面向飛機設(shè)計的構(gòu)型管理研究

　　本文面向國內(nèi)航空行業(yè)的主機院所，對當(dāng)前主要的設(shè)計構(gòu)型管理方法進行了分析與研究，能夠幫助讀者有效地理解當(dāng)前航空行業(yè)面臨的由于系統(tǒng)的高度復(fù)雜性所帶來的產(chǎn)品設(shè)計過程中涌現(xiàn)的問題及風(fēng)險。同時，通過提供一種統(tǒng)一的三層BOM框架，支持主機院所對飛機設(shè)計階段BOM的構(gòu)建、轉(zhuǎn)變、關(guān)聯(lián)與追溯，并且該研究已經(jīng)通過型號研制的工程驗證，必將有力支撐技術(shù)狀態(tài)管控能力的轉(zhuǎn)化與落地，實現(xiàn)面向飛機設(shè)計構(gòu)型管理的持續(xù)優(yōu)化與迭代，以更好地滿足市場和客戶的需要，更優(yōu)地完成型號工作。

　　本文源自智能制造 2020年4期《智能制造》(月刊)創(chuàng)刊于1994年，面向國內(nèi)外公開發(fā)行.雜志以提高企業(yè)應(yīng)用水平，追蹤技術(shù)研發(fā)熱點，報道市場發(fā)展動態(tài)為鮮明特點，生動、及時地反映CAD/CAM/CAPP/ERP領(lǐng)域的新動態(tài)。目前是CAD領(lǐng)域的專業(yè)雜志。內(nèi)容涉及制造業(yè)和IT行業(yè)兩大方面內(nèi)容，信息量豐富。

　　一、引言

　　飛機研制是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它涉及到多個學(xué)科和多個專業(yè)，一架飛機的零件數(shù)量和技術(shù)參數(shù)高達(dá)107量級，現(xiàn)代飛機研制具有技術(shù)密集、性能和質(zhì)量要求高、配套/接口關(guān)系多以及參研單位多等特點，準(zhǔn)確地掌握和控制每個零件的功能和物理特性，以及其所依據(jù)的構(gòu)型文件的狀態(tài)，對飛機整個研制過程進行全面優(yōu)化，從而對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與構(gòu)型管理的重要性日益凸顯出來。如何有效地組織產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，定義產(chǎn)品構(gòu)型組織形式，以及對數(shù)以百萬的零部件形成簡化和準(zhǔn)確的有效性定義方法，完成每架飛機的完整定義，是非常復(fù)雜和難以解決的問題，也是飛機構(gòu)型管理技術(shù)的重要內(nèi)容。

　　當(dāng)前國內(nèi)航空行業(yè)的主要設(shè)計院所均以構(gòu)型管理的理念作為指導(dǎo)，采用模塊化設(shè)計的理念，融入支撐飛機研制的信息化平臺中，旨在解決飛機由概念設(shè)計-初步設(shè)計-詳細(xì)設(shè)計階段對全機BOM數(shù)據(jù)、MBD數(shù)模和技術(shù)文件等的管理，并通過工程更改流程驅(qū)動實現(xiàn)了上述數(shù)據(jù)的更改影響分析和技術(shù)狀態(tài)管控。通過從飛機設(shè)計初期就應(yīng)考慮其多構(gòu)型發(fā)展，幫助設(shè)計院所面向飛機系列化發(fā)展進行設(shè)計規(guī)劃。因此，在飛機的設(shè)計階段采用構(gòu)型管理的思想具有重大意義，亟需對飛機設(shè)計構(gòu)型管理方法進行深入研究。

　　二、構(gòu)型管理概述

　　1、構(gòu)型管理的概念

　　構(gòu)型管理的概念是美國軍方等在管理大型武器裝備的研發(fā)過程中總結(jié)出來的，用于約束、控制和管理武器系統(tǒng)研制過程的能力，以獲得滿足性能要求的、按計劃完成的和不超過費用預(yù)算的產(chǎn)品。之后由美國軍方提出了構(gòu)型管理的標(biāo)準(zhǔn)，要求在產(chǎn)品研制的整個生命周期內(nèi)實施嚴(yán)格的技術(shù)狀態(tài)管理，其核心對象是構(gòu)型項CI及構(gòu)型項定義的技術(shù)數(shù)據(jù)。其中，構(gòu)型項是滿足最終使用功能的某個構(gòu)型內(nèi)的實體，可以是任意的硬件、軟件或者它們的組合。技術(shù)數(shù)據(jù)定義并標(biāo)識了產(chǎn)品性能、功能和物理屬性的技術(shù)文件，如圖樣、規(guī)范和設(shè)備清單等。

　　構(gòu)型管理作為產(chǎn)品生命周期管理的一個組成部分，旨在為管理構(gòu)型項提供一種有效的技術(shù)手段和管理框架的方法，建立和維護產(chǎn)品性能參數(shù)及其功能和物理特性的一致記錄的活動。構(gòu)型管理過程通過構(gòu)型管理計劃編制，支持對項目初期構(gòu)型管理的工作進行策劃，建立起規(guī)范化的產(chǎn)品研發(fā)秩序，保證產(chǎn)品需求和設(shè)計目標(biāo)的實現(xiàn)。

　　2、以BOM為核心的構(gòu)型管理

　　為滿足飛機研制全生命周期中各種業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)需求，企業(yè)需要將產(chǎn)品全生命周期中所需要的數(shù)據(jù)、信息和知識進行整理，通過模型進行多學(xué)科、跨部門和跨企業(yè)的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計、制造和管理。當(dāng)前，國內(nèi)航空行業(yè)通過PLM數(shù)字化協(xié)同研發(fā)平臺進行飛機研制不同階段BOM數(shù)據(jù)的組織和實現(xiàn)研制各階段數(shù)據(jù)的連續(xù)、傳遞與應(yīng)用，并基于BOM實現(xiàn)全生命周期一體化技術(shù)狀態(tài)管理。同時，為了滿足不同用戶的業(yè)務(wù)需求，同一個產(chǎn)品通常需要多個視圖的形式呈現(xiàn)展示，滿足對數(shù)據(jù)的良好可視化，并且有利于提高數(shù)據(jù)的一致性，有利于基于業(yè)務(wù)鏈的數(shù)據(jù)交換傳遞。企業(yè)將通過各類BOM對產(chǎn)品研制相關(guān)數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)化組織，實現(xiàn)數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)管理。

　　目前航空工業(yè)基于BOM的構(gòu)型管理理念，對標(biāo)空客和波音等國際一流航空企業(yè)，基于國內(nèi)航空企業(yè)產(chǎn)品研制的數(shù)據(jù)組織方式和管理特點，提出了下圖所示的BOM多視圖定義，在航空產(chǎn)品研制的不同階段構(gòu)建不同的BOM，支持產(chǎn)品研制數(shù)據(jù)全生命周期的管理、追溯與維護。考慮到本文主要面向飛機研制的設(shè)計階段，聚焦于由初步設(shè)計-詳細(xì)設(shè)計階段的三級樣機管理，包括DBOM、EBOM結(jié)構(gòu)視圖和EBOM系統(tǒng)視圖，產(chǎn)品研制全生命周期各階段BOM多視圖的定義如圖1所示。

　　三、飛機設(shè)計構(gòu)型管理方法

　　1、面向設(shè)計構(gòu)型的業(yè)務(wù)模型

　　在飛機設(shè)計過程中，總師單位(包括參研單位)組成的構(gòu)型管理部門統(tǒng)一建立并維護型號的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，后由總師單位根據(jù)分工將相關(guān)構(gòu)型項以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給各直屬單位，直屬單位接收到數(shù)據(jù)包后在其PLM平臺中構(gòu)建相應(yīng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，并在構(gòu)型項下建立設(shè)計解決方案，從而開展各自部分的具體關(guān)聯(lián)設(shè)計工作、上下文設(shè)計工作以及相關(guān)評審工作。設(shè)計結(jié)束之后，按照標(biāo)準(zhǔn)的交付規(guī)范返回給總師單位進行設(shè)計數(shù)據(jù)的統(tǒng)一發(fā)放。實現(xiàn)設(shè)計過程的全要素構(gòu)型管理，核心分為三步：全局規(guī)劃、全局控制和全局紀(jì)實與審核。

　　(1)設(shè)計構(gòu)型始于全局規(guī)劃

　　基于全局化思想，首先對技術(shù)狀態(tài)管理的對象進行總體性規(guī)劃，按照目前航空產(chǎn)品研制的規(guī)律，規(guī)劃產(chǎn)品的系列化(族譜化)發(fā)展，在此基礎(chǔ)上綜合考慮產(chǎn)品共用基礎(chǔ)和差異化發(fā)展，按照研制過程進行構(gòu)型項和技術(shù)狀態(tài)文件的規(guī)劃，并形成和發(fā)布全局技術(shù)狀態(tài)基線，全局規(guī)劃的總體過程如圖2所示

　　(2)設(shè)計構(gòu)型重于全局技術(shù)狀態(tài)控制

　　以全局的技術(shù)狀態(tài)標(biāo)識為基礎(chǔ)，當(dāng)發(fā)生技術(shù)狀態(tài)基線偏離(變更)時，應(yīng)按照系統(tǒng)工程思想，從全局分析變更的影響和決策變更的可行性，并通過總體的變更方案實現(xiàn)對技術(shù)狀態(tài)基線偏離的控制，保證整個產(chǎn)品系統(tǒng)偏離的合理性。當(dāng)技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)生變更時，依據(jù)其所屬構(gòu)型項和受影響構(gòu)型項，分析對相關(guān)技術(shù)狀態(tài)文件的影響，從而形成全局的系統(tǒng)化變更，全局技術(shù)狀態(tài)控制的總體過程如圖3示。

　　(3)設(shè)計構(gòu)型強于全局紀(jì)實與審核

　　為保證全局視角下技術(shù)狀態(tài)管理的可追溯，需實現(xiàn)全局紀(jì)實和審核支持。首先，實現(xiàn)技術(shù)狀態(tài)全局視圖的可視化，在整個設(shè)計過程中能夠讓構(gòu)型管理人員隨時獲得全局的技術(shù)狀態(tài)描述，支持對構(gòu)型項的持續(xù)和實時跟蹤;其次，在不同階段為技術(shù)狀態(tài)審核提供構(gòu)型項的全局固化和輸出，支持設(shè)計構(gòu)型紀(jì)實與審核業(yè)務(wù)的開展。

　　2、面向設(shè)計的BOM管理

　　面向設(shè)計的飛機構(gòu)型應(yīng)采用同一個BOM框架開展，如圖4所示。總體上，BOM將分為三個層級進行管理，實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的三層架構(gòu)，在整個構(gòu)型管理系統(tǒng)中貫徹以設(shè)計模塊為核心的方法。

　　頂層產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對于一個指定的飛機型號來說是相對不變層，按照專業(yè)進行組織，該層結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，通常不會變化。

　　構(gòu)型層用于實現(xiàn)技術(shù)狀態(tài)管理，是整個構(gòu)型管理的控制點與核心，即在構(gòu)型層進行有效性標(biāo)識和更改控制，構(gòu)型層由CI-LO-DS組成。其中，CI為構(gòu)型項，對應(yīng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的一個管理對象，對于EBOM可以認(rèn)為是一個模塊，它不是一個真實的零件或者裝配;LO(Link Object)為連接對象，表示一個CI和DS(Design Solution)的對應(yīng)關(guān)系，可以標(biāo)識有效性信息，在某些BOM中，LO不會作為一個真實對象存在;DS是基于一個CI的需求所給出的定義或分析方案，是定義能滿足CI要求的設(shè)計解決方案。DS以下即是BOM底層。

　　底層結(jié)構(gòu)用于構(gòu)建一架飛機具體的設(shè)計解決方案，由頂圖的具體設(shè)計構(gòu)成。底層產(chǎn)品結(jié)構(gòu)包括用于飛機構(gòu)建的實際零部件及相關(guān)的技術(shù)數(shù)據(jù)。采用CI-LO-DS的構(gòu)型標(biāo)識方式，產(chǎn)品構(gòu)型信息僅需要定義在CI層，零部件的設(shè)計更改則在DS中進行換版。這樣極大的簡化了構(gòu)型控制的復(fù)雜度。

　　面向設(shè)計構(gòu)型的BOM架構(gòu)當(dāng)前在航空行業(yè)主要衍生出三種BOM視圖，分別是定義視圖DBOM、工程視圖EBOM以及系統(tǒng)視圖System View。

　　(1)定義視圖DBOM出現(xiàn)在方案設(shè)計和初步設(shè)計階段，在開展功能/邏輯架構(gòu)設(shè)計工作后續(xù)階段。DBOM用于支持飛機的概念設(shè)計，通過CATIA等設(shè)計工具進行主要幾何模型和總布置等模型設(shè)計，并產(chǎn)生設(shè)計規(guī)范(二維或文檔)，設(shè)計結(jié)果提交PLM基于DBOM組織管理。定義視圖DBOM的三層架構(gòu)如圖5所示。

　　DBOM的頂層由設(shè)計人員基于ATA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃出DBOM頂層結(jié)構(gòu)。DBOM的構(gòu)型層以DBOM頂層為基礎(chǔ)，設(shè)計人員在PLM進行DBOM構(gòu)型層規(guī)劃，包括D-CI和D-LO的規(guī)劃，其中D-CI是具體的設(shè)計項，如RAT布置方案，D-LO是規(guī)劃的多個待選擇的場景，如RAT機頭安裝場景和RAT機腹安裝場景;針對DBOM中規(guī)劃的場景，設(shè)計人員開展具體方案的設(shè)計，如骨架模型、邊界模型、打樣模型和設(shè)計規(guī)范等設(shè)計，設(shè)計結(jié)果提交PLM形成DBOM底層，其中，對于3D模型，首先在PLM中創(chuàng)建相應(yīng)的D-DS，然后通過設(shè)計工具集成接口將模型提交PLM并建立與D-DS的關(guān)聯(lián);對于2D模型和文檔，首先在PLM中創(chuàng)建相應(yīng)的D-DS，然后將數(shù)據(jù)創(chuàng)建為文檔并建立與D-DS的關(guān)聯(lián)。DBOM的構(gòu)型層底層是具體的組件、零件及他們的數(shù)模和文檔。

　　(2)工程視圖EBOM出現(xiàn)在初步設(shè)計完成后進入詳細(xì)設(shè)計階段，在設(shè)計制造一體化模式下，設(shè)計工藝聯(lián)合開展工程定義，統(tǒng)籌考慮設(shè)計和制造分離面進行模塊定義，保證模塊思想從工程定義到生產(chǎn)制造過程的貫穿，在此基礎(chǔ)上設(shè)計人員通過CATIA開展模塊的MBD模型詳細(xì)設(shè)計，設(shè)計結(jié)果在PLM系統(tǒng)中基于EBOM結(jié)構(gòu)視圖統(tǒng)一管理。工程視圖EBOM的三層架構(gòu)如圖6所示。

　　工程視圖EBOM頂層與DBOM具有相同的頂層結(jié)構(gòu)，首先由設(shè)計人員在PLM中通過對DBOM頂層的復(fù)制和轉(zhuǎn)換形成結(jié)構(gòu)完全相同的EBOM頂層結(jié)構(gòu);工程視圖EBOM構(gòu)型層以EBOM頂層為基礎(chǔ)，設(shè)計和工藝人員聯(lián)合進行EBOM構(gòu)型層規(guī)劃，包括E-CI、E-LO和E-DS的規(guī)劃，其中E-CI是具體的模塊，E-LO連接該模塊下不同的詳細(xì)設(shè)計方案(E-DS)，記錄飛機對該模塊下詳細(xì)設(shè)計方案(EDS)的選配架次，E-LO的架次來自具體訂單，初次規(guī)劃時E-LO的架次有效性可以為空;工程視圖EBOM底層針對EBOM中規(guī)劃的模塊，設(shè)計人員開展詳細(xì)MBD設(shè)計，航空工業(yè)主機廠所主要通過CATIA開展設(shè)計，設(shè)計結(jié)果提交PLM形成E-DS的具體方案，從而構(gòu)建出完整的EBOM。面向不同用戶的差異性需求，每個E-CI下可以設(shè)計多個方案(E-DS)。

　　(3)系統(tǒng)視圖System View出現(xiàn)在詳細(xì)設(shè)計階段，根據(jù)總體單位提出的成品和系統(tǒng)需求，供應(yīng)商將開展成品和系統(tǒng)的設(shè)計和交付，成品和系統(tǒng)數(shù)據(jù)在PLM將通過系統(tǒng)視圖進行統(tǒng)一管理。EBOM系統(tǒng)視圖的作用在于滿足系統(tǒng)設(shè)計師在進行系統(tǒng)設(shè)計時對系統(tǒng)功能規(guī)劃和設(shè)備構(gòu)型數(shù)據(jù)組織和控制的需求，是按照ATA章節(jié)和設(shè)備功能進行分解的產(chǎn)品視圖。EBOM結(jié)構(gòu)視圖基于功能標(biāo)識號建立與EBOM系統(tǒng)視圖數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，將設(shè)備的功能與其物理安裝分離。與EBOM結(jié)構(gòu)視圖相比，EBOM系統(tǒng)視圖與DBOM無直接的繼承關(guān)系，是以重建方式形成的一個BOM。系統(tǒng)視圖System View的三層架構(gòu)如圖7所示。

　　系統(tǒng)視圖System View頂層根據(jù)總體、市場或適航相關(guān)部門對系統(tǒng)提出的相關(guān)需求，總體和系統(tǒng)等相關(guān)專業(yè)共同制訂飛機ATA分解結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)視圖的頂層結(jié)構(gòu);系統(tǒng)視圖System View構(gòu)型層產(chǎn)生在頂層結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)中建立以后，設(shè)計人員將對其功能進行分解形成F-CI，并為其分配功能標(biāo)識號，如果F-CI可以進一步細(xì)分，則建立F-CI嵌套結(jié)構(gòu)，直至到具有獨立功能的具體設(shè)備，一般嵌套不宜超過三層。系統(tǒng)設(shè)計產(chǎn)生的接口文件、原理圖、線路圖和拓?fù)鋱D等數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到ATA章節(jié)和F-CI;系統(tǒng)視圖System View底層是在F-CI確定以后，設(shè)計人員針對F-CI功能的實現(xiàn)將開展相應(yīng)設(shè)計工作，通過供應(yīng)商獲取相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)，包括技術(shù)文件和三維外形數(shù)模，創(chuàng)建這些數(shù)據(jù)對應(yīng)的設(shè)備描述F-DS，并將其關(guān)聯(lián)至相應(yīng)的F-CI。

　　四、結(jié)論

　　飛機研制項目是一項極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，而構(gòu)型管理有效解決了飛機全生命周期中技術(shù)狀態(tài)管控的問題，從而減少了設(shè)計周期，縮短了版本更改的時間，并且避免了因頻繁工程更改導(dǎo)致的錯誤，是現(xiàn)代飛機成功研制的關(guān)鍵因素。