0 引言
模塊化的核心思想是結合系統工程的概念將復雜產品進行分解，將強耦合關系的產品或數據進行封裝，通過接口與其他模塊交聯，并使模塊之間保持較弱的關聯關系。將模塊分配給不同部門或人員進行研發、制造，可以非常顯著的降低產品復雜性、減少研發成本和提高管理效率，極大的方便產品的配置和維護工作。
航空、航天等產品的研發屬于大型的系統性工程，由于內部關系復雜，更改牽涉面廣，為了應付龐大的產品數據和復雜構型的管理，世界上主流的飛機制造廠商已經采用了模塊化的方式對產品進行設計、制造和維護。
本文在B787等飛機較先進產品結構管理思想基礎上，以某型號民用飛機研發為基礎，綜合運用模塊化思想和全三維設計手段，結合實際案例提出一套符合我國國情且較完整的民用飛機產品結構管理思路。
1 國內外飛機產品結構管理現狀
1.1 國外現狀
波音、空客、龐巴迪等各主要飛機制造商在20世紀80年代左右開始將傳統的基于圖樣結構樹的產品結構管理方案逐步推廣到基于模塊的產品結構管理方案，通過多構型配置、小批量生產的模式，延伸出各子型號的飛機，豐富產品類型，滿足不同用戶及更改的要求。
目前波音、空客、龐巴迪等飛機制造商在各自型號中，主要通過對設計和制造工作包以及構型管理項的分解實現模塊化管理，并通過架次有效性控制設計模塊的更改。管理思路類似，但在設計手段、細節控制和操作上有所區別。
資料顯示，B787等最新的機型，在繼承早期B737NG等模塊化設計和制造思想基礎上，完全取消二維圖樣并使用全三維模型表達產品信息，將大量工作從二維圖紙中解放出來，使產品結構中零組件件號對應的管理對象更加集中和唯一。迅速降低管理對象復雜度，極大提高工作和產品更改效率，逐步建立了各企業新的產品結構管理標準。
B787項目在新的模塊化產品結構管理中，簡化了零組件更改原則，只要影響到制造的實物（功能、配合、外形）都可通過更換零組件構型號方式更改，除非僅修訂數模中的表達錯誤，且在產品庫存管理中擯棄了對圖樣版本的控制。
龐巴迪、空客等飛機制造商在產品結構管理中針對零件的管理，也采用與波音公司類似的全三維表達方式。但考慮到目前各類工廠在生產裝配和安裝、以及制造檢驗管理中全面實施全三維管理存在的困難，保留了安裝和裝配的二維圖樣，保證從傳統的模塊化產品結構管理向全三維模塊化管理的平滑過渡。
1.2 國內現狀
國內民用飛機項目中，ARJ21-700等飛機的產品結構仍采用傳統的基于結構樹的管理方式，并以圖樣版次表達不同零組件的構型，由于該產品結構的圖樣層次嵌套較深，很難將較穩定的產品數據進行分離并優先安排生產。同時，二維與三維并行在產品結構中存在，導致部分圖樣更改信息可能存在不完全同步等困難。單架次飛機的構型狀態，也必須通過圖樣編號和版次層層進行過濾和篩選，不利于小批量、多構型的配置型生產和更改，以及項目進度安排和經費管理。
國內20世紀90年代中后期在接受波音、空客公司等轉包生產中，接觸到了模塊化的思想和操作實踐，并在中歐合作研發的某小型直升機項目中逐步采用了傳統的模塊化管理手段。無論是在并行設計工程、還是工廠的制造和裝配中均取得了較好的實踐效果，一定程度上提高了研發效率，降低了制造成本。
目前，國內針對全三維零組件設計趨勢已進行了一些學術研究和應用，也轉包了部分B787項目的小型工作包。但基于模塊化的全三維產品結構管理在國內飛機領域，作為一種成熟、實用的工業化方法，尚未形成一套完整、可行的理論和實踐標準。
2 模塊化產品結構的組織
按照國際主要飛機制造商的經驗，模塊化產品結構分解應能夠反映工作包和工作分解結構，且符合制造與裝配工藝路線。滿足維修性分析和維護工作，同時也能夠為項目進度安排和成本分析提供較好的分解對象。
2.1 組織形式
以某一民用噴氣式飛機（型號U01-8）為例，提出一種符合以上要求的產品結構組織形式，如圖1所示。
圖1 模塊化產品結構組織形式
產品結構管理的兩類節點分別是：設計構型項（Design Configuration Item，簡稱DCI）和設計模塊(Design Module，簡稱DM)。
設計構型項(DCI)標識為同一型號產品結構中不變的管理節點，具體分為兩類。
(1)WP_DCI(Work Package_DCI)：該構型項可作為單獨交付的工作包（該編號與飛機架次結合可標識為一特定的交付部件）。
(2)WB_DCI(Work Breakdown_DCI)：工作分解構型項，一般標識為產品結構中的裝配、工藝分解或產品維護層次。
設計模塊(DM)產品設計構型和架次有效性信息，具體分為三類。
(1)DM：一般的、通用的、小型的組件或裝配模塊。
(2)Link_DM：模塊與模塊，大部件或重要組件之間對接的連接模塊。
(3)Install_DM：單獨交付部件或設備的安裝模塊。
2.2 分解原則
根據飛機研制的實踐經驗，建議模塊分解遵循以下通用原則：
(1)從飛機各工作包(Work Package)中進行模塊分解，確保模塊對工作包的可追溯性，以及與工作分解結構的一致性。
(2)結合各工作包對全機性設備、導管、線束或線纜安裝等進行模塊分解。
(3)需要重點控制的重要組件，與其他項目或設備具有復雜的接口關系，或具有高風險特征的項目（如新技術），及替代該項目的備份項目中進行模塊分解。
(4)飛機各大系統應按產品特點及功能關系對產品數據進行分包并封裝，以提高模塊分解效率及與機體結構模塊匹配性。
(5)選項安裝時，被替換或更改的項目也需分解出與選項匹配的模塊。
(6)飛機結構件模塊分解還應結合設計和工藝分離面劃分，使模塊的分解便于工藝及制造使用、重構和維修的分析及實施。
此外，飛機模塊的劃分還需要考慮到模塊功能獨立性、大小適中性、數據完整性等模塊化通用思想和要求。
3 模塊圖樣數據集組成
從簡化構型管理控制對象的角度出發，本文提出圖樣數據集應該盡量減少需要管理的文檔，以方便零組件及圖樣數據集更改控制的實施。
以U01-8飛機下某結構模塊為例，其工程數據集包含內容如圖2所示。
圖2 模塊的組織結構形式
(1)模塊控制編號：模塊的基礎編號（主圖樣編號）。
(2)模塊的構型號：模塊主圖樣編號加上單獨構型號，以表達確定的構型。
(3)模塊架次信息：各構型的模塊必須具有相應的架次信息，用于指導各生產部門或廠商確定該模塊下零組件及圖樣數據集的適用性。
(4)圖樣數據集：詳細的工程設計信息，不再記錄架次有效性等配置信息。
圖2中圖樣數據集信息組成有五條要求：
(1)目前全三維數模已可完全表達一個零組件的工程設計和制造信息，這也是航空產品設計手段的發展趨勢。因此，針對零件僅管理對應三維模型，每個構型的零件對應一個三維模型。
(2)模塊采用三維數模結合零組件清單(PL表)進行表達，其中三維數模在數字化平臺中表達該模塊的裝配關系，PL表表達該構型模塊下裝機的零組件件號及其他三維無法清晰表達的構型信息。
(3)模塊內部實現全扁平化管理，所有模塊層次應控制在兩層結構，即模塊下直接關聯零件，嚴格控制零件的更改追溯。
(4)從目前裝配與安裝角度出發，全三維模型仍無法完全取代二維圖樣。因此，為了便于工廠大部件的裝配和安裝，針對Link_DM、InstalI_DM對應的頂層連接和安裝模塊允許使用二維圖樣輔助表達，其他模塊不允許使用。
(5)架次有效性信息僅記錄在模塊配置表中，該配置表作為工程發放指令的一部分，用于描述不同構型模塊的裝機信息。
各構型模塊對應一份PL表，其格式可用示例模板表達，如圖3所示。
圖3 模塊PL表模板示例圖
與傳統的產品數據集相比而言，本方案可以極大的減少研制過程中的數據控制和管理對象。
4 圖樣數據集的更改控制
由于飛機在研制和批產階段，圖樣數據集面臨大量的更改和配置需求，提出一種既有利于設計數模的更改，又有利于工廠制造以及庫存狀態管理的更改控制算法，具體分為零件和模塊（裝配件）及對應數據集的更改。
4.1 零件及圖樣集的更改要求
零件因無二維圖樣，信息全部由三維數模進行表達，三維數模編號的組成信息如圖4所示。
圖4 零件數模的編號規則
零件更改有四條要求：
(1)無已制品（含在制品），零件更改不必換件號，三維數模升版（如版次從A版升為B版）。
(2)存在已制品（含在制品）且更改前后構型保持一致（非外形、配合、功能的更改），零件更改不必換構型號，三維數模更改直接升版。
(3)存在已制品（含在制品）且允許裝機，如更改前后構型不一致，零件必須換號，同時生成新構型的三維數模。
(4)零件對應的圖樣，最新版本有效，即新版發布舊版作廢。
零件的構型用“主圖樣編號十構型號”表達，其對應三維數模的版次不作為區分構型的依據，僅表達該構型零件所對應圖樣的更改次數。
4.2 模塊及圖樣集的更改要求
模塊數據集包含三維圖樣、PL表、二維圖樣（僅針對連接和安裝模塊），主要組成形式如圖5所示。
圖5 圖樣數據集的編號和更改規則
設計模塊一般更改有五點要求：
(1)如模塊下零件換版更改不影響裝配，模塊的三維模型及PL表不必更改。
(2)如模塊下零件換版更改影響裝配，三維模型和對應的PL表根據需要各自獨立升版更改（因PL表與三維數模表達的信息不完全一致）。
(3)模塊下零件換號，增加或刪除零件和標準件，如模塊存在已裝機構型（或已制構型并允許裝機）則必須換號，即對應生成新構型的三維數模、二維圖樣、PL表。
(4)模塊下零件換號，增加或刪除零件和標準件，如無任何裝機和已制構型，則組件的三維模型、二維圖樣、PL表必須同時換版。
(5)具有二維圖樣的Link_DM和Install_DM，二維圖樣作為三維圖樣描述的輔助表達，更改必須與三維圖樣保持一致版本。
因采用了以零組件件號為中心的管理方法，則零組件構型號及對應圖樣集的更改判斷規則，可采用的更改判斷算法，如圖6所示。
圖6 工程更改引起的零組件更改規則
通過對U01-8飛機某部件發圖和更改的模擬驗證，表明所提出的產品數據更改方式具有較好的可操作性和可控制性，并可極大的提高更改控制的效率。
5 圖樣數據集的指令發放
圖樣數據集作為產品結構更改控制對象，其中任何構型信息發生更改，均應通過工程指令(Engineering Order，簡稱EO)對更改內容進行發布。
模塊及零件圖樣或其他任何構型信息的更改，均應通過三維模型、二維圖樣（按需）、PL表更改實現，更改信息應以模塊控制編號為單元對各構型模塊的更改、簽署進行統一的發放管理。
圖樣數據集發放和更改指令的實現如圖7所示。
圖7 圖樣數據集發放和更改指令編號格式
圖樣數據集的主要更改內容應在更改發放EO中描述，主要更改有三條要素。
(1)更改控制編號：描述該更改的輸入源，比如更改控制委員會(CCB)的會議紀要，工程更改輸入編號等。
(2)更改主要描述：描述每個模塊下零組件件號及圖樣版本更改前后狀態，主要更改內容，模塊架次有效性變化信息等。
(3)更改發放要求：因模塊之下的零組件不再單獨記錄有效性信息，更改發放必須以模塊為單元進行描述。
6 模塊化產品結構管理的特點
U01-8飛機各構型模塊可由設計優化或選項選配產生，因已將有效性直接配置在模塊層級，可大大減少設計員的工作量并提高單架次構型配置的效率，使設計員更好的專注于設計工作，提高產品研發質量。
由于大幅減少二維圖樣信息，使數據源更加唯一，避免了潛在的二維圖樣和三維信息的不一致，更加方便更改控制和實施。
模塊對應的PL表結合架次有效性，可以非常簡單直觀的輸出各構型模塊的裝機狀態，及所對應的圖樣集。由于其規則簡單，便于數字化系統平臺的開發和推廣。
本方案從整個產品研發和項目管理的角度來看，能提高企業整體的研發和管理效率，為產品迅速推向市場和滿足客戶需求提供有力保證。
7 結論
結合模塊化思想和全三維設計手段，分析了一種基于工作分解結構，滿足設計、制造、維修等需求并以零部件件號為中心的產品結構管理方案，重點從結構分解形式、數據集組成、更改控制方式方面進行了分析和研究。
所述方案的有效實施還有賴于全三維設計規范的跟進、PDM管理系統的實現，是未來數字化產品數據管理的一種發展方向和趨勢，有望為我國民用飛機或其他大型復雜產品的研發提供技術參考。
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