基于模型定義MBD的出現，徹底改變了制造業數據源的性態，為打通制造業信息化的瓶頸創造了條件，成為制造業信息化革命性的新起點。但是制造業的產品生命周期所有活動的數據源從傳統的2D到新的3D MBD的轉移，面臨著巨大的挑戰，會是一個漫長的過程。 “基于模型的企業（MBE）的概念，作為企業利用基于模型技術的環境，將推動數據源的過渡。與此同時，制造業所有的信息化應用系統則必須順應這種發展，向MBE靠攏，迎接制造企業信息化新起點的挑戰。

1 制造業信息化的進步和糾結

    上個世紀80年開始，在制造領域逐步進行著越來越廣泛的信息化改造。利用NC/CNC技術控制機床的作業、便捷的通信和高效的數據處理，加速了工廠整體生產力的提高。應用系統與先進企業管理理念的融合，優化了業務流程和保證產品質量，加快了研制速度，發揮了巨大的效益。但是，制造信息化的進展與社會的需求和人們的期望相比，至今仍是差強人意的。從工程到管理，從CAD/CAM到PMD/PLM/MES、從MIS到ERP等等，每每用大把的資金投入換得的總是不太令人興奮的成就。特別是所謂的集成和協同，除了“數據共享”之外，至今少有企業真正的實現。在制造企業，信息化讓人“既愛又恨”。信息化不盡人意的根源在那里？追根溯源，是制造業現行的工程圖紙和圖紙的發布/傳遞程序。

    傳統的工程圖紙用帶有尺寸、公差以及其它輔助標注的2D投影圖表達原本是3D的產品的設計意圖，傳達制造和質量要求以及支持信息。2D工程圖紙曾經是人類文明和進步的重要工具。但是，現行工程圖紙存在2個妨礙信息化繼續向縱深發展的桎梏：

    ●首先是2D圖紙的描述性的局限。制造數據在向下游層層傳遞的過程中，存在2維圖向3維思維轉換而造成人們大量的腦力浪費和總會出現理解錯誤。錯誤的糾正和更改措施增加了軟件和使用的復雜程度，減少了信息化的效果。

    ●更為糾結的是現行的工程圖對計算機可讀性的限制。2D圖紙不能提供計算機可以直接讀寫的產品數據。

    信息化時代，我們希望計算機代替人來執行各種管理的和制造的作業，就必須讓計算機直接或間接地讀到產品的技術數據。但是，傳統的工程圖紙或文檔是給人看的，不是給機器讀的。讓工程圖紙或文檔驅動計算機或機器的工作，必須經過人的理解、用人工從2D圖紙中提取信息，再通過人機交互界面（屏幕和鍵盤）將制造數據用下游應用軟件（如有限元分析FEA、CAM/CAPP/MES等）能夠解析的格式重新定義。這就是所謂“結構化”的過程。當應用系統和數據集成得很理想的情況下，這種手工作業至少做一次，而目前多數企業需要反復的進行。這就是說，信息化了幾十年，制造數據的源頭卻沒能“信息化”。高度自動化的設備和軟件系統與手工處理的產品數據之間存在著巨大的鴻溝。2D圖紙的機器不可讀性，阻斷了設計圖紙在下游作業的信息化重用。當產品越復雜、對工程圖紙依賴程度越高，這種不可讀性的影響越是嚴重；企業的應用系統越多，應用越是深入，遇到的障礙就越多，消耗的精力就越多；結果是信息化過程中的系統和軟件越搞越復雜，實施成本越來越高。

    在評價已經實現的信息化的成就時既要看到，CAD“甩圖版”功勞，也要看到過去一代CAD并沒有改變2D圖紙的本性；既要看到傳統的CAM和數控機床的效率，也要看到編程其實就是人工理解2D圖紙，再用機床可以識別的代碼和加工順序重新定義零件的重復定義過程。再如，早期MRP/ERP實施需要的BOM算是一種計算機可以識別的產品結構信息。但是構建和理順一個復雜結構產品的BOM并非易事。接著又興起MES來了，MES需要的數據不是BOM，而是BOP（Bill of Processes)，要求用計算機可以識別的每一個零件或裝配件的主要尺寸、公差、熱表處理和檢查的要求，這是系統進行制造作業、記錄、判別和追溯的依據。在所謂的“數據結構化的CAPP”中，這些數據從人工讀2維圖紙再重新輸入得到的，工作量大到難以想象。號稱為“協同平臺”的PDM/PLM，也就是圖檔和設計過程管理，內容上只管了幾個BOM，零組件的制造數據在所謂的產品數據管理系統中卻不存在。我們當然不能滿足于這種水平。

    2D圖紙在信息化環境中表現出來的固有缺陷和從此引發的信息系統的斷點，成為制造業信息化獲得更大成效和繼續發展的根本性的瓶頸。先進的信息化環境，需要不但人能讀懂、還必須是計算機可以直接識別、可以直接驅動應用系統和機器執行的產品數據表達。

2 MBD打開了制造業信息化的瓶頸

    CAD技術和有限元分析仿真技術的發展，促進了工程對象的3D表達。孤立的3D模型應用，包括有限元仿真、裝配模擬、運動模擬，大約延續了10多年之久。但模型上因為缺少制造所必須的尺寸、公差等的精確表達，一直不能獨立的作為產品信息的唯一數據源應用。模型和制造數據一體化，即：讓產品屬性如尺寸、公差和其它技術要求“牢牢的嵌入（embedded in） ”在模型上，讓嵌入模型上的尺寸、公差和其它屬性可以通過計算機可以直接訪問、查詢和重用，讓產品生命周期的各個階段和供應鏈的全程可以直接利用，是工程和生產人員的渴望，也是信息化繼續深化的必然趨勢。

    1997年美國制造工程師協會ASME組成專業委員會，由以波音為主的16個制造和軟件系統企業參加，制訂了ASME Y14.41-2003“Digital product definition data practices 數字化產品定義數據通則”。ISO又根據ASME Y14.41-2003 制定了ISO 16792:2006, Technical product documentation – Digital product definition data practices。標準規定了新的、統一的產品定義方法。所謂“新”，其一是用嵌入的、完全標注的3D模型定義產品，其二，也是更重要的，是用計算機可以識別的“產品定義數據集(Product Definition Data Set)”，目前多數文獻也稱其為“技術數據包TechnicalDataPackage或TDP”的，對3D模型做補充的說明。ASME Y14.41開創的產品表達方法被稱為“基于模型的定義Model Based Definition ,MBD”。有人定義“產品的基于模型的定義MBD是包含模型的精確3D幾何和注釋的數據集。注釋指定制造和生命周期支持數據和可能包括的說明和列表。該模型和技術數據包TDP構成了對產品的完整定義。

    有兩個關鍵因素成就了MBD超過基于圖紙/文檔的定義的顯著優勢：

    1)計算機可解釋性computer intERPretability。MBD用計算機可以識別的方式將3D模型和對模型的所有標注、屬性、各要素的關聯性以及數值組織起來形成技術數據包TDP，后續的制造和檢驗所要求的有關信息可以通過計算機對TDP的直接訪問檢索、查詢、傳遞。3D CAD模型不必進行附加的手工處理和數據的變換，就可以為下游業務提供數據。工程應用軟件可以對模型進行直接的讀入、處理。

    2)數據的關聯性data associativity。公差、材料規格、表面光潔度、硬度和其它信息與模型中的特定的特性是相關聯的結合在一起的。數據的相關性對模型的整體性是至關重要的。在傳統文檔之間數據關聯非常難以維護。而MBD模型的對象與注釋相關聯。對人來說，可以直接查看模型而不再需要依靠2D圖紙之類的補充文檔。對機器而言，提供了可重用（reuse）模型和可讀的TDP。

    美國國家標準與技術研究院NIST近期在一個會議報告中對工程模型的性質做了全面的說明：“模型是真實系統的結構、行為、運作或其他特性的表達或理想化地呈現。模型被用來傳達設計信息、模擬真實世界的行為,或指定的過程。工程師使用模型來傳達產品定義或者定義產品的構成、配置和功能。”報告特別指出模型的雙重含義：“模型既可以計算也可以描述。模型的描述性是指人可以識別并為人所用 (符號表征和演示)。模型的可計算性則意味著計算機的可解釋性和具有機器可讀的格式和語法。”并認為“早期的CAD模型只是給人看的。現今,CAD模型可以由各種工程軟件應用軟件直接進行解釋，并且現在有了能夠在應用系統之間傳遞工程數據的各種格式交換的標準。”

    此外，MBD還為并行協同的研制提供了應用基礎，讓下游包括工藝過程設計、制造、維修等的所有業務可以直接利用產品定義數據。實際上，MBD才開創了真正的產品數據唯一數據源和真正無縫集成的可能性。理論上3D模型可以替代2D的圖紙和文檔作為新的產品數據源。這樣，MBD打開了束縛制造業信息化發展的瓶頸，開啟了制造行業信息化發展的新紀元。

3 企業面臨產品數據源變化的挑戰

    MBD徹底改變了表達設計意圖的工程信息的形式，MBD向產品生命周期下游的擴展應用成為自然的、也是必然的趨勢。這種從產品數據源頭開始的變革，必將影響到制造、交付、維修等所有的活動。變革還涉及企業所有和產品數據有關的流程、信息系統軟件，改變了用到產品數據的所有人員、部門的工作方式，和制造業的行為文化。在MBD面前，先進制造系統、精益制造和生產執行的管理也都有了新的含義。新的3D世界，需要建立新的標準化和制造秩序。

    但是從2D傳統數據源到3D新的基于模型的數據源的轉換和它引發的諸多問題，又不是一朝一夕能夠解決的，需要從3D數據源的上游逐漸向下理順，需要很多技術和標準的支持。這種過渡還存在著許多人為障礙，難以很快掃清。可以預料，用MBD的3D模型和數據集替代傳統數據源、讓下游都能夠應用起來，是一個較長期的過程。也成為制造業所關注的頭等大事。

4 基于模型的企業MBE是新型數據源的應用環境

    目前看來，有一種稱為“基于模型的企業MBE”的技術，最有望成為從2D傳統數據源向3D模型的數據源過渡的解決方案。MBE使用3D CAD模型，而不是圖紙、文件，作為在整個產品生命周期所有工程活動的數據源，其核心宗旨是直接用模型驅動產品生命周期的所有方面，產品數據一經創建就為下游所有數據消費者重用。

    目前，MBE已經成為制造業最熱的詞語。美國有多個“基于模型的企業MBE”的研究和應用計劃。也有多個版本的MBE，甚至已經出現了某種亂象。最新的、比較統一的說法是：基于模型的工程(Model-based Engineering)是使用數字化模型驅動產品開發、制造和生命周期支持等所有工程活動的方法。基于模型的企業(Model-based Enterprise)是使用基于模型的工程的組織。而基于模型的“企業”和基于模型的“工程”被認為是互通使用的術語。并且有將“工程”的范圍擴展到整個產品生命周期過程，而不僅僅局限于設計過程的趨勢。但是制造業向新的數據源過渡的問題太重要了，我們不能等待學術界或者咨詢機構對MBE的定義有了結論再行動。本文采用的是由美國陸軍研究實驗室Army Research Laboratory (ARL) 領導、美國軍工制造技術計劃(ManTech)和美國國家標準與技術研究所(NIST)等機構聯合推廣的MBE的觀點，簡稱為ARL MBE或DoD MBE。 他們將基于模型的企業MBE定義為：基于產品3D定義 (MBD)詳細信息的、并為跨企業所共享的集成和協同環境，目的是使企業從原理到退役處理的產品全生命周期的所有活動快速、無縫和經濟的進行。

    從2D圖紙到MBE—工程數據的演變

    目前國內對MBE的關注也日益增多。但是，本文認為，關注MBE的重點并不在于研究它所包括的各種基于模型的技術的實現。因為無論有沒有MBE的概念，基于模型的制造Model Based Manufacturing (MBM)和基于模型的工作指導書Model Based Instructions( MBI) 都已經發展到近于成熟；無論有沒有MBE，基于模型的支持Model Based Sustainment (MBS)必將提到議事日程。實質上，MBE是一張覆蓋了使用3D產品數據源的所有技術的大傘，是所有基于模型技術的穹頂。推出MBE的意義在于充分發揮3D 模型和TDP在產品生命周期中的可重用(reuse)作用，用3D數據集成和協同產品生命周期的所有活動。用ARL MBE的術語說，就是構建一個貫穿于產品整個生命周期的“數字線Digital thread”。

    ARL MBE還提供數字化制造的近期目標標準和實現的路線圖，引導軍工行業3D模型數據的應用，加速用3D模型替代傳統2D圖紙和文檔的過程。ARL的MBE具有目標清晰、實施步驟明確、可操作，并且每年都有新的進展，已經在推動美國航空和軍工企業數字化的發展中取得效果，并且在牽引著美國一系列有關3D數據的新標準制訂。本文認為，ARL MBE值得航空和軍工企業研究和借鑒。

    美國國家標準與技術研究院NIST在2011年12月舉辦了基于模型的企業MBE峰會， 2012年8月，在NIST的官網上公布了這次會議的報告 。該報告總結了基于模型的企業的最新的技術發展和最佳實踐、技術挑戰、和建議。報告指出：“基于模型的工程(model-based engineering ，MBE)方法使用模型，而不是文件，作為產品整個在生命周期所有工程活動的數據源。MBE的核心宗旨是用模型驅動產品生命周期的所有方面，數據一次創建就為所有下游數據消費者重用。MBE的核心是MBD的描述性模型與計算模型的集成”。正是基于這樣一些重要的認識，促使我們對過去進行的信息化實踐進行上述反思和展望。

5 MBE的愿景

    根據ARL 的MBE開發的“評估MBE能力成熟度的標準(MBE Maturity Capability Levels)” ，基于模型的企業MBE近期可能達到的愿景是：

    1）3D模型和TDP的生成和管理達到的水平：

    ●用3D模型定義全部零件幾何和全部零件的標注（包括注釋、尺寸、PMI等），不再需要2D 圖紙的幫助。eBOM與CAD模型相鏈接。模型和注釋（說明、參數、非幾何數據）在PLM中受控，使用PLM基本工具半自動化的對3D模型幾何和零件標注進行檢查和和對模型的質量進行認證；

    ●由PLM自動實現從模型元素到數字數據包TDP的采集，TDP由PLM自動的數字化發布。數據發布和更改過程以及構型管理都是基于模型的。

    2）3D模型和TDP不經重新灌入就能夠為下游所重用：

    ●通過對本地3D CAD模型、輕量化3D可視化模型和eBOM的訪問，將PMI數據提供給制造、檢驗以及其它任何需要PMI的地方；

    ●用本地3D CAD模型、在創建模型的同時，并行的生成制造工藝規劃和作業指導書等制造代碼。制造過程的工藝規劃和作業指導書MBI全部與設計模型相關聯；

    ●設計模型和來源于模型的大部分數據應在同一個PLM系統中管理，制造代碼在PLM系統中受控；

    ●使用本地3D設計模型直接生成NC/CMM數控和質量檢驗代碼，與模型的建立也是并行過程，質量要求數據同樣全部在PLM中管理。

    3）在企業內部和供應鏈之間的協同和數據交換方面，達到的要求是：

    ●企業內部使用的設計數據是本地3D 模型和按企業內部需要的3D輕量化可視模型。用戶可以根據在組織內的角色，差異化的訪問所有模型數據。

    ●向外部設計部門提供的設計數據也是本地3D CAD模型。根據授權，外部的3D PLM可直接訪問本地模型和元數據。

    應該注意的是，這只是一個挑戰性的目標，至今尚沒有任何企業達到這一水平，甚至實現這個目標的可行技術也正在發展之中。

6 實現MBE面臨的挑戰

    真正用3D模型替代現行的圖紙文檔還有很多障礙需要掃清。實現MBE的這些目標，面臨著如下的嚴重的挑戰：

    1）標準和模型格式的轉換問題

    由CAD/CAM以及其它制造軟件供應商造成的3D CAD文件格式差異，成為實現MBE數字線和企業真正的集成和協同的現實障礙。供應商各自有自己獨特的3D模型和TDP文件格式。同一種軟件還有不同版本的數據兼容問題。而對于一個企業或產品供應網絡，會用到多個不同水平的CAD系統，不同廠商提供的CAM/NC/CMM/MES系統，將所有的應用軟件都統一在同一種格式上，幾乎是沒有可能。因此MBE理想化的數字線上，實際還是存在著多因為CAD軟件系統造成的斷點。3D模型文件的格式轉換是不可避免的。盡管所有設計數據的發布可以轉換成為STEP和IGIS中性文件，目前ARL MBE引導企業的做法是直接使用本地3D CAD模型，在需要銜接時，進行不同格式的文件直接轉換。用本地文件而不是從中性文件輸入CAD幾何具有的好處是：消除中間格式的轉換，翻譯、認證的工作量和潛在的翻譯錯誤都會減半。在集成來自承包商、供應商和合作伙伴的多種格式的數據時，也不再需要將其轉化為一個共同的格式。目前CAD系統的供應商和很多3D模型格式轉換的服務商已經可以提供3D模型轉換的軟件工具，可以解決大部分格式轉換的問題。當然, 中性的標準格式的價值并沒有被削弱。航空產品的生命周期比CAD軟件版本更新的周期要長許多。相對穩定的標準格式可以解決模型數據長期保存、而不必顧慮軟件更新出現的讀不出來的問題。

    2）業信息化進程的多樣性問題

    因為MBE的進展引發的問題還有大量老產品的處理。目從企業信息化進程的角度看，前同一個企業有最新的MBE模式、更大量的是傳統2D數據的信息化處理模式，也仍舊存在著純手工的管理模式。在普遍的混流生產企業中或是車間里，存在這種“一國兩制”甚至是“一國三制”的狀態，極大的增加了業務流程的復雜性。甚至會出現在同一臺機床上加工的零件，有用純紙質文檔的、也有采用“半數字化”MES的、也有無紙化的MBE方式的。多種系統的維護和運行規則都會加重車間的負擔，以致會造成混亂。所以，在目前各個企業將注意力集中在數字化應用“快步跑”的時候，還必須對企業信息化的全局有一個均衡、統籌的規劃。特別要關注老的、使用期長的機種（如美國B52的預期使用期達90多年之久），這些產品存在長期生產、維修的數據管理和信息化問題。理論上是加速全盤數字化的進展，所有產品都向MBE靠攏。如Boeing等公司現在正在研究用CAD插件實現老產品圖紙向3D翻譯的解決方案。但是翻譯過后的認證和大量數據的變異問題的解決還有待時日。而目前看到美國的重要軍機，如F35的生產特別是裝配，是單獨建線的，即“一代飛機、一代管理”，有利于管理進步，也不會因為老機型拖累新技術的快速發展。從這個角度出發，我們必須反思我國航空工業新機生產之前缺失“生產系統設計”的環節，將所有的產品堆積在一個幾十年不變的生產線中的模式。

    3）統一的信息技術平臺

    MBE是以3D模型定義為基礎，為整個企業所共享的、全面集成和協同制造的環境。在企業或供應鏈中，無論在何處的數據生產者和數據消費者，在制造過程的任何點上，都將連接到一個共同的數字的數據源上，數據標準將從設計階段開始,延伸到制造、繼而到最后裝配。這種統一平臺就是PLM系統。在這里，MBE和PLM這兩個當今制造業的穹頂概念如何到了一起。MBE的PLM是一個數字數據產生、傳遞和管理的統一平臺,不被部門和層次化的局部和應用所割裂或中斷！MBE的重要標志之一是：制造與質量代碼與設計模型在同一個PLM中管理。屆時，完成設計和工藝的數據as-designed/as planned，包括作業指導書和CNC/CMM代碼，制造完成和每次維護以后采集的數據as-built / as-maintained/as sustained都在同一數據平臺中。在MBE中，當前的所謂設計和研發平臺，工藝平臺，制造平臺、工具、工裝等五花八門的區域性的平臺都將成起割裂連續數字線的作用。所以從現在起，我們就要將信息規劃的著眼點轉移到利用PLM建立唯一的統一數據平臺上來。

    典型的基于模型企業MBE的結構

    4）范圍更廣泛的并行和協同的實施

    在MBE環境中，所有的工程活動是個同步或并行的過程。創建3D動態作業指導書、制造與質量代碼CNC/CMM程序、離散事件模擬等活動都是與創建設計模型并行開展的，這些工作都能夠在設計過程完成之前開始、并完成到一定程度。更為重要的是協同的實施將延伸到制造和車間現場。盡管并行工程的概念和應用已經有幾十年之久了，但是只有在MBE環境中和產品生命周期管理概念的共同穹頂之下，才能將并行工程加快研制周期和充分發揮各種模擬仿真的效能充分發揮出來。供應商也可以在它們的內部的開發過程重用OEM的TDP中的信息。但是，實行并行工程和真正的協同至今仍舊受到現有廠所建制和企業內部機構設置、功能劃分的限制。也深受設計、工藝人員分工和知識技能的制約。這些屬于行業規則和企業文化的問題也需要及早找到妥善的解決方案。

7 MBE為先進制造開辟廣闊的前景

    MBD解決了產品生命周期中的產品數據源的形態和機器的對產品設計意圖的可讀性問題，從而給機器和軟件系統的功能擴展開辟了無限的空間。這樣MBE將復雜制造和裝配帶上了自動化的道路。MBD數字數據重用的潛力僅僅受到用戶想象力的限制。凡是“帶有大批量生產情節的手工業生產系統craft system with a mass production mentality”都將因MBE而受益。這些制造領域無論在產量的需求上還是交付期的壓力上，特別是日益提高的精度要求，對自動化的需求日趨明顯，但目前基本作業仍舊處于手工業的水平，如航空航天和醫療儀器制造。基于模型的企業MBE將計算機控制的生產設備和管理應用系統用3D模型數據集成在一起，為復雜制造自動化和先進制造技術的發展創造了條件。屆時，在著名的經典著作《改變世界的機器》中所做的預言：“精益生產方式綜合了單件生產方式與大量生產方式的最佳特征。即：能降低單件成本、明顯的改進質量、提高了范圍更廣的產品與更有挑戰性的工作崗位。最后，我們確信，精益生產方式必將在工業的各個領域里取代大量生產方式和殘存的單件生產方式，成為20世紀的標準的全球生產體系。世界將會變得大不一樣，并將變得更加美好”，才有了真正實現的技術基礎。

結束語

    MBD打開了產品圖紙不可重用和機器不可讀的瓶頸，基于模型的企業MBE造就了貫穿產品全生命周期的數字線。這些進步使得制造業的信息化猶如“柳暗花明又一村”，前景突然光明了起來。引入MBE的概念，將加速解決應用3D模型引發的新問題，將促進制造數據源向3D轉移的進程。我們的企業在集中力量快速推進數字化設計、制造的熱情還必須與更踏實的統籌信息化的全局結合起來，讓真正的集成和協同的數字化制造企業更快的到來。

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本文標題：制造企業信息化的糾結和新生

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