航空制造业数字化协同技术综述

   关键技术

    1.以模型为核心的多专业/多学科设计协同技术

    飞机的设计及更改工作贯彻于产品全生命周期各个阶段，并且涉及多个专业、多个学科。为了确保产品设计质量和满足客户需求，有必要改变传统的以详细设计阶段为主的管理模式，引入基于模型的系统工程管理思想，实现需求、架构设计、方案设计、详细设计、仿真验证的一体化；改变注重结构设计单一专业的管理模式，扩展为广义研发领域多专业的协同，其中广义研发多专业包括结构设计、系统设计、软件设计、工艺设计、工装设计、检验设计、维修保障设计等；改变注重产品设计单一学科的管理模式，扩展为产品设计与四性综保、重量重心、强度分析、仿真分析等多个学科的协同，以优化产品设计特性；改变传统的数据模拟量传递方式，提升为以模型为核心的数字量传递模式，并逐步过渡至虚拟产品联合定义的模式，其中虚拟产品联合定义指的是协同工程模式下的多专业、多学科高度融合的业务协同模式。

    在基于模型的系统工程研发体系中，模型代表不同阶段产生的模型集合，它们互相联系，并分别解决不同领域的问题。模型集合的组成及其逻辑关系如图3所示，包括产品设计模型集合和衍生模型。其中，产品设计模型包括需求模型、顶层架构设计模型（参数模型、架构模型、行为模型）、电气/通信设计模型、硬件设计模型、软件设计模型等，这些模型是按照产品研制流程而产生的输出结果。衍生模型是由产品设计模型派生出来，用以验证、说明、分析等用途的特殊模型，主要包括仿真模型、工序模型、检验模型、维修模型、安全分析模型、成本分析模型等。

    在基于模型的设计方面，国内外航空先进制造企业已经或正在开展基于MBD(Model Based Definition)的数字化产品定义、基于MBD的数字化工艺设计及仿真、基于MBD的工艺装备设计制造集成、基于MBD的数字化检测及质量控制等技术的应用和标准制订工作，基本实现了全数字量传递的数字化工程协同工作模式。MBD技术重点解决传统研制模式下的数据表达、传递及二义性转换的问题，数据的核心以产品设计数据为主。如图3所描述的模型体系，在MBD技术深入应用的基础上，需要向前端的需求设计、系统架构设计，后端的仿真验证、生产、维修、质量（安全、成本、可靠性分析等）等环节进行扩展，并逐步与业务组织调整相结合，向协同工程研制模式下的模型整合方向发展。

图3 广义产品研发模型体系

    基于模型的系统工程管理思想除了强调以模型为核心的设计，还强调全生命周期过程中基于模型的协同管理，即通过管理环境实现产品全生命周期模型数据的管理和基于模型的设计协同，支持各阶段、各学科模型的关联性和可追溯性。

    2.以模块化为核心的全价值链端到端一体化协同技术

    全生命周期价值链端到端的业务过程包括立项论证、方案设计、工程研制、试验验证、定型批产、售后保障等各个阶段。为了提高各个阶段业务工作的协同效率，确保各个阶段的关联性和符合性，实现模块化统一管理是重要的基础保障。

    模块化是一种产品设计及管理理念，在全生命周期价值链端到端的协同体系中贯彻模块化思想，其优点包括：可以提高产品数据重用性，快速推出适应客户需要的系列化和个性化产品；实现产品结构扁平化，可以简化工程管理和技术状态管理，提高数据管理的准确度；采用先进的模块化生产和装配模式，缩短交付周期；利于产品维修和客户增值服务；利于合作伙伴的接口定义和合作研制机制。

    基于模块化的全价值链端到端协同核心技术及支撑规范如图4所示。在产品设计初期就需要面向未来的平台系列化发展目标进行模块化规划，并在各个设计环节贯彻模块化设计的原则。在模块化设计过程中，引入并行工程或协同工程的思想，采用DFx的设计方法，以保持底层设计模块在全生命周期各个阶段的一致性和完全共享，避免模块在不同阶段的重新打散，从而影响其符合性和可追溯性。其中，DFx包括面向需求的设计(Design for Requirement)、面向制造的设计(Design for Manufacturing)、面向装配的设计(Design for Assembly)、面向维修的设计(Design for Maintenance)等。

图4 基于模块化的端到端协同核心技术及支撑规范

    除了模块化的设计技术外，还需要模块化管理和应用技术。模块化管理主要包括基于模块化的数据签署、发放、更改、供应商协同，以保持模块的原子化和完整性管理。模块化应用主要包括模块化生产、模块化选装选配、模块化交付、模块化维修、模块化技术协调等。

   3.以规划和计划为核心的工程管理协同技术

    航空制造工程研制工作是一项复杂的系统工程，应用技术复杂且具有不确定性，持续周期长，需要巨大的资金、资源支持和大量参研人员协同工作。因此，为了保障项目的研制成功，需要以规划、计划为核心，采用精益化管理思想，构建相应的工程管理协同应用体系。

    图5为以规划和计划为核心的工程管理协同体系框架，该框架将任务规划、计划制定、工程执行、结果反馈等环节紧密结合起来，形成一体化、透明化的精益管理基础模式。基于该框架思想，首先需要利用需求管理工具RT进行协同任务的规划，包括需求规划、模块规划、质量规划、适航规划、试验规划、工艺规划、维修规划等；然后根据任务规划进行资源配置和进度安排，并在多项目管理平台中形成工程协同计划；工程协同计划可以直接传递给工程研制协同环境PLM/MES/ERP，使工程人员根据计划任务开展相应的研制工作，并将结果和状态进行反馈。

图5 以规划和计划为核心的工程管理协同体系框架

    关键支撑技术包括多项目管理、质量和适航管理、技术状态管理等。其中，多项目管理强调以项目管理为主线，实现复杂装备研制进度、资源、风险、合同、成本等要素的统一管理，并将项目管理与工程研制协同平台进行整合，实现计划及交付的透明化监控和可视化追溯。质量和适航管理将改变传统的事后检查管理模式，通过与工程研制过程的捆绑，实现质量和适航目标定义、分解、实现的关联和全过程监督，以加强事前规划和事中控制。技术状态管理强调从标识、控制、审核和记实4个方面实现全寿期、全要素、全方位、全特性的技术状态管理。其中，全寿期指产品全生命周期各个阶段，全要素包括产品设计、工艺、工装、质量/适航、仿真、试验等方面，全方位包括设计、制造、客户服务、供应商等不同的参研主体，全特性包括虚拟产品的功能特性和实物产品的物理特性。

    4.以合同和协议为核心的全球产业链协同技术

    随着产业结构的调整和产业链的进一步分散化，飞机研制过程中的协作主体和协作关系将愈发复杂。为了消除地域障碍，有效地管控协同过程并提高协同效率，有必要从总制造商的角度，面向航空制造产业链体系，构建完善的全球产业链协同环境，以合同和协议为核心实现不同协作主体（客户、适航当局、多级供应商、试验单位等）的不同维度（计划、质量、工程等）的无缝协同。

    以供应商协同为例，在方案阶段与供应商进行联合产品定义，确定供应商所承担工作包的技术规格（或技术协议）；基于该技术规格，形成供应商交付计划，指导供应商研制工作，并管理交付和试验状态；基于技术规格和交付计划，总体设计单位按照工作包划分协调区，并将协调区相应的上下文数据发送给相应的供应商，供应商基于接收的设计上下文环境开展分包设计工作，设计完成后提交设计结果，并根据交付和试验情况反馈交付和试验状态。

    关键技术包括客户协同、适航当局协同、供应商协同、试验协同、外场保障协同等。其中，供应商协同主要解决一级和二级供应商的协同和管理问题，标准件及零部件供应商管理通常纳入供应链管理体系中进行管理，或者由一级、二级供应商根据配套需求进行管理。外场保障协同则主要实现产品交付后的外场技术支持协同，包括技术资料信息发布、外场技术支持过程管理、装备运行可靠性数据管理等。

    5.标准化工程中间件技术

    标准化工程中间件技术可以分为集成技术、协同技术和数据共享技术3类。其中，集成技术主要解决异构应用或数据库层面的集成问题，集成模式将逐步从点对点的模式向基于SOA(Service Oriented Architecture，面向服务的架构)的集成HUB模式转变，以实现集成模式的规范化、标准化和可扩展性。协同技术主要解决异地不同协作主体之间的同步或异步协同问题，包括协同规范和业务流程集成协同。在协同中，需要遵循协同规范进行协同应用环境搭建及对接，并按照规范开展相应的协同业务；业务流程集成协同需要解决跨地域、跨应用的流程对接问题，保证流程的顺畅流转。数据共享技术包括单一数据源管理、BOM管理、数据交换标准、虚拟样机技术、安全控制等。

    在数据交换标准方面，基于STEP的数据表达、数据交换和信息系统集成机制，正成为解决不同的异构系统之间数据交换和信息共享的根本机制。在机械设计与制造领域常用的STEP协议包括：系统工程领域的AP233、MCAD领域的AP203/AP214、ECAD领域的AP210、CAE领域的AP209、工艺规划领域的AP224、数控加工领域的AP238、PLCS(Product Lifecycle Support，产品生命周期支持)领域的AP239等。在数字化工程协同中，需要按照上述标准进行异构工具及应用的集成、数据传递和共享。

    在虚拟样机技术方面，按照研制阶段划分包括需求样机、概念样机、工程样机、产品样机等。其中，产品样机指工程基本定型后，在工程样机基础上增加工装模型、可靠性模型、维护模型、虚拟仿真模型、操作模型等，以支持生产、维修、训练、操作等用途，因此也可以按照用途分为销售样机、生产样机、维护样机、训练样机等。按照专业可以划分为结构样机、功能或性能样机，按照组成关系又可以分为全机样机、分区样机等。目前对虚拟样机的应用主要侧重在结构设计样机DMU的展示和干涉检查方面，但DMU与工程协同具体应用的结合尚不紧密。未来虚拟样机技术将逐步向全生命周期各个阶段、多专业、多用途的方向发展，并将与工程协同环节紧密融合，实现虚拟样机支撑下的数字化工程协同新体系。

   发展趋势

    当前，新一轮科技革命和产业变革酝酿新的突破，特别是新一代信息技术与制造业深度融合，正在引发影响深远的产业变革。发达国家纷纷实施“再工业化”战略，强化制造业创新，重塑制造业竞争新优势，如德国提出“工业4.0”，美国提出“工业互联网”，中国提出“中国制造2025”等。在“中国制造2025”战略中，航空航天制造被列为需要重点突破的十大领域之一，在新常态、新战略、新信息技术的大背景下，航空制造的数字化协同呈现如下的发展趋势。

    (1)新业态下的协同商业模式不断变化：随着互朕网+与制造业的结合，将催生基于互联网的研制众包等新业态，支持产业链进一步分散至社会个体化的研制资源，从而实现基于互联网的按需设计与制造协同新模式。

    (2)基于企业联盟的云制造协同：通过物联网，实现企业联盟的资源聚合统筹和云端资源整合，催生制造资源运营管理服务的新业态，形成“分散资源、集中管理”和“集中资源、分散服务”的制造资源接入、管理、使用的新协同模式。

    (3)增强现实支持下的纵向集成协同：在未来，生产过程中的每一步都将在虚拟世界被设计、仿真以及优化。真实的物理世界如物料、产品、工厂等将被建立起一个高度仿真的数字“双胞胎”，通过虚拟与物理世界的纵向集成，实现更深层次的人机动态协同。

    (4)大数据支持下的智能化工程协同：大数据主要包括设计数据、生产设备数据、产品运营数据等，这些数据可以利用物联网从智能产品和智能设备中进行动态感知，然后进行实时分析和自主智能决策，并能够将决策指令反馈给智能产品和智能设备，以实现精准执行。

   结束语

    航空制造数字化协同体系包括了业务体系和应用体系，其建设和应用的过程也是实现企业业务变革和管理创新的过程，涉及到商业模式、组织体系、业务流程、资源技能、工具及应用等方方面面的优化和整合。在体系化建设和应用推进中应注意业务与IT的紧密融合，以业务变革推动IT应用体系构建，以IT应用体系保障业务变革的成功实施。展望未来，随着“中国制造2025”的逐步推进，新的信息化技术、先进的管理思想将与业务紧密融合，一定能全面促进航空制造业的业务变革，支撑并推动型号研制成功以及先进的数字化协同体系的形成。