基于模型的航空制造企業(yè)架構(gòu)

陶 劍

TAO Jian

（金航數(shù)碼科技有限責(zé)任公司，北京 100028）

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)美、德等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的制造業(yè)以信息技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用為核心，運(yùn)用系統(tǒng)工程方法論，采用基于模型的設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)和管理等先進(jìn)技術(shù)，以構(gòu)建基于模型的企業(yè)為目標(biāo)，不斷地促進(jìn)開(kāi)發(fā)模式轉(zhuǎn)型和企業(yè)架構(gòu)重構(gòu)，持續(xù)地提升復(fù)雜裝備產(chǎn)品的協(xié)同開(kāi)發(fā)能力。隨著新一輪工業(yè)革命的到來(lái)，中航工業(yè)以德國(guó)工業(yè)4.0等為標(biāo)桿，導(dǎo)入賽博-物理系統(tǒng)（Cyber-physical System，CPS）技術(shù)。引發(fā)虛擬產(chǎn)品生命周期與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生命周期的集成，以及自優(yōu)化、自重構(gòu)、自診斷和對(duì)人的認(rèn)知和智能支持等思想融合到航空制造企業(yè)的架構(gòu)開(kāi)發(fā)中，為構(gòu)建信息技術(shù)和制造技術(shù)深度融合、支持高度柔性生產(chǎn)方式的智能制造企業(yè)提供示范指導(dǎo)。

圖1 航空制造企業(yè)總體架構(gòu)

1 航空制造企業(yè)的總體架構(gòu)

基于模型的航空制造企業(yè)是一種實(shí)體，如圖1所示，它以CPS為基礎(chǔ)，利用過(guò)程、產(chǎn)品和信息模型來(lái)定義、執(zhí)行、控制和管理企業(yè)的全部業(yè)務(wù)；采用建模與仿真手段對(duì)需求、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、生產(chǎn)、服務(wù)的全部技術(shù)和業(yè)務(wù)流程進(jìn)行徹底的改進(jìn)、無(wú)縫的集成以及戰(zhàn)略的管理；使用科學(xué)的模擬與分析工具，對(duì)研發(fā)全生命周期的每一步工作進(jìn)行綜合驗(yàn)證和確認(rèn)，以做出最佳決策；從根本上減少產(chǎn)品創(chuàng)新、開(kāi)發(fā)、制造和支持的時(shí)間和成本。

1.1 系統(tǒng)工程中的架構(gòu)方法

信息、網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)化和嵌入式技術(shù)應(yīng)用比例的不斷擴(kuò)大，使得航空產(chǎn)品研制活動(dòng)從單純組裝型向系統(tǒng)集成型轉(zhuǎn)變，并且產(chǎn)品不再由單一企業(yè)完成，而是依靠多個(gè)企業(yè)或企業(yè)聯(lián)盟共同實(shí)現(xiàn)。因此，航空產(chǎn)品研制不可避免地成為了系統(tǒng)工程，具有統(tǒng)一的系統(tǒng)概念也成為對(duì)現(xiàn)代航空制造企業(yè)最基本的要求。架構(gòu)作為解決系統(tǒng)復(fù)雜性的通用方法，針對(duì)圍繞信息技術(shù)應(yīng)用而構(gòu)建的包含戰(zhàn)略、業(yè)務(wù)、信息技術(shù)等多元要素于一體的復(fù)雜企業(yè)/系統(tǒng)，必須使用架構(gòu)的方法對(duì)其整體結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系，以及這些關(guān)系之間的變化規(guī)則進(jìn)行多層面、多角度的構(gòu)建和描述，以指導(dǎo)信息技術(shù)在復(fù)雜企業(yè)/系統(tǒng)內(nèi)的實(shí)施，確保與企業(yè)業(yè)務(wù)戰(zhàn)略的一致。西門子公司在其工業(yè)4.0的戰(zhàn)略中，就是在統(tǒng)一業(yè)務(wù)流程、統(tǒng)一工業(yè)軟件和工業(yè)自動(dòng)化的專業(yè)知識(shí)與技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用網(wǎng)絡(luò)以及相關(guān)軟硬件設(shè)備工具，為產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程提供一個(gè)基于CPS的、高度柔性化、自動(dòng)化和智能化的全球統(tǒng)一的數(shù)字化企業(yè)（工廠）架構(gòu)。

1.2 架構(gòu)開(kāi)發(fā)中的模型技術(shù)

架構(gòu)就是應(yīng)用有效的開(kāi)發(fā)方法，將企業(yè)戰(zhàn)略愿景和目標(biāo)逐步落實(shí)為具體的行動(dòng)與解決方案，形成業(yè)務(wù)能力，其中模型及其建模技術(shù)是復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)開(kāi)發(fā)的重要手段。基于模型的系統(tǒng)工程（Model Based System Engineering，MBSE）能提供在產(chǎn)品/系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的全生命周期不同階段支持系統(tǒng)需求分析、功能分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品驗(yàn)證和綜合確認(rèn)所需的模型和建模手段，以便確定系統(tǒng)需求、功能、表現(xiàn)和結(jié)構(gòu)等要素之間的相關(guān)性。因此，在架構(gòu)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要應(yīng)用MBSE逐步細(xì)化描繪出企業(yè)/系統(tǒng)的各個(gè)主要業(yè)務(wù)過(guò)程（需求工程、設(shè)計(jì)工程、制造工程、生產(chǎn)工程及IT在內(nèi)的諸多相關(guān)要素），并將收集到的過(guò)程、產(chǎn)品和信息等模型轉(zhuǎn)變?yōu)橄乱徊介_(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)，以便構(gòu)建更詳細(xì)的子系統(tǒng)或組件模型，上述模型及其相互間的關(guān)系對(duì)于架構(gòu)開(kāi)發(fā)（業(yè)務(wù)架構(gòu)-IT架構(gòu)-技術(shù)架構(gòu)）過(guò)程的確認(rèn)、驗(yàn)證和跟蹤都具有非常重要的作用。

2 基于過(guò)程模型的業(yè)務(wù)架構(gòu)

現(xiàn)代企業(yè)的核心價(jià)值鏈?zhǔn)菢I(yè)務(wù)過(guò)程，業(yè)務(wù)架構(gòu)作為首先開(kāi)展的架構(gòu)活動(dòng)，它以實(shí)現(xiàn)航空制造企業(yè)的業(yè)務(wù)戰(zhàn)略為目標(biāo)，提供開(kāi)展其他領(lǐng)域（應(yīng)用、數(shù)據(jù)和技術(shù)）架構(gòu)工作所必須的知識(shí)，形成貫徹企業(yè)戰(zhàn)略的業(yè)務(wù)運(yùn)作模式，其中過(guò)程模型是企業(yè)/系統(tǒng)中執(zhí)行任何過(guò)程的相關(guān)資源、信息、工具等要素的描述者和協(xié)調(diào)者。

2.1 工程領(lǐng)域的過(guò)程模型

航空產(chǎn)品的研制是應(yīng)用于全生命周期的跨學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)工程，特別強(qiáng)調(diào)通過(guò)工程實(shí)踐總結(jié)提煉過(guò)程模型，即通過(guò)對(duì)研制各個(gè)階段的活動(dòng)詳細(xì)分析來(lái)描述環(huán)環(huán)相扣的業(yè)務(wù)過(guò)程，并得到涉及的技術(shù)方法、系統(tǒng)工具和工程經(jīng)驗(yàn)。航空航天領(lǐng)域通常采用圖2的“V”字模型來(lái)描述企業(yè)的業(yè)務(wù)過(guò)程，其中第1個(gè)V字模型代表傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)過(guò)程，即先進(jìn)行數(shù)字化虛擬設(shè)計(jì)，然后生產(chǎn)制造實(shí)際產(chǎn)品，最后開(kāi)展物理試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證的過(guò)程。第2個(gè)V字模型代表數(shù)字化的業(yè)務(wù)過(guò)程，即所有業(yè)務(wù)過(guò)程（需求工程、設(shè)計(jì)工程、制造工程，試驗(yàn)工程、綜合確認(rèn)）均在數(shù)字化虛擬環(huán)境下完成，確保投入實(shí)際生產(chǎn)后一次成功，該模型代表的就是西門子實(shí)施工業(yè)4.0所采用的先進(jìn)的數(shù)字化和虛擬化的產(chǎn)品研制過(guò)程。由于基于IT應(yīng)用的各類知識(shí)——經(jīng)驗(yàn)、規(guī)則、模型、標(biāo)準(zhǔn)和方法等需要長(zhǎng)期的積累和集成，所以中航工業(yè)的數(shù)字化的試驗(yàn)工程和綜合確認(rèn)目前尚處于起步階段。

圖2 “V”字過(guò)程模型

2.2 管理領(lǐng)域的過(guò)程模型

過(guò)程模型另一個(gè)重點(diǎn)是管理領(lǐng)域，管理過(guò)程模型就是以實(shí)現(xiàn)管理的敏捷化、精細(xì)化和精益化為目標(biāo)，通過(guò)業(yè)務(wù)過(guò)程的顯性化、結(jié)構(gòu)化和標(biāo)準(zhǔn)化，達(dá)到對(duì)企業(yè)管理業(yè)務(wù)過(guò)程的建模、仿真、評(píng)估以及后續(xù)應(yīng)用過(guò)程的執(zhí)行、監(jiān)控、交互和控制。并通過(guò)建模理解企業(yè)/系統(tǒng)的行為，通過(guò)仿真研究和預(yù)測(cè)企業(yè)系統(tǒng)的未來(lái)動(dòng)態(tài)，為最終建造一種全新的企業(yè)管理方法和模式提供依據(jù)。為此，以西門子實(shí)施工業(yè)4.0中產(chǎn)品生命周期與生產(chǎn)生命周期的無(wú)縫集成為目標(biāo)，將信息化與管理提升和企業(yè)再造緊密結(jié)合，一方面要運(yùn)用需求、項(xiàng)目、構(gòu)型及數(shù)據(jù)的管理思想，實(shí)現(xiàn)虛擬的產(chǎn)品生命周期業(yè)務(wù)過(guò)程中的工程需求、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、配置功能和邏輯關(guān)系的全面管控。另一方面運(yùn)用CPS及服務(wù)的管理理念，將現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)生命周期過(guò)程中獨(dú)立的產(chǎn)品、工具與關(guān)聯(lián)的服務(wù)相互連接，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體實(shí)現(xiàn)從原料進(jìn)廠到產(chǎn)品出廠的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、裝備制造信息化和智能化、生產(chǎn)過(guò)程的透明化。

3 基于產(chǎn)品模型的IT架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)企業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)和業(yè)務(wù)架構(gòu)，需要在過(guò)程模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行IT（數(shù)據(jù)和應(yīng)用）架構(gòu)開(kāi)發(fā)，它將企業(yè)的業(yè)務(wù)實(shí)體抽象為信息對(duì)象-產(chǎn)品模型，進(jìn)一步開(kāi)展業(yè)務(wù)過(guò)程與系統(tǒng)/系統(tǒng)功能分析，明確系統(tǒng)間的信息交互關(guān)系，提升整個(gè)企業(yè)之間共享信息和服務(wù)的能力，實(shí)現(xiàn)從業(yè)務(wù)模式向信息模型的轉(zhuǎn)變。在這個(gè)階段不涉及具體的應(yīng)用系統(tǒng)和技術(shù)，而是描述管理數(shù)據(jù)對(duì)象和支持業(yè)務(wù)功能的邏輯能力。

3.1 產(chǎn)品模型的形成

產(chǎn)品模型是研制信息的載體和數(shù)據(jù)架構(gòu)的可視化展示，它是隨著對(duì)應(yīng)用架構(gòu)（系統(tǒng)功能及接口等）的細(xì)化分析而不斷被豐富和延拓，在需求工程中，通過(guò)用例、功能、時(shí)序、狀態(tài)、架構(gòu)和接口等模型全面反映產(chǎn)品需求的屬性信息（性能、物理結(jié)構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和可靠性等），確保不同角色的工程設(shè)計(jì)人員能快速準(zhǔn)確理解、識(shí)別、定義、分析、確認(rèn)、分配需求。然后依據(jù)確認(rèn)的需求指標(biāo)開(kāi)展產(chǎn)品研制，建立產(chǎn)品的邏輯、幾何、功能、性能和關(guān)聯(lián)等模型，實(shí)現(xiàn)基于模型的數(shù)字化產(chǎn)品定義與關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，在虛擬的數(shù)字世界中完成多學(xué)科優(yōu)化、協(xié)同設(shè)計(jì)、優(yōu)化分析、試驗(yàn)仿真、制造仿真以及模擬產(chǎn)品的制造和運(yùn)營(yíng)過(guò)程。產(chǎn)品模型的形成，是航空制造企業(yè)推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化、智能化等技術(shù)在產(chǎn)品全生命周期、企業(yè)全業(yè)務(wù)流程和產(chǎn)業(yè)全價(jià)值鏈的應(yīng)用，提升研制數(shù)據(jù)跨地域/企業(yè)/系統(tǒng)的共享和傳遞能力，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬、并行、協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)化研制的必然結(jié)果。

3.2 產(chǎn)品模型的應(yīng)用

數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同研制模式下，產(chǎn)品模型主要是按照業(yè)務(wù)架構(gòu)的要求，完成應(yīng)用架構(gòu)所規(guī)定的功能，具體分為三種情況。首先，在單一數(shù)據(jù)源的管理思想下，以工程產(chǎn)品模型為基礎(chǔ)，依次延拓出裝配產(chǎn)品模型、檢測(cè)產(chǎn)品模型、制造產(chǎn)品模型等數(shù)據(jù)，最終進(jìn)入實(shí)際生產(chǎn)。也可利用設(shè)計(jì)的工程產(chǎn)品模型直接進(jìn)行生產(chǎn)，如增材制造等。其次，利用虛擬仿真技術(shù)，以各類產(chǎn)品模型（功能、性能）為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化虛擬試驗(yàn)替代傳統(tǒng)的物理試驗(yàn)，即依托試驗(yàn)工具、系統(tǒng)及模型（知識(shí)）庫(kù)，完成產(chǎn)品功能性能驗(yàn)證、極限工況試驗(yàn)、故障模擬分析、工廠和生產(chǎn)線布局等活動(dòng)，確保實(shí)際生產(chǎn)的順利進(jìn)行。最后，經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證的工程、裝配、檢測(cè)和制造模型結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程控制和自動(dòng)化系統(tǒng)，通過(guò)產(chǎn)品模型實(shí)時(shí)獲得生產(chǎn)和采購(gòu)計(jì)劃等信息，并由MES統(tǒng)一管理和下達(dá)生產(chǎn)計(jì)劃和工藝指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度、物料追蹤、數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、工位操作等生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)全過(guò)程的優(yōu)化整合。

4 基于信息模型的技術(shù)架構(gòu)

技術(shù)架構(gòu)是由IT架構(gòu)驅(qū)動(dòng)的、以技術(shù)和平臺(tái)為核心的，實(shí)現(xiàn)IT架構(gòu)的底層技術(shù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，涉及數(shù)據(jù)架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施等方面。如圖3所示，西門子公司在實(shí)施工業(yè)4.0時(shí)，使用自主的CAD、PLM、MES和全集成自動(dòng)化（TIA）等軟件搭建CPS，實(shí)現(xiàn)解決方案、軟件技術(shù)、硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息安全、標(biāo)準(zhǔn)體系等IT要素的集成，以支撐企業(yè)應(yīng)用的運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.1 信息模型的類型

開(kāi)放的、全球化協(xié)作的航空產(chǎn)品研制模式，需要構(gòu)建一個(gè)高效、安全的統(tǒng)一協(xié)同和管理數(shù)字化環(huán)境，并組建與之相適應(yīng)的協(xié)調(diào)機(jī)制，為各個(gè)層次研制業(yè)務(wù)活動(dòng)提供解決方案和所需軟硬件、網(wǎng)絡(luò)等的技術(shù)支持，以滿足跨地域/多廠所數(shù)字化協(xié)同研制和項(xiàng)目、生產(chǎn)、供應(yīng)鏈等的數(shù)字化管理業(yè)務(wù)的要求。當(dāng)前，信息模型有同構(gòu)和異構(gòu)兩種類型，同構(gòu)的信息模型是指實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)活動(dòng)功能的工業(yè)軟硬件均由同一代理商提供，特點(diǎn)是易于保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)過(guò)程和研發(fā)企業(yè)之間的集成與協(xié)同，缺點(diǎn)是從應(yīng)用軟件工具到硬件服務(wù)器都由代理商控制，不能按照業(yè)務(wù)要求自主可控的開(kāi)展平臺(tái)和環(huán)境的統(tǒng)一管理與建設(shè)。異構(gòu)的信息模型是指實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)活動(dòng)功能的工業(yè)軟硬件由不同的代理商提供，特點(diǎn)是可以根據(jù)業(yè)務(wù)活動(dòng)需求自主可控的選擇合適系統(tǒng)，缺點(diǎn)是易導(dǎo)致存在多種孤立不兼容的應(yīng)用系統(tǒng)、大量異構(gòu)平臺(tái)、無(wú)法轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)格式等，造成信息交換和集成困難。

圖3 西門子公司實(shí)施工業(yè)4.0的技術(shù)架構(gòu)（信息模型）

4.2 信息模型的發(fā)展

德國(guó)工業(yè)4.0的推出，使得智能制造成為現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)新的發(fā)展方向，智能制造的核心是CPS，其原理是將物聯(lián)網(wǎng)及服務(wù)引入制造業(yè)，建立起高度智能化的、自適應(yīng)、自調(diào)整的柔性化的生產(chǎn)方式，從根本上改善工業(yè)過(guò)程。為使信息模型能夠支持航空制造業(yè)務(wù)的重大變革與高速發(fā)展。需要充分應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、社會(huì)性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（SNS）等新一代的信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更加高效的協(xié)同創(chuàng)新；利用物聯(lián)網(wǎng)提高企業(yè)生產(chǎn)和物流自動(dòng)化和智能化程度；利用云計(jì)算平臺(tái)有效解決數(shù)值模擬、虛擬仿真、工業(yè)設(shè)計(jì)等所需超大規(guī)模的計(jì)算能力問(wèn)題；利用SNS達(dá)成與合作伙伴的高效協(xié)同、與客戶的敏捷響應(yīng)；利用工程中間件提供的統(tǒng)一平臺(tái)和標(biāo)準(zhǔn)，既可以使得各工業(yè)軟件廠商兼容并存，又可在工程中間件之上開(kāi)發(fā)自主業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)航空工業(yè)經(jīng)過(guò)多年的探索和發(fā)展，現(xiàn)已形成比較成熟的信息化體系，當(dāng)前針對(duì)企業(yè)創(chuàng)造價(jià)值的方式與組織和管理的矛盾越來(lái)越突的問(wèn)題，體現(xiàn)在戰(zhàn)略與執(zhí)行的不一致、組織與業(yè)務(wù)相沖突、業(yè)務(wù)與IT分離等方面。中航工業(yè)從全局的角度審視與信息化相關(guān)的業(yè)務(wù)、信息、應(yīng)用和技術(shù)間的相互關(guān)系以及這種關(guān)系對(duì)業(yè)務(wù)過(guò)程和功能的影響。全面導(dǎo)入架構(gòu)方法，推動(dòng)從業(yè)務(wù)架構(gòu)（過(guò)程模型）統(tǒng)一規(guī)劃、IT架構(gòu)（數(shù)據(jù)和應(yīng)用模型）具體分析、技術(shù)架構(gòu)（信息模型）有效支撐的整體性設(shè)計(jì)，以滿足未來(lái)航空制造業(yè)推動(dòng)產(chǎn)品研制數(shù)字化和業(yè)務(wù)流程管理為核心的協(xié)同業(yè)務(wù)模型的變革需求，實(shí)現(xiàn)信息化與工業(yè)化的深度融合。

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