從基于模型的定義（MBD）到基于模型的企業(yè)（MBE）

高星海

當(dāng)前，驅(qū)動(dòng)制造業(yè)創(chuàng)新和持續(xù)發(fā)展的動(dòng)因正在注入新的要素并由此引發(fā)其架構(gòu)的巨大變化，從美國(guó)的再工業(yè)化到德國(guó)的工業(yè)4.0再到中國(guó)制造2025，從中我們可以發(fā)現(xiàn)，制造業(yè)是全球經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力，世界各國(guó)都意在占領(lǐng)未來(lái)制造業(yè)的制高點(diǎn)。

美國(guó)提出以“軟”的服務(wù)為主，注重軟件、網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)等對(duì)工業(yè)領(lǐng)域服務(wù)方式的顛覆；德國(guó)通過(guò)價(jià)值網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)橫向集成、跨越整個(gè)價(jià)值鏈的工程端到端數(shù)字化集成、垂直集成和網(wǎng)絡(luò)化的制造系統(tǒng)，來(lái)保證德國(guó)在傳統(tǒng)制造領(lǐng)域的領(lǐng)先地位；中國(guó)提出以信息化和工業(yè)化深度融合為主線，在智能制造、互聯(lián)網(wǎng)+的突破等方面來(lái)增強(qiáng)國(guó)家工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化水平和智能化水平的提高。

在這個(gè)全球大背景下，智能制造體現(xiàn)著從傳統(tǒng)制造向數(shù)字制造轉(zhuǎn)型的創(chuàng)新方向——在保持靈活性的同時(shí)，兼顧提升生產(chǎn)效率、縮短上市時(shí)間、提高產(chǎn)品質(zhì)量，其中最重要的是實(shí)現(xiàn)從企業(yè)管理、產(chǎn)品研發(fā)到制造控制的高度互聯(lián)，其次是在整個(gè)價(jià)值鏈中集成IT系統(tǒng)的應(yīng)用，第三是涵蓋設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流、市場(chǎng)和銷售的生命周期的自動(dòng)化控制和管理。

全球制造業(yè)數(shù)字化發(fā)展趨勢(shì)

新一輪工業(yè)革命為企業(yè)帶來(lái)新應(yīng)用，數(shù)字化技術(shù)貫穿于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)工程、生產(chǎn)執(zhí)行、客戶服務(wù)等的各個(gè)環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)虛擬數(shù)字世界與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)世界的準(zhǔn)確映射（圖1）。這個(gè)演進(jìn)過(guò)程離不開物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新一代數(shù)字技術(shù)支持，離不開集成先進(jìn)的數(shù)字工程環(huán)境、生產(chǎn)管理系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化技術(shù)，并以此為平臺(tái)達(dá)到數(shù)字技術(shù)在企業(yè)中的深刻應(yīng)用，以最小的資源消耗獲得最高的生產(chǎn)效率。

從全球視野看，數(shù)字制造技術(shù)的理念正在發(fā)生重大變化。美國(guó)國(guó)家技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)研究院（NIST）提出從MBD（基于模型的定義）到MBE（基于模型的企業(yè)）的躍升，其要義是，模型驅(qū)動(dòng)貫穿系統(tǒng)生命周期的各個(gè)方面和領(lǐng)域，一次創(chuàng)建并為制造、服務(wù)等所有下游重用。國(guó)內(nèi)制造業(yè)中，航空工業(yè)在MBD方面起步較早，當(dāng)時(shí)基于模型的定義主要解決設(shè)計(jì)和制造的協(xié)同，最典型的應(yīng)用是主機(jī)廠所在飛機(jī)設(shè)計(jì)階段就采用全數(shù)字量表達(dá)飛機(jī)的幾何特征，同時(shí)將數(shù)字樣機(jī)傳遞到制造單位，在數(shù)字樣機(jī)之上開展工藝設(shè)計(jì)、工藝仿真以及部分環(huán)節(jié)自動(dòng)加工指令的生成。現(xiàn)在的MBE是把傳統(tǒng)的模型向前端應(yīng)用到需求開發(fā)、功能和邏輯設(shè)計(jì)，向后端應(yīng)用到更廣泛的智能制造以及綜合保障等各個(gè)環(huán)節(jié)。

從MBD到MBE，數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用成為制造業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。MBD更關(guān)注產(chǎn)品的幾何信息，包括工藝描述信息、制造屬性信息、管理屬性信息，把三維模型作為生產(chǎn)制造的唯一依據(jù)。未來(lái)MBE更關(guān)注MBD數(shù)據(jù)在整個(gè)生命周期的充分利用，并從幾何層面上升到系統(tǒng)層面；另一方面在企業(yè)內(nèi)部以及企業(yè)外部供應(yīng)鏈之間建立集成和協(xié)同的環(huán)境，開展基于模型的交換，在數(shù)字空間進(jìn)行反復(fù)迭代，以減少物理空間的質(zhì)量問(wèn)題和時(shí)間成本問(wèn)題，目的是提高復(fù)雜大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮減交付時(shí)間、減少工程更改、減少產(chǎn)品缺陷和提高首次交付質(zhì)量。

美國(guó)“下一代制造技術(shù)計(jì)劃”（NGMTI）將MBE的發(fā)展歷程分為四個(gè)階段。第一階段以2D工程圖為中心，設(shè)計(jì)制造交換的是二維信息；第二階段以3D模型為中心，開展三維實(shí)體建模，并驗(yàn)證整個(gè)結(jié)構(gòu)的幾何交互關(guān)系，包括運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真、有限元仿真、基于模型的制造等；第三階段是基于模型的定義（MBD），側(cè)重于在三維模型中全方位地表達(dá)設(shè)計(jì)制造信息；第四個(gè)階段是基于模型的企業(yè)（MBE），其3D主控模型不僅包含3D標(biāo)注等幾何信息，還包含更多的模型信息，未來(lái)要把三維模型應(yīng)用到企業(yè)和供應(yīng)鏈，基于廣義的MBD進(jìn)行信息交換。

MBE的內(nèi)涵

MBE逐漸成為先進(jìn)設(shè)計(jì)制造方法的具體體現(xiàn)，也代表數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的未來(lái)，是建模與仿真方法在設(shè)計(jì)、制造、支持等全流程技術(shù)和業(yè)務(wù)的徹底顛覆和創(chuàng)新，其中MBD是核心，基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）和基于模型的持續(xù)保障（MBS）是應(yīng)用和實(shí)踐的新方向。利用產(chǎn)品模型和過(guò)程模型定義、執(zhí)行、控制、管理企業(yè)的全部業(yè)務(wù)，可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)之間的無(wú)縫集成，并與戰(zhàn)略管理對(duì)接。

MBE主要包括基于模型的工程（Model Based Engineering，MBe）、基于模型的制造（Model Based Manufacturing，MBM）和基于模型的持續(xù)保障（Model Based Sustainability，MBS）。MBe將模型技術(shù)作為系統(tǒng)生命周期中需求、分析、設(shè)計(jì)、實(shí)施和驗(yàn)證的能力，突破MBD單一的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍，并將MBSE作為重要的完善和發(fā)展方向。MBM從CAD向后推演，使用MBD模型用于虛擬制造環(huán)境中進(jìn)行工藝規(guī)劃、優(yōu)化和管理，它更強(qiáng)調(diào)的是基于模型的工藝仿真、生產(chǎn)線的仿真、指令的仿真以及指令傳遞到物理設(shè)備之后的控制和數(shù)據(jù)采集。MBS將產(chǎn)品和工藝開發(fā)中的模型和仿真應(yīng)用到系統(tǒng)生命周期的維護(hù)階段，持續(xù)關(guān)注系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)，把系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的質(zhì)量數(shù)據(jù)、維護(hù)/維修/故障數(shù)據(jù)采集回饋到模型，在模型中進(jìn)行比較，評(píng)估產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)和工藝方案，并反饋到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的改進(jìn)環(huán)節(jié)，通過(guò)MBS來(lái)提取設(shè)計(jì)優(yōu)化信息。

MBE的演進(jìn)方向與分級(jí)評(píng)價(jià)

美國(guó)國(guó)家技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)研究院按路徑選擇以及需要的能力將MBE分為L(zhǎng)evel 0-Level 6共計(jì)7個(gè)等級(jí)。其中，Level 3的主要功能應(yīng)用為MBD，主要交付物為2D注釋模型和輕量化可視化數(shù)據(jù)；Level 4的主要功能應(yīng)用是MBD和數(shù)據(jù)管理，主要交付物為通過(guò)PLM管理3D注釋模型和輕量化可視化數(shù)據(jù)；Level 5可在三維環(huán)境下定義、自動(dòng)生成技術(shù)數(shù)據(jù)包（TDP），包括制造需要的和綜合保障需要的信息；Level 6的主要功能應(yīng)用是MBD生成TDP和基于需求的企業(yè)數(shù)據(jù)訪問(wèn)，主要交付物為通過(guò)WEB訪問(wèn)的數(shù)字化產(chǎn)品定義和技術(shù)數(shù)據(jù)包的交換機(jī)制。

該分級(jí)也可用來(lái)指導(dǎo)我們的未來(lái)發(fā)展路徑。目前國(guó)內(nèi)有些單位還是以二維圖紙為中心；部分單位雖用到源CAD模型，但在使用過(guò)程中依然派生出二維圖紙?zhí)峁┙o使用；大部門航空企業(yè)可達(dá)到MBD和數(shù)據(jù)管理、通過(guò)PLM管理3D注釋模型和輕量化可視化數(shù)據(jù)的狀態(tài)。所以未來(lái)我們還有大量的工作要做。endprint