基于模塊的民機(jī)全面構(gòu)型管理研究及應(yīng)用

中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 呂瀟超

構(gòu)型管理起源于美國(guó)的軍事工業(yè)。美國(guó)空軍為了解決新型戰(zhàn)機(jī)研制和采購(gòu)中的混亂狀況，提出了構(gòu)型管理的概念，降低了研制成本和周期，提高了客戶滿意度[1]。鑒于此，美國(guó)軍方認(rèn)為，必須依靠構(gòu)型管理建立一個(gè)規(guī)范、可靠、科學(xué)的體系來(lái)控制產(chǎn)品研制。隨著在美國(guó)軍方的應(yīng)用，構(gòu)型管理得到了普遍的認(rèn)可。波音公司從1996年起開(kāi)始構(gòu)建基于構(gòu)型控制的數(shù)字化制造信息管理系統(tǒng)（DCAC/MRM）[2]。實(shí)施DCAC/MRM系統(tǒng)為播音公司帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)利益和社會(huì)效益。在波音公司推出該計(jì)劃后，空中客車(chē)公司和洛克希德·馬丁公司也提出了類似的計(jì)劃。在國(guó)外飛機(jī)項(xiàng)目的研制過(guò)程中，構(gòu)型管理通過(guò)引入信息化技術(shù)和數(shù)字化手段，不斷發(fā)展和創(chuàng)新，已形成了具有約束力和指導(dǎo)意義的標(biāo)準(zhǔn)體系。國(guó)際上頗具代表性的構(gòu)型管理標(biāo)準(zhǔn)有 MIL-STD973、ANSI/EIA-649、EIA-836和CMII等。

我國(guó)在民機(jī)轉(zhuǎn)包生產(chǎn)中將構(gòu)型管理的概念引入飛機(jī)項(xiàng)目，其目的是為了控制復(fù)雜飛機(jī)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和維護(hù)，使飛機(jī)制造商和開(kāi)發(fā)商能夠靈活地應(yīng)對(duì)各種需求變化。隨后，我國(guó)陸續(xù)制定了GJB-3206、HB-7807、HB-7805等構(gòu)型管理相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，明確提出了構(gòu)型（軍機(jī)中稱“技術(shù)狀態(tài)”）的概念——“在技術(shù)文件中規(guī)定的并且在產(chǎn)品中達(dá)到的功能特性和物理特性”，規(guī)定了構(gòu)型管理的流程和要求等內(nèi)容[3]。近年來(lái)，構(gòu)型管理已經(jīng)在我國(guó)的軍機(jī)、民機(jī)項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用，主要代表有ARJ21的ECMS系統(tǒng)和C919的IDEAl平臺(tái)。

現(xiàn)代民機(jī)研制不僅是設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品就能滿足市場(chǎng)的需求，而且是要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)模塊化產(chǎn)品架構(gòu)，通過(guò)變型，加速新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系列化和多樣化?，F(xiàn)代民機(jī)系列化研制過(guò)程中，面向零部件的設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足產(chǎn)品研制的需要，模塊化設(shè)計(jì)得到快速發(fā)展，并在型號(hào)研制中大規(guī)模應(yīng)用。伴隨著設(shè)計(jì)手段的變革，構(gòu)型管理也發(fā)展到了基于模塊的構(gòu)型管理階段，構(gòu)建面向全壽命周期、全要素、全方位、全特性的模塊化構(gòu)型管理體系在現(xiàn)代民機(jī)研制中顯得尤為重要。

構(gòu)型與構(gòu)型管理

構(gòu)型[4]是根據(jù)相關(guān)的配置規(guī)則將全生命周期各個(gè)階段所產(chǎn)生的各種形式和各種版本的數(shù)據(jù) 、文檔 、工作流程等進(jìn)行配置的結(jié)果。構(gòu)型體現(xiàn)了同一產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型在產(chǎn)品生命周期中不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)視圖[5]，比如在設(shè)計(jì)階段，體現(xiàn)的是產(chǎn)品的 EBOM（Engineering Bill of Material），通常被稱為設(shè)計(jì)構(gòu)型;工藝階段為 PBOM（Process Bill of Material），稱為工藝構(gòu)型;制造階段為制造構(gòu)型 MBOM（Manufacturing Bill of Material）。產(chǎn)品某特定構(gòu)型在產(chǎn)品生命周期中不斷演變，并以不同的視圖展現(xiàn)出來(lái)，不管EBOM、PBOM 還是MBOM，它們均是同一產(chǎn)品構(gòu)型的不同的視圖表示形式。

構(gòu)型管理是一種面向產(chǎn)品全生命周期的，將各階段產(chǎn)品數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)并對(duì)其進(jìn)行管理和控制，從而保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)一致性和有效性的管理技術(shù)[6]。隨著產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)的不斷發(fā)展，構(gòu)型管理的功能和內(nèi)涵已經(jīng)上升到CMII的層次，并著重強(qiáng)調(diào)構(gòu)型管理是面向產(chǎn)品全壽命周期的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)[7]。

構(gòu)型管理方法的演化主要經(jīng)歷了2個(gè)階段：基于圖紙的構(gòu)型管理和基于模塊的構(gòu)型管理，如圖1所示。

（1）基于圖紙的構(gòu)型管理?；趫D紙的構(gòu)型管理，即在圖紙上標(biāo)明該零部件對(duì)哪些架次飛機(jī)有效。一張圖紙往往對(duì)應(yīng)很多架次飛機(jī)有效性。當(dāng)圖紙發(fā)生更改時(shí)，經(jīng)常會(huì)造成對(duì)已發(fā)布圖紙的追溯。這種追溯一般有2種方式：

·重新標(biāo)記原有圖紙的有效性；

·通過(guò)對(duì)原有圖紙?zhí)砑蛹夹g(shù)單的方式，避免修改已發(fā)布圖紙的有效性[8]。

（2）基于模塊的構(gòu)型管理。模塊是指由若干零件組成的部件組成的子系統(tǒng)。模塊化是指使用模塊的概念對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行規(guī)劃和組織，將系統(tǒng)分解為模塊，并進(jìn)行模塊組合的過(guò)程?；谀K化的構(gòu)型管理，將飛機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解成許多模塊，一個(gè)模塊往往對(duì)應(yīng)多個(gè)構(gòu)型狀態(tài)，每個(gè)構(gòu)型狀態(tài)包含了模塊下所有的零部件生效版本；特定架次飛機(jī)的構(gòu)型通過(guò)飛機(jī)特定構(gòu)型表來(lái)維護(hù)，表中記錄了所有該架飛機(jī)由哪些模塊的哪些狀態(tài)組成。與基于圖紙的構(gòu)型管理不同，基于模塊的構(gòu)型管理主要包含以下關(guān)鍵特征：

·不再以圖紙作為構(gòu)型管理的單元，而是將由若干零件組成的模塊作為構(gòu)型管理的單元；

·模塊的構(gòu)型狀態(tài)只代表模塊內(nèi)所有零件版本組合形成的一種穩(wěn)定的設(shè)計(jì)狀態(tài)，并不直接反映飛機(jī)的架次有效性；

·特定架次飛機(jī)的構(gòu)型必須通過(guò)對(duì)所有模塊的選擇和配置形成。

全面的民機(jī)構(gòu)型管理

引入構(gòu)型管理的思想之前，我國(guó)民機(jī)研制中存在很多問(wèn)題難以解決，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）飛機(jī)狀態(tài)不能夠清晰記錄，設(shè)計(jì)狀態(tài)和實(shí)物狀態(tài)往往存在差異；

（2）圖紙的更改控制缺乏統(tǒng)一的流程控制；

（3）圖紙的可重用性差，同一圖紙?jiān)诓煌吞?hào)的重用難于管理；

（4）產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)后期的運(yùn)行維護(hù)考慮較少，導(dǎo)致產(chǎn)品的可維修性差。

圖1 構(gòu)型管理方法的演化

后來(lái)，我國(guó)民機(jī)研制中借鑒了國(guó)外先進(jìn)飛機(jī)構(gòu)型管理的理念， 結(jié)合國(guó)內(nèi)飛機(jī)構(gòu)型管理實(shí)際情況，構(gòu)建了構(gòu)型管理體系，實(shí)現(xiàn)了基于模塊的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)劃分，基于工作流的工程更改流程控制、版本管理、有效性定義、設(shè)計(jì)與制造的構(gòu)型數(shù)據(jù)協(xié)同等工作。但是，構(gòu)型管理體系還不夠完善，比如，構(gòu)型管理僅涵蓋了設(shè)計(jì)和制造過(guò)程，對(duì)于需求、試飛、客戶服務(wù)、保障等過(guò)程的構(gòu)型尚未納入構(gòu)型管理范疇，缺乏對(duì)機(jī)載軟件等特殊產(chǎn)品的管理。

因此，必須對(duì)現(xiàn)有的構(gòu)型管理體系不斷完善，形成全面的民機(jī)構(gòu)型管理體系，保證飛機(jī)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的完整性、有效性和一致性。

全面的構(gòu)型管理強(qiáng)調(diào)從標(biāo)識(shí)、控制、審核和記實(shí)4個(gè)方面實(shí)現(xiàn)全壽命周期、全要素、全方位和全特性的構(gòu)型管理。

（1）全壽命周期指對(duì)產(chǎn)品全生命周期的全覆蓋。構(gòu)型管理應(yīng)該貫徹于市場(chǎng)需求分析、設(shè)計(jì)、制造、試飛、適航取證、客戶服務(wù)等各個(gè)階段；

（2）全要素指產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、工裝、質(zhì)量/適航、仿真、試驗(yàn)等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)元素的全覆蓋；

（3）全方位是指參研單位的全覆蓋，包括：設(shè)計(jì)、制造、客戶服務(wù)、供應(yīng)商等；

（4）全特性包括虛擬產(chǎn)品的功能特性和實(shí)物產(chǎn)品的物理特性。

面向民機(jī)研制的模塊化構(gòu)型管理

1 面向民機(jī)系列化發(fā)展的模塊定義

傳統(tǒng)的飛機(jī)研制模式和構(gòu)型管理存在“事后”系列化等問(wèn)題，即在單種飛機(jī)研制后才考慮其作為基本性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系列衍生性的設(shè)計(jì)工作，往往在飛機(jī)的后期才開(kāi)始考慮客戶選配。由于缺乏早期的規(guī)劃，常常使得系列化和客戶選配的設(shè)計(jì)工作和構(gòu)型管理工作變得異常復(fù)雜，在有些情況下甚至不得不用單獨(dú)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和構(gòu)型庫(kù)管理后續(xù)的系列型產(chǎn)品數(shù)據(jù)。因此，在民機(jī)研制的初期就應(yīng)該按照系列化發(fā)展的要求分級(jí)定義模塊，建立包含平臺(tái)模塊、系列模塊和型號(hào)模塊的完整模塊庫(kù)，如圖2所示。飛機(jī)的系列化發(fā)展是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，模塊的定義也是如此。根據(jù)研制要求，型號(hào)模塊可以提升為系列模塊或平臺(tái)模塊，以提高模塊的重用性。

模塊化構(gòu)型管理的首要任務(wù)就是對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新規(guī)劃形成模塊。模塊劃分的是否合理直接影響到構(gòu)型管理的成敗。模塊劃分不僅要考慮民機(jī)系列化發(fā)展中的模塊的通用性和重用性等問(wèn)題，還要考慮以下內(nèi)容：

（1）模塊的粒度要大小適中。模塊太小，構(gòu)型管理的復(fù)雜度會(huì)提高；模塊太大，工程更改難以高效實(shí)施。

圖2 面向民機(jī)系列化發(fā)展的模塊定義

（2）模塊劃分需要對(duì)全壽命周期進(jìn)行綜合考慮，不僅要考慮設(shè)計(jì)分離面，也要考慮制造分工、制造的組裝工序等問(wèn)題，還要考慮飛機(jī)運(yùn)營(yíng)后的維修性、綜合保障及客戶服務(wù)的要求。

（3）模塊劃分應(yīng)該充分考慮適航審定的要求。

2 構(gòu)型管理與工程研制環(huán)節(jié)的解耦

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)航空工業(yè)各主機(jī)所均已在型號(hào)研制過(guò)程采用了基于模塊化的構(gòu)型管理，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的模塊化劃分，形成了“頂層-構(gòu)型層-模塊設(shè)計(jì)層”3層結(jié)構(gòu)，完成了基于模塊的有效性標(biāo)注等工作。通過(guò)基于模塊化的構(gòu)型管理的普遍實(shí)施與應(yīng)用，研制團(tuán)隊(duì)對(duì)于模塊化的構(gòu)型管理的認(rèn)識(shí)不斷提升，但仍未擺脫傳統(tǒng)的構(gòu)型管理思想的約束，主要表現(xiàn)為：基于圖紙的有效性標(biāo)注方法被借用，差別僅在于有效性是標(biāo)識(shí)在圖紙上還是在模塊上，這明顯是與模塊化的構(gòu)型管理思想相違背的。

模塊化構(gòu)型管理的思想認(rèn)為模塊屬于工程研制數(shù)據(jù)，不需要將飛機(jī)架次與模塊形成強(qiáng)關(guān)聯(lián)，飛機(jī)是通過(guò)模塊配置出來(lái)的?；趫D紙的構(gòu)型管理方法發(fā)展到基于模塊的構(gòu)型管理方法的最顯著的特征就是構(gòu)型管理與工程研制環(huán)節(jié)的解耦，即基于模塊的構(gòu)型管理方法打破了原有的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和構(gòu)型信息緊密關(guān)聯(lián)的局面，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)型管理和工程研制高度解耦，形成了基于模塊的設(shè)計(jì)和基于模塊的構(gòu)型配置2個(gè)獨(dú)立的業(yè)務(wù)過(guò)程，極大降低了設(shè)計(jì)和更改過(guò)程中的復(fù)雜度，使得設(shè)計(jì)師更加專注于設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)過(guò)程，構(gòu)型師更加專注于構(gòu)型管理業(yè)務(wù)過(guò)程，如圖3所示。

3 構(gòu)型配置

采用基于模塊的構(gòu)型管理思想后，每一架飛機(jī)都應(yīng)該是通過(guò)構(gòu)型配置產(chǎn)生的。構(gòu)型配置過(guò)程通常包含2種，即基于模塊的構(gòu)型配置和基于選項(xiàng)的構(gòu)型配置。

（1）基于模塊的構(gòu)型配置是以模塊作為構(gòu)型配置的基本單元，由構(gòu)型管理團(tuán)隊(duì)共同完成，適用于民機(jī)的研制過(guò)程。按照飛機(jī)模塊配置的性質(zhì)，可以將模塊分為基本模塊和可選模塊，大部分模塊為基本模塊，只有少數(shù)模塊被定義為可選模塊。基于模塊的構(gòu)型配置應(yīng)遵循“一架一配”的原則，配置過(guò)程通常包含3個(gè)步驟：確定飛機(jī)的平臺(tái)、系列和型號(hào)，一旦這些信息確定，基本模塊就會(huì)確定；對(duì)于可選模塊進(jìn)行選擇和配置，該過(guò)程會(huì)被分解到多個(gè)專業(yè)，由多個(gè)專業(yè)的構(gòu)型管理團(tuán)隊(duì)協(xié)同完成；當(dāng)所有模塊確定后形成單架機(jī)構(gòu)型配置表，并通過(guò)審簽流程確認(rèn)。

圖3 構(gòu)型管理與工程研制環(huán)節(jié)的解耦后的業(yè)務(wù)過(guò)程

（2）基于選項(xiàng)的構(gòu)型配置是以選項(xiàng)為構(gòu)型配置的基本單元[9]，適用于民機(jī)銷售過(guò)程，由銷售團(tuán)隊(duì)協(xié)助客戶完成。按照選配的性質(zhì)，選項(xiàng)可以分為必選項(xiàng)、可選項(xiàng)和客戶特定選項(xiàng)。必選項(xiàng)是通過(guò)飛機(jī)的平臺(tái)、系列和型號(hào)而確定的；可選項(xiàng)是飛機(jī)研制單位預(yù)先定義的選項(xiàng)；客戶特定選項(xiàng)是客戶提出的，且超出選項(xiàng)目錄范圍的，需要飛機(jī)研制單位根據(jù)客戶需求重新定制的選項(xiàng)。選項(xiàng)通常是由一組模塊組合構(gòu)成。基于選項(xiàng)的構(gòu)型配置過(guò)程主要包含以下2個(gè)關(guān)鍵步驟：客戶確定平臺(tái)、系列和型號(hào)，并按照選項(xiàng)目錄完成選項(xiàng)配置；客戶完成選項(xiàng)結(jié)果并不能直接驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)，需要實(shí)現(xiàn)構(gòu)型映射，即將基于選項(xiàng)的構(gòu)型配置轉(zhuǎn)化為基于模塊的構(gòu)型配置。

4 基于設(shè)計(jì)制造協(xié)同的數(shù)據(jù)發(fā)放

我國(guó)的航空產(chǎn)業(yè)采用“廠所分離”的組織架構(gòu)模式。在型號(hào)研制過(guò)程中，設(shè)計(jì)單位和制造單位分別建立各自的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，并通過(guò)集成接口實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與制造的協(xié)同。設(shè)計(jì)與制造之間的協(xié)同最主要的是數(shù)據(jù)協(xié)同，即設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和構(gòu)型配置的發(fā)放協(xié)同。

基于模塊的構(gòu)型管理要求將構(gòu)型管理的相關(guān)信息從設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)上剝離，這就要求設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與飛機(jī)構(gòu)型配置分別發(fā)放。

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)放與構(gòu)型配置的發(fā)放需要考慮以下幾個(gè)方面：

（1）發(fā)放的時(shí)機(jī)和相互關(guān)系。設(shè)計(jì)模塊的發(fā)放時(shí)機(jī)是，設(shè)計(jì)模塊及其所屬的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通過(guò)成熟度演進(jìn)過(guò)程已經(jīng)達(dá)到可以發(fā)放的成熟度狀態(tài)，通過(guò)正式發(fā)放審簽流程完成設(shè)計(jì)模塊的發(fā)放。設(shè)計(jì)模塊成熟一個(gè)，發(fā)放一個(gè)。飛機(jī)構(gòu)型配置的發(fā)放時(shí)，當(dāng)某架次飛機(jī)的構(gòu)型需求明確，且已經(jīng)由構(gòu)型配置人員完成了全機(jī)配置，經(jīng)過(guò)配置的審核流程批準(zhǔn)通過(guò)，最終發(fā)放給制造單位。設(shè)計(jì)模塊發(fā)放不必等待配置完成，配置的發(fā)放也不必等待設(shè)計(jì)模塊的完成，二者之間沒(méi)有強(qiáng)約束關(guān)系。

（2）發(fā)放的數(shù)據(jù)內(nèi)容。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)必須以模塊為單位，完整發(fā)放給制造單位。飛機(jī)構(gòu)型信息必須通過(guò)飛機(jī)特定構(gòu)型表的形式發(fā)往制造單位。制造單位在接到設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)后，可以開(kāi)展工藝設(shè)計(jì)工裝設(shè)計(jì)工作；制造單位只有接到配置信息后才能開(kāi)展生產(chǎn)準(zhǔn)備和備料工作。

結(jié)束語(yǔ)

將基于模塊的構(gòu)型管理方法應(yīng)用到民機(jī)研制過(guò)程之中，在型號(hào)研制初期綜合考慮需求、設(shè)計(jì)、制造、客戶服務(wù)、保障、試飛和適航等各方面的要求，按照模塊化思想并規(guī)劃模塊和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高了模塊的可重用性；通過(guò)飛機(jī)特定構(gòu)型表記錄構(gòu)型配置信息，實(shí)現(xiàn)工程研制和構(gòu)型管理的分離，建立面向設(shè)計(jì)與制造協(xié)同的構(gòu)型管理體系，簡(jiǎn)化了民機(jī)研制中的構(gòu)型管理，清晰、準(zhǔn)確地記錄了飛機(jī)的構(gòu)型狀態(tài)，確保了設(shè)計(jì)與制造的一致性，通過(guò)更改申請(qǐng)、更改建議和更改實(shí)施的一體化流程實(shí)現(xiàn)了對(duì)工程更改的有效控制。

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