當前國內航空制造業研制手段從二維向全三維過渡，試驗和驗證從實物發展到虛擬仿真，研制技術由串行、同地域的應用向跨地域/跨企業、多系統的全生命周期集成應用轉變，研制業務范圍也拓展到詳細設計之前和生產制造之后，主要包括：橫向覆蓋從市場規劃、研發階段、生產制造、試飛鑒定和產品支援，縱向上貫穿管理、設計、制造、供應鏈、試驗和維護的業務過程。因此，本文依據數字化協同研制模式的思想，從點、線和面三個層次闡述了業務過程和軟件工具間的關系，并對使用“補點、連線、構面”技術來構建全生命周期的航空產品制造業務數字鏈，持續推動航空制造業務模式的創新和決策水平的提升進行了深入的研究。
1 數字化的點技術
上世紀90年代以來，信息技術的發展以及大規模定制的生產需求，使得跨地域/多企業聯合工作成為航空制造業的主要趨勢。在數字化協同研制模式下的點技術不再是傳統的由單一專業技術人員獨自實現的單點技術，而是在協同研制業務過程下由多專業的管理和技術人員共同完成的局部多個單點技術的集成，這就要求對航空制造業務過程中傳統的單點軟件技術進行補充和完善，以促進研制業務過程和軟件系統的協同與集成，如在可行性和概念設計階段解決總體、系統、結構等所有專業的需求與功能，邏輯樣機和幾何樣機的關聯問題的系統工程技術，在數據發放過程中解決設計與制造間協同工作內容的基于成熟度的工藝審查以及通過使用電子樣機（包括結構、功能與性能樣機等），支持全三維研制設計、仿真優化和迭代的業務的全生命周期仿真技術等。如圖1所示，在產品總體方案設計階段的系統工程就是以需求管理中產品的技術指標為依據，在實現技術指標、對應的產品（系統、零部件等）以及與之相關的專業技術和軟件系統三者進行關聯，開展多輪迭代的多學科優化設計，最終得到能與技術指標匹配的最優解（方案）的業務過程。
圖1 系統工程示意圖
2 研制過程的線技術
數字化協同研制的核心是利用先進業務過程和完整軟件支撐體系，支持研制中相關過程、技術和軟件工具的無縫集成，貫通研制全生命周期的業務線和管理線，打造航空制造業務的數字鏈，實現對業務發展和管理決策的全面支撐。
2.1 業務連線
數字化協同研制模式下的全生命周期的業務線是從總體上對研制業務過程和軟件支撐體系進行規劃，將產品的設計、制造和檢測等離散的信息進行“數字化”處理，實現產品由虛擬設計向現實生產無縫轉化的全業務過程，如圖2所示。
圖2 數字化協同研制業務線示意圖
在這個過程中核心是產品三維數字化模型，它實現的是全生命周期研制過程的單一數據源功能，即在CAD/CAE/CAM、PDM、MES、ERP等軟件工具的支持下，能夠對設計階段定義的產品信息能夠在下游工藝、制造和仿真等業務過程中共享、傳遞、重用與延拓。而為了保證業務連線中產品信息的唯一性及其在業務過程中的有效性和可交互性，選擇相同廠商的軟件工具并形成統一架構的支撐體系是最優方案，但是國內航空制造企業業務過程的多樣性和信息化建設的現狀，導致支撐航空制造業務線的軟件體系基本上是由不同廠商的軟件所構成，而這種采用異構軟件導致工程、工藝、制造等數據不能共享、傳遞、使用以及多個軟件不能無縫的集成等諸多問題是研制業務線不能完全貫通的主要原因。
2.2 管理連線
數字化協同研制業務模式下的全生命周期的管理線是運用項目、需求、構型及數據的管理思想與方法，實現航空制造業務全過程中客戶需求、數據結構、配置功能和邏輯關系的全面結合。其核心是將最初以設計制造為主的業務管理體系，擴展到項目管理、需求管理、產品數據管理、綜合保障等全生命周期的協同管理，它涉及到業務流程、標準規范、軟件平臺、數據信息的各個層面，如圖3所示，其目標就是要實現全生命周期的數字化設計、制造、維護一體化管理，提高產品研制過程中跨地域/跨單位/跨專業的并行協作效率，縮短研發周期，降低成本。
管理連線是在業務連線（單一數據源）的基礎上，利用網絡化和數字化技術，對分布在不同地域/不同企業的串行業務流程、孤立信息系統和離散研制數據進行綜合管理，以提高業務流程的連續性、軟件工具的集成性和數據信息的有效性，以適應國內航空制造業由一廠一所的傳統研制模式向著多廠所/跨地域，甚至整個航空工業層面的數字化協同模式轉變，因此，能否貫穿全生命周期的管理連線，不僅要實現管理思想與軟件功能的深度融合，還需要系統的考慮二者與航空制造企業自身的組織結構，技術能力、信息化基礎條件等方面的一致符合性。
圖3 數字化協同研制管理線示意圖
3 基礎共性的面技術
與傳統業務模式相比較，數字化協同研制覆蓋的業務范圍更全，對單點技術的應用要求更高，并要實現全生命周期業務線和管理線的貫通，這些都需要以系統工程的思想來對產品研制各環節的一系列技術、標準、資源以及經驗和成果進行全面的歸納總結，結合協同研制條件下的管理思想與軟件工具的實際功能，完善包括基礎資源、標準規范及知識庫在內的各項共性技術，使它們成為支撐跨地域/多企業數字化協同研制中單一數據源、流程協同管理和并行工作的基礎性保障。
3.1 基礎資源及知識庫
隨著數字化協同研制模式的深入應用，基礎資源不再集中在業務過程的某個點而是整個網絡化管理，也不再是僅為單點技術服務而是為所有軟件系統提供全面服務；各軟件之間的信息集成越來越重要，各軟件之間的資源共享的需求也愈來愈緊迫。因此，必須通過編制建庫標準，規范各類設計制造資源的描述，實現相關基礎數據和知識收集整理與規范入庫和動態維護，構建支持航空制造企業產品研制業務過程和軟件系統集成所需的基礎資源庫，如圖4所示，提高航空產品協同研制中基礎數據應用的標準化、規范化水平。
圖4 基礎資源庫的構建
基礎資源庫除信息代碼庫、標準規范庫最根本的管理庫外，還有其它與協同研制相關的要素可分為基礎類資源庫：包括標準件庫、材料庫、失效分析庫等；設計類資源庫：包括總體參數庫、翼型庫、重量庫等；制造類資源庫：包括設備庫、工裝/夾具庫、工藝規范庫等。基礎資源庫的構建必須基于統一管理、統一架構、統一部署、統一平臺的業務和管理思想，梳理各類庫之間的關聯關系，構建數據源頭唯一、結構合理、高度共享的基礎資源庫體系，然后在此基礎上，通過通用數據接口實現研制環境（CAX/PDM/ERP/MES）中的標準規范、工程數據、制造數據、測試數據、維護數據與知識庫相互關聯，如圖5所示，即將一個覆蓋航空產品設計、制造、試驗、使用和保障維修等方面的經驗數據、故障數據、典型案例以及研制規范等的知識庫集成到協同研制環境，使各類技術人員能在設計、制造、試驗和維修的過程中把所需數據提煉成知識，同時也可根據技術人員的需要自動推薦已有知識，并為決策者提供決策支持和智能分析工具。
圖5 基于研制環境的知識庫
3.2 信息化標準體系
數字化協同研制作為一個業務過程與軟件技術深度融合的業務模式，需要完善的、高質量的信息化技術標準與規范來支撐，構建信息化標準體系的目標就在于規范工程數字化和管理信息化條件下的航空產品研制的要求，推進數字化、信息技術在研制過程中全面和規范的應用，解決傳統的標準研發和管理方法無法同步于技術發展、或滯后于航空產品研制的需求。
信息化標準體系可從兩個維度進行構建，一方面從宏觀角度，如圖6所示，對涉及研制全生命周期的IT服務管理、資源庫、各種管理方法以及公共軟件資源等的共性面技術，研制過程的管理連線技術給出頂層的標準化要求。對于通用性較強的技術內容，一般使用直接采用標準的策略，對于能夠反映軟件具體特點的技術內容，采取制定專用標準的策略。其中，適用的現行標準主要包括國家軍用標準、航空行業標準、集團標準、專項標準和其他標準。
圖6 宏觀的標準規范示意圖
另一方面，從航空產品研制過程中各業務環節的微觀角度出發，對涉及到大量的學科和專業，以及各個學科和專業橫跨研制的各個階段，所呈現出特有的流程方法、軟件技術和業務方式，主要包括工程仿真、數字化定義、數字化工藝設計與管理、數字化工裝管理、試驗驗證以及相關管理過程性活動。因此將這些共性的要求總結和提煉，進行統一的規范和定義，形成較完整的標準規范支持體系。如圖7所示，為飛機研制過程中與微觀活動相關的標準體系示意圖。
圖7 微觀的標準規范示意圖
綜上所知，信息化標準體系主要包括信息化基礎標準、信息技術標準（IT標準）、信息技術應用標準（IT應用標準）、信息化管理標準等。信息化標準體系建設使過去不可能實現的在線協同設計、關聯設計、基于成熟度的多廠所研制協同成為可能。據不完全統計，目前航空工業形成的數字化航標已有上千份，企標超過兩千份。
4 主流工程軟件分析
在航空制造業發展的過程中，一方面計算機軟、硬及網絡技術的發展，尤其是軟件技術的提升，為航空制造業務模式創新提供了有力支撐，另一方面工程軟件以先進業務模式為標桿，不斷完善自身功能，以滿足業務模式創新對軟件功能的要求。當前國內主流工程軟件都是國外軟件公司的產品（達索、西門子、PTC），它們都起源于航空制造業，并隨著航空制造業務模式的不斷演變，經歷了從數字化單點技術向研制過程線技術、現代基礎共性的面技術發展的三個階段。目前主要的工程軟件譜系對比如表1所示。
表1 三家主流工程軟件譜系對比
第一階段從上世紀60～90年代，由于受到傳統業務模式影響和計算機軟、硬件限制，各軟件公司僅關注于單個業務環節效率的提升，工程軟件以CATIA、UG、Pro/ENGINEER等單機版CAD研發為主，輔助以CAE/CAM功能。
第二階段從上世紀90年代到本世紀初，全球化經濟的興起，“數字樣機”、“并行工程”、“精益生產”等技術與思想被航空制造企業所使用，各軟件公司一方面采用自主開發與并購相結合的方法，補充和完善現有軟件產品譜系（Solidworks、Delmia、3Dvia、Teamcenter Manufacturing、Solid Edge、Windchill ProjectLink、Arbortext、ProductView等）來支撐數字化協同研制的業務線，另一方面將軟件功能由點向線進行拓展，通過PLM軟件（Teamcenter EntERPrice/Engineering、 ENOVIA VPM、Windchill PDMLink等）實現數字化研制數據鏈（包括業務線和管理線）的貫通。
與前兩個階段軟件系統的簡單整合不同，第三階段由于“全三維（MBD）數字化設計”、“網絡化協同研制”與“大規模系統集成”等技術的成熟應用，各軟件公司開始關注支持網絡技術發展的軟件架構，以及原有業務模式下軟件系統的異構問題（ENOVIA Matrixone，SIMULIA，Teamcenter等），并將航空產品研制的應用技術、業務知識、管理方法與工程軟件體系深度融合，打造同構的、能滿足現代航空產品全生命周期數字化協同研制各種需求的全面解決方案，以此來促進航空制造業務模式的創新。
5 總結
國內航空制造業的業務特點（設計、制造分離等）以及主流軟件公司的商業競爭，使得目前航空制造業務過程與軟件工具之間無法形成良性互動，甚至阻礙了相互發展，因此，合理的選擇對業務過程和軟件工具進行“補點、連線、構面”，大力提升兩者的一致符合性，構建起全生命周期的航空制造業務數字鏈，對于提高我國航空制造業數字化研制和管理水平與質量，促進航空制造業由大變強具有重要的戰略意義。
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本文標題：航空制造業務數字鏈的構建研究
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