內燃機數字化的技術狀態管理

李亞平

（中國北方發動機研究所，山西大同037036）

隨著數字化技術在大功率內燃機行業應用不斷深入，內燃機企業在縮短產品開發周期、降低產品研制費用、提高企業市場競爭力等方面得到了飛速發展，同時產品數字化技術應用標準也得到了迅速發展，例如三維建模系列標準、產品數據管理標準、數字化裝配標準、數字樣機系列標準、數字化工藝標準、數字化工作流標準、數字化制造標準以及數字化基礎標準。伴隨著內燃機產品研制的復雜化、多元化和系列化要求日益提高，數字化設計與制造技術已經應用于內燃機產品的研制中。如何有效保證數字化設計與制造過程中產品數據的一致性、完整性和可追溯性，需要做好技術狀態的管理和標志工作非常重要。要一改過去傳統的設計理念和管理模式，基于產品數據管理（PDM）系統開展高效率的技術狀態管理。

1 產品分層次進行管理，合理規劃技術狀態項目

在產品數字化設計、生產過程中，針對技術狀態項目和產品零部件的不同特征，采用不同的管理方式，并在PDM系統中分別定制技術狀態項目規劃環境和零部件設計環境，充分體現技術狀態管理的層次性。通過對產品分層次進行管理，將產品的技術狀態項目規劃活動和零部件設計活動界定清晰，使開展活動的相應人員有明確的業務協調要求和責任分工。在技術狀態項目規劃環境中，技術狀態管理人員依據系統規范和研制方案規劃技術狀態項目結構樹，定義技術狀態項目有效性和配置條件，通過配置產生相應的技術狀態項目結構樹反映各類技術狀態基線，并將結構樹的葉節點技術狀態項目傳遞至零部件設計環境；在零部件設計環境中，設計人員在傳遞的技術狀態項目下開展相應設計活動，組織零部件數據及相關技術文檔。產品數字化研制的其他科研活動，也可按照此規則進行，如構建數字樣機、協調技術方案和保障性空間分析等。

以技術狀態項目為基本單元的技術狀態管理，使產品結構樹發生了變化，改變了傳統數據結構樹的單一性，結構關系難以靈活處理，不利于技術狀態更改的控制。現在產品結構樹分兩個層次：頂層是技術狀態項目層，由技術狀態項目項構成技術狀態項目樹，枝節點是不可變配置項，葉節點是可變配置項，下層（在葉節點下）是數據層，由零部件裝配等數字化定義結果組成，是針對每一工作單元的產品定義集，從葉節點往下延伸出零部件裝配等結構樹的分支。

技術狀態項目規劃是將復雜而深層次的產品裝配關系，演變為技術狀態項目間的配置關系，即將傳統產品結構劃分為兩個層次，具體為配置管理功能的技術狀態項目結構，以及技術狀態項目下屬的零部件裝配結構；并伴隨著產品研制的進程不斷地循環迭代，趨于完善合理；其確定和規劃所要考慮的主要因素有產品結構及工作分解結構；設計／制造分離面協調；通過合同確定，能夠單獨交付項目；互換性要求等。

技術狀態項目規劃是技術狀態標志活動中極其重要的環節，技術狀態管理人員是根據型號和各級系統規范及技術方案與設計人員一起開展此項工作。在型號的研制中，從方案階段，技術狀態管理人員就與設計人員一起確定和規劃技術狀態項目，有效保證了產品詳細設計的開展。

2 配置技術狀態項目有效性，面向客戶確定技術狀態基線

在技術狀態項目管理層，技術狀態項目是技術狀態管理中配置有效性的對象，體現了“面向研制活動”的思想，是產品研制中科研業務的邏輯組合。通過技術狀態項目有效配置管理，準確高效組織產品研制各項活動中產生的數據，建立它們之間復雜的邏輯關系，如總體及各系統方案、接口控制、技術驗證項目、試驗項目、生產制造過程偏離超差和技術返修等數據。

定義技術狀態項目有效性的方式一般有3種：選項有效性（指根據技術狀態項目所對應的某些選項的有效性，來確定在具體產品結構中是否選擇該技術狀態項目）、批次有效性（指根據技術狀態項目在某批次中的有效范圍來確定在具體產品結構中是否選擇該技術狀態項目）和時間有效性（指根據技術狀態項目版本的有效時間來確定在具體產品結構中是否選擇該技術狀態項目）。

隨著型號系列化規劃和改型研制，將所規劃技術狀態項目樹和選項目形成產品研制和技術狀態管理的知識庫，為新型號研制提供有效的重用資源。一方面提高了研制方自身開發效率，解決了產品模塊化、系列化和通用化設計問題，另一方面便捷了客戶選型，解決了面向客戶確定技術狀態基線的問題。面向客戶的技術狀態是通過建立和提供客戶選項目錄，滿足了客戶的多樣化需求，是一個典型高效的精簡技術狀態管理策略。通過技術狀態項目與客戶選項的關聯，使技術狀態項目成為客戶選項與產品設計制造之間的聯系紐帶，客戶化定制則作為新增技術狀態項目和選項不斷充實豐富知識庫和客戶選項目錄。通過這種策略，既提高客戶的滿意度，又符合產品系列化設計要求，降低了成本、風險，縮短了研制周期，是精益企業的開端。

3 內燃機數字化的產品設計過程中的技術狀態管理

內燃機數字化的產品設計過程中的技術狀態管理包括項目管理（產品數字化設計中，從項目啟動到任務分發過程中，利用項目管理軟件，對項目研發過程中管理）、過程管理（產品數字化設計，從任務接受到數據提交過程中，利用相關軟件，對產品設計、仿真、試驗等研究技術工作過程中發生的技術協調、分析計算、流程設置、更改方式、權限設定等工作事項進行的控制和記錄。過程控制的目的是使項目的執行過程更加合理和規范）和數據管理（產品數字化設計，從數據提交到數據入庫、管理和使用過程中，利用數據管理系統，對產品設計、仿真、試驗等工作結果對象的審批、歸檔、管理和使用等工作事項進行的控制和記錄）。

內燃機數字化的產品設計過程中的技術狀態管理范圍包括技術管理范圍（采用數字化技術開展的發動機產品設計，其技術管理范圍為項目管理、過程管理和數據管理）、項目管理范圍（項目管理一般包括團隊組織管理、計劃管理和任務管理）。

內燃機數字化的產品設計團隊組織管理要求包括柴油機數字樣機研制任務下達后，項目總工程師組根據研制任務確定設計團隊組織結構，包含設計團隊崗位類別、各級別崗位人數，各崗位人員技術級別等。在項目開展過程中，總工程師組可以根據項目進展情況提出組織結構變更建議。科研調度根據總工程師組提出的設計團隊組織結構，與各研究室負責人，協商對項目團隊進行管理和調度，包括各崗位人員名單的確定、人員變更等。

科研調度應按照如下要求開展團隊組織管理：

（1）按照協同設計實施規范Q／CNG33－2006的要求，建立數字化柴油機研制團隊人員及組織體系，明確團隊各級成員工作職責；

（2）數字化柴油機團隊中各專業（結構、系統）設計人員對本專業的數字樣機負責，同時應保證本專業數字樣機可以應用于高一級結構或系統；

（3）團隊中高一級成員負責對低一級成員負責樣機的設計過程進行監控；標準化對數字化樣機進行全過程規范化監控。

內燃機數字化的產品計劃管理要求包括內燃機數字化樣機項目策劃和項目計劃初稿由項目工程師組編制，內容包含項目研制周期、主要任務、任務目標、任務完成形式、任務開始時間和完成時間。項目團隊組建完成后，科研處組織團隊主要崗位成員討論并分解項目策劃和項目計劃，制定年度和季度計劃。在計劃下發或發布后，各研究室、項目組成員應當進行計劃的2級（或3級）分解。計劃的下達和分解應當在統一的軟件系統下進行。

項目計劃應主要包括以下內容：

（1）整機研制周期、主要任務、任務的責任人、任務目標、任務完成形式和任務產出物、開始時間和完成時間；

（2）各系統、部件、零件設計任務的明細、開始時間、完成時間；

（3）各系統、部件、零件仿真任務的明細、開始時間、完成時間；

（4）各系統、部件、零件試驗任務的明細、開始時間、完成時間；

（5）各系統、部件、零件試制任務的明細、開始時間、完成時間；

（6）發動機裝配任務的明細、開始時間、完成時間。

內燃機數字化的產品任務管理要求包括內燃機數字樣機任務分解在計劃編制完成后進行，任務分解由科研處與主管設計人員協商完成，分解依據為項目計劃。任務分解時應列出需要開展仿真計算和試驗驗證的零件明細，在綜合考慮零部件設計周期、仿真周期、試驗周期和加工周期的基礎上分配零件設計任務。任務分配應該包含設計者、設計開始時間、設計節點等。任務書編制完成后形成任務管理文件簽入產品數據管理系統，完成相應的審批流程后存檔。

內燃機數字化的產品過程管理要求包括過程管理范圍（數字化柴油機過程管理包括設計協調管理、仿真分析管理、試驗驗證管理、流程管理和更改管理等）。

內燃機數字化的產品技術協調管理要求包括數字化柴油機技術協調管理指對數字化柴油機研制過程中總體結構協調的管理。技術協調管理應遵循以下原則：

（1）柴油機數字化研制為自頂向下設計，應保證頂層骨架線唯一。

（2）在《數字化柴油機設計狀態劃分》中所規定的各個設計階段開始時，總體應繪制總體結構方案骨架線，向相關設計人員發布。

（3）總體用電子協調卡片進行數字化柴油機結構變更協調。電子協調卡片在與所有相關結構、系統設計人員協商并同意后生效。

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內燃機數字化的產品仿真分析管理要求包括在數字化柴油機研制過程中，零部件根據任務分解需要開展仿真分析時，需要對仿真分析過程進行管理。仿真分析應遵循以下原則：

（1）由設計人員編制仿真分析任務書，任務書中應規定仿真目的、仿真工況及仿真結果需求，明確設計可提供模型名稱及數據類型。

（2）仿真分析人員根據仿真分析任務書開展仿真分析工作，仿真過程中與設計人員討論并修正仿真計算模型，雙方對仿真結果都認可后由分析人員編制仿真分析報告。仿真分析報告通過審批流程后存檔并發放。

（3）仿真分析過程數據不作為設計數據管理，但仿真分析人員需保存仿真分析數據至該設計階段結束或產品定型。

內燃機數字化的產品試驗驗證管理要求包括在數字化柴油機研制過程中，零部件根據任務分解內容開展試驗驗證時，需要對試驗驗證過程進行管理。試驗驗證應遵循以下原則：

（1）由設計人員編制試驗任務書，任務書中應規定試驗目的、試驗工況及試驗結果需求，明確設計可提供試驗件名稱及數量。

（2）試驗人員根據試驗任務書編制試驗大綱，試驗大綱中應明確試驗方案、試驗過程和試驗結果記錄方式。試驗大綱通過審簽流程后存檔。經設計人員與試驗人員協商，試驗任務書和試驗大綱可以合并為一份文檔，經審簽后存檔。

（3）試驗人員根據試驗大綱設計試驗裝置，開展試驗驗證工作，試驗過程和結果經設計人員確認后由試驗人員編制試驗報告。試驗報告通過審批流程后存檔。

（4）試驗結束后，被試件應標志后保存至該設計階段結束或產品定型。

（1）根據柴油機數字化產品數據的特點和管理要求，對不同的數據類型定制不同的審批流程，每類審批流程都應指定流程參與者、流程用戶等。

（2）當數據進入審批程序時，應保證每個參與人員可以從個人工作任務列表中獲取任務。

（3）在數據審批流程運行過程中，允許任何授權用戶查看流程執行情況、流程中文檔的確切位置、瀏覽歷史以及參與者批注。

內燃機數字化的產品更改管理要求是根據柴油機數字化產品數據的特點和管理要求，對不同的數據類型制定不同的更改流程。更改管理功能應包括：

（1）更改的執行，包括更改請求、更改審批和更改實施；

（2）更改的傳播，根據產品數據的相互關系，建立影響傳播機制，對相關人員發布變更通知，并封鎖受影響的數據對象；

（3）更改的跟蹤與記錄，包括跟蹤更改過程，記錄更改原因、結果和歷史數據，控制版本變化。

內燃機數字化的產品權限管理要求包括內燃機數字樣機研制過程中所使用的各類軟件都應該對所產生的數據設定知悉范圍和權限，各應用軟件應提供以下權限管理功能：

（1）不同角色或用戶的操作權限設定與控制；

（2）具體項目（或產品）的具體對象的訪問權限設定與控制；

（3）產品數據各個工作狀態的操作類型設定與控制。

內燃機數字化的產品數據管理要求包括數據類型、數據管理系統、數據管理要求，具體要求如下：

（1）數據類型

內燃機數字化研制過程中產生的數據有以下3類：

A類數據，包括以下幾種數據：

①內燃機零件、部件和組件及其編號、材料、總重、加工方式等屬性；

②表達內燃機零件、部件和組件間裝配關系及數量的產品結構；

③描述零件的CAD圖紙和三維模型；

④規定內燃機零件、部件和組件制造、裝配等的驗收（裝配）技術規范。

B類數據，包括以下幾種數據：

①內燃機零件、部件和組件仿真分析任務書及報告；

②內燃機零件、部件和組件試驗任務書及報告；

③內燃機零件、部件和組件計算書；

④內燃機零件、部件和組件技術說明書。

C類數據，包括各種柴油機產品、零部件結構／性能參數

D類數據，除A、B、C類數據外所有其他數據

（2）數據管理系統

根據內燃機數字化產品研制工程中產生數據類型的不同，實行數據分類管理，數據管理系統分以下幾種：

①項目管理系統，用于管理項目策劃、項目立項報告、項目計劃和項目任務書等；

②產品數據管理系統，用于管理數據類型中A類數據和B類數據；

③仿真管理平臺，用于管理仿真過程和仿真結果數據；

④基礎數據管理系統，用于管理C類數據。

（3）數據管理要求

數據管理功能應包括：

①數據的瀏覽與導航：根據數據的類型、名稱、狀態、所屬的項目、文檔所有者等屬性進行查詢，以及根據數據間的關聯指針，查詢該數據描述的零部件情況；

②數據的分類管理：按照不同類型的文檔進行分類查詢、分類歸檔，對各類文檔在系統中按類型進行有序管理：

③數據版本管理：將文檔的每一次變化設置為不同的版本（或版次），建立不同版本（或版次）間的對應關系，保證在特定的時間階段對應特定的有效數據：

④數據有效性管理：數字化柴油機設計過程所生成的數據在全生命周期內應當為統一的數據源，具有全局有效性和唯一有效性；當數據進入更改流程時，應對其有效性進行封閉。

⑤數據的安全控制：將文檔交給電子倉庫統一管理，對不同的用戶賦予不同的操作權限，保證文檔的安全性。

4 內燃機數字化的PDM產品數據庫技術狀態管理

內燃機數字化的技術狀態管理包括產品數據管理、產品全生命周期管理、企業資源計劃、供應鏈管理、客戶關系管理、制造執行系統、電子商務類、電子政務類等。重點反映數字化生產管理、資源管理、項目管理以及質量控制管理等方面需求。

PDM產品數據庫管理是實現內燃機數字化管理的基礎。其主要目標是管理內燃機產品研制過程中生成的所有信息，管理產品的構型和配置、管理研制過程、集成產品研制過程中使用的各種軟件工具等。PDM產品數據庫管理標準體系見圖1。企業對PDM產品數據庫應用標準化需求主要體現在以下方面：

圖1 PDM產品數據庫管理標準體系

（1）基礎

PDM產品數據庫基礎主要包括術語和符號標準（制造業信息化技術術語、內燃機數字化設計術語標準）、信息編碼標準（質量與可靠性信息庫命名方法與代碼、發動機產品結構編碼、發動機產品零件編碼、發動機產品專用工藝裝備分類編碼、代碼與標志、產品質量與可靠性信息分類編碼等）、源數據定義（數據源標準等）。

（2）文檔管理

PDM的文檔管理功能一般包括文檔對象的瀏覽與導航、文檔的分類管理、版本管理和安全控制等。管理的主要文件類型有圖形文件、文本文件、數據文件、表格文件、多媒體文件等。對不同的文件類型均應建立相應的標準，如圖形文件是由不同的CAD軟件產生的描述幾何圖形的的文件，它存儲了產品模型的設計信息和基本屬性，構成對一個零部件的完整描述。PDM的文檔管理必須能對產品的屬性進行有效的管理，各企業根據實際情況針對不同軟件產生的圖形文件建立標準規定，如種子文件或文件模板、三維建模的環境設置、建模要求、二維工程圖的環境設置、繪圖要求、三維轉二維的基本規定、零部件命名、圖形基本屬性等。文本文件是描述產品或零部件性能的文件，由文字處理軟件生成。它存儲了一般說明性文字，應按整體文件進行管理，并對其編寫要求、文件模板、構成和條文編排格式等建立標準規定。其他類型的文件也應建立相應標準，以利于管理和檢索。

（3）工作流管理

PDM的工作流管理保留和跟蹤產品從概念設計、產品開發、生產制造直到停止生產的整個過程中的所有歷史紀錄，以及定義產品從一個狀態轉移到另一個狀態時必須經過的處理流程。主要包括流程管理（產品數字化設計流程定義與控制、典型工序流程、工藝流程定義規范）、權限定義（PDM數據庫系統設計審批權限要求）、管理要求（基于PDM系統的產品數據管理規范、基于PDM系統零件庫管理要求、基于PDM系統構型管理要求）、數據的校對（數據提交規定）、審批審核（技術狀態管理要求）、版本控制要求（設計更改控制、版本控制規則、文檔有效性控制要求、數據更改要求）、數據的發放與傳遞要求（內燃機數字樣機三維模型的數據轉換與數據導出規定、內燃機數字樣機三維模型的數據導出、發放與傳遞要求、內燃機數字樣機二維工程圖數據導出、發放與傳遞要求）、過程的協同并行控制機制（異地協同數據制造電子數據的傳遞與發放管理規范）、工程更改要求（內燃機數字樣機工程更改要求）。

（4）產品結構與配置管理

產品結構與配置管理是PDM的核心功能之一，利用此功能可以實現對產品結構與配置信息和物料清單BOM的管理。其主要功能包括BOM的創建與修改、產品結構關系查詢、BOM的多視圖管理、與ERP集成的支持等。因此，實現該功能首先應對BOM的定義與轉換、構型管理（構型標志、構型控制、構型紀實、構型審核）、產品結構分解與工作分解結構等方面做出規范。

（5）零件分類管理

零件分類管理是實現設計重用，提高企業創新設計的重要手段。其主要功能包括零件庫建立及管理、零件和文檔對象的檢索功能、定義和維護分類模式的機制等。因此，其對標準的要求為標準件庫、常用件庫的構建要求，零部件分類碼、分類結構和標準接口的要求以及用戶自定義屬性的要求等。

（6）應用封裝與集成

PDM的應用封裝與集成功能是實現PDM與CAD、CAE、CAM、CAPP、Office工具等應用工具的集成，以建立企業的集成化產品數據管理平臺。應根據企業的實際情況，對PDM系統的接口要求、PDM系統的集成框架、PDM系統的二次開發等制定相應的規范。

（7）系統運行維護

系統運行維護功能是實現PDM系統運行維護，應根據企業的實際情況，對PDM系統制定信息安全規范、PDM系統的信息保密規范。

（8）以零件為中心組織產品設計數據，基于技術狀態項目進行產品數據管理

在技術狀態標志活動中，面臨著在數字化環境下，如何實現高效組織產品設計數據和產品單一數據源的管理。在組織產品設計數據方面，將以圖樣為中心的傳統管理模式，改變成以零件為中心的管理模式，避免了圖樣變化后零件更改不到位，或者零件更改后而圖樣狀態描述不清的局面。根據PDM系統中產品數據組織和表達的高效性要求，采用以零件為中心的數據集組織方法，將傳統圖樣管理中的明細表、零件三維模型和圖樣集成為一個數據集，直接以零件號標志這個數據集；零部件之間嚴格按照裝配隸屬建立關系，形成產品結構，準確表達物料清單（BOM）。通過這種方法有效地滿足了數字樣機構建、管理和應用要求，同時也保證工程物料清單向制造物料清單的演變。

現代數字化技術狀態管理要解決多方合作中產品研制的單一數據源問題。有效手段就是基于技術狀態項目進行產品數據的發放和交換。具體而言，以技術狀態項目為單元形成發放和交換的數據包，并以技術狀態項目的狀態和版本變化控制數據發放和交換的實施；在技術狀態項目下則是被交換的產品設計數據，通過物料清單（BOM）反映設計結構，數據交換后，各方形成一致的BOM；在各方的產品數據管理系統中，技術狀態項目的構造、轉換、使用及管理應基于一致的功能技術狀態項目樹，根據需求通過技術狀態項目枝節點配置形成不同技術狀態項目視圖（如制造技術狀態項目樹）。通過上述手段確保了各合作方產品數據的一致性、完整性、實時性、可靠性。

（9）用基于知識庫的編碼體系，合理進行零件變更標志

各類零部件和文檔的編碼是技術狀態標志活動中的重要一環，也是體現數字化程度高低的標志。傳統零部件和文檔的編碼主要由人來確定和規劃，不僅不能發揮計算機管理的優勢，而且也不能滿足先進管理思想的運用。針對傳統編碼體系的缺點，數字化技術狀態管理采用基于知識庫的編碼體系及相應自動編碼模塊。該編碼體系能夠表達產品全壽命周期、知識工程、更改追溯和技術狀態變化等多種信息，具體是納入支持產品保障的編碼；增加技術狀態變化規則編碼；指定編碼位數進行字段信息賦予；使用計算機順序編碼，進行版本標志等。自動編碼模塊集成在PDM系統中，按照編碼體系規則自動生成編碼，使整個產品研制的各項數據編碼相同，信息檢索、統計高效準確，極大地提高設計確定編碼的效率，發揮了數字化技術狀態管理高效能的特點。

基于知識庫的編碼體系除了解決高效編碼和信息表達等問題之外，還合理解決了更改標志活動中狀態可追溯性問題。通過技術狀態控制，就零部件進行更改，更改標志分為升版與變號兩種方式。為達到狀態可追溯性和明晰技術狀態的目的，嚴格界定和規范兩種方式的使用原則。其中變號將影響產品的技術狀態，并通過下層技術狀態項目產生來實現這一更改，而版本的變化遵守線型的最新版本有效的規則。

在具體應用中，按照更改應用中，按照更改的重要程度，通常將更改分為重要更改即在經重新設計或更改后，零部件的形狀、配合、功能和互換性等發生了改變；次要更改即在經重新設計或更改后，零部件的形狀、配合、功能和互換性等未發生改變。當發生重要更改時，需要給葉節點技術狀態項目及零部件重新指定編號；當發生次要更改時，則只需對零部件版本進行升級。

4 結束語

現代數字化技術狀態管理是伴隨著產品數字化研制不斷發展的一項綜合性技術，是企業技術科研技術體系的重要組成部分。實施技術狀態管理的目的，就是全面反映出產品當前的技術狀態及其滿足物理特性和功能特性要求的狀況，并形成文件。同時也要求確保參與項目工作的所有人員，在項目壽命周期內的任何階段，都能夠保持并使用正確的文件。從而確保產品技術狀態的確立和更改正確無誤，以最優的質量、最短的周期和最經濟的手段，研制并生產出顧客滿意的產品。

隨著我國內燃機市場的日益繁榮，內燃機設計、試驗、制造、管理數字化集成平臺的逐步穩固，現代數字化技術狀態管理技術顯得極其重要。它是確保型號研制中各類數據的完整性、正確性、可追溯性，準確表達產品功能基線、分配基線和產品基線的重要手段。它突破了傳統的技術狀態管理思維，促進了數字化技術在內燃機研制中的應用與發展，為內燃機研制技術的進步起到了重要作用。