压力。而与此同时也要直面研发基础设施严重短缺、工具环境五花八门、历史信息和数据重用极端困难、信息系统彼此孤立等这些巨大的困难。
      行业一直在探寻新的理念、思路和实践。与此同时企业管理成熟度不断提升,行为规范和业务流程日渐明晰,信息化手段更趋合理,信息化平台逐渐精细化,企业员工也由接受走向认同和拥护。
      事实上,企业的核心竞争力建设在不同时期也会有不同的侧重。早期,企业可能有某方面独特的技术人才或者独占某种核心技术资源时,此时的核心竞争力建设就是构筑人才和技术壁垒,同时迅速取得项目,推出产品和抢占市场。时间流逝,人员流动,行业协作,这种核心竞争力逐渐减弱,此时的核心竞争力建设就是依据企业在该领域的领先优势、丰富的经验和已经获取的丰厚利润,通过设置技术和性能指标门槛,价格战等让后进者很难立足。到第三个阶段,也就是目前常见的情形,目前企业比任何时候都更难有重大的技术创新,同时也越来越依赖广泛的协作以及供应链的支持,也就是说大家取得的资源越来越趋同,加上市场对研制周期压缩得越来越厉害,为此大家的技术水准以及研发的产品越来越趋于同质化,在这种情况下,企业核心竞争力的建设就是想方设法在C(成本)Q(质量)T(上市时间)上做文章,而企业管理成熟度提高,信息化手段加强,信息化管理平台更加精细化,企业员工认同管理理念和接受信息化平台管理意愿的增强就成为这个时期最重要的核心竞争力建设的内容。
      目前行业技术水平已经得到极大提升,大家在研发技术上的差距已经不明显,因而精细化管理方面的差距变得十分重要。几年前,我们提出“技术之上,管理先行”,倡导行业及时跟进管理成熟度提高以及管理信息化手段落地,并将主要精力集中在工程信息化管理领域,并且取得了较大成功。
      主要挑战
      曾几何时,电子系统设计工程师开怀拥抱极度的自由,元器件选用不受约束,电路设计奇思妙想,布局布线天马行空,那是何等的潇洒豪迈。更有甚者,认为在PCB布局布线阶段可以随意增减元器件为电路工程师之幸事。
      时间变迁,理念与思路也发生了变化。无拘无束、异想天开、天马行空、潇洒豪迈的副作用和弊端开始逐渐显露。
      ⊙   容易导致错误发生
      不受管控的数据会导致错误,比如吧错误的文件发给了合作伙伴,在错误的设计上进行变更。这些不止是导致效率低下,更招致产品问题以及返工找回等
      ⊙   不能对问题作出快速反应
      数据没有集中管控时,一旦出现问题就不可能快速反应。事实上,问题一旦出现,迅速地评估影响并且针对受影响的元器件/设计采取行动就至关重要,设计师必须能够快速地定位受影响的对象并且确定替代方案
      ⊙   安全事项
      所谓“安全无小事,责任大于天”,当然各行各业的安全事项含义有很大的区别,大到人生安全,小到财产损失。对于企业来说,信息安全,数据安全等极容易导致企业产品落后,市场被动,战略失败。事实上,统计表明61%的CEO都高度关注安全对企业成长的影响。内部威胁也不容忽视,
      对于电子设计过程数据访问进行控制的关键在于既要有利于促进协同合作,又要进行合理管控。而且不仅要管控最终的产出物,也要管控过程数据。
      ⊙   知识的传承
      各个年代的工程师具有鲜明的特征:60后习惯开大会情景模拟,70后习惯电话沟通揣摩心情,80后习惯电子邮件摆龙门阵,90后习惯微信激扬文字,00后说不清楚会是何等奇葩的一类人。长江后浪推前浪,一代新人换旧人。实现知识和经验的有效传承,才能确保一代更比一代强。
      ⊙   工作重复
      由于没有方法、机制和手段检索公司的信息,因而导致工程师们大量重复创建元器件/符号封装/电路等。重复建设是一方面,而重复验证和确认是另一方面,这都带来巨大的工作重复。
      ⊙   错误的元器件会导致设计反复
      由于信息不充分,工程师在设计过程中可能选择了不恰当的元器件,显然在研发过程的后期会导致设计反复,从而延后设计进度和产品成本。
      此外,电子元器件的生命周期通常都很短,因而更要在意。
      ⊙   多系统互相影响
      设计工程师可能同时参与多个系统的研发,这样就会重复多次输入同样的信息,从而导致重复工作。
      业界经验
      从业务的角度来看,差异化的产品、更短的上市时间、更低的成本是保持竞争优势的根本。
      从技术的角度来看,复杂性管理、研发协同、可靠性与质量保障、知识管理要最关键的领域。
      越来越多的企业开始引入合适的工具和产品,完善相关的流程和环境。并且在一些关键的领域开展了有成效的实践。
      包括设计资源库建设和资源库管理在内的基础设施建设能够极大地提升研发效率,确保质量可靠性以及控制成本的最佳实践。这也是目前行业开展工作最多的领域。
      研发协同是企业重点关注的又一个领域,协同又包括团队协同(团队内部的协同),跨部门协同(团队之间的协同,部门之间的协同),跨专业协同(不同专业领域之间的协同),供应链协同(研发与供应链之间的协同)。
      总结最佳实践,倡导设计复用是知识管理的核心,电子系统研制领域的知识工程包括以下几个层次:电子设计资源库、成熟电路模块、标准与规范。当前企业在知识管理、知识工程方面已经开展了大量的工作,并且取得了一定的成果。
      理念
      研发与管理信息化模型
      下图是目前业界推崇的研发及管理信息化平台模型。
      在该平台模型中,首先是分专业的,就是各个侧立的三角形,分别表示电子,结构和软件各个细分学科。
      其次各个学科之间依据信息化手段PLM、ERP以及其它的业务系统实现各个学科和各个组织之间的协同和交流。
      第三,在每一个学科内部,又分为多个层次,比如在细分的电子领域,从最底层的“Element”器件,也就是芯片(FPGA、FPSOC、ASIC、SOC)的设计;上升到“Unit”部件,也就是单板(PCB)或者模块(MCM,SIP);再上升到“System Module”系统模块,也就是设备(体现为内含电路板,背板,线缆,机箱的一个整体);再上升到“System”系统,也就是整机如飞机、卫星、火箭、导弹、舰船、车等;再上升到“System of Systems”复杂大系统,也就是一个完整的系统大环境,比如卫星复杂大系统,就包括卫星、发射、测控、后期监控等等。
      第四,细分专业的三角形还有一个含义,从系统实现的角度来看,三角形的左边是设计,也就是要自顶向下地进行方案设计和系统分解,逐级分解,逐级设计论证。中间层面是实现,比如芯片的设计实现啊,单板的设计实现啊,设备的设计实现啊等。右侧的侧边表示集成整合测试认证。
      EIM工程信息化
      行业经过多年的努力实践,在做了大量实践之后,对传统的研发与管理信息化模型进行了细化的调整。下图示意出这种改进的精细化的研发过程管理模式。
      最底层是各种各样的研发设计工具如PCB设计工具链,FPGA设计工具链,电气线束设计工具链,结构设计工具链,软件配置工具链等。
      传统的做法是在工具链之上就是PDM(产品数据管理)/PLM(产品生命周期管理),行业实践发现PDM/PLM直接管理设计工具链、设计数据和设计过程很困难,能做一定的管理,但是里精细化的管理还想去甚远,于是行业一致认同在设计工具链与PDM/PLM之间需要引入一个层次,称之为EIM(工程信息化管理),并且据此将信息化管理手段划分为两个领域,ERP、PLM以及OA、CRM等广泛的信息化手段属于企业的业务信息化管理,而EIM则归属到一个特定的信息化管理范畴,称之为工程信息化管理,主要是指研发过程(Work-In-Progress)的信息化管理。
      在这种精细化研发过程管理的架构中,各层的功能职责和特性如下:
      1.1.1.   设计工具链层次
      这个层面根据不同的学科专业,不同的细分领域会选用不同的设计、仿真、实现、验证、工艺、生产准备、测试等专业的工具来完成设计。
      比如FPPGA的设计,就包括算法综合、HDL语言仿真验证、CDC分析、STA分析、逻辑综合、等效性检查、布局布线、在线调试等技术和专业工具。
      比如PCB设计,通常包括原理图设计、布局布线、型号完整性分析、电源完整性分析、热分析、EMI分析、工艺检查、生产数据准备、标准化归档等。
      1.1.2.   EIM层次
      首先,EIM是按专业来细分,比如有电子的EIM、电气的EIM、芯片的EIM、结构的EIM、软件的EIM。
      其次,EIM是管理细化颗粒度的数据,由于EIM是按细分专业来专门定制,因而EIM完全有能力了解该细分领域的专业知识,并且明了管理对象的内嵌知识以及对象之间的依存关系。
      第三,EIM管理细分专业的研发过程,包括资源管理、数据管理、流程管理、审签等等。
      1.1.3.   PDM/PLM层次
      首先,PDM/PLM层次是完整的产品管理层次,是不区分专业的,产品完整的数据定义在这里给出并且进行管理。
      其次,PDM/PLM是管理粗颗粒度的数据,因而在这个层面很难实现对嵌入其中的数据的知识的访问,也不可能了解数据之间的依存关系。
      第三,PDM/PLM是完整的产品数据仓库,各个细分专业的数据都会汇总到PDM/PLM系统中并且构筑一个完整的产品结构树,从而形成完整的产品定义,并且赋予权限和版本管理,并且在PDM/PLM系统中实现审签的电子化的流程。
      第四,PDM/PLM与EIM之间的关系是,EIM管理细化的研制过程,日常的资源、数据、流程、内部协同等都在EIM内部能够得到精细化的管理,到了关键节点,比如企业产品的关键节点如M,C,S,D等时间节点,在EIM通过了内部审查的节点数据会有EIM递交到PDM/PLM系统中,并且挂放在PDM/PLM中产品结构树相应的位置上。
      1.1.4.   ERP层次
      ERP是企业资源规划。
      ERP管理企业物料和资源,确保生产的有序和效率。
      PDM/PLM与ERP的关系是,PLM给出了完整的产品定义,PDM/PLM给ERP系统下达指令,要求ERP系统根据给出的完整的产品定义生产制定台套数的相关产品。ERP收到生产制造的指令之后,就会根据PDM/PLM系统中关于该产品的定义组织资源和物料,迅速组织生产。
      1.1.5.   工程信息化是研发过程管理精细化的必由之路
      区别于传统的信息化平台模式,EIM是一个重大的突破和革新,事实上,研究院所在研发与信息化管理上进行了长达十年时间的艰难摸索,取得了较大的成绩,但是在研发管理上也是举步维艰,PDM/PLM系统建设作了一期、二期、三期,但是在研发过程的管理上依然成效甚微,尤其是在电气、电子以及软件等细分专业上,PDM/PLM是爱莫能助,只能做最最简单的存储、权限、版本和审签等工作,而这里真正的精细化的过程管理相去甚远。
      为此,随着企业管理成熟度提升,基于CQT精细化管理需求的日益突出,工程信息化势在必行。
      EIM工程信息化的范畴
      EIM工程信息化至少包括以下几个方面的内容。
      1.1.1.   资源库管理
      资源库管理是EIM最基础的核心内容之一,也是企业最重要的基础设施建设,怎么强调都不过分。高质量的资源库建设以及合理高效的应用和管控为高质量的研发和工艺及生产制造奠定了基础。相反,有瑕疵的资源库以及不恰当的应用和管理方式必定会给电子系统的研制和工艺生产等带来质量可靠性以及进度和成本等方面的重大问题。
      资源库的建设包括:制定建库规范、梳理和定义电子元器件以及电气元器件属性、建符号、建封装、建映射、建工艺模型库、建三维模型库、建仿真模型库等。
      电子设计资源库管理平台,是电子电气研制领域知识工程真正落地的研发管理平台,具有以下显著特点:
      ⊙   管理元器件信息、管理EDA库、管理仿真模型、管理工艺模型以及三位模型等
      ⊙  与EDA设计工具实现无缝集成,工程师方便使用
      ⊙   严格流程管理实现电子设计资源库以及成熟电路模块库的变更控制和版本管理
      ⊙  支持元器件选用控制
      ⊙  支持成熟电路模块管理
      ⊙   与物资系统或者ERP实现集成
      ⊙   自动报表输出
      1.1.2.   知识管理
      成熟电路模块库(知识管理)具备以下特点:
      ⊙   成熟电路模块的收集,这一部分更多地是手工的工作
      ⊙对成熟电路模块进行审核,包括资料的齐套性,质量可靠性,相关的支撑信息和数据等
      ⊙成熟电路模块入库,主要是将成熟电路模块整套的数据录入相关的系统
      ⊙   实现模块化电路的版本管理
      ⊙   实现对模块使用的问题记录和管理
      ⊙   实现对模块使用的追踪
      1.1.3.   过程与数据管理
      技术进步、需求提升、竞争加剧都要求研究院所面对“多(更多功能)快(更高的性能)好(更好质量)省(更低成本、更好维护)”的严峻挑战,而协同是应对这一巨大挑战的良方。
      协同包括几个层面:首先是跨地域之间的协同,其次是跨部门跨团队之间的协同,第三是跨学科之间的协同,第四是跨业务环节之间的协同。
强大的互联网技术以及安全保密机制确保今天的电子系统研制能够真正实现“Design Anywhere,Build Anywhere,Test Anywhere,Ship Anywhere”,这是跨地域之间的协同。
      统一建模、系统级设计、混合系统仿真、一体化系统这些都是跨学科之间的协同。
并行过程、云存储、云计算等支持跨部门跨团队之间的协同。
在设计阶段充分考虑物理实现、生产和测试,在工艺设计阶段充分考虑电装和调试等,这些是跨业务环节之间的协同。
      要实现真正的协同,就要对研发过程和研发数据进行管控:
      ⊙   设计过程管理,业务流程驱动
      ⊙  工具管理,无缝集成
      ⊙  设计数据管理,数据协同
      ⊙  文档模板管理,严格遵循规范
      ⊙   团队管理,并行协作,权限管控
      ⊙   成果管理
      ⊙   信息系统集成
      1.1.4.   标准化设计与仿真平台
      EDMPro FPGA PlatExp是奥肯思公司自主研发的标准化规范化FPGA设计平台,EDMPro PCB PlatExp是奥肯思公司自主研发的标准化规范化PCB设计平台,它们是知识工程在研发一线的具体表现。具 有以下特点:
      ⊙   与研究院所研发流程一致的工作流驱动,或者行业标准驱动的工作流
      ⊙   与设计工具高度集成
      ⊙  整合交付物模板,确保交付物的及时高质量生成
      ⊙   研发过程和研发成果的管理
      ⊙   过程可追溯
      研发协同
      1.1.1.   协同的含义
      技术进步、需求提升、竞争加剧都要求研究院所面对“多(更多功能)快(更高的性能)好(更好质量)省(更低成本、更好维护)”的严峻挑战,而协同是应对这一巨大挑战的良方。
      协同包括几个层面:首先是跨地域之间的协同,其次是跨部门跨团队之间的协同,第三是跨学科之间的协同,第四是跨业务环节之间的协同。
强大的互联网技术以及安全保密机制确保今天的电子系统研制能够真正实现“Design Anywhere,Build Anywhere,Test Anywhere,Ship Anywhere”,这是跨地域之间的协同。
      统一建模、系统级设计、混合系统仿真、一体化系统这些都是跨学科之间的协同。
并行过程、云存储、云计算等支持跨部门跨团队之间的协同。
在设计阶段充分考虑物理实现、生产和测试,在工艺设计阶段充分考虑电装和调试等,这些是跨业务环节之间的协同。
      1.1.2.   协同的重要意义
      电子系统一体化系统的重大意义体现在:
      ⊙   提高生产率,多部门、多团队、多人参与同一型号或者产品的研发效率自然提高,今天的技术和产品也已经实现了多人从事同意电路原理图设计或者同一块PCB板的布局布线,显然在单一工作节点上实现了协同,从而提高了效率,缩短了研发周期
      ⊙ 细分专业内部的协同,比如FPGA设计和PCB设计之间的协同,目前在EDA工具层面可以协同兼顾FPGA管脚的合理排布从而实现PCB板性能的进一步优化,这样的协同确保了系统性能的最优。集成电路芯片的封装设计与PCB布局布线之间也存在这样的协同优化,提升了产品性能,确保了质量
      ⊙   同样的功能在细分专业之间不同实现方式之间的协同考虑,比如硬件与软件之间的协同,事实上较多的系统功能可以是电路硬件实现,也可以是嵌入式的软件来实现,简单如定时这样的功能复杂到动态图像处理这样的应用,可以用硬件电路芯片来实现,当然也可以用SOC/DSP中的嵌入式软件来实现,具体采取什么方式来实现,就可以采取协同的方式来综合考虑性能、成本、功耗等,而目前行业已经可以提供相关的一些技术和工具来实现对这种硬件软件协同方案的评估。而这种协同有利于确定一个最优的设计方案,实现功能和性能的最佳实现
      ⊙   不同专业之间的协同,比如电路硬件与结构之间的协同,电气线束与结构之间的协同,结构与散热,结构与电磁辐射之间的协同,这些都突破了专业之间的限制,实现了研发产品的综合考虑,从而提升了产品的工程化质量
      ⊙   不同业务环节之间的协同,比如需求与设计,设计与实现,实现与验证,设计与工艺、设计与制造、设计与试验等等之间的协同,这些都能保障业务环节之间的互相兼顾,相互协同,无论是产品的质量、可靠性、功能、性能以及研制周期等都能得到最佳的保证
      总的来说,协同对于研制效率、产品质量可靠性、产品性能优化、研发资源优化等都有重要的意义。
      研发协同的范畴
      协同的实现技术可以分为三个层面:工具层面、规则和检查确认层面、过程管理和数据管理平台层面。
      1.1.1.   工具层面的协同
      细分专业领域内部目前已经研发出了一些实现协同的工具:
      ⊙ 电子系统级设计协同工具,比如Mentor Graphics公司的xSD System Designer
      ⊙  FPGA与PCB设计协同工具,比如Mentor Graphics公司的xSD I/O Designer,主要实现FPGA与PCB之间的协同优化实现
      ⊙  PCB设计协同工具,比如Mentor Graphics公司的xSD Xtreme PCB,主要实现多人协同设计同一个PCB板
      ⊙  PCB设计与结构设计之间的协同工具,比如Mentor Graphics公司和PTC公司联合推出的xSD EDMD电路和结构设计协同工具,主要实现PCB设计和结构设计之间的优化实现
      电子系统研发工程师使用以上这些工具就可以实现相关的研发协同,从而在一定程度、一定范畴上实现一体化协同考虑,从而实现性能提升、效率提高、保证质量。
      1.1.2.   规则和检查确认层面的协同
      第二种类型的协同是指基于规则和规则检查确认层面的协同。
      ⊙   研究院所传统的设计流程中,原理图完成之后,或者PCB布局布线完成之后,都会有一个设计评审过程,一些非常有经验的专业人士他们可以快速地发现设计存在的问题,比如有的与后期的工艺和生产有冲突,有的不满足系统散热和电池辐射方面的要求等等
      ⊙   目前从一体化协同的角度来看,就是将专家的这些专业知识和工程经验进行梳理并且总结提高,变成研究院所的设计规则
      ⊙   为了避免问题的重复出现,也为了确保工程化质量,研究院所会针对每一个研发环节制定一些设计规范,比如对于电路原理图设计会制定电路系统设计规范,而针对PCB布局布线也制定一个PCB布局布线设计规范,研究院所首先是面向研发一线全体工程师针对这些设计规则进行培训,并且严格要求遵照执行
      ⊙   这些设计规则包括:面向设计规范性的画法表示方法的内容、面向工程化质量可靠性方面的内容如匹配端接等,面向工艺、生产制造以及测试的可制造性设计规则、可装配性设计规则以及可测试性设计规范等
      目前基于规则和检查确认的协同的做法就是通过对于EDA设计工具的定制开发,将研究院所的这些设计规范定制到设计工具之中实现自动化的检查和问题定位。
      目前行业开展的实践包括:
      ⊙  原理图设计工具二次开发实现原理图设计的规范性检查,如对Mentor Graphics公司的xSD Designer的定制开发
      ⊙   PCB设计工具的二次开发实现PCB布局布线的规范性检查,如对Mentor Graphics公司的xSD Expedition PCB的定制开发
      ⊙   对仿真分析工具的二次开发实现信号完整性电磁兼容性等方面的规范性检查,如对Mentor Graphics公司的xSD HyperLynx的定制开发
      ⊙   对工艺仿真软件的二次开发实现可制造性、可装配性、可测试性等方面的规范性检查,如对Mentor Graphics公司的Valor的定制开发
      1.1.3.   过程管理和数据管理平台层面的协同
      第三种类型的协同是指基于业务过程和数据的协同,这种协同综合了团队协同以及业务过程的协同,也包括不同专业之间的协同。
      这些都通过协同平台来实现。
      1.1.3.1.      设计数据管理DDM
      设计数据管理DDM主要功能包括:
      ⊙ 设计过程管理,业务流程驱动
      ⊙ 设计数据管理,数据协同
      ⊙  团队管理,团队协作
      ⊙   工具管理
      行业实践目前有:
      奥肯思公司自主研发的EDMPro FPGA PlatExp和EDMPro PCB PlatExp是分别用于FPGA和PCB的设计过程与设计数据管理平台。
      1.1.3.2.      仿真数据管理SDM
      仿真数据管理对产品仿真业务的项目、技术、流程、数据和知识等进行系统有效的管理,实现产品仿真业务中团队之间的协同、技术之间的协同以及业务之间的协同。
目前行业有一些相关的解决方案。
      1.1.3.3.      试验数据管理TDM
      实验数据管理TDM整合试验相关的各种资源,实现对试验业务、试验流程、试验资源、试验相关信息、试验数据、试验报告以及相关的标准规范等的统一管理,从而确保试验业务的有序和可控,试验资源的有序和可控,试验数据的科学获取和管控。
      目前行业有一些相关的解决方案。
      实践
      围绕工程信息化理念
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