當前國內航空制造業(yè)研制手段從二維向全三維過渡，試驗和驗證從實物發(fā)展到虛擬仿真，研制技術由串行、同地域的應用向跨地域/跨企業(yè)、多系統(tǒng)的全生命周期集成應用轉變，研制業(yè)務范圍也拓展到詳細設計之前和生產(chǎn)制造之后，主要包括：橫向覆蓋從市場規(guī)劃、研發(fā)階段、生產(chǎn)制造、試飛鑒定和產(chǎn)品支援，縱向上貫穿管理、設計、制造、供應鏈、試驗和維護的業(yè)務過程。因此，本文依據(jù)數(shù)字化協(xié)同研制模式的思想，從點、線和面三個層次闡述了業(yè)務過程和軟件工具間的關系，并對使用“補點、連線、構面”技術來構建全生命周期的航空產(chǎn)品制造業(yè)務數(shù)字鏈，持續(xù)推動航空制造業(yè)務模式的創(chuàng)新和決策水平的提升進行了深入的研究。
1 數(shù)字化的點技術
上世紀90年代以來，信息技術的發(fā)展以及大規(guī)模定制的生產(chǎn)需求，使得跨地域/多企業(yè)聯(lián)合工作成為航空制造業(yè)的主要趨勢。在數(shù)字化協(xié)同研制模式下的點技術不再是傳統(tǒng)的由單一專業(yè)技術人員獨自實現(xiàn)的單點技術，而是在協(xié)同研制業(yè)務過程下由多專業(yè)的管理和技術人員共同完成的局部多個單點技術的集成，這就要求對航空制造業(yè)務過程中傳統(tǒng)的單點軟件技術進行補充和完善，以促進研制業(yè)務過程和軟件系統(tǒng)的協(xié)同與集成，如在可行性和概念設計階段解決總體、系統(tǒng)、結構等所有專業(yè)的需求與功能，邏輯樣機和幾何樣機的關聯(lián)問題的系統(tǒng)工程技術，在數(shù)據(jù)發(fā)放過程中解決設計與制造間協(xié)同工作內容的基于成熟度的工藝審查以及通過使用電子樣機（包括結構、功能與性能樣機等），支持全三維研制設計、仿真優(yōu)化和迭代的業(yè)務的全生命周期仿真技術等。如圖1所示，在產(chǎn)品總體方案設計階段的系統(tǒng)工程就是以需求管理中產(chǎn)品的技術指標為依據(jù)，在實現(xiàn)技術指標、對應的產(chǎn)品（系統(tǒng)、零部件等）以及與之相關的專業(yè)技術和軟件系統(tǒng)三者進行關聯(lián)，開展多輪迭代的多學科優(yōu)化設計，最終得到能與技術指標匹配的最優(yōu)解（方案）的業(yè)務過程。
圖1 系統(tǒng)工程示意圖
2 研制過程的線技術
數(shù)字化協(xié)同研制的核心是利用先進業(yè)務過程和完整軟件支撐體系，支持研制中相關過程、技術和軟件工具的無縫集成，貫通研制全生命周期的業(yè)務線和管理線，打造航空制造業(yè)務的數(shù)字鏈，實現(xiàn)對業(yè)務發(fā)展和管理決策的全面支撐。
2.1 業(yè)務連線
數(shù)字化協(xié)同研制模式下的全生命周期的業(yè)務線是從總體上對研制業(yè)務過程和軟件支撐體系進行規(guī)劃，將產(chǎn)品的設計、制造和檢測等離散的信息進行“數(shù)字化”處理，實現(xiàn)產(chǎn)品由虛擬設計向現(xiàn)實生產(chǎn)無縫轉化的全業(yè)務過程，如圖2所示。
圖2 數(shù)字化協(xié)同研制業(yè)務線示意圖
在這個過程中核心是產(chǎn)品三維數(shù)字化模型，它實現(xiàn)的是全生命周期研制過程的單一數(shù)據(jù)源功能，即在CAD/CAE/CAM、PDM、MES、ERP等軟件工具的支持下，能夠對設計階段定義的產(chǎn)品信息能夠在下游工藝、制造和仿真等業(yè)務過程中共享、傳遞、重用與延拓。而為了保證業(yè)務連線中產(chǎn)品信息的唯一性及其在業(yè)務過程中的有效性和可交互性，選擇相同廠商的軟件工具并形成統(tǒng)一架構的支撐體系是最優(yōu)方案，但是國內航空制造企業(yè)業(yè)務過程的多樣性和信息化建設的現(xiàn)狀，導致支撐航空制造業(yè)務線的軟件體系基本上是由不同廠商的軟件所構成，而這種采用異構軟件導致工程、工藝、制造等數(shù)據(jù)不能共享、傳遞、使用以及多個軟件不能無縫的集成等諸多問題是研制業(yè)務線不能完全貫通的主要原因。
2.2 管理連線
數(shù)字化協(xié)同研制業(yè)務模式下的全生命周期的管理線是運用項目、需求、構型及數(shù)據(jù)的管理思想與方法，實現(xiàn)航空制造業(yè)務全過程中客戶需求、數(shù)據(jù)結構、配置功能和邏輯關系的全面結合。其核心是將最初以設計制造為主的業(yè)務管理體系，擴展到項目管理、需求管理、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、綜合保障等全生命周期的協(xié)同管理，它涉及到業(yè)務流程、標準規(guī)范、軟件平臺、數(shù)據(jù)信息的各個層面，如圖3所示，其目標就是要實現(xiàn)全生命周期的數(shù)字化設計、制造、維護一體化管理，提高產(chǎn)品研制過程中跨地域/跨單位/跨專業(yè)的并行協(xié)作效率，縮短研發(fā)周期，降低成本。
管理連線是在業(yè)務連線（單一數(shù)據(jù)源）的基礎上，利用網(wǎng)絡化和數(shù)字化技術，對分布在不同地域/不同企業(yè)的串行業(yè)務流程、孤立信息系統(tǒng)和離散研制數(shù)據(jù)進行綜合管理，以提高業(yè)務流程的連續(xù)性、軟件工具的集成性和數(shù)據(jù)信息的有效性，以適應國內航空制造業(yè)由一廠一所的傳統(tǒng)研制模式向著多廠所/跨地域，甚至整個航空工業(yè)層面的數(shù)字化協(xié)同模式轉變，因此，能否貫穿全生命周期的管理連線，不僅要實現(xiàn)管理思想與軟件功能的深度融合，還需要系統(tǒng)的考慮二者與航空制造企業(yè)自身的組織結構，技術能力、信息化基礎條件等方面的一致符合性。
圖3 數(shù)字化協(xié)同研制管理線示意圖
3 基礎共性的面技術
與傳統(tǒng)業(yè)務模式相比較，數(shù)字化協(xié)同研制覆蓋的業(yè)務范圍更全，對單點技術的應用要求更高，并要實現(xiàn)全生命周期業(yè)務線和管理線的貫通，這些都需要以系統(tǒng)工程的思想來對產(chǎn)品研制各環(huán)節(jié)的一系列技術、標準、資源以及經(jīng)驗和成果進行全面的歸納總結，結合協(xié)同研制條件下的管理思想與軟件工具的實際功能，完善包括基礎資源、標準規(guī)范及知識庫在內的各項共性技術，使它們成為支撐跨地域/多企業(yè)數(shù)字化協(xié)同研制中單一數(shù)據(jù)源、流程協(xié)同管理和并行工作的基礎性保障。
3.1 基礎資源及知識庫
隨著數(shù)字化協(xié)同研制模式的深入應用，基礎資源不再集中在業(yè)務過程的某個點而是整個網(wǎng)絡化管理，也不再是僅為單點技術服務而是為所有軟件系統(tǒng)提供全面服務；各軟件之間的信息集成越來越重要，各軟件之間的資源共享的需求也愈來愈緊迫。因此，必須通過編制建庫標準，規(guī)范各類設計制造資源的描述，實現(xiàn)相關基礎數(shù)據(jù)和知識收集整理與規(guī)范入庫和動態(tài)維護，構建支持航空制造企業(yè)產(chǎn)品研制業(yè)務過程和軟件系統(tǒng)集成所需的基礎資源庫，如圖4所示，提高航空產(chǎn)品協(xié)同研制中基礎數(shù)據(jù)應用的標準化、規(guī)范化水平。
圖4 基礎資源庫的構建
基礎資源庫除信息代碼庫、標準規(guī)范庫最根本的管理庫外，還有其它與協(xié)同研制相關的要素可分為基礎類資源庫：包括標準件庫、材料庫、失效分析庫等；設計類資源庫：包括總體參數(shù)庫、翼型庫、重量庫等；制造類資源庫：包括設備庫、工裝/夾具庫、工藝規(guī)范庫等。基礎資源庫的構建必須基于統(tǒng)一管理、統(tǒng)一架構、統(tǒng)一部署、統(tǒng)一平臺的業(yè)務和管理思想，梳理各類庫之間的關聯(lián)關系，構建數(shù)據(jù)源頭唯一、結構合理、高度共享的基礎資源庫體系，然后在此基礎上，通過通用數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)研制環(huán)境（CAX/PDM/ERP/MES）中的標準規(guī)范、工程數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)、測試數(shù)據(jù)、維護數(shù)據(jù)與知識庫相互關聯(lián)，如圖5所示，即將一個覆蓋航空產(chǎn)品設計、制造、試驗、使用和保障維修等方面的經(jīng)驗數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、典型案例以及研制規(guī)范等的知識庫集成到協(xié)同研制環(huán)境，使各類技術人員能在設計、制造、試驗和維修的過程中把所需數(shù)據(jù)提煉成知識，同時也可根據(jù)技術人員的需要自動推薦已有知識，并為決策者提供決策支持和智能分析工具。
圖5 基于研制環(huán)境的知識庫
3.2 信息化標準體系
數(shù)字化協(xié)同研制作為一個業(yè)務過程與軟件技術深度融合的業(yè)務模式，需要完善的、高質量的信息化技術標準與規(guī)范來支撐，構建信息化標準體系的目標就在于規(guī)范工程數(shù)字化和管理信息化條件下的航空產(chǎn)品研制的要求，推進數(shù)字化、信息技術在研制過程中全面和規(guī)范的應用，解決傳統(tǒng)的標準研發(fā)和管理方法無法同步于技術發(fā)展、或滯后于航空產(chǎn)品研制的需求。
信息化標準體系可從兩個維度進行構建，一方面從宏觀角度，如圖6所示，對涉及研制全生命周期的IT服務管理、資源庫、各種管理方法以及公共軟件資源等的共性面技術，研制過程的管理連線技術給出頂層的標準化要求。對于通用性較強的技術內容，一般使用直接采用標準的策略，對于能夠反映軟件具體特點的技術內容，采取制定專用標準的策略。其中，適用的現(xiàn)行標準主要包括國家軍用標準、航空行業(yè)標準、集團標準、專項標準和其他標準。
圖6 宏觀的標準規(guī)范示意圖
另一方面，從航空產(chǎn)品研制過程中各業(yè)務環(huán)節(jié)的微觀角度出發(fā)，對涉及到大量的學科和專業(yè)，以及各個學科和專業(yè)橫跨研制的各個階段，所呈現(xiàn)出特有的流程方法、軟件技術和業(yè)務方式，主要包括工程仿真、數(shù)字化定義、數(shù)字化工藝設計與管理、數(shù)字化工裝管理、試驗驗證以及相關管理過程性活動。因此將這些共性的要求總結和提煉，進行統(tǒng)一的規(guī)范和定義，形成較完整的標準規(guī)范支持體系。如圖7所示，為飛機研制過程中與微觀活動相關的標準體系示意圖。
圖7 微觀的標準規(guī)范示意圖
綜上所知，信息化標準體系主要包括信息化基礎標準、信息技術標準（IT標準）、信息技術應用標準（IT應用標準）、信息化管理標準等。信息化標準體系建設使過去不可能實現(xiàn)的在線協(xié)同設計、關聯(lián)設計、基于成熟度的多廠所研制協(xié)同成為可能。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前航空工業(yè)形成的數(shù)字化航標已有上千份，企標超過兩千份。
4 主流工程軟件分析
在航空制造業(yè)發(fā)展的過程中，一方面計算機軟、硬及網(wǎng)絡技術的發(fā)展，尤其是軟件技術的提升，為航空制造業(yè)務模式創(chuàng)新提供了有力支撐，另一方面工程軟件以先進業(yè)務模式為標桿，不斷完善自身功能，以滿足業(yè)務模式創(chuàng)新對軟件功能的要求。當前國內主流工程軟件都是國外軟件公司的產(chǎn)品（達索、西門子、PTC），它們都起源于航空制造業(yè)，并隨著航空制造業(yè)務模式的不斷演變，經(jīng)歷了從數(shù)字化單點技術向研制過程線技術、現(xiàn)代基礎共性的面技術發(fā)展的三個階段。目前主要的工程軟件譜系對比如表1所示。
表1 三家主流工程軟件譜系對比
第一階段從上世紀60～90年代，由于受到傳統(tǒng)業(yè)務模式影響和計算機軟、硬件限制，各軟件公司僅關注于單個業(yè)務環(huán)節(jié)效率的提升，工程軟件以CATIA、UG、Pro/ENGINEER等單機版CAD研發(fā)為主，輔助以CAE/CAM功能。
第二階段從上世紀90年代到本世紀初，全球化經(jīng)濟的興起，“數(shù)字樣機”、“并行工程”、“精益生產(chǎn)”等技術與思想被航空制造企業(yè)所使用，各軟件公司一方面采用自主開發(fā)與并購相結合的方法，補充和完善現(xiàn)有軟件產(chǎn)品譜系（Solidworks、Delmia、3Dvia、Teamcenter Manufacturing、Solid Edge、Windchill ProjectLink、Arbortext、ProductView等）來支撐數(shù)字化協(xié)同研制的業(yè)務線，另一方面將軟件功能由點向線進行拓展，通過PLM軟件（Teamcenter EntERPrice/Engineering、 ENOVIA VPM、Windchill PDMLink等）實現(xiàn)數(shù)字化研制數(shù)據(jù)鏈（包括業(yè)務線和管理線）的貫通。
與前兩個階段軟件系統(tǒng)的簡單整合不同，第三階段由于“全三維（MBD）數(shù)字化設計”、“網(wǎng)絡化協(xié)同研制”與“大規(guī)模系統(tǒng)集成”等技術的成熟應用，各軟件公司開始關注支持網(wǎng)絡技術發(fā)展的軟件架構，以及原有業(yè)務模式下軟件系統(tǒng)的異構問題（ENOVIA Matrixone，SIMULIA，Teamcenter等），并將航空產(chǎn)品研制的應用技術、業(yè)務知識、管理方法與工程軟件體系深度融合，打造同構的、能滿足現(xiàn)代航空產(chǎn)品全生命周期數(shù)字化協(xié)同研制各種需求的全面解決方案，以此來促進航空制造業(yè)務模式的創(chuàng)新。
5 總結
國內航空制造業(yè)的業(yè)務特點（設計、制造分離等）以及主流軟件公司的商業(yè)競爭，使得目前航空制造業(yè)務過程與軟件工具之間無法形成良性互動，甚至阻礙了相互發(fā)展，因此，合理的選擇對業(yè)務過程和軟件工具進行“補點、連線、構面”，大力提升兩者的一致符合性，構建起全生命周期的航空制造業(yè)務數(shù)字鏈，對于提高我國航空制造業(yè)數(shù)字化研制和管理水平與質量，促進航空制造業(yè)由大變強具有重要的戰(zhàn)略意義。
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