飛機模塊化產品數據管理探討

韓蘇征 李寶環 韓 祎

（中航工業一飛院，陜西 西安 710089）

飛機模塊化產品數據管理探討

韓蘇征 李寶環 韓 祎

（中航工業一飛院，陜西 西安 710089）

介紹了飛機產品模塊的定義和分類，針對國內目前飛機模塊化產品數據管理存在的問題，在產品結構設計視圖、模塊劃分及有效性定義、版本控制、基于需求的飛機構型基線建立與控制、系列化產品平臺搭建、模塊化程度評價等方面給出了實施建議。

模塊化；產品結構樹；設計視圖；有效性定義

近年來，我國飛機研制逐漸從單一型號向多元化過渡發展，其研制理念也從單一構型轉變成為了多構型發展，一種型號的飛機，隨著技術進步以及用戶需求的增長，不斷派生新型號，甚至同一型號的飛機，每架次的要求都有可能不同。而飛機設計需要眾多專業（包括總體、氣動、結構、強度、機械系統、航電等）協同工作， 其研制過程是一個龐大的系統工程，在各個研制階段都會產生相應的產品數據。一般來講，一架中小型飛機僅結構件就有2萬多件，外購件1 000多種，標準件1 000余種，數量達到三四十萬，大飛機產品零部件更是達到了300萬～600萬之多，標準件數量近300萬件，這些龐大的飛機數據加上復雜的飛機研制流程，給其產品數據管理提出了新的要求。

根據飛機產品全壽命周期數字化定義的階段，產品數據分為：需求構型、設計構型、工藝構型、生產構型、服務構型和運營構型，每個階段的產品數據和信息存在相應的繼承性和差異性，而所有階段的產品構型都是基于需求構型的。民機研制需求來源于市場，由于客戶需求的多樣性，在其研制初期就要考慮多構型發展。與民機相比，軍用飛機的研制需求主要來源于軍方，其分解和管理過程要基于國軍標體系；另外，雖然軍機的系列化構型沒有民機復雜，但其產品結構的構建也要考慮產品系列型譜的發展，最大程度地模塊化，提高研制效率。

1 產品模塊化設計需求和優勢

1.1 產品模塊化的需求

a）客戶需求：安全性和可靠性需求，戰術技術指標需求，使用及維護需求，系列化和多樣化需求，交付周期和時間需求，降低全壽命成本需求等；

b）公司商業利益的需求：擴大可重用性，加速產品研發，增加客戶滿意度，最終達到商業成功；

c）工業化需求：適應大規模生產的需求，降低成本，簡化構型管理，減少錯誤和返工，提高產品質量，提高一次成功率。

1.2 模塊化設計的優勢

a）提高系統可靠性。 模塊化技術清晰劃分各模塊功能，明確其在系統中的整合方法，在設計初期就很好地把握產品的總體性能，有效避免設計錯誤。

b）提高產品數據的重用性，可以快速開發出適應客戶需求的系列化和個性化產品，開拓市場，提高客戶滿意度；另外，各功能部件具有一定的通用性、互換性，降低了制造成本。

c）按訂單配置客戶構型，滿足客戶多元化需求，同時兼顧大批量生產模式的優勢，降低成本；

d）實現產品結構扁平化，簡化工程管理和構型管理，提高產品數據的有效性和準確度；

e）按精簡作業流TBS（Tailored Business Stream）和簡化物料管理TMM（Tailored Material Management）組織生產，體現精益生產理念；

f）模塊化技術能提高設計人員的勞動效率，

讓設計人員將更多精力投入性能的改進與完善，避免開發不同產品或產品改型時 “ 從頭再來”，減少重復性勞動，縮短開發時間。采用先進的模塊化生產和裝配模式，也能縮短交付周期；

g）模塊化有利于產品的維修性和客戶增值服務，在調試維修中可以快速定位故障模塊，加快調試進程、縮短調試時間、提高響應速度、降低維修使用成本；

h）模塊劃分有利于合作伙伴（供應商）的接口定義和建立合作研制體系。

2 國內外相關技術現狀

美國和歐洲一些航空發達國家十分注重模塊化設計研究，并在軍、民機型號上得到了應用。波音、空客公司為適應不同地區、航線及市場需求，在基本機型基礎上衍生出眾多的型號，所采用的就是模塊化設計，相同的機頭、機翼、機尾、尾翼等，不同的機身插入段。以飛機結構為平臺，其中燃油、液壓、操縱、航電、環控、電氣等系統也采用標準接口，方便組合與更新。對于新的模塊，可集中力量進行技術創新與試驗驗證，確保水平與質量。波音777將模塊化設計思想應用于客艙設計，為用戶提供多種靈活多變的客艙布置，可以按用戶要求設置不同等級的座艙，布置多種不同數量的座椅、廚房和盥洗室等，而所有這些要求均可在飛機交付前72 h內靈活變更?？湛虯400M運輸機可以迅速改變為步兵運送、混合（貨物和人員）運送、貨盤式貨物運送、醫療救護、非貨盤裝備運送、空降傘兵等構型。

我國飛機模塊化結構設計還處于起步階段，如民用飛機模塊化客艙、貨艙的設計要求、實施方案、典型結構形式，以及評價方式等正在研究中。近年來，國內飛機結構數字化設計平臺建設取得較大進展，采用模塊化設計已有較好基礎，各飛機研制單位已開始重視模塊化設計思想，ARJ21-700飛機裝配、C919飛機機頭樣機制造等均貫徹模塊化思想。我國在軍用大飛機的研制過程中開展了模塊化的產品結構的建立和應用，制定了相應的規則，建立了技術平臺，不同程度地開展了模塊化設計制造工作，為協同研制創造了一定的條件。

3 飛機模塊定義

飛機模塊就是綜合考慮飛機產品研制的全生命周期過程中的所有要素，運用標準化原理，針對系列飛機產品結構的構成，將飛機產品分解為一個個具有獨立特性和接口結構的抽象的產品結構對象。這個產品結構對象不僅包括組成飛機產品主結構的零部件及其所包含的系統，而且還包括描述這些零部件的設計、工藝計劃、工藝裝備和支持文檔等。因此，飛機模塊可以說是由下列對象所組成的抽象的邏輯集合：

●零部件；

●用于零組件制造、安裝的工藝規范；

●相關的安裝計劃、圖表和數字模型；

●工裝；

●需求定義形成的相關的技術數據；

●驗證數據和通用質量特性數據等。

4 飛機模塊化產品數據管理關鍵環節實施建議

4.1 概述

產品數據管理是一門以信息技術為基礎、以產品為核心、集成和管理所有與產品相關的信息和過程的技術，其管理的對象不但包括產品的各種信息（如零部件屬性、產品結構、數據模型、工藝和制造信息等），還包括圍繞產品研發的過程（如過程的定義、審批、發放、更改等）。

我國飛機研制數字化手段迅速發展，已從三維建模，二維發圖的研制模式提升到了全三維數字化設計和協同制造，這種協同研制模式下，需要開展統一的產品數據管理，控制全壽命周期的產品狀態，保證每架飛機的個性化狀態在各項工作中的統一性，確保產品的完整性和設計制造以及服務的可追溯性。

模塊化是開展統一的產品數據管理的基礎，目前國內飛機研制雖然開展了不同程度的模塊化產品數據管理，但也存在一定的問題，在設計視圖、有效性定義和零組件版本控制方面存在一些爭議，尚未建立模塊劃分具體操作層面的規范，未結合飛機產品各級需求定義開展模塊化的產品研發過程，缺乏規劃共用模塊庫，導致產品數據的重復利用率不高。

針對以上問題，本文從以下幾個方面進行論述并給出實施建議。

4.2 建立模塊化產品結構設計視圖

飛機研發對產品結構分解的需求主要來自于項目管理、工程、制造、市場和銷售、產品支援、質量等

方面。不同的團隊按需主動從產品結構中提取有關的、有用的產品信息。

飛機可以按照不同的產品結構分解的需求建立不同的產品結構分解樹，并引入“視圖”的概念來描述。其中設計視圖是研發階段飛機產品結構劃分中的主要視圖，在項目的詳細設計階段引入使用，用于各設計部門進行詳細設計，以形成工程發展的產品數據源。

設計視圖從物理安裝的角度來描述飛機的構成關系，所有參與飛機裝配的零組件，不論是結構件還是系統件，都將在設計視圖中體現。

國內外飛機研制對于模塊化的產品結構視圖建立的方法各有不同，但筆者認為，以工作分解結構為頂層結構的設計視圖，在頂層結構層面分解到了工作分解結構的工作包，而工作分解結構WBS（Work Breakdown Structure）作為項目管理的基礎，也是在項目全范圍內分解和定義各層次的工作包，因此這種以工作分解結構為頂層結構的設計視圖能夠在項目管理和工程管理之間架起一座橋梁，將項目管理和工程研發有機地結合在了一起，更有利于項目的綜合管理和控制。

以工作分解結構為頂層結構的設計視圖如圖1所示。

不管采用哪種結構樹形式，建立模塊化的飛機產品結構的最主要目的就是使飛機產品結構樹“扁平化”，從而更有利于實施更改的管理與控制，減少零部件之間相互的更改影響關聯。因此，在進行飛機產品結構樹構建時，要求組成模塊的零部件的深度一般不超過2層，個別特殊情況下最多也不應超過3層。如圖2所示。

4.3 合理劃分飛機各層級模塊并處理好接口和互換性要求

圖1 以工作分解結構為頂層結構的設計視圖

圖2 模塊組成層示意圖

在現代模塊化設計過程中，模塊劃分或稱模塊分解是其重要組成部分，也是其關鍵技術之一。一個產品系統能否“模塊化”成功，其重要基礎就是模塊分解的是否合理。國內一些書籍和資料上給出了模塊劃分的原則，飛機模塊化設計過程中應按此原則建立操作規范，并組織相關單位、相關部門協同開展模塊的劃分工作。

另外，由于目前飛機研制多采用多廠所協同研制，因此對模塊接口要進行標準化設計，并根據當前工業技術發展的水平，接口設計任務的要求，對模塊接口的功能特性、結構特性、材料特性、制造特性等按統一標準要求進行設計和生產。

4.4 建立高效的有效性定義和零組件版本控制機制

飛機的有效性是一個相對的概念，即在不同時間范圍內（一般用截止時間來表達）具有不同的有效性控制，它既可以是離散的，也可以是階段性連續的。飛機零組部件的有效性標識是通過相應的有效

性定義實現的，在飛機產品使用的產品數據管理軟件中有效性一般包括時間、架次、選項的定義，以及根據這3種有效性進行的復合型的構型規則定義。

為簡化有效性管理，提高系統整個的運行速度，所有的有效性均定義在模塊層。按照模塊化的設計原則，將模塊進行分類，并將分類關聯在相應的飛機產品結構樹上，在相應的類別下進行對應選項的定義。

產品結構是產品單元根據其上下級隸屬關系而構建的，每個設計對象都可以用單元來表示，其可以是部件、組件、零件以及各類技術、管理類文件，也可以代表整個產品型號。產品單元的更改會引起大范圍內零部件的更改，也就是說當某單元版本升級或者變號時，與其相關聯的上一級單元也要發生相應的改動，即版本的向上追溯性。這在飛機的研制過程中是一件令人很頭疼的問題。為了更好的進行版本的追蹤和構型控制，借鑒波音公司變號和升版原則，要建立以下版本追溯模型（具體項目研制應根據此原則進一步細化規則，也要增加更改的受影響分析環節），如圖3所示。

圖3 版本追溯模型

4.5 建立基于需求的飛機構型基線，實施模塊化構型控制

20世紀60年代美國軍方提出了基于需求的系統工程（RBE），開展了基于需求的產品開發。基于需求的產品開發依據用戶需求，采用系統工程的研制程序和方法，確保研制規范基于用戶需求，使定義的要求與用戶需求完全一致。

從需求管理的角度來講，產品構架源于需求，而模塊化產品數據管理中模塊是組成產品的基本單元，因此，可以說模塊組成源于需求，而模塊設計、更改等可能導致衍生需求的出現。因此在飛機研制過程中貫徹實施系統工程的理念應按研制流程開展自頂向下的需求定義，將客戶和軍方的要求進行逐層分解，直至其產品結構的構型項上。而定義在飛機產品結構樹上的各層級的需求的集合就構成了飛機需求BOM，即RBOM。飛機研制其他BOM均源于RBOM，因此RBOM是飛機構型管理的重中之重，應結合RBOM建立各級基線，并實施基于RBOM的構型管理和控制。

4.6 搭建系列化產品平臺，創建共用知識積累

基于需求的飛機模塊化產品數據管理的一項重要任務就是建立系列化產品平臺，形成整個系列產品所采用的共同要素的集合，包括共用的需求定義、基本架構、零組件及關鍵技術等。

系列化產品平臺承接飛機各級需求的不斷更新，運用模塊化設計原理，將飛機各級產品的研發過程優化成為對專用技術和共用技術有機組合，從而可快速研制形成新產品。另外，通過新產品的研制不斷充實平臺，形成知識積累，并在后續研發過程中實時推送，提高模塊的重用性和可配置性。

4.7 建立評價方法，促進模塊化措施落地

在以往飛機型號及產品研制過程中，通用化的程度使用標準化系數來評價，其計算公式為標準化系數=［零件或整件的（標準件的品種或數量+借用件的品種或數量+通用件的品種或數量）/零件或整件的總品種或總數量］×100%，這種計算方法雖然也能反映一個產品中零件和整件的標準化程度，但并不能完全真實地反映一個產品中模塊的標準化和通用化程度以及產品的繼承性程度。

基于以上考慮，需要增加對產品繼承性的評價方法，即繼承性評價系數=（成熟模塊數量/模塊的總數量）×100%，其中成熟模塊指本產品中運用的通用的、標準的和借用的模塊。

5 結論

飛機模塊化產品數據管理是飛機構型管理的一個重要環節，是復雜產品研制技術手段的發展趨勢，在滿足需求的條件下，飛機各級產品和系統的研制過程中要盡量考慮“ 一機多用”、 “ 一機多型”，建立模塊化的產品結構，并以此為基礎搭建系列化技術平臺，解決飛機改型與設計制造周期、成本之間的矛盾，滿足用戶的不同需求。這樣，既能減少設計工作量，又可以減少重復出現的技術過失，使設計人員從繁瑣的設計計算中解放出來，提

高了設計效率和質量。模塊化產品數據管理能提升飛機功能部件的互換性、維修性和可生產性，同時由于減少了飛機零部件品種，能夠提高零部件的通用化水平，使工藝和生產管理簡化、方便，從而降低設計和制造成本，縮短了設計和制造周期。模塊化產品數據管理對于基于企業聯盟的協同研制模式意義重大，它的有效實施將大大提高研制效率，簡化企業作業流程，也能緩解了航空產品高投入與經濟承受能力的矛盾。

[1]王慶林. 飛機構型管理 [M]. 上海：上?？茖W技術出版社，2012年.

[2]范 林，王 哲. 模塊化技術在飛機研制中的應用[J].航空科學技術，2010，3.

[3]王哲. 現代飛機機體結構模塊化設計技術研究[J]. 航空科學技術，2011，2.

[4]劉麗萍. 基于模塊化設計思想的標準化程度評價方法探討 [J]. 航天標準化，2008，1.

（編輯：勞邊）

表7 國防科工局提名推薦和獲何梁何利基金科學與技術獎人員職稱統計

3.2 評審推薦流程和程序科學規范，評審過程公正客觀

何梁何利基金的宗旨有兩個：促進中國科學與技術發展；獎勵取得杰出成就和重大創新的科學技術工作者[2]。為了實現這兩個目標，何梁何利基金科學與技術獎的評選工作一直按照由何梁何利基金信托委員會會議通過的《何梁何利基金評選章程》進行，評選委員會嚴格貫徹“公平、公正、公開”的原則，實行一人一票制，以無記名形式表決確定獲獎人。

國防科工局再進行提名推薦工作時，也一直要求各位評委站在全行業的高度，認真履行職責，不搞行業平衡，寧缺毋濫，目的就是確保提名推薦工作的“公正、公開、公正”，嚴把質量關，評審出真正有水平的候選人。從統計數據可以看出，較“十一五”期間，“十二五”期間國防科工局提名推薦的科技工作者獲獎的比率有明顯提高，說明提名推薦候選人質量和水平的提高；另外，數據中表明推薦和獲獎人的平均年齡有明顯降低，說明在推薦過程中評審專家沒有論資排輩，而是按照科技工作者的實際貢獻進行客觀公正的評價。

3.3 何梁何利獎雖然是民間科技獎，但它的獎勵力度和對科技人員的激勵作用都很大，是我國目前最有影響的社會獎

從統計的推薦數據來看，近幾年從軍工集團和高校推薦的科技工作者數量較前幾年有一定增加，體現了該獎項在本領域的影響力越來越大。隨著推薦和獲獎的科技工作者年齡和結構更加趨于合理，說明越來越多的中青年的科技工作者得到了該獎項的肯定和認同，他們使我們的科技人才隊伍充滿了活力。

[參考文獻]

[1]何梁何利基金評選委員會.何梁何利基金科學與技術獎獲獎人簡介（2013）.

[2]何梁何利基金評選委員會. 何梁何利 [M]. 北京：中國科學技術出版社，2013.10.

（編輯：雨晴）

V26-65

C

1003-6660（2016）05-0052-05

10.13237/j.cnki.asq.2016.05.014

2016-07-11