民用復(fù)雜系統(tǒng)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理研究

郝朝杰，馮 野

（中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司，上海 200237）

在大數(shù)據(jù)的背景下，民用復(fù)雜系統(tǒng)的研制過程，比如民用航空發(fā)動機產(chǎn)品，具有跨學(xué)科、跨單位、研發(fā)周期漫長、變更頻繁、安全性法規(guī)要求苛刻等特點。這些復(fù)雜系統(tǒng)在研制過程中往往產(chǎn)生數(shù)以萬計的數(shù)據(jù)，如何高效、準(zhǔn)確、完整地使用這些產(chǎn)品數(shù)據(jù)，是目前很多公司急需解決的問題。針對現(xiàn)代數(shù)字化工程而言，數(shù)據(jù)管理是對源數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，如何在民用復(fù)雜系統(tǒng)研制全生命周期過程中建立和維護(hù)一個保障數(shù)據(jù)的一致性、完整性、實時性、有效性和追溯性等要求的公共數(shù)據(jù)源，是每個民用復(fù)雜系統(tǒng)研制需要重點解決的問題。目前，很多民用復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理主要是基于文件夾組合、單個文件的版本控制、更改管理等。這樣簡單的管理方式很難在產(chǎn)品全生命周期中說明產(chǎn)品數(shù)據(jù)的完整性、有效性、可追溯性等，容易造成不同研制階段數(shù)據(jù)隔離和關(guān)聯(lián)不清晰的問題，同時，也造成了在某些管理方面的欠缺，例如，無法實現(xiàn)對需求更改的有效跟蹤，驗證數(shù)據(jù)對應(yīng)需求的驗證追蹤困難，實物構(gòu)型對應(yīng)設(shè)計狀態(tài)一致性的管理煩瑣，歷史數(shù)據(jù)追溯困難，無法達(dá)到產(chǎn)品研制過程中對所有數(shù)據(jù)實時與有效控制的目的。

本文研究以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為核心，組織所有構(gòu)型數(shù)據(jù)的管理機制，建設(shè)全面的BOM管理，以構(gòu)成產(chǎn)品的單一數(shù)據(jù)源，以便準(zhǔn)確獲取各類構(gòu)型信息，并根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實現(xiàn)各種構(gòu)型信息之間的關(guān)聯(lián)管理，確保在項目研制周期內(nèi)能夠快速調(diào)用與產(chǎn)品構(gòu)型和構(gòu)型管理活動相關(guān)的各類信息及其統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以保證在各個階段獲得產(chǎn)品構(gòu)型數(shù)據(jù)的一致性、完整性、實時性、有效性和可追溯性。

1 產(chǎn)品研制全生命周期的數(shù)據(jù)分類

民用復(fù)雜系統(tǒng)研制過程按照NPR7120.5《NASA空間飛行工程和項目管理需求》一般分為概念探索階段，概念研究和技術(shù)開發(fā)階段，初步設(shè)計和技術(shù)完善階段，詳細(xì)設(shè)計和制造階段，系統(tǒng)組裝、集成、試驗和投產(chǎn)階段，運行使用與維護(hù)階段，退役處置階段共7個階段。在研制的每個階段均輸出大量的數(shù)據(jù)，按照產(chǎn)品在整個生命周期產(chǎn)生的數(shù)據(jù)依據(jù)使用目的和產(chǎn)生過程的不同進(jìn)行分類，大體可分為需求、設(shè)計、實物、工藝、生產(chǎn)、驗證、客服、維修等數(shù)據(jù)，具體的數(shù)據(jù)類型如表1所示。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

民用復(fù)雜系統(tǒng)研制過程中每個階段都會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，如何管理展示這些數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)的使用者提供便利呢？本文主要研究的是產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理模型，即產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（BOM）。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是在產(chǎn)品架構(gòu)的基礎(chǔ)上組織與管理產(chǎn)品數(shù)據(jù)。作為產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理模型，也是項目所有信息輸出的基礎(chǔ)和信息源頭，將產(chǎn)品通過不同視角或者邏輯關(guān)系排列位置節(jié)點形成不同產(chǎn)品架構(gòu)，然后按照自上而下的方法組織各層級相應(yīng)的數(shù)據(jù)形成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)每下降一層代表對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加詳細(xì)的描述，上層結(jié)構(gòu)應(yīng)是其下層的總和，或者說下層的集成生成上層。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的具體模型包括產(chǎn)品架構(gòu)、有效性配置、數(shù)據(jù)管理3個模塊，具體如圖1所示。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中存在以下關(guān)系：①產(chǎn)品架構(gòu)。圖1中產(chǎn)品架構(gòu)是由位置節(jié)點按照不同的視角或邏輯關(guān)系搭建的產(chǎn)品框架，其通過位置節(jié)點的完整性來表征產(chǎn)品結(jié)構(gòu)框架的完整性。②PART節(jié)點也可稱為數(shù)據(jù)節(jié)點，它是在產(chǎn)品架構(gòu)與位置節(jié)點連接，作為產(chǎn)品位置節(jié)點與產(chǎn)品數(shù)據(jù)集的連接站來表征產(chǎn)品架構(gòu)上位置節(jié)點對應(yīng)的數(shù)據(jù)集。③有效性值。作為PART節(jié)點（數(shù)據(jù)節(jié)點）上的重要屬性，可通過不同的有效性值來表征產(chǎn)品架構(gòu)與數(shù)據(jù)管理對象的選配關(guān)系。如圖1中Part2、Part3對應(yīng)同一個位置節(jié)點，但是有效性值不同，所以對應(yīng)的數(shù)據(jù)集B、數(shù)據(jù)集C也不同。有效性值是產(chǎn)品數(shù)據(jù)多方案管理和不同類別數(shù)據(jù)追溯的紐帶。④有效性配置。有效性值是PART節(jié)點（數(shù)據(jù)節(jié)點）的重要屬性，而PART節(jié)點（數(shù)據(jù)節(jié)點）與位置節(jié)點組成產(chǎn)品架構(gòu)，依據(jù)產(chǎn)品架構(gòu)相同的有效性值可以表征上層組件與零件之間的選配關(guān)系。有效性的配置在信息化系統(tǒng)中可以說是利用產(chǎn)品架構(gòu)的邏輯關(guān)系，通過選擇相同的有效性來達(dá)到選配產(chǎn)品的目的。⑤數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)集是以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為數(shù)據(jù)管理模型的一大特點，數(shù)據(jù)不是以單個文檔的形式管理，也不是按照一個籠統(tǒng)的文件夾的形式管理，而是以數(shù)據(jù)集的形式進(jìn)行組織管理。數(shù)據(jù)集是由一個或多個文檔或圖紙組成，這些數(shù)據(jù)是描述產(chǎn)品相應(yīng)位置節(jié)點的某種類別的數(shù)據(jù)，同時，這些數(shù)據(jù)具備相同的有效性值才能組成數(shù)據(jù)集。描述同一位置節(jié)點的相同類別數(shù)據(jù)，有效性值不同，數(shù)據(jù)集也不同，如圖1中數(shù)據(jù)集B、數(shù)據(jù)集C。

在民用復(fù)雜系統(tǒng)研制的全生命周期的不同階段，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)隨著產(chǎn)品研制進(jìn)程的推進(jìn)不斷增加新的內(nèi)容、功能和用途。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在產(chǎn)品生命周期中表現(xiàn)為不同的形式，反映了產(chǎn)品開發(fā)不同階段的成熟度，與該階段的任務(wù)相適應(yīng)。

2.1 產(chǎn)品架構(gòu)

產(chǎn)品架構(gòu)是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的框架，是數(shù)據(jù)管理的模型骨架，是用來組織數(shù)據(jù)形成視圖。產(chǎn)品架構(gòu)按照不同的視角和邏輯可以分解為圖2所示的幾個部分。

2.1.1 工作分解架構(gòu)

工作分解架構(gòu)是根據(jù)項目工作任務(wù)分工形成的架構(gòu)，它表達(dá)的邏輯模式為工作任務(wù)上下層級之間的關(guān)系。

2.1.2 功能分解架構(gòu)

功能分解架構(gòu)是根據(jù)產(chǎn)品功能分解形成的架構(gòu)，表達(dá)的邏輯模式為產(chǎn)品功能、系統(tǒng)功能、子系統(tǒng)功能、功能單元之間的組合關(guān)系。

2.1.3 裝配分解架構(gòu)

裝配分解架構(gòu)是根據(jù)裝配關(guān)系形成的分解架構(gòu)，表達(dá)的邏輯模式為產(chǎn)品零組件裝配所屬的指向關(guān)系。

2.1.4 制造分解架構(gòu)

制造分解架構(gòu)是根據(jù)工藝裝配步驟形成的分解架構(gòu)，表達(dá)的邏輯模式為產(chǎn)品制造裝配的工藝順序關(guān)系。

2.1.5 維護(hù)分解架構(gòu)

維護(hù)分解架構(gòu)是根據(jù)維護(hù)、維修步驟形成的分解架構(gòu)，表達(dá)的邏輯模式為產(chǎn)品維護(hù)、維修的拆解順序關(guān)系。

在民用復(fù)雜系統(tǒng)全生命周期研制過程中，數(shù)據(jù)組織管理模型中的產(chǎn)品架構(gòu)采用什么樣的分解架構(gòu)，應(yīng)按照對應(yīng)階段的工作任務(wù)來定義，即按照產(chǎn)品數(shù)據(jù)產(chǎn)生使用的視角進(jìn)行組織管理，例如在初步設(shè)計和技術(shù)完善階段采用功能分節(jié)架構(gòu)管理設(shè)計方案數(shù)據(jù)，在詳細(xì)設(shè)計階段采用裝配分解架構(gòu)管理工程設(shè)計圖樣，在制造階段采用制造分解架構(gòu)管理工藝規(guī)程和工藝記錄，在運行使用與維護(hù)階段采用維護(hù)分解架構(gòu)管理故障維修相關(guān)數(shù)據(jù)等。

2.2 視圖管理

文章前面部分對民用復(fù)雜系統(tǒng)的產(chǎn)品全生命周期研制過程中產(chǎn)生的產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類，按照產(chǎn)品架構(gòu)，即產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的模型框架組織管理對應(yīng)的數(shù)據(jù)分類，以滿足不同角色對數(shù)據(jù)的需要管理，形成不同視角視圖。

圖1中所示的產(chǎn)品架構(gòu)和數(shù)據(jù)集組成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，相同的產(chǎn)品架構(gòu)組織不同的數(shù)據(jù)集形成不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，只有相同的產(chǎn)品架構(gòu)組織相同的數(shù)據(jù)集才能形成相同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)即視圖。

民用復(fù)雜系統(tǒng)產(chǎn)品全生命周期對應(yīng)不同的研制階段，按照階段數(shù)據(jù)產(chǎn)生的邏輯形成不同的產(chǎn)品架構(gòu)組織，并按照對應(yīng)的數(shù)據(jù)類別形成視圖，具體如圖3所示。

BOM狹義上的定義為物料清單，本文中的BOM均指的是廣義定義，即產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，按照不同的產(chǎn)品架構(gòu)組織不同類別的數(shù)據(jù)形成不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。圖3為可供參考的民用復(fù)雜系統(tǒng)產(chǎn)品全生命周期的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其每個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理的數(shù)據(jù)類別、管理者、管理目的如表2所示。

從圖3和表2中可以看出，在復(fù)雜系統(tǒng)研制的全生命周期過程中，建設(shè)全面的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不但可以解決不同階段數(shù)據(jù)隔離的問題，而且也解決了數(shù)據(jù)追溯的問題，同時，滿足不同角色在項目研制周期內(nèi)能夠快速調(diào)用與構(gòu)型及構(gòu)型管理活動相關(guān)的各類信息及其統(tǒng)計數(shù)據(jù)，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)在全生命周期內(nèi)的一致性、完整性、實時性、有效性、可追溯性管理。

2.3 有效性配置

產(chǎn)品構(gòu)型配置又稱為可變性管理。產(chǎn)品構(gòu)型配置的一般規(guī)則有3種，即按照版本號配置，按照有效性配置，按照變型規(guī)則配置。通常在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中用的配置規(guī)則為有效性配置，如圖4所示，在產(chǎn)品架構(gòu)的PART節(jié)點上賦予數(shù)據(jù)集的有效性值，通過有效性值的篩選達(dá)到產(chǎn)品構(gòu)型配置的目的。有效性值在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中作為一個變量，其選擇變量應(yīng)用變量條件，變量條件是一個邏輯表達(dá)式，定義了一種數(shù)據(jù)集按照產(chǎn)品架構(gòu)的邏輯結(jié)合，當(dāng)有效性取不同的值時，按照產(chǎn)品架構(gòu)的模式篩選出不同的數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集為不同的設(shè)計方案或構(gòu)型時，即進(jìn)行多方案和多構(gòu)型的管理。

例如，在工程BOM中，按照臺份定義有效性值，從而通過篩選有效性值可以獲得某一臺份的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。如圖4所示，通過篩選有效值1獲得1臺份的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，如圖5所示，依次類推可以獲得3臺份、4臺份、XX臺份的信息。

3 分析與總結(jié)

在產(chǎn)品研制的全生命周期內(nèi)，依托不同的視角和業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系的產(chǎn)品架構(gòu)，組織管理不同類別的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，同時，依據(jù)有效性達(dá)到數(shù)據(jù)篩選配置的目的。在民用復(fù)雜系統(tǒng)全生命周期內(nèi)建立全面BOM管理產(chǎn)品數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)在產(chǎn)品研制全生命周期過程中建立和維護(hù)一個保障產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一致性性、完整性、實時性、有效性和可追溯性等要求的公共數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)在物理上分散、邏輯上關(guān)聯(lián)。

產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理模型存在的意義是：①產(chǎn)品結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)對項目的圖形表達(dá)，捕捉人們心中的想法，方便溝通交流；②可以實現(xiàn)對項目和產(chǎn)品有關(guān)的業(yè)務(wù)信息和技術(shù)信息有組織的收集和共享；③將離散化的產(chǎn)品數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，體現(xiàn)了產(chǎn)品研制的關(guān)聯(lián)根本；④國內(nèi)外產(chǎn)品全壽命周期數(shù)據(jù)管理的通用做法和管理趨勢；⑤基于不同的視角，利用平臺的功能和流程開展協(xié)同研制工作。

［1］ 王慶林.基于系統(tǒng)工程的飛機構(gòu)型管理［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2017：150-151.

［2］ 高奇微，莫欣農(nóng).產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）及其實施［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1998.

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［4］ 朱一凡，李群，楊峰，等.NASA系統(tǒng)工程手冊［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012：20-21.