基于產品數據包的設計制造一體化平臺研究

王 沁 吳嘉棟 晁曉娜 景明艷 吳 晟

（上海航天設備制造總廠有限公司，上海 200245）

0 引言

航天型號產品既有國之重器、影響巨大的社會屬性，也有狀態復雜、批量變化的生產特性。我司作為我國唯一集運載火箭、空間飛行器和導彈武器產品總裝為一體的國有綜合型航天骨干企業，因產品領域跨度廣、研制階段復雜和過程質量控制難度大而遠超一般批量性和流程性產品生產企業。雖然近幾年航天產品的研制能力和技術水平的總體提升速度很快，但是設計制造一體化平臺建設始終是整個航天產品研制過程管理要素中的薄弱項。產品數據信息的“零散”和難以追溯問題已成為影響航天產保工作開展乃至導致型號任務成敗的關鍵因素之一。因此，以產品數據包為基礎，拓展一體化平臺，將助力航天制造管理能力的不斷提升。

1 基于產品數據包的設計制造一體化的重要性

航天產品的設計制造過程圍繞產品研制的全生命周期來開展，一個型號產品從設計、采購、生產、裝配、調試、測試、試驗（含大型試驗）、交付一直到售后等全過程的數據信息歸集存在數據來源多、跨系統、數據形式多樣、數據整合難度大以及型號要求各異等特點，因此在橫向、縱向都需要信息的追溯共享，從而解決“孤島”現象。

航天型號產品的質量與可靠性數據包是指航天型號產品在設計、生產、試驗和交付等研制生產環節中形成的有關質量與可靠性的各類文件、記錄等信息的集合。質量與可靠性數據包既是產品質量與可靠性形成過程的客觀記錄，也是產品質量與可靠性水平的客觀證實和上級技術抓總單位接收產品的重要依據。數據包中的各項數據為生產過程中實際測量、記錄的數據，包括數據和影像。

歐美航天領域早在1991年就提出了航天數據包的定義并開始應用，國際標準化組織（ISO）參照歐空局空間產品保證中對航天數據包的定義，給出了ISO的航天項目數據包要求描述。相對來說，國內數據包管理工作起步較晚，2004年中國航天領域明確定義了質量數據包概念。隨著我國航天工程的飛速發展以及各類航天器發射任務的不斷增加，對產品質量管理控制及要求也在不斷提高。在不斷強化產品精細化質量管理、努力提高產品可靠性水平的同時，規范各類型號產品的質量數據包、深入推進各類數據包工作已經成為確保產品質量的必要條件。

2 產品數據包的管理方法

2.1 數據包的基本要求

2.1.1 數據包建立

部組件及以上（包括外包產品）產品在研制生產過程中結合產品的特點、類別以及工作階段建立產品質量數據包。整機產品研制生產單位是建立質量數據包工作的主體，做好數據包工作的總體策劃，落實工作職責，明確工作內容及相關要求，建立管理制度并納入型號質量保證大綱的相關文件中，確保數據包的建立工作得到落實。數據包中的各個項目應有唯一標識并可追溯。數據包的載體可以是紙質文檔、電子文檔或影像資料，要充分利用信息化手段逐步實現數據包的電子化。

2.1.2 數據包內容

要在對產品全過程質量控制要求充分認識、理解和把握的基礎上來確定數據包中所包括的項目及其內容。數據包項目及內容要滿足單位制度規定，并滿足產品保證大綱（質量保證大綱）、產品技術要求和用戶上級單位的要求。應涵蓋產品在設計、制造、組裝、調試、測試、試驗、檢驗以及返工返修等工作環節中形成的文檔、記錄（包括照片、錄像）等各類質量信息，能充分反映產品研制生產過程的質量控制情況及其結果。數據包中各類記錄必須是對產品實際狀態的客觀反映，記錄要準確、完整[1]。

2.1.3 數據包的管理

數據包文檔的保存條件和存檔期限應符合一半型號產品文檔的存檔管理要求。向上一級技術抓總單位提交的數據包內容應提前與上一級技術抓總單位進行協調確認。數據包文檔在數據包生成單位存檔，隨產品流轉且不交付用戶的文檔由總成單位存檔。在文檔管理時，數據包文檔原則上打包集中存放。數據包管理應符合保密規定。要基于數據包對產品實現過程所獲得的數據進行系統分析、綜合利用，不斷提升產品的成熟度。

2.2 數據包的管理流程

數據包管理工作主要包括2個方面：1） 數據包管理流程的落實以及流程的各項要求的落實。2） 數據包各項項目內容的歸集與落實。

數據包信息化能力建設對應數據包管理的2個方面，既包括數據包管理流程的電子化信息化，也包括各項項目內容產生流轉的過程電子化和管理信息化。由于非報告類型的數據包的各項內容產生于產品生產制造的全過程，因此，其信息化的難度就內化為對企業相關業務流程的信息化改造的難度。

2.3 數據包的信息內容

從型號質量管理的角度來看，應該對以下涉及產品研制生產全過程的質量信息進行可追溯性管控，形成質量數據包，一般包括以下內容。

裝備訂購合同要求，研制總要求及設計方案，圖樣及技術資料，研制生產過程技術狀態管理（包括技術狀態的更改及相關審批手續），工藝評審、質量評審、元器件以及原材料等專題評審，產品關鍵件或者關鍵特性、重要件或者重要特性、關鍵工序以及特種工藝等質量控制文件，首件鑒定資料，研制、生產以及試驗過程測試記錄，研制、生產以及試驗過程中出現的故障或問題的糾正預防措施，試驗大綱或試驗方案，例行試驗、大型試驗結果及結論報告，試驗裝備及檢測設備狀態記錄，外協外購產品的質量合格證明文件及重要產品生產過程控制記錄，產品質量證明文件等。

以武器型號為例，圍繞武器型號產品數據包的相關要求，經梳理研究，從產品全生命周期過程對應需要導入的產品數據包類別主要包括設計文檔、制造文檔以及綜合質量信息文檔等類別。每個類別所對應的項目應在其所對應的平臺系統中提取信息。

3 數據包信息歸集

3.1 產品數據包信息的來源

產品的實現過程本質上是產品信息迭代增長的過程，企業產品的質量信息增長過程一般可以簡化為如圖1所示的過程。

圖1 單一產品質量信息構建邏輯

經過對企業相關型號產品的數據包清單項目進行研究，最大化數據包項目清單達160多項，數據包項目經匯總分析（不包括設計類數據包項目）形成如圖2所示的A1—A9模塊數據的對應關系，其數據信息來源如下（簡要介紹型號數據包內容與 A1—A9 模塊數據的對應關系）。

圖2 型號產品數據包數據源關系分析圖

3.1.1 生產過程質量問題處理模塊（A1）

該模塊輸出有關產品過程質量信息的數據包項（例如超差單（不合格品處理單）匯總、讓步接收匯總表）。

3.1.2 生產過程放行管理模塊（A2）

該模塊輸出有關產品過程產品放行管理信息的數據包項（例如緊急放行單、例外放行單匯總表等）。

3.1.3 生產過程器材信息管理模塊（A3）

該模塊輸出有關物資相關信息的數據包項（例如器材超期復驗證明匯總表、裝機電子元器件登記信息卡、電子元器件二次篩選合格證明以及器材合格證明信息等）。

3.1.4 生產過程控制管理模塊（A4）

該模塊輸出有關過程控制的相關信息（例如裝配、調試、測試過程質量跟蹤卡、強制檢驗點檢查記錄以及關重控制點檢查記錄等）。

3.1.5 投產信息管理模塊（A5）

該模塊輸出有關投產信息的數據包項（例如工藝過程卡匯總表、轉批申請單匯總）。

3.1.6 產品生產質量技術文檔模塊（A6）

該模塊輸出有關產品質量技術文檔的數據包項（例如產品質量分析報告、質量問題歸零報告等）。

3.1.7 現場數據采集模塊（A7）

該模塊輸出有關過程的質量記錄（例如裝配過程記錄、檢驗記錄、聲像記錄匯總表、試驗報告匯總表以及單機環境試驗報告等）。

3.1.8 設計工藝數據包信息管理模塊（A8）

該模塊輸出有關設計文件的數據包項（例如設計文件目錄、研制技術要求、設計文件匯總表以及設計關鍵特性表等）、有關技術狀態控制管理的數據包項（例如新工藝的鑒定證明書、新工藝評審報告、技術狀態更改申請單、偏離/超差申請匯總表、技術狀態更改分析報告、產品風險分析與控制報告、工藝技術狀態檢查確認報告、評審結論報告（包括設計、工藝、可靠性）以及評審結論報告等）、有關靜態工藝文件的數據包項（例如關鍵工藝清單、關鍵（重要）過程（工序）明細表、工藝關鍵特性表以及過程控制關鍵特性表等）和有關動態工藝信息及狀態的數據包項（例如返修工藝文件匯總表、分系統測試報告、暫時工藝脫離單匯總表以及未經飛行試驗工藝匯總表）。

3.1.9 產品數據包歸集管理應用模塊（A9）

該模塊形成所有外部輸入數據包項的按主數據抓取匯總能力（按工作令、路卡號集成以及工藝目錄等）以及具有獨立數據包的信息交互界面；集成過程數據采集系統的相關綜合信息，可關聯形成產品質量證明書、產品履歷書。

3.2 數據包信息的歸集原理

產品數據包內的數據信息來自各級零部組件生產試驗的過程中，也應當在過程中記錄累積，但受歸集手段的限制，目前企業只能夠在交付前依靠人工從各級記錄中匯總信息。

數據包數據歸集的基本原理如下。

3.2.1 底層數據建設

信息化能解決落后的管理方法，但無法創造數據。數據包所需要的數據必須在相應的過程或管理活動中以結構化數據的形式呈現。

3.2.2 構建實物物料清單（Bill of Material，BOM）關系

基于配套關系，在裝入件（零部組件、器材）裝入環節，由操作檢驗人員通過掃碼來構建數據包范圍內產品實物的層級關系。基于工藝BOM實現向實物BOM的轉換。

路卡是實現工藝BOM向構建實物BOM轉換的關鍵橋梁。在企業中，路卡是產品生產實現過程重要的投產信息載體和記錄歸集載體。具有唯一性和關聯性。一個圖號的產品可以多批次投產，在同一投產批次中也可以分為多張路卡。具體的路卡號對應唯一確定的工作令、型號、批套、圖號、產品名稱、工藝文件編號以及主責車間，但一個路卡號可以向下對應多個獨立產品（關重件和部組件）的流水編號。

例如通過裝入時掃碼的過程，最終軟件系統可以通過層層裝入的關系了解Y1火箭裝入了哪些半成品/直屬件以及裝入了哪些器材。例如Y1裝入了出庫半成品合格證編號為16084567的貯箱（半成品/直屬件），通過合格證編號能夠知道貯箱的路卡編號；通過路卡編號以及貯箱的圖號就能夠知道領料單號為Q151000520的板材（器材）；通過領料單號可以歸集到這張料單的作業計劃信息，包括發料數量、器材技術條件以及檢驗編號等信息。

通過抓取半成品合格證編號為16084567的貯箱，可以層層向下讀取所需要的數據信息。

通過裝配過程對實物進行關聯搭建，基于產品工藝結構構建實物BOM。通過構建完成的實物BOM層層抓取與路卡關聯的各類信息，如圖3所示。

圖3 數據包結構自頂向下的構建過程示意圖

3.2.3 數據包內容策劃，使不同產品的同類信息實現信息化歸集

例如，要歸集某單機的通電時間，該單機分別在單機試驗、單機測試、系統試驗以及系統交付等4個環節有通電記錄，這就要求這4個過程記錄中有關通電時間記錄的結構化格式必須全部統一，當按數據包進行歸集時，根據構建出來的實物BOM關系，就可以對相同表格數據進行疊加歸集。

4 基于數據包的設計制造一體化平臺建設

狹義的產品實現過程就是指產品生產制造的過程。該小節主要對覆蓋產品核心實現過程（設計、工藝和生產）的管理系統的集成進行研究。

設計工藝和生產管理平臺集成的核心內容就是實現企業資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）系統與產品數據管理（Product Data Management，PDM）系統的集成、ERP與制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）的集成以及計算機輔助工藝設計（computer-aided process planning，CAPP ）平臺與MES系統的集成 ，具體就是形成PDM/ERP/MES企業數字化三層管理集成架構，最終建成現代化、集成化以及數字化的型號產品加工生產集成管理系統[2]。

4.1 設計、工藝平臺的集成

從產品的設計流程、工藝流程和控制流程角度對傳統、典型的設計工藝流程進行深入分析，明確了以設計任務書、初步設計、產品設計、工藝初步設計、工藝設計、過程控制設定以及產品交付為核心的產品技術流程。

PDM管理平臺與ERP系統深入集成[2]的總體目標如下：1） 通過深入集成，在PDM端自動生成符合ERP圖號管理要求的圖號編碼，隨工藝BOM自動導入ERP系統形成圖號檔案，取消人工生成圖號編碼；通過設置流程，為PDM中的物料匹配ERP系統能夠識別的物資編碼，取消ERP端的虛擬物資編碼和正式物資編碼的人工匹配，實現編碼系統的集成目標。2） 集成ERP系統工藝裝備信息、生產設備信息和物資存量信息，形成PDM系統工藝裝備存儲庫和工藝設備存儲庫，構建系統間工藝裝備、生產設備同步流程，并定期進行系統間的數據同步；使PDM系統工藝設計環節能夠實時查看當前物資的存量情況，實現工藝資源的集成目標。3）通過深入集成，由ERP發出請求并主動獲取PDM系統中的相應投產需求狀態的工藝BOM，將其傳遞至ERP系統，自動構建生產BOM（包括工藝路線、材料定額以及元器件安裝位號等），實現工藝生產信息與ERP系統集成的目標。4）通過PDM系統工藝編輯器與ERP系統的集成，獲取與ERP系統作業計劃相應狀態及對應圖號的PDM系統工藝文件中的工序信息，實現工序路線信息與ERP系統集成的目標。5）基于PDM系統與ERP系統的深入集成應用，形成支撐企業型號數字化工藝制造一體化的標準規范體系與管理制度。

4.2 設計、工藝平臺和生產管理平臺的集成

企業三維工藝協同管理平臺與ERP系統深入集成建設，將需要在開發層面解決系統間的數據傳遞形式和規范，數據傳遞形式如圖4所示，具體傳遞內容規范性應當覆蓋以下內容。

圖4 三維工藝協同管理平臺集成示意圖

在PDM系統中開發構建能夠關聯ERP系統圖號物資編碼檔案的圖號物資編碼匹配工具，在工藝BOM構建流程中設置相應編碼的獲取和匹配業務環節。

在PDM系統中開發構建PDM工藝資源存儲庫同步工具，同步ERP工藝裝備、生產設備檔案，獲取相應字段信息，并能實時查看ERP系統物資存量情況。

在ERP系統中開發構建工藝BOM信息主動獲取入口，使PDM系統能夠為ERP提供產品制造所需要的工藝、制造信息，能夠將產品主數據、產品結構以及產品所需要的物料清單、工藝路線等信息傳輸到ERP系統中。

目前，企業已實現了全三維設計、全三維簽審、設計制造協同、全三維工藝設計以及無紙化制造等完整的設計制造一體化技術路線驗證，但是，由于設計、工藝尚未與物資公共數據區進行集成，PDM系統和ERP系統兩者之間也未實現集成，因此，在零部件分類管理、BOM配置管理、物料編碼定義以及工程更改等功能上都存在不同程度的交叉重疊，兩者的相互獨立導致設計信息的二次輸入，企業還是不得不設立專職崗位負責將PDM系統中的工藝BOM數據以Excel文件的形式導出，對工藝BOM和物料信息進行人工處理，最終再將該Excel文件導入ERP系統中，不但增加了人工成本，而且對系統間信息傳遞的效率和可靠性也有較大的負面影響。

設計制造一體化的核心就是PDM與ERP的集成。PDM與ERP集成的目的就是將覆蓋設計部門的產品數據管理的技術信息系統和覆蓋生產制造、銷售、采購和財務等部門的管理信息系統緊密地聯系在一起，將從設計到制造中的各個子過程融合為一個整體，各個子過程產生的信息能夠相互傳遞、共享，使每個參與的用戶能夠在正確的時間、正確的地點獲得正確的信息，這也是PDM系統與ERP系統集成的核心需求。

目前，企業將工藝BOM及相關工藝的管理定義在PDM系統中。工藝BOM能夠繼承設計屬性，十分明確地顯示各種零部件間的制造關系，跟蹤零部件能夠了解到它們的制造過程、制造工廠、制造場地以及制造材料等信息；可以將企業ERP系統中的產品結構可看做是MBOM，它是指導生產的基礎數據，不但有設計信息、工藝信息，而且還包括了生產管理信息，生產管理類信息需要由生產部門的人員來確定。

以紙質/電子工藝文件的離散管理將轉變為以工藝BOM為核心的工藝數據組織管理方式將是設計工藝和生產管理平臺集成的有效路線。基于PDM系統建立和固化工藝BOM的構建和更改業務過程，同步ERP系統中一系列實物資源信息，實現工藝BOM及其關聯的工藝信息（工藝規程、工藝文件、物料、工藝裝備、工作中心等）及時、準確向ERP的傳遞、實現車間無紙化現場查看及數控程序管理與傳遞。

通過集成，為PDM系統提供實時的企業資源應用狀況，同時解決ERP系統產品數據源頭問題，實現設計制造一體化，促進產品不同業務的協調，減少手工干預和二次輸入。

5 結語

該文從質量管理要求的客觀必要性入手，結合企業現狀的整體信息化水平，圍繞產品數據包歸集的思路，分析了質量數據融合的邏輯和可行性。同時研究了系統架構、質量數據結構采集關系，對產品研制過程各信息化系統和質量模塊的數據接口邏輯和分配關系，形成了一套可以知道實際開發并取得預期成效的設計制造管理一體化平臺，為后續產品研制過程的一體化能力建設奠定了良好基礎。