面向飛機設計的構型管理研究

石振華

一、引言

飛機研制是一個復雜的系統(tǒng)工程，它涉及到多個學科和多個專業(yè)，一架飛機的零件數(shù)量和技術參數(shù)高達107量級，現(xiàn)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(jù)的構型文件的狀態(tài)，對飛機整個研制過程進行全面優(yōu)化，從而對產(chǎn)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(chǎn)品結構，定義產(chǎn)品構型組織形式，以及對數(shù)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(yè)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(shù)據(jù)、MBD數(shù)模和技術文件等的管理，并通過工程更改流程驅動實現(xiàn)了上述數(shù)據(jù)的更改影響分析和技術狀態(tài)管控。通過從飛機設計初期就應考慮其多構型發(fā)展，幫助設計院所面向飛機系列化發(fā)展進行設計規(guī)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(fā)過程中總結出來的，用于約束、控制和管理武器系統(tǒng)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(chǎn)品。之后由美國軍方提出了構型管理的標準，要求在產(chǎn)品研制的整個生命周期內實施嚴格的技術狀態(tài)管理，其核心對象是構型項CI及構型項定義的技術數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)定義并標識了產(chǎn)品性能、功能和物理屬性的技術文件，如圖樣、規(guī)范和設備清單等。

構型管理作為產(chǎn)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(chǎn)品性能參數(shù)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(guī)范化的產(chǎn)品研發(fā)秩序，保證產(chǎn)品需求和設計目標的實現(xiàn)。

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(yè)務的數(shù)據(jù)需求，企業(yè)需要將產(chǎn)品全生命周期中所需要的數(shù)據(jù)、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(yè)的產(chǎn)品協(xié)同設計、制造和管理。當前，國內航空行業(yè)通過PLM數(shù)字化協(xié)同研發(fā)平臺進行飛機研制不同階段BOM數(shù)據(jù)的組織和實現(xiàn)研制各階段數(shù)據(jù)的連續(xù)、傳遞與應用，并基于BOM實現(xiàn)全生命周期一體化技術狀態(tài)管理。同時，為了滿足不同用戶的業(yè)務需求，同一個產(chǎn)品通常需要多個視圖的形式呈現(xiàn)展示，滿足對數(shù)據(jù)的良好可視化，并且有利于提高數(shù)據(jù)的一致性，有利于基于業(yè)務鏈的數(shù)據(jù)交換傳遞。企業(yè)將通過各類BOM對產(chǎn)品研制相關數(shù)據(jù)進行結構化組織，實現(xiàn)數(shù)據(jù)間的關聯(lián)管理。

目前航空工業(yè)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(yè)，基于國內航空企業(yè)產(chǎn)品研制的數(shù)據(jù)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(chǎn)品研制的不同階段構建不同的BOM，支持產(chǎn)品研制數(shù)據(jù)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(tǒng)視圖，產(chǎn)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(yè)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(tǒng)一建立并維護型號的產(chǎn)品結構樹，后由總師單位根據(jù)分工將相關構型項以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給各直屬單位，直屬單位接收到數(shù)據(jù)包后在其PLM平臺中構建相應的產(chǎn)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(lián)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(guī)范返回給總師單位進行設計數(shù)據(jù)的統(tǒng)一發(fā)放。實現(xiàn)設計過程的全要素構型管理，核心分為三步：全局規(guī)劃、全局控制和全局紀實與審核。

（1）設計構型始于全局規(guī)劃

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

（2）設計構型重于全局技術狀態(tài)控制

以全局的技術狀態(tài)標識為基礎，當發(fā)生技術狀態(tài)基線偏離（變更）時，應按照系統(tǒng)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(xiàn)對技術狀態(tài)基線偏離的控制，保證整個產(chǎn)品系統(tǒng)偏離的合理性。當技術狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)生變更時，依據(jù)其所屬構型項和受影響構型項，分析對相關技術狀態(tài)文件的影響，從而形成全局的系統(tǒng)化變更，全局技術狀態(tài)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(tài)管理的可追溯，需實現(xiàn)全局紀實和審核支持。首先，實現(xiàn)技術狀態(tài)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(tài)描述，支持對構型項的持續(xù)和實時跟蹤；其次，在不同階段為技術狀態(tài)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(yè)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?？傮w上，BOM將分為三個層級進行管理，實現(xiàn)產(chǎn)品結構的三層架構，在整個構型管理系統(tǒng)中貫徹以設計模塊為核心的方法。

頂層產(chǎn)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(yè)進行組織，該層結構比較穩(wěn)定，通常不會變化。

構型層用于實現(xiàn)技術狀態(tài)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(chǎn)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(chǎn)品結構包括用于飛機構建的實際零部件及相關的技術數(shù)據(jù)。采用CI-LO-DS的構型標識方式，產(chǎn)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(yè)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(tǒng)視圖System View。

（1）定義視圖DBOM出現(xiàn)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(xù)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(chǎn)生設計規(guī)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(guī)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(guī)劃，包括D-CI和D-LO的規(guī)劃，其中D-CI是具體的設計項，如RAT布置方案，D-LO是規(guī)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(guī)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(guī)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(chuàng)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(lián)；對于2D模型和文檔，首先在PLM中創(chuàng)建相應的D-DS，然后將數(shù)據(jù)創(chuàng)建為文檔并建立與D-DS的關聯(lián)。DBOM的構型層底層是具體的組件、零件及他們的數(shù)模和文檔。

（2）工程視圖EBOM出現(xiàn)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(lián)合開展工程定義，統(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)中基于EBOM結構視圖統(tǒng)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(lián)合進行EBOM構型層規(guī)劃，包括E-CI、E-LO和E-DS的規(guī)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(guī)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(guī)劃的模塊，設計人員開展詳細MBD設計，航空工業(yè)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(tǒng)視圖System View出現(xiàn)在詳細設計階段，根據(jù)總體單位提出的成品和系統(tǒng)需求，供應商將開展成品和系統(tǒng)的設計和交付，成品和系統(tǒng)數(shù)據(jù)在PLM將通過系統(tǒng)視圖進行統(tǒng)一管理。EBOM系統(tǒng)視圖的作用在于滿足系統(tǒng)設計師在進行系統(tǒng)設計時對系統(tǒng)功能規(guī)劃和設備構型數(shù)據(jù)組織和控制的需求，是按照ATA章節(jié)和設備功能進行分解的產(chǎn)品視圖。EBOM結構視圖基于功能標識號建立與EBOM系統(tǒng)視圖數(shù)據(jù)關聯(lián)，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(tǒng)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(tǒng)視圖System View的三層架構如圖7所示。

系統(tǒng)視圖System View頂層根據(jù)總體、市場或適航相關部門對系統(tǒng)提出的相關需求，總體和系統(tǒng)等相關專業(yè)共同制訂飛機ATA分解結構和系統(tǒng)視圖的頂層結構；系統(tǒng)視圖System View構型層產(chǎn)生在頂層結構在系統(tǒng)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(tǒng)設計產(chǎn)生的接口文件、原理圖、線路圖和拓撲圖等數(shù)據(jù)關聯(lián)到ATA章節(jié)和F-CI；系統(tǒng)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(xiàn)將開展相應設計工作，通過供應商獲取相關設備的數(shù)據(jù)，包括技術文件和三維外形數(shù)模，創(chuàng)建這些數(shù)據(jù)對應的設備描述F-DS，并將其關聯(lián)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(tǒng)工程，而構型管理有效解決了飛機全生命周期中技術狀態(tài)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(xiàn)代飛機成功研制的關鍵因素。

本文面向國內航空行業(yè)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(yè)面臨的由于系統(tǒng)的高度復雜性所帶來的產(chǎn)品設計過程中涌現(xiàn)的問題及風險。同時，通過提供一種統(tǒng)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(lián)與追溯，并且該研究已經(jīng)通過型號研制的工程驗證，必將有力支撐技術狀態(tài)管控能力的轉化與落地，實現(xiàn)面向飛機設計構型管理的持續(xù)優(yōu)化與迭代，以更好地滿足市場和客戶的需要，更優(yōu)地完成型號工作。