航空發(fā)動機研發(fā)全過程的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理思考

■ 黃維娜 石小江 許多/中國航發(fā)渦輪院

航空發(fā)動機研發(fā)過程是一個產(chǎn)品數(shù)據(jù)不斷產(chǎn)生和應用的過程，有效的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理是完成充分驗證、生產(chǎn)規(guī)定狀態(tài)產(chǎn)品、實現(xiàn)研發(fā)目標的有力保證。在系統(tǒng)工程方法論指導下，在實踐中對“需求—定義—驗證”過程建立一組相互關(guān)聯(lián)的物料清單（BOM），并以之為主線，實現(xiàn)研發(fā)全過程的產(chǎn)品數(shù)據(jù)的集成管理和可追溯。以產(chǎn)品數(shù)據(jù)為核心，拓展數(shù)據(jù)管理的范圍，將助力自主研發(fā)能力的不斷提升。

產(chǎn)品數(shù)據(jù)是指產(chǎn)品及產(chǎn)品研制過程中，各項描述產(chǎn)品的方案和實物所具有或期望具有的特性的數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)品架構(gòu)、各級產(chǎn)品的需求、產(chǎn)品定義、計算分析結(jié)果、工藝和制造設(shè)計、實物技術(shù)狀態(tài)、制造檢測數(shù)據(jù)、試驗驗證數(shù)據(jù)和與產(chǎn)品直接相關(guān)的技術(shù)管理數(shù)據(jù)等。在產(chǎn)品研發(fā)過程中，這些數(shù)據(jù)作為研發(fā)活動的輸入和技術(shù)決策的依據(jù)，不斷產(chǎn)生、更新和應用。產(chǎn)品研發(fā)的正確、有效組織，依賴于其中的各個環(huán)節(jié)均能及時獲得有效的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。在研制過程中，很大一部分問題出現(xiàn)在研發(fā)活動中引用了錯誤的、不完整的或失效的數(shù)據(jù)。因此，確保各項產(chǎn)品數(shù)據(jù)受控且能及時共享，是高效優(yōu)質(zhì)地開展產(chǎn)品研發(fā)的必要條件。

航空發(fā)動機產(chǎn)品研發(fā)的業(yè)務模型

作為機電一體化的現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品，航空發(fā)動機的產(chǎn)品研發(fā)遵循系統(tǒng)工程的基本邏輯，是需求提出、分解和逐步驗證的迭代循環(huán)過程。在研發(fā)過程中，以“需求—驗證”為主線，各項需求分析、設(shè)計、試制、試驗和技術(shù)管理等研發(fā)活動，按照研制程序通過系統(tǒng)工程“V模型”有機組織，共同實現(xiàn)由用戶需求向產(chǎn)品實現(xiàn)的轉(zhuǎn)化。而這些研發(fā)活動之間的紐帶即是研發(fā)中所應用和產(chǎn)生的各類產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

對產(chǎn)品研發(fā)過程進行拆解，根據(jù)研發(fā)所在的業(yè)務領(lǐng)域，可以使其包含三個性質(zhì)和資源需求不同、密切關(guān)聯(lián)又相對獨立的業(yè)務過程：設(shè)計過程，由需求得到產(chǎn)品定義并開展初步仿真驗證的過程；試制過程，將產(chǎn)品定義轉(zhuǎn)換為試制產(chǎn)品實物的過程；試驗過程，對產(chǎn)品實物開展實物試驗，通過試驗結(jié)果驗證需求的符合情況。

圖1 產(chǎn)品設(shè)計過程的系統(tǒng)工程模型

航空發(fā)動機的設(shè)計過程，主要體現(xiàn)為如圖1所示的兩個維度：從產(chǎn)品維度上看，是發(fā)動機按照產(chǎn)品架構(gòu)在“系統(tǒng)—子系統(tǒng)—元素”之間自頂向下的需求分配與確認，以及自底向上的產(chǎn)品集成；在每層級產(chǎn)品內(nèi)部，是需求分析、架構(gòu)設(shè)計、產(chǎn)品定義和仿真分析共同構(gòu)成的“需求—驗證”的循環(huán)迭代。前一個過程的數(shù)據(jù)模型，主要體現(xiàn)為“上一級的產(chǎn)品方案—下一級需求”的分解和“下一級產(chǎn)品定義—上一級產(chǎn)品定義”的集成；后一個過程主要體現(xiàn)為“需求—產(chǎn)品架構(gòu)—產(chǎn)品設(shè)計—仿真結(jié)果—需求”的數(shù)據(jù)傳遞和關(guān)聯(lián)。

航空發(fā)動機試制過程，主要體現(xiàn)為產(chǎn)品定義經(jīng)過加工制造逐步轉(zhuǎn)化為實物的過程，包括“產(chǎn)品定義—劃分流水—生產(chǎn)準備—制造裝配—交付驗收”等的完整過程，如圖2所示。在目前國內(nèi)航空發(fā)動機行業(yè)制造廠與設(shè)計所分立的現(xiàn)狀下，試制過程中貫穿了制造廠和設(shè)計所之間的業(yè)務協(xié)同與數(shù)據(jù)協(xié)同。

航空發(fā)動機試驗過程，是由需求出發(fā)、根據(jù)需求驗證計劃，最終驗證需求的過程。根據(jù)需求驗證計劃確定試驗科目，分別提出試驗要求、制定試驗方案、準備試驗條件、試驗實施，并最終對試驗結(jié)果進行分析，以完成對需求的驗證，按照試驗科目組成了完整的業(yè)務和數(shù)據(jù)閉環(huán)，如圖3所示。

綜合設(shè)計、試制、試驗過程的業(yè)務關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)在業(yè)務過程中，發(fā)動機產(chǎn)品數(shù)據(jù)按照研發(fā)的系統(tǒng)工程過程，自發(fā)形成了“需求—產(chǎn)品定義—仿真分析—需求”“需求—產(chǎn)品定義—實物—試驗數(shù)據(jù)—需求”的閉環(huán)數(shù)據(jù)鏈條，前者封閉在設(shè)計過程內(nèi)部，后者貫穿設(shè)計、試制和試驗過程；同時在“整機—部件/系統(tǒng)”和“部件/系統(tǒng)—零組件/成附件”等不同產(chǎn)品對象的層級之間，還存在著需求分解與確認、仿真分析和實物試驗結(jié)果逐層支撐的數(shù)據(jù)關(guān)系，形成了貫穿產(chǎn)品研發(fā)全過程的數(shù)據(jù)鏈，如圖4所示。從數(shù)據(jù)視角看，在產(chǎn)品研發(fā)的過程中，各類產(chǎn)品數(shù)據(jù)沿數(shù)據(jù)鏈條順次產(chǎn)生、傳遞；根據(jù)數(shù)據(jù)鏈條中的驗證關(guān)系判定是否需要迭代開展；當上游數(shù)據(jù)發(fā)生變更時，對下游數(shù)據(jù)沿數(shù)據(jù)鏈依次傳遞影響，直至驗證閉環(huán)。

圖2 產(chǎn)品試制過程的系統(tǒng)工程模型

航空發(fā)動機研發(fā)對數(shù)據(jù)管理的要求

航空發(fā)動機是一個較為復雜的機電系統(tǒng)，由各個功能、結(jié)構(gòu)均相對獨立的部件和子系統(tǒng)共同組成，各部分之間高度耦合。在研制過程中，各部分研發(fā)工作高度并行，伴隨著密切的協(xié)調(diào)，且需要根據(jù)協(xié)調(diào)情況經(jīng)常性調(diào)整各部分的指標要求和技術(shù)方案，為保持發(fā)動機設(shè)計狀態(tài)和實物狀態(tài)的受控，研發(fā)數(shù)據(jù)管理的首要原則是確保研發(fā)團隊成員能夠及時、準確獲得有效數(shù)據(jù)，這其中包含三方面對數(shù)據(jù)管理的要求：數(shù)據(jù)的集成管理、有效性控制和在適當?shù)姆秶鷥?nèi)高效共享。

圖3 產(chǎn)品試驗過程的系統(tǒng)工程模型（對每試驗科目）

圖4 產(chǎn)品研制過程中的主要數(shù)據(jù)鏈示意圖

由于設(shè)計、試制和試驗領(lǐng)域不同來源的數(shù)據(jù)之間存在著“需求—驗證”的數(shù)據(jù)鏈條，因此數(shù)據(jù)必須關(guān)聯(lián)、集成管理，避免形成一系列分立的數(shù)據(jù)孤島；同時，在數(shù)據(jù)的集成管理中，管理的對象不僅應包含數(shù)據(jù)，更應包含數(shù)據(jù)間完整的映射關(guān)系。同時對數(shù)據(jù)發(fā)布、審查、修改等進行控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的權(quán)限和分發(fā)控制，并實現(xiàn)用戶對數(shù)據(jù)的使用和檢索。在數(shù)據(jù)集成管理中，也應按照特定的數(shù)據(jù)邏輯進行數(shù)據(jù)組織，既滿足數(shù)據(jù)快速檢索的要求又滿足對不同類型數(shù)據(jù)采用不同策略進行管理的要求。

由于研發(fā)過程中，每批次產(chǎn)品存在著表征產(chǎn)品設(shè)計方案的“設(shè)計狀態(tài)”和表征產(chǎn)品實物客觀的“實物狀態(tài)”，且由于設(shè)計中存在變更，以及試制過程差異或驗證目標差異，“實物狀態(tài)”與“設(shè)計狀態(tài)”之間往往存在差異（讓步、偏離等），不同臺份的“實物狀態(tài)”之間也存在差異，因此在設(shè)計數(shù)據(jù)有效性控制策略時，應能滿足“設(shè)計狀態(tài)”數(shù)據(jù)的變更管理要求和“實物狀態(tài)”的配置調(diào)整管理要求，并保持二者之間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的準確。

經(jīng)過多年信息化條件建設(shè)，我國航空發(fā)動機主要的設(shè)計所、制造廠均已經(jīng)建立了產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，正在建設(shè)全行業(yè)的協(xié)同研發(fā)平臺，為數(shù)據(jù)在單位內(nèi)部和單位之間的共享提供了軟硬件條件。目前，研發(fā)全過程數(shù)據(jù)的實時共享，在單位內(nèi)部均可做到，單位間也可在網(wǎng)絡環(huán)境建設(shè)完成后，在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)編碼管理基礎(chǔ)上，采用協(xié)同工作區(qū)形式對規(guī)定范圍的產(chǎn)品數(shù)據(jù)實現(xiàn)準實時同步。這就意味著在產(chǎn)品數(shù)據(jù)產(chǎn)生、變更的過程中，特別是對數(shù)據(jù)條目進行增刪后，無法依賴每次的人為選擇確定同步的數(shù)據(jù)范圍，而必須按照事先定義的數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)和同步范圍確定每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并保證傳輸后數(shù)據(jù)關(guān)系的完整有效。因此，為提高單位間數(shù)據(jù)協(xié)同效率，需要對研發(fā)全過程數(shù)據(jù)鏈中的數(shù)據(jù)，按照業(yè)務上的必要性進行組織，經(jīng)濟、高效地確定各項業(yè)務協(xié)同所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)范圍并實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)放，以滿足單位間數(shù)據(jù)協(xié)同的要求。

圖5 航空發(fā)動機研制過程中單位之間主要業(yè)務協(xié)同關(guān)系

在研發(fā)過程中，各單位間主要數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系如圖5所示，主要包括以下業(yè)務協(xié)同活動：

協(xié)同一，項目管理部門向各參研單位下達科研計劃，各單位向項目管理部門提交進度匯報；

協(xié)同二，參研單位向項目管理部門申請科研任務調(diào)整，項目管理部門對調(diào)整申請進行批復；

（v）設(shè)表示子組Ey（y=1，2，…，r）群決策矩陣。個體標準決策矩陣通過加權(quán)集結(jié)算子轉(zhuǎn)化為子組Ey（y=1，2，…，r）群決策矩陣

協(xié)同三，總師單位向分系統(tǒng)承研單位傳遞技術(shù)要求/需求，分系統(tǒng)承研單位向總師單位傳遞模型圖樣、文件、仿真數(shù)據(jù)等形式的設(shè)計結(jié)果；

協(xié)同四，設(shè)計單位向試制單位傳遞模型圖樣、文件，試制單位向設(shè)計單位反饋實物狀態(tài)信息數(shù)據(jù)；

協(xié)同五，試制單位向設(shè)計單位提出加工、裝配中現(xiàn)場技術(shù)問題，設(shè)計單位向試制單位反饋對現(xiàn)場技術(shù)問題的處理決定；

協(xié)同六，設(shè)計單位向試驗單位傳遞模型圖樣、試驗要求和實物狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，試驗單位向設(shè)計單位傳遞試驗數(shù)據(jù)、試驗結(jié)論；

協(xié)同七，試驗單位向設(shè)計單位提出試驗中現(xiàn)場技術(shù)問題，設(shè)計單位向試驗單位反饋對現(xiàn)場技術(shù)問題的處理決定。

協(xié)同一、協(xié)同二的內(nèi)容主要是管理數(shù)據(jù)，協(xié)同三～協(xié)同七的數(shù)據(jù)為產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

在協(xié)同三中，“總師單位向分系統(tǒng)承研單位傳遞技術(shù)要求/需求”傳遞數(shù)據(jù)主要包括參研單位所承研的分系統(tǒng)需求，“分系統(tǒng)承研單位向總師單位傳遞模型圖樣、文件、仿真數(shù)據(jù)等形式的設(shè)計結(jié)果”傳遞數(shù)據(jù)主要包括分系統(tǒng)承研單位所承研的分系統(tǒng)需求、包括模型和圖樣在內(nèi)的產(chǎn)品定義、分析仿真數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)等。在協(xié)同四中，“設(shè)計單位向制造廠傳遞模型圖樣、文件”傳遞數(shù)據(jù)主要包括按產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)組織的模型、圖樣和生產(chǎn)技術(shù)條件，目前在“設(shè)計—制造協(xié)同”試點項目中，試制單位還需向設(shè)計單位同步工藝規(guī)程等相關(guān)信息；“制造廠向設(shè)計單位反饋實物狀態(tài)信息數(shù)據(jù)”傳遞的數(shù)據(jù)主要為產(chǎn)品配置情況和實物狀態(tài)信息，包括檢測數(shù)據(jù)、超差和偏離、更改貫徹情況。在協(xié)同五中，雙方主要傳遞基于產(chǎn)品配置情況的實物狀態(tài)信息，主要包括檢測數(shù)據(jù)、超差和偏離等。在協(xié)同六中，設(shè)計單位按照試驗科目向承擔試驗單位傳遞被試件狀態(tài)、試驗要求等，承擔試驗單位向設(shè)計單位傳遞試驗設(shè)備信息、試驗數(shù)據(jù)等信息。在協(xié)同七中，雙方主要傳遞被試件狀態(tài)、試驗要求、試驗設(shè)備信息、試驗數(shù)據(jù)等信息。

對產(chǎn)品數(shù)據(jù)的管理中，應能對每組協(xié)同的數(shù)據(jù)“打包”管理，使得單位間的數(shù)據(jù)發(fā)包和數(shù)據(jù)同步能夠準確、高效開展。

基于BOM的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理模式

電子數(shù)據(jù)通常以BOM為主線貫穿了整個設(shè)計/制造過程。為滿足業(yè)務需求，可以根據(jù)數(shù)據(jù)產(chǎn)生和應用的階段、基于該數(shù)據(jù)協(xié)同的范圍和對應的追溯關(guān)系、不同類型數(shù)據(jù)的管理策略等，根據(jù)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，面向數(shù)據(jù)協(xié)同，將研發(fā)全過程的各類數(shù)據(jù)分類組成若干數(shù)據(jù)組，按照特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)形成數(shù)據(jù)表BOM。數(shù)據(jù)按照特定的BOM組織，便于數(shù)據(jù)應用者能夠根據(jù)邏輯關(guān)系準確檢索并關(guān)聯(lián)查詢；同時，數(shù)據(jù)產(chǎn)生者產(chǎn)生的數(shù)據(jù)按照規(guī)則存放在BOM結(jié)構(gòu)中，在數(shù)據(jù)的跨組織協(xié)同中便于按照BOM進行數(shù)據(jù)發(fā)放，保障發(fā)放數(shù)據(jù)的完整和關(guān)聯(lián)關(guān)系的正確有效。

可以將發(fā)動機產(chǎn)品研制過程中由需求到驗證的數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)產(chǎn)生的邏輯關(guān)系和時序關(guān)系組合為7個相互關(guān)聯(lián)的BOM，依次為需求BOM（RBOM）、定義BOM（DBOM）、工程BOM（EBOM）、工藝BOM（PBOM）、制造BOM（MBOM）、實物BOM（BBOM）和試驗BOM（TBOM），管理的主要數(shù)據(jù)和搭建BOM依據(jù)的數(shù)據(jù)關(guān)系如表1所示。

其中，RBOM、DBOM由設(shè)計人員在項目實施前期搭建，主要用于設(shè)計環(huán)節(jié)內(nèi)部協(xié)同、管控和項目的工作策劃；EBOM由結(jié)構(gòu)設(shè)計人員搭建于結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，主要用于“設(shè)計—試制”環(huán)節(jié)的交互和協(xié)同；PBOM和MBOM由制造人員基于EBOM搭建于制造環(huán)節(jié)，主要用于工藝設(shè)計、制造實施環(huán)節(jié)；BBOM由設(shè)計、制造人員依據(jù)EBOM的裝配結(jié)構(gòu)，根據(jù)實物的生產(chǎn)安排搭建，用于實物交付前的制造人員向設(shè)計人員反饋制造信息，交付后設(shè)計人員也將繼續(xù)基于BBOM實現(xiàn)對實物的技術(shù)狀態(tài)記實；TBOM在試驗策劃階段，由設(shè)計、試驗人員根據(jù)策劃開展的試驗科目搭建，實現(xiàn)按科目對“需求—試驗要求—試驗結(jié)果”的閉環(huán)控制。

DBOM是對RBOM提出要求的落實和回答，DBOM中各數(shù)據(jù)項包含對RBOM中各項需求的驗證關(guān)系；EBOM對象和DBOM對象之間存在映射關(guān)系，DBOM中劃分的各功能對象均承載于EBOM中的一個或多個零組件、成附件；PBOM和MBOM是EBOM中提出的設(shè)計向工藝和制造方向的進一步延伸；BBOM中各級零組件實物均對應于EBOM中的零組件設(shè)計；BBOM中的整機、核心機或其他試驗件作為TBOM中管理的被試件，同時TBOM中記錄的試驗時數(shù)、試驗歷程等作為被試件歷程記錄的一部分，在BBOM中管理。

其中，對于RBOM、DBOM、EBOM、PBOM和MBOM中的各類數(shù)據(jù)，記錄的是產(chǎn)品設(shè)計方案數(shù)據(jù)，按最新版本有效進行管理；BBOM為產(chǎn)品實物歷程的記實，其中的各類數(shù)據(jù)均按唯一版本進行管理；TBOM中除試驗原始記錄和試驗測量數(shù)據(jù)按唯一版本管理外，其余數(shù)據(jù)按最新版本有效進行管理。

這樣，在協(xié)同設(shè)計中，總師單位搭建RBOM，并向承研單位按功能分解的范圍分發(fā)RBOM，承研單位基于DBOM反饋設(shè)計結(jié)果；“設(shè)計—制造協(xié)同”中，設(shè)計單位和試制單位加工前交互主要采用EBOM和PBOM，加工后基于實物的交互主要采用BBOM；制造過程內(nèi)部管理主要依托PBOM、MBOM和BBOM；設(shè)計試驗協(xié)同在試驗方案階段主要依托DBOM和TBOM，在試驗實施階段主要依托BBOM和TBOM。

表1 研制中各BOM基本信息

結(jié)束語

目前，除了還需要對航空發(fā)動機研發(fā)全過程數(shù)據(jù)管理在發(fā)動機研制實踐中進一步驗證完善外，還存在以下幾個問題：第一，依托7個相互關(guān)聯(lián)的BOM，對研發(fā)中結(jié)果數(shù)據(jù)實現(xiàn)了管理，但是并不適用于對研發(fā)過程中動態(tài)迭代的過程數(shù)據(jù)進行管理，還需要建立其他管理系統(tǒng)，對設(shè)計迭代中的過程數(shù)據(jù)進行管理，同時實現(xiàn)設(shè)計過程數(shù)據(jù)與對應結(jié)果數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)映射；第二，目前的管理方式僅實現(xiàn)了對制造和試驗數(shù)據(jù)的記錄，數(shù)據(jù)的采集和錄入的環(huán)節(jié)并不受控，需要建立實物加工信息收集到BBOM、試驗測試采集系統(tǒng)到TBOM的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)管理功能，打通數(shù)據(jù)管理的“最后一千米”；第三，目前產(chǎn)品數(shù)據(jù)與項目管理數(shù)據(jù)尚未打通，后續(xù)還需建立與產(chǎn)品數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的項目管理系統(tǒng)，為精細化項目管理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。