面向飛機設計的構型管理研究

　　本文面向國內航空行業的主機院所，對當前主要的設計構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前航空行業面臨的由于系統的高度復雜性所帶來的產品設計過程中涌現的問題及風險。同時，通過提供一種統一的三層BOM框架，支持主機院所對飛機設計階段BOM的構建、轉變、關聯與追溯，并且該研究已經通過型號研制的工程驗證，必將有力支撐技術狀態管控能力的轉化與落地，實現面向飛機設計構型管理的持續優化與迭代，以更好地滿足市場和客戶的需要，更優地完成型號工作。

　　本文源自智能制造 2020年4期《智能制造》(月刊)創刊于1994年，面向國內外公開發行.雜志以提高企業應用水平，追蹤技術研發熱點，報道市場發展動態為鮮明特點，生動、及時地反映CAD/CAM/CAPP/ERP領域的新動態。目前是CAD領域的專業雜志。內容涉及制造業和IT行業兩大方面內容，信息量豐富。

　　一、引言

　　飛機研制是一個復雜的系統工程，它涉及到多個學科和多個專業，一架飛機的零件數量和技術參數高達107量級，現代飛機研制具有技術密集、性能和質量要求高、配套/接口關系多以及參研單位多等特點，準確地掌握和控制每個零件的功能和物理特性，以及其所依據的構型文件的狀態，對飛機整個研制過程進行全面優化，從而對產品結構與構型管理的重要性日益凸顯出來。如何有效地組織產品結構，定義產品構型組織形式，以及對數以百萬的零部件形成簡化和準確的有效性定義方法，完成每架飛機的完整定義，是非常復雜和難以解決的問題，也是飛機構型管理技術的重要內容。

　　當前國內航空行業的主要設計院所均以構型管理的理念作為指導，采用模塊化設計的理念，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計-初步設計-詳細設計階段對全機BOM數據、MBD數模和技術文件等的管理，并通過工程更改流程驅動實現了上述數據的更改影響分析和技術狀態管控。通過從飛機設計初期就應考慮其多構型發展，幫助設計院所面向飛機系列化發展進行設計規劃。因此，在飛機的設計階段采用構型管理的思想具有重大意義，亟需對飛機設計構型管理方法進行深入研究。

　　二、構型管理概述

　　1、構型管理的概念

　　構型管理的概念是美國軍方等在管理大型武器裝備的研發過程中總結出來的，用于約束、控制和管理武器系統研制過程的能力，以獲得滿足性能要求的、按計劃完成的和不超過費用預算的產品。之后由美國軍方提出了構型管理的標準，要求在產品研制的整個生命周期內實施嚴格的技術狀態管理，其核心對象是構型項CI及構型項定義的技術數據。其中，構型項是滿足最終使用功能的某個構型內的實體，可以是任意的硬件、軟件或者它們的組合。技術數據定義并標識了產品性能、功能和物理屬性的技術文件，如圖樣、規范和設備清單等。

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

　　2、以BOM為核心的構型管理

　　為滿足飛機研制全生命周期中各種業務的數據需求，企業需要將產品全生命周期中所需要的數據、信息和知識進行整理，通過模型進行多學科、跨部門和跨企業的產品協同設計、制造和管理。當前，國內航空行業通過PLM數字化協同研發平臺進行飛機研制不同階段BOM數據的組織和實現研制各階段數據的連續、傳遞與應用，并基于BOM實現全生命周期一體化技術狀態管理。同時，為了滿足不同用戶的業務需求，同一個產品通常需要多個視圖的形式呈現展示，滿足對數據的良好可視化，并且有利于提高數據的一致性，有利于基于業務鏈的數據交換傳遞。企業將通過各類BOM對產品研制相關數據進行結構化組織，實現數據間的關聯管理。

　　目前航空工業基于BOM的構型管理理念，對標空客和波音等國際一流航空企業，基于國內航空企業產品研制的數據組織方式和管理特點，提出了下圖所示的BOM多視圖定義，在航空產品研制的不同階段構建不同的BOM，支持產品研制數據全生命周期的管理、追溯與維護。考慮到本文主要面向飛機研制的設計階段，聚焦于由初步設計-詳細設計階段的三級樣機管理，包括DBOM、EBOM結構視圖和EBOM系統視圖，產品研制全生命周期各階段BOM多視圖的定義如圖1所示。

　　三、飛機設計構型管理方法

　　1、面向設計構型的業務模型

　　在飛機設計過程中，總師單位(包括參研單位)組成的構型管理部門統一建立并維護型號的產品結構樹，后由總師單位根據分工將相關構型項以數據包的形式發送給各直屬單位，直屬單位接收到數據包后在其PLM平臺中構建相應的產品結構樹，并在構型項下建立設計解決方案，從而開展各自部分的具體關聯設計工作、上下文設計工作以及相關評審工作。設計結束之后，按照標準的交付規范返回給總師單位進行設計數據的統一發放。實現設計過程的全要素構型管理，核心分為三步：全局規劃、全局控制和全局紀實與審核。

　　(1)設計構型始于全局規劃

　　基于全局化思想，首先對技術狀態管理的對象進行總體性規劃，按照目前航空產品研制的規律，規劃產品的系列化(族譜化)發展，在此基礎上綜合考慮產品共用基礎和差異化發展，按照研制過程進行構型項和技術狀態文件的規劃，并形成和發布全局技術狀態基線，全局規劃的總體過程如圖2所示

　　(2)設計構型重于全局技術狀態控制

　　以全局的技術狀態標識為基礎，當發生技術狀態基線偏離(變更)時，應按照系統工程思想，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對技術狀態基線偏離的控制，保證整個產品系統偏離的合理性。當技術狀態數據發生變更時，依據其所屬構型項和受影響構型項，分析對相關技術狀態文件的影響，從而形成全局的系統化變更，全局技術狀態控制的總體過程如圖3示。

　　(3)設計構型強于全局紀實與審核

　　為保證全局視角下技術狀態管理的可追溯，需實現全局紀實和審核支持。首先，實現技術狀態全局視圖的可視化，在整個設計過程中能夠讓構型管理人員隨時獲得全局的技術狀態描述，支持對構型項的持續和實時跟蹤;其次，在不同階段為技術狀態審核提供構型項的全局固化和輸出，支持設計構型紀實與審核業務的開展。

　　2、面向設計的BOM管理

　　面向設計的飛機構型應采用同一個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，實現產品結構的三層架構，在整個構型管理系統中貫徹以設計模塊為核心的方法。

　　頂層產品結構對于一個指定的飛機型號來說是相對不變層，按照專業進行組織，該層結構比較穩定，通常不會變化。

　　構型層用于實現技術狀態管理，是整個構型管理的控制點與核心，即在構型層進行有效性標識和更改控制，構型層由CI-LO-DS組成。其中，CI為構型項，對應產品結構的一個管理對象，對于EBOM可以認為是一個模塊，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)的對應關系，可以標識有效性信息，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要求的設計解決方案。DS以下即是BOM底層。

　　底層結構用于構建一架飛機具體的設計解決方案，由頂圖的具體設計構成。底層產品結構包括用于飛機構建的實際零部件及相關的技術數據。采用CI-LO-DS的構型標識方式，產品構型信息僅需要定義在CI層，零部件的設計更改則在DS中進行換版。這樣極大的簡化了構型控制的復雜度。

　　面向設計構型的BOM架構當前在航空行業主要衍生出三種BOM視圖，分別是定義視圖DBOM、工程視圖EBOM以及系統視圖System View。

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

　　DBOM的頂層由設計人員基于ATA標準規劃出DBOM頂層結構。DBOM的構型層以DBOM頂層為基礎，設計人員在PLM進行DBOM構型層規劃，包括D-CI和D-LO的規劃，其中D-CI是具體的設計項，如RAT布置方案，D-LO是規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中規劃的場景，設計人員開展具體方案的設計，如骨架模型、邊界模型、打樣模型和設計規范等設計，設計結果提交PLM形成DBOM底層，其中，對于3D模型，首先在PLM中創建相應的D-DS，然后通過設計工具集成接口將模型提交PLM并建立與D-DS的關聯;對于2D模型和文檔，首先在PLM中創建相應的D-DS，然后將數據創建為文檔并建立與D-DS的關聯。DBOM的構型層底層是具體的組件、零件及他們的數模和文檔。

　　(2)工程視圖EBOM出現在初步設計完成后進入詳細設計階段，在設計制造一體化模式下，設計工藝聯合開展工程定義，統籌考慮設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制造過程的貫穿，在此基礎上設計人員通過CATIA開展模塊的MBD模型詳細設計，設計結果在PLM系統中基于EBOM結構視圖統一管理。工程視圖EBOM的三層架構如圖6所示。

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

　　(3)系統視圖System View出現在詳細設計階段，根據總體單位提出的成品和系統需求，供應商將開展成品和系統的設計和交付，成品和系統數據在PLM將通過系統視圖進行統一管理。EBOM系統視圖的作用在于滿足系統設計師在進行系統設計時對系統功能規劃和設備構型數據組織和控制的需求，是按照ATA章節和設備功能進行分解的產品視圖。EBOM結構視圖基于功能標識號建立與EBOM系統視圖數據關聯，將設備的功能與其物理安裝分離。與EBOM結構視圖相比，EBOM系統視圖與DBOM無直接的繼承關系，是以重建方式形成的一個BOM。系統視圖System View的三層架構如圖7所示。

　　系統視圖System View頂層根據總體、市場或適航相關部門對系統提出的相關需求，總體和系統等相關專業共同制訂飛機ATA分解結構和系統視圖的頂層結構;系統視圖System View構型層產生在頂層結構在系統中建立以后，設計人員將對其功能進行分解形成F-CI，并為其分配功能標識號，如果F-CI可以進一步細分，則建立F-CI嵌套結構，直至到具有獨立功能的具體設備，一般嵌套不宜超過三層。系統設計產生的接口文件、原理圖、線路圖和拓撲圖等數據關聯到ATA章節和F-CI;系統視圖System View底層是在F-CI確定以后，設計人員針對F-CI功能的實現將開展相應設計工作，通過供應商獲取相關設備的數據，包括技術文件和三維外形數模，創建這些數據對應的設備描述F-DS，并將其關聯至相應的F-CI。

　　四、結論

　　飛機研制項目是一項極其復雜的系統工程，而構型管理有效解決了飛機全生命周期中技術狀態管控的問題，從而減少了設計周期，縮短了版本更改的時間，并且避免了因頻繁工程更改導致的錯誤，是現代飛機成功研制的關鍵因素。