面向協(xié)同制造云平臺的航空裝備數(shù)字模型構(gòu)建*

楊 波，趙 闖，康 玲，易力力

（重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044）

航空裝備作為國防安全的重要基礎，體現(xiàn)著國家的工業(yè)發(fā)展水平?，F(xiàn)階段航空裝備制造多采用“主制造商和供應商聯(lián)合模式”，以主機廠為龍頭，完成航空裝備方案設計，部分初步設計后將其余部件或系統(tǒng)外包給“供應商”進行設計和生產(chǎn)[1]。隨著航空裝備復雜程度的不斷提高，其生產(chǎn)制造過程呈現(xiàn)出設計所–主機廠–配套廠并行協(xié)同研制、研制與批產(chǎn)混線等特點，且涉及產(chǎn)品設計、工藝設計、零件制造、結(jié)構(gòu)裝配、總裝集成、試驗試飛、服務保障、供應鏈管控、生態(tài)集成等多業(yè)務過程。因此，航空裝備生命周期內(nèi)涉及的企業(yè)范圍不斷擴大，協(xié)作企業(yè)間地域分布分散，然而制造資源間存在的“信息孤島”現(xiàn)象導致研制的業(yè)務過程協(xié)同難、技術狀態(tài)管控難、生產(chǎn)效能提升難等問題尤為突出[2]。盡管現(xiàn)有的分布式網(wǎng)絡系統(tǒng)環(huán)境支持跨企業(yè)協(xié)同的生產(chǎn)模式，但受軟硬件系統(tǒng)靜態(tài)性的限制，難以對異構(gòu)、異地且海量的制造資源與制造知識進行高效地共享、配置和管控，無法充分滿足航空裝備制造過程管控的動態(tài)性要求[3]。關于產(chǎn)品生命周期不同方面的數(shù)據(jù)在企業(yè)內(nèi)部可能由不同的IT系統(tǒng)進一步管理，如產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）系統(tǒng)、企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）系統(tǒng)、供應鏈管理（SCM）系統(tǒng)或制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），這些系統(tǒng)在信息管理方面有很高的復雜性，特別是在信息必須跨公司邊界交換的情況下，難以進行跨企業(yè)間的數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理[4]。

隨著現(xiàn)代信息技術、云計算、資源管理技術、物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，基于云平臺制造模式的提出和發(fā)展實現(xiàn)了制造資源高效共享且具有較高的系統(tǒng)開放性和用戶參與度，通過任務模式匹配、任務自動分解技術和協(xié)同服務技術為制造云平臺中的用戶和參與企業(yè)提供敏捷服務[5]。美國GE公司在2013年推出以PaaS （平臺即服務）為核心的Predix工業(yè)公有云平臺，開啟了國際工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺發(fā)展的序幕[6]。紀妍等[7]提出了基于云制造服務平臺的復雜裝備網(wǎng)絡協(xié)同平臺服務模式，實現(xiàn)了服務資源選擇與配置、服務流程計劃與控制和服務信息反饋的聯(lián)動協(xié)同。Mas等[8]提出了建立工業(yè)化決策單元（iDMU）的構(gòu)想，包括產(chǎn)品信息、裝配過程、裝配資源和工具以及裝配作業(yè)指導書，但是由于iDMU軟件框架僅限于來自單一供應商，因此沒有解決互操作性問題。劉明周等[9]結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術在機械產(chǎn)品制造系統(tǒng)中的應用模式，構(gòu)建了物聯(lián)制造資源本體模型，實現(xiàn)了制造資源的互聯(lián)感知與信息集成，為航空裝備制造模式提供了發(fā)展方向和思路。在航空數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展的大背景下，現(xiàn)代飛機研制模式正由傳統(tǒng)的設計–制造–試驗模式，向設計–虛擬綜合–數(shù)字制造–物理制造的新模式轉(zhuǎn)變，通過建立數(shù)字主線和基于數(shù)字主線模型的過程、數(shù)據(jù)無縫融合與高效的協(xié)同研制體系，實現(xiàn)多點異地的多專業(yè)高效協(xié)同，有效支撐產(chǎn)品快速迭代[2]。Karasev等[10]開發(fā)了分布式信息生命周期管理系統(tǒng)的原型，并對其進行了動態(tài)測試，為生命周期管理系統(tǒng)開發(fā)應用M.A.S模型提供了理論依據(jù)，有助于實現(xiàn)分布式多智能體生命周期管理系統(tǒng)工業(yè)商用版的需求形式化。

基于協(xié)同制造云平臺的航空裝備制造模式為航空裝備的協(xié)同設計、協(xié)同制造、管理和維護過程提供了全新模式，也對航空裝備數(shù)字模型的構(gòu)建方法提出了新要求。航空裝備數(shù)字模型將航空產(chǎn)品全生命周期中不同層次、不同階段、不同學科的復雜信息進行集成以代替物理樣機，能夠?qū)⒑娇昭b備各階段信息進行準確表達，其作為一種實體化語言，為服務委托者、生產(chǎn)單位、設計人員提供直接溝通的渠道。隨著產(chǎn)品概念設計和結(jié)構(gòu)設計等方面的CAX工具不斷成熟以及系統(tǒng)統(tǒng)一建模等領域研究不斷發(fā)展[11]，現(xiàn)階段航空裝備數(shù)字模型通常包含裝備幾何信息、非幾何信息、拓撲信息等，并涉及多領域、多學科、多階段、多層次的數(shù)字化知識模型，如基于模型的數(shù)字定義（Model based definition，MBD），是由美、日、歐等國家提出的數(shù)字模型構(gòu)建理論和方法，在航空裝備領域已經(jīng)得到廣泛應用[12]。2003年，美國機械工程師協(xié)會起草第1份標準《ASME Y14.41—2003》； 2006年，國際標準化組織發(fā)布相應標準ISO 16792—2006； 2009年，中國制定了《技術產(chǎn)品文件 數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則：GB/T 24734—2009》等11項國家標準。張嘉易等[13]建立了基于MBD的三維裝配工藝設計系統(tǒng)，以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹為基礎實現(xiàn)了對裝配過程中設計、工藝信息的有效管理。邱世廣等[14]構(gòu)建了基于MBD的飛機工藝數(shù)字樣機體系，實現(xiàn)了以三維模型為核心的數(shù)字化工藝設計/制造的先進生產(chǎn)模式。DPD技術，即數(shù)字化產(chǎn)品定義最初由美國波音公司提出，并在波音777等機型的研制中得到成功應用，其飛機零件的數(shù)字化產(chǎn)品定義采用CATIA系統(tǒng)進行零件的三維建模，建立了100%的數(shù)字化飛機，所有零件的三維設計結(jié)果是唯一的權威性數(shù)據(jù)集，能夠支持全生命周期內(nèi)各個相關領域的操作，并實現(xiàn)集成化[15]?；诖耍涛那叩萚16]提出了飛機產(chǎn)品–過程–資源知識（PRP）模型，支持飛機全生命周期內(nèi)知識的擴展、共享，并實現(xiàn)知識的集成，建立了具有開放結(jié)構(gòu)和有效使用先驗知識的模型。然而基于理論模型的制造過程仿真無法真實反映出物理對象的幾何時變特性，并缺乏對制造過程信息、制造狀態(tài)信息的表達，導致制造過程仿真結(jié)果可能偏離實際工況[17]。

國內(nèi)外學者在航空裝備分布式建模與仿真領域進行了大量研究，但是目前對復雜航空產(chǎn)品全生命周期一體化設計與管理的研究仍存在明顯不足，航空產(chǎn)品數(shù)字模型建模技術涉及多個學科領域，所使用的建模語言必須能夠支持多學科領域的協(xié)同建模與仿真，并完整地描述設計對象的層次結(jié)構(gòu)和邏輯關系。朱俊[18]根據(jù)產(chǎn)品特有的生命周期特點，將建模技術與本體有機結(jié)合在一起，構(gòu)建了基于元數(shù)據(jù)產(chǎn)品本體的建模技術，并證明了本方法對于產(chǎn)品管理的重要作用。張峰等[19]在分析性能樣機功能結(jié)構(gòu)和設計流程的基礎上，建立了基于本體元模型的性能樣機協(xié)同概念建模方法，從頂層系統(tǒng)開始分解，然后根據(jù)性能樣機的元模型進行建模，通過描述系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)耦合模型，為復雜產(chǎn)品多學科協(xié)同建模提供了理論基礎。然而SysML語言對于沒有軟件工程背景的工程師 （如機械工程師）來說較難掌握，需要專業(yè)人士來對系統(tǒng)進行建模[20]。

由上述分析可知，目前研究所構(gòu)建的航空裝備數(shù)字模型多針對傳統(tǒng)制造模式下航空裝備制造或裝配過程中的信息進行表達，缺乏對云平臺制造模式下航空裝備信息的有效管理和多學科、多領域知識及數(shù)據(jù)的共享與表達，難以實現(xiàn)在云平臺制造模式下跨企業(yè)間動態(tài)數(shù)據(jù)的有效管理、信息共享、數(shù)字模型互操作的要求，無法指導云平臺制造模式下航空裝備數(shù)字模型構(gòu)建。

本文通過云平臺功能架構(gòu)分析定義面向云平臺的航空裝備數(shù)字模型產(chǎn)生流程，并據(jù)此搭建航空裝備數(shù)字模型框架；結(jié)合本體理論和元模型建模方法對航空裝備數(shù)字模型進行語義表達，構(gòu)建面向云平臺的航空裝備本體元模型，以解決模型之間的語義異構(gòu)問題，實現(xiàn)航空裝備復雜信息的準確表達。

1 協(xié)同制造云平臺功能架構(gòu)分析

協(xié)同制造云平臺以制造過程為主線，將工程項目作為對象，系統(tǒng)地解決項目管理、協(xié)同工作、資源共享3方面的問題。從項目的立項、實施到完工等進行全過程管理，實現(xiàn)制造資源的合理利用。在基于協(xié)同制造云平臺的制造模式中，客戶、各級供應商、制造企業(yè)扮演不同利益主體的角色，產(chǎn)品的所有制造任務都由一個分配系統(tǒng)集中分配給最優(yōu)主機廠，再由其進行任務分解和配置[21]。協(xié)同制造云平臺制造模式將柔性制造、網(wǎng)絡化制造等先進制造模式的優(yōu)勢進行集成，具有更強的系統(tǒng)開放性和更高的企業(yè)、用戶參與度，能夠高效共享與協(xié)同海量異構(gòu)制造資源和社會中的各項資源，并在企業(yè)間或產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成員間共享。企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營范圍和方式不再受地域的限制，在高質(zhì)量、高效率滿足市場需求的同時，降低了生產(chǎn)研發(fā)制造成本，進而增強了企業(yè)競爭力[22]。

協(xié)同制造云平臺功能架構(gòu)如圖1所示，項目需求池中包含由服務需求方所提出的項目需求。服務需求方通常有用戶、核心企業(yè)等，用戶指產(chǎn)品使用者，其需求多為對產(chǎn)品功能的總體要求。核心企業(yè)是指在產(chǎn)品生命周期中承擔主要制造任務的企業(yè)，如航空裝備生命周期內(nèi)的主機廠、主制造商企業(yè)等。核心企業(yè)將項目需求分解為多項子任務后尋找協(xié)作企業(yè)進行任務分配。項目需求池中進行的活動包括需求提取、需求定義、需求聚類等，對需求進行初步劃分和分解后將其傳入任務活動池。

圖1 協(xié)同制造云平臺功能架構(gòu)Fig.1 Functional architecture of cloud manufacturing service platform

任務活動池由具體任務組成，T代表任務集；t代表某個具體任務，可表示為T={t1，t2，t3，…，tn}。航空裝備全生命周期內(nèi)主要包括設計任務T1、制造任務T2、裝配任務T3、試驗仿真任務T4等。對任務進一步劃分得子任務集，如設計任務T1可分為總體方案設計任務t1、結(jié)構(gòu)設計任務t2、零部件設計任務t3、裝配設計任務t4、工藝設計任務t5、施工設計任務t6等。

共享服務池是將云平臺入駐企業(yè)所提供的云服務進行聚類、分類所構(gòu)成的共享區(qū)域。服務集是由多項具體服務組合而成，而某項服務可由一個企業(yè)單獨提供或多家企業(yè)共同承擔。服務需求者在共享服務池中進行服務檢索和匹配，以滿足供需需求。

協(xié)同制造云平臺為航空裝備制造業(yè)提供了包括需求分析、生產(chǎn)研發(fā)、制造及維護的全生命周期解決方案新模式，解決了航空裝備終端客戶、制造企業(yè)、各級供應商、服務提供商分布地區(qū)分散，難以進行跨領域、跨地域協(xié)作的問題，實現(xiàn)已有資源的最大化利用。隨著網(wǎng)絡信息技術的發(fā)展，云平臺在航空裝備制造業(yè)的應用將能夠有效提升航空裝備設計、工藝、制造過程和多供應鏈協(xié)同運作的生產(chǎn)效率。

在協(xié)同制造云平臺的制造模式下，企業(yè)以更加自由、靈活的方式參與到航空裝備生命周期當中，滿足“小核心、大協(xié)作、專業(yè)化、開放型”高效航空產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同研制體系的要求，促進航空工業(yè)研制生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)型升級[2]。在此制造模式下，參與到航空裝備全生命周期中的各類相關企業(yè)均應具備對其數(shù)字模型進行操作的相關權限，即根據(jù)承擔的任務按照規(guī)定流程對數(shù)字模型信息進行提取或更改?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)航空裝備數(shù)字模型構(gòu)建方法雖能夠表達出航空裝備相關的靜態(tài)信息如幾何、工藝等信息，但卻難以描述協(xié)同制造云平臺模式下的航空裝備全生命周期內(nèi)實時變化的信息 （如不同企業(yè)對數(shù)字模型進行的操作以及數(shù)字模型在企業(yè)間傳遞時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)等），無法實現(xiàn)對面向云平臺的航空裝備相關數(shù)據(jù)的全面、準確表達。因此需要提出新的航空裝備數(shù)字模型構(gòu)建方法以滿足云平臺制造模式下的需求。

2 面向協(xié)同制造云平臺的航空裝備數(shù)字模型框架構(gòu)建

為全面表達航空裝備生命周期內(nèi)涉及信息，本文通過分析基于協(xié)同制造云平臺的航空裝備全生命周期業(yè)務交互方式，設計航空裝備數(shù)字模型構(gòu)建流程，并對數(shù)字模型構(gòu)建過程中涉及的數(shù)據(jù)按照不同維度進行集成和歸納。搭建面向協(xié)同制造云平臺的航空裝備數(shù)字模型框架，以實現(xiàn)對航空裝備全生命周期數(shù)據(jù)的有效表達和管理。

2.1 航空裝備數(shù)字模型維度分析

基于協(xié)同制造云平臺的航空裝備全生命周期業(yè)務交互數(shù)據(jù)涉及多學科領域、多層次、多階段以及承擔不同任務的多個廠所，具有分布性、機構(gòu)性、多樣性、復雜性、廣泛性、隱含性、動態(tài)性等特點。本文從階段維、供應鏈維、層次維和學科維4個維度對航空裝備全生命周期業(yè)務數(shù)據(jù)抽象化表達，搭建航空裝備數(shù)字模型框架。

面向云平臺的航空裝備數(shù)字模型維度可描述為

式中，Dstage為階段維；Ddiscipline為學科維；Dlayer為層次維；Dsupplychain為供應鏈維。

（1） 階段維（ Stage dimension）Dstage。

階段維是對產(chǎn)品全生命周期中各階段活動的劃分，主要包括需求分析、設計研發(fā)、試制試飛、批量生產(chǎn)、運維服務、升級退役等，不同階段內(nèi)的信息之間具備關聯(lián)性，可通過一致性語義進行表達。在此維度內(nèi)涉及承擔相應任務的企業(yè)以及企業(yè)業(yè)務交互產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

（2）學科維（Discipline dimension）Ddiscipline。

學科維對航空裝備全生命周期內(nèi)不同學科領域的信息、知識進行表達。航空裝備所實現(xiàn)的功能和行為是由不同學科領域信息和知識協(xié)同支撐實現(xiàn)的。航空裝備數(shù)字模型需實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)、力學、電學、加工、仿真等多學科領域知識的一體化集成和語義表達。

（3）層次維 （Layer dimension）Dlayer。

航空裝備全生命周期涉及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的多個層次，如特征、零件、部件、組件、整機等。層次維包含該層次的屬性信息、約束和映射關系。航空裝備數(shù)字模型需準確表達其生命周期內(nèi)各層次信息。

（4）供應鏈維 （Supply chain dimension）Dsupplychain。

供應鏈維是指航空裝備在不同供應鏈中進行轉(zhuǎn)換時，不同鏈對數(shù)字模型信息要求有所不同，如設計鏈側(cè)重分析服務需求，制造鏈以航空裝備制造信息為主，服務鏈以提升航空裝備服務水平為目的，同時解決產(chǎn)品服務之外各種延伸服務問題。云平臺制造模式中，各類企業(yè)得以自由地參與到航空裝備生命周期中，因此加強對供應鏈的安全管理和流程管控尤為重要，航空裝備數(shù)字模型需對供應鏈信息進行準確表達與管控。

以上4個維度涵蓋了面向協(xié)同制造云平臺的航空裝備所有信息，本文基于上述維度搭建航空裝備數(shù)字模型框架，對面向協(xié)同制造云平臺的航空裝備全生命周期多階段、多學科、多領域、多供應鏈的信息進行集成與表達，為航空裝備全生命周期內(nèi)活動和任務提供指導，并為航空裝備數(shù)字模型構(gòu)建和工程應用奠定基礎。

2.2 面向云平臺的航空裝備數(shù)字模型構(gòu)建流程

基于協(xié)同制造云平臺的制造模式對航空裝備數(shù)字模型構(gòu)建流程提出新要求。云平臺的任務分配和資源配置安排需要各利益主體進行多次迭代優(yōu)化。航空裝備作為復雜產(chǎn)品其研發(fā)、制造、供應任務由多個不同企業(yè)承擔。因此，航空裝備數(shù)字模型需要在承擔不同任務的企業(yè)間傳遞，而且各企業(yè)需要按照任務要求結(jié)合自身資源和能力對數(shù)字模型信息進行增刪、修改和優(yōu)化等操作，然后將更新后的數(shù)字模型上傳至云平臺中。航空裝備數(shù)字模型構(gòu)建本質(zhì)上是面向航空裝備生命周期各環(huán)節(jié)、各階段業(yè)務交互不斷迭代、調(diào)整的過程。其與各參與主體的關系如圖2所示。

設計院職能主要集中在航空裝備的工程設計領域，其在云平臺制造模式下主要任務是根據(jù)服務需求方在云平臺上發(fā)布的需求完成系統(tǒng)需求定義、功能性需求定義、非功能性需求定義和系統(tǒng)約束定義，生成包括總裝設計、結(jié)構(gòu)設計、軟件設計、熱控設計、電子設計、電氣設計等初步設計數(shù)字模型，并將其發(fā)布至云平臺供其他參與方使用。

主機廠作為航空裝備產(chǎn)業(yè)鏈中最重要的組成環(huán)節(jié)，掌握著航空裝備的核心知識，主要負責航空裝備成品生產(chǎn)、裝配與裝備交付任務。在云平臺制造模式中，主機廠在航空裝備數(shù)字模型的指導下進行制造、裝配工作，并完成制造方法設計、產(chǎn)品組件劃分、工裝設計、工藝規(guī)程設計、工藝方案設計任務。如圖2所示，主機廠A結(jié)合自身制造能力對數(shù)字模型進行修改，如對數(shù)字模型中錯誤數(shù)據(jù)修正或?qū)?shù)據(jù)集的補充等，并將其上傳至云平臺中。主機廠下設的制造分廠A–1承擔航空裝備非關鍵部件的生產(chǎn)制造、成品試驗檢測和售后維修任務，需要訪問航空裝備數(shù)字模型并進行完善，如將生產(chǎn)過程監(jiān)測和質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)實時上傳并儲存到數(shù)字模型之中。裝配分廠A–2承擔航空裝備的裝配任務，根據(jù)航空裝備裝配工藝特征和工藝需求構(gòu)建航空裝備工藝模型，并將裝配過程中所使用的加工工藝和幾何數(shù)據(jù)抽象處理后融入工藝模型中。

圖2 航空裝備數(shù)字模型構(gòu)建流程Fig.2 Generation process of aviation equipment digital model

云平臺中的多級供應商與主機廠密切配合，為其提供關鍵成品、材料、零組件等，需要對數(shù)字模型具有訪問權限，并根據(jù)數(shù)字模型中的相關信息進行產(chǎn)品生產(chǎn)和供應，以滿足主機廠或用戶的使用需求，同時供應商也可根據(jù)自身生產(chǎn)能力提出對數(shù)字模型的變更申請，對其進行完善。

云平臺中的參與主體企業(yè)更改航空裝備數(shù)字模型內(nèi)信息時需按照圖3所示流程進行變更申請。由云平臺中航空裝備數(shù)字模型使用者如用戶或相關制造企業(yè)在云平臺中提出航空裝備數(shù)字模型的變更申請，通過云平臺系統(tǒng)后臺的專家知識系統(tǒng)進行數(shù)字模型變更評審，審核通過后則將變更申請通過云平臺傳遞至航空裝備數(shù)字模型發(fā)布方進行具體修改活動，若審核未通過，則將變更申請退回申請方修改變更請求，其中，模型發(fā)布方是指數(shù)字模型的設計方，如研究所或企業(yè)內(nèi)的設計部門等。完成數(shù)字模型修改后利用預設的自動化模型檢測模塊對模型進行規(guī)范性檢測，若符合數(shù)字模型標準則通過審核再次發(fā)布至云平臺中供數(shù)字模型需求方使用，若不符合要求則退回發(fā)布企業(yè)繼續(xù)進行修改，直至通過審核條件后發(fā)布至云平臺上，發(fā)布完成后由云平臺系統(tǒng)自動通知各企業(yè)、科研院所，之后再由其他數(shù)字模型使用方根據(jù)變更后的數(shù)字模型情況結(jié)合其負責的具體部分決定是否需要再次進行變更，通過循環(huán)以上步驟不斷完善航空裝備數(shù)字模型，最終完成航空裝備數(shù)字模型的更新和完善。

圖3 航空裝備數(shù)字模型更改流程Fig.3 Aviation equipment digital model change process

3 基于本體元模型的航空裝備數(shù)字模型構(gòu)建

在工程領域，常使用本體表達相關規(guī)范概念、術語及其關聯(lián)關系；元模型是對模型的抽象表達，定義和描述模型結(jié)構(gòu)、屬性、組元、約束等信息；本體元模型由本體和元模型特性結(jié)合而成，采用本體技術對元模型進行構(gòu)建和表達，能夠更好描述復雜產(chǎn)品的層次、邏輯結(jié)構(gòu)，從而滿足云平臺制造模式下制造資源異地異構(gòu)分布的特點以及異構(gòu)模型之間數(shù)據(jù)交換、信息共享和互操作的要求[23]。

基于上述航空裝備數(shù)字模型的維度分析，本文將本體理論和元模型構(gòu)建方法相結(jié)合，構(gòu)建基于本體元模型的航空裝備數(shù)字模型。

3.1 航空裝備本體元模型層次分析

面向協(xié)同制造云平臺的航空裝備本體元模型由元元模型層M0、元模型層M1、模型層M2、實例層M34層構(gòu)成[24]，如圖4所示。其中元元模型層M0具有極強的抽象性，用來定義包含元模型的元類、元屬性、元關系以及元方法等組元信息，對本體元模型進行描述。元模型層M1是對元元模型層M0的實例化，描述模型對象類、屬性、操作、關系等組元。本體元模型是在元數(shù)據(jù)的基礎上針對某些領域或某些行業(yè)所建立的通用業(yè)務與數(shù)據(jù)模型。模型層M2是對元模型M1的實例化，用于描述特定領域內(nèi)的具體模型，定義描述模型的語言?；谠Ｐ蛯又斜倔w元模型定義，將對象數(shù)據(jù)進行本體轉(zhuǎn)化和描述生成本體模型。實例層M3是對模型層M2的實例化，由航空裝備數(shù)字模型中的具體數(shù)據(jù)組成，描述航空裝備的詳細信息。

圖4 航空裝備本體元模型構(gòu)建層次Fig.4 Construction hierarchy of aviation equipment ontology meta model

3.2 航空裝備本體元模型框架構(gòu)建

基于上文中提出的階段維、層次維、學科維、供應鏈維等4個維度構(gòu)建本體元模型，本質(zhì)是對上述信息進行抽象處理后的表達，以實現(xiàn)在更高層次上的分析和研究，通過本體元模型映射可實現(xiàn)對以上4個維度所包含的全部信息的準確表達。面向協(xié)同制造云平臺的航空裝備本體元模型框架如圖5所示，可表達為如下形式：

圖5 航空裝備全生命周期本體元模型框架Fig.5 Ontology meta model framework of aviation equipment life cycle

（1）OPM過程本體元模型（Process meta-model，PM）。

航空裝備全生命周期由眾多過程 （Process）所構(gòu)成，如裝備開發(fā)、工藝準備、訂單下發(fā)、零部件制造、整機裝配等，每個過程可分解為若干任務（Task）和活動 （Activity）。云平臺制造模式下，數(shù)據(jù)虛擬化后封存在不同業(yè)務系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)間具有異構(gòu)性。過程本體元模型是對航空裝備全生命周期所涉及活動、任務的抽象性表達，其他業(yè)務交互數(shù)據(jù)均是在此基礎上產(chǎn)生的。

（2）OPDM產(chǎn)品本體元模型 （Product meta-model，PDM）。

產(chǎn)品本體元模型是對航空裝備實體信息表達的模型集合，包括實體對象、實體屬性、實體間的映射和約束關系、實體設計形態(tài)等，對裝備的實體功能、行為、結(jié)構(gòu)等屬性進行描述。

（3）ORM資源本體元模型（Resource meta-model，RM）。

資源本體元模型是對航空裝備生命周期內(nèi)所需資源的統(tǒng)一表達。云平臺制造模式下，制造資源被虛擬封裝在云平臺上，將各類資源合理配置到航空裝備生命周期內(nèi)各過程中能夠有效提高航空裝備生產(chǎn)效率。而航空裝備數(shù)字模型需要對制造過程的所需資源進行表達，以滿足制造企業(yè)的信息需求。

（4）OMM管理本體元模型（Manage meta-model，MM）。

管理本體元模型是對企業(yè)管理領域、業(yè)務流程、控制點和任務分配與授權信息的表達。云平臺制造模式對航空裝備數(shù)字模型管理提出更高要求，如對航空裝備生產(chǎn)流程管理、項目任務管理、多級供應商管理、供應鏈管理、制造資源管理等。

（5）OCSM云服務本體元模型（Cloud service meta-model，CSM）。

云服務本體元模型是對云平臺所提供的制造服務進行抽象表達的模型，對云服務類型、屬性等信息進行定義。云服務本體元模型對云平臺在航空裝備全生命周期中所提供的服務進行表達，以適應云平臺制造模式下航空裝備數(shù)字模型構(gòu)建的需求?；谠破脚_的航空裝備生產(chǎn)過程的本質(zhì)是對不同種類云服務進行的組合，而航空裝備數(shù)字模型應當具備相對應的云服務描述、云服務選擇和云服務組合等模塊。

面向協(xié)同制造云平臺的航空裝備本體元模型以過程本體元模型為核心和基礎，產(chǎn)品本體元模型、資源本體元模型、管理本體元模型、云服務本體元模型為輔助，對航空裝備相關信息進行準確表達。

3.3 航空裝備本體元模型語義表達

面向協(xié)同制造云平臺的航空裝備本體元模型可采用五元組進行語義表達[11]：

本文對上述五元組中各元素的定義如下。

（1）Class表示航空裝備本體元模型所描述的對象集合，用五元組形式化表示為

（2）Attribute表示航空裝備本體元模型中對象類屬性集合，可表示為

式中，Sb、Sc、Ss、Sn分別代表云服務屬性信息的基本屬性、產(chǎn)能屬性、階段屬性、非功能屬性。

（3）Relation定義航空裝備本體元模型中不同對象模型間和模型內(nèi)部的映射關系，可表示為

（4）Constraint表示對航空裝備本體元模型定義的約束，可表示為

（5）Method表示對航空裝備本體元模型對象、屬性、映射、約束等信息進行操作的方法集合，可表示為

其中，各元素的具體含義和內(nèi)容如表1所示[25]。

表1 本體元模型元素組成及內(nèi)容[25]Table 1 Ontology meta model element composition and content[25]

4 應用實例

為驗證本文提出的航空裝備數(shù)字模型建模方法的可行性，以無人機為例構(gòu)建其面向協(xié)同制造云平臺的本體模型。無人機是利用無線遙控和程序控制的航空裝備，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)涉及傳感通信、信息處理、智能控制、動力推進等多學科信息，同時涉及多個廠所，對制造資源配置的要求較高。

無人機生產(chǎn)研發(fā)涉及學科系統(tǒng)可劃分為飛機機體、動力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、任務載荷、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)和發(fā)射回收系統(tǒng)等，進一步劃分后可得層次結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 無人機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)Fig.6 Hierarchical structure of UAV system

按照上述劃分的無人機系統(tǒng)層次，通過本體構(gòu)建工具Protégé構(gòu)建面向云平臺的無人機本體模型（圖7），并對各層次內(nèi)實體關系、實例、約束、屬性等信息進行定義。

圖7 無人機本體模型構(gòu)建Fig.7 Construction of UAV ontology model

以無人機機翼為例，在基于云平臺的制造模式下數(shù)字模型中需要對機翼尺寸參數(shù)、工程特征信息、階段信息、約束信息、MRO信息、供應商、制造商、制造資源、人員信息、權限分配、管理信息、特征數(shù)據(jù)等信息進行定義和描述。

其中尺寸參數(shù)包括翼展長、平均氣動弦長、圓柱長度、動量基準中心、上反角、半錐角、參考面積、機翼長度、翼根翼尖弦長、翼剖面、后掠角等參數(shù)，通過映射關系Has-value進行表示，并對參數(shù)值類型約束為浮點型（Float），如圖8 所示。

圖8 無人機機翼尺寸參數(shù)定義Fig.8 Definition of UAV wing size parameters

（1）階段信息指數(shù)字模型在航空裝備制造周期中所處的階段；供應商、制造商信息指參與裝備制造過程的企業(yè)詳細信息、供應方式、合同信息等。

（2）制造資源指裝備制造需要云平臺所提供的制造資源信息，包括資源類型、數(shù)量、組合方式和能力評估等信息。

（3）管理信息指云平臺內(nèi)航空裝備生命周期參與企業(yè)進行的管理操作，包括數(shù)字模型歷史版本、更改審批記錄等信息。

（4）MRO信息指無人機裝備集成后端需要的維護、服務、保障信息，即無人機從主機廠交付后，向客戶提供全壽命周期飛機維護、修理等售后服務的信息，主要包括無人機使用信息、故障信息、備件跟蹤信息、技術支持人員信息、項目文件信息等，如圖9所示。

圖9 無人機機翼MRO信息定義Fig.9 Definition of UAV wing MRO information

使用軟件內(nèi)的OntoGraf插件可生成無人機本體模型的可視化表達，如圖10和11所示。

圖10 無人機機翼屬性信息可視化本體模型Fig.10 Visual ontology model of UAV wing attribute information

圖11 無人機整機可視化本體模型Fig.11 Visual ontology model of UAV

由上述本體模型知，本文所提航空裝備數(shù)字模型構(gòu)建方法能夠全面、準確地表達云平臺制造模式下無人機全生命周期信息，將多領域、多層次、多學科信息進行一體化集成。

5 結(jié)論

針對目前缺乏面向協(xié)同制造云平臺的航空裝備數(shù)字模型復雜信息集成理論，難以進行統(tǒng)一語義表達的問題，本文提出面向協(xié)同制造云平臺的航空裝備數(shù)字模型構(gòu)建方法。從云平臺功能架構(gòu)入手分析基于協(xié)同制造云平臺的航空裝備生命周期業(yè)務交互方式，據(jù)此提出云平臺制造模式下航空裝備數(shù)字模型產(chǎn)生流程，并結(jié)合本體理論和元模型建模方法，構(gòu)建了以過程本體元模型為核心，產(chǎn)品本體元模型、資源本體元模型、管理本體元模型和云服務本體元模型為支撐的航空裝備數(shù)字模型，實現(xiàn)對航空裝備全生命周期多階段、多學科、多領域、多層次、多供應鏈信息的語義表達，以解決數(shù)字模型間語義異構(gòu)問題。以無人機為例，通過本體構(gòu)建軟件Protégé構(gòu)建無人機本體模型，驗證了本文所提航空裝備數(shù)字模型構(gòu)建方法的可行性，為航空裝備數(shù)字模型多領域信息一體化集成系統(tǒng)的建立提供思路。目前本文僅提出了一種面向協(xié)同制造云平臺的航空裝備數(shù)字模型構(gòu)建方法，但對于如何實現(xiàn)面向協(xié)同制造云平臺的數(shù)字模型精準管控方法仍待探究。