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直升机产品信息全生命周期管理与集成技术研究

2017/10/10    来源:互联网    作者:曾卫平  于春江  米卫平  黄玮      
关键字:元模型  全生命周期管理  直升机系统工程  系统集成  
直升机产品研制随着信息技术的发展得到了进一步规范和固化,数字化手段对产品研制数据进行自顶向下有效地管控,同时自底向上高效地反馈。在系统工程及并行工程思想的影响下,结合元模型建模理论,对直升机产品全生命周期研制流程及管理体系进行梳理,阐述了直升机产品全生命周期管理业务逻辑结构和集成技术架构,并分析了全生命周期管理系统集成技术,为直升机产品全生命周期管理与集成提出了一种有效的解决方法。

    直升机的设计发展是一个极复杂而又漫长的过程,需要多种工程和制造学科之间相互协调。直升机整个生命周期业务与协作过程中各个研制阶段都是相互影响的,但现有技术和管理方法存在关系粗放、效率低下、风险较大等问题。随着直升机系统及产品研制过程的复杂度不断上升,复杂产品全生命周期管理与集成技术已成为企业面向产品及系统正向研制的一个重要应用研究问题,也是企业信息化重要的组成部分。

    产品全生命周期管理技术在以往理论和实践中都侧重于产品数据管理的文件管理和设计协同等方面的研究。随着系统工程理论相关流程和方法的引入,产品全生命周期管理的复杂度、内涵和外延正在发生变化,以文件为中心的产品数据管理模式远不能满足直升机行业越来越复杂的产品实现过程,系统工程正在成为产品全生命周期管理(Product Lifecycle Management,PLM)的理论核心,基于模型的系统工程(Model Based System Engineering, MBSE)是PLM 的发展趋势。

    直升机产品全生命周期管理

    1 论证与需求体系结构

    直升机研制是一项复杂的系统工程,各项工作、各个专业的工作关联性非常密切和复杂,因此在研制流程体系中要准确表达各项工作之间、各个专业之间的关联关系,使工作流程、管理流程清晰受控。整个研制流程体系应全面描述直升机产品全生命周期中各阶段各专业的工作内容,甚至要描述各项工作具体的输出成果,确定所需编制的需求文件、技术文件、更改文件和图样文件,因此直升机产品研制流程应突出产品全生命周期管理。

    DoDAF 描述了体系结构的3 个视图:作战体系结构视图、系统体系结构视图和技术体系结构视图。在直升机需求论证阶段,基于系统设计标准和系统建模语言(SysML),以面向对象的方法,在需求分析的基础上,设计作战概念并做出各视图层面的用例模型,体系结构设计方法根据系统执行功能和活动需要,不断分解得到系统、分系统及子系统层次的结构图,实现系统模型驱动的论证与需求体系结构。

    2 数字化环境下的直升机产品研制

    系统工程要考虑产品生命周期内遇到的全部问题,是一个跨学科的协同工作方法。并行工程也强调综合设计和协同工作,使用系统工程的方法进行多学科协同设计已逐渐成为工程领域及制造类企业解决已有问题的一种有效思路,根据业务数据和信息模型的转换,根据集成业务数据的转换进行集成。

    数字化技术在直升机产品全生命周期研制流程中各阶段发挥了重大作用。以航空制造业的MBD 技术应用为例,基于MBD 技术实现三维模型表达产品的设计制造信息,保证产品全生命周期中产品数据的完整性。协同化、集成化、虚拟化、智能化是未来直升机数字化研制的发展趋势,在直升机系统生命周期的项目流程和技术流程中,信息技术应用在包括立项论证、概念设计、详细设计、试验试飞、工艺装配、生产制造、交付使用、保障维护、退出回收等全过程内,通过UPDM、CAD、CAE、CAM 等工具软件以及需求管理系统、PDM、SDM、TDM、CAPP、MES、ERP、PAC、SCM、CRM等数字化应用系统对工程研制过程进行管控,构建了以任务和需求定义、逻辑和功能集成、功能和逻辑架构设计为核心的覆盖产品全生命周期的MBSE 过程,从运行概念到需求到设计到生产,降低直升机型号研制风险,提高直升机产品质量且满足产品研制各节点的要求。

    元模型建模技术

    元模型是用于描述模型的模型,是关于模型基本概念、基本关系、基本约束的语义。元模型(Meta-Model)包括类、属性、关联、操作以及约束等,它体现了产品信息的基本语义关系。传统信息分析与表达方式无法支持产品全生命周期中信息的管理和集成需要,企业需要统一模型、应用集成、全面协同的产品全生命周期元模型,即在基于模型的系统工程理论基础上,建立可重构、可扩展、高度集成的关联信息模型,实现覆盖直升机系统工程各流程活动(包含项目流程和技术流程)语义级的互操作。

    对于系统建模语言而言,OMG 组织陆续提出了UML 语言和SysML 语言,支持了基于模型的系统工程理论在实际工程中的应用。元模型技术是企业建模实施的有效方法,它具有丰富的模型分析和设计功能,通过扩展可满足不同领域的建模需要。作为一种抽象模型,元模型不局限于具体某一领域,被不同的目标模型所共享,可表达领域模型,也可表达三维实体模型的结构信息模型、仿真信息模型、性能信息模型、管理信息模型等。OMG 标准中描述了4 个建模层次,分别是信息层(Information Layer)、模型层(Model Layer)、元模型层(Meta-Model Layer)、元- 元模型层(Meta-Meta-Model Layer),这些建模层次由不同实例构成,定义了对应不同抽象层面的业务对象或数据对象的描述元素。

    产品全生命周期信息元模型分析与表达

    1 产品全生命周期的信息模型

    产品的信息模型是对产品的形状、功能、技术、制造和管理等信息的抽象理解和表示。在并行工程中,统一的产品信息表达和交换式是并行设计的基础。产品全生命周期的信息模型是对产品全生命周期研制过程中的信息进行形式化的描述,定义除了包含几何形状及拓扑信息、非几何信息等设计制造信息之外,还包括描述产品功能、逻辑、机电液压、仿真、结构、技术规范等更高层次的总体信息等。直升机全生命周期信息模型包括:客户需求模型、需求与论证模型、产品概念模型、产品功能模型、产品仿真模型、产品设计模型、产品试验模型、产品制造模型、产品工艺装配模型、产品验证模型、产品交付与确认模型、产品采购模型、产品运行模型、产品维护模型以及产品退役模型等,图1为按系统工程定义的产品全生命周期各阶段模型化的过程。

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    图1 系统工程定义下的直升机全生命周期信息模型

    统一产品模型连接产品不同生命周期阶段的数据、过程等企业资源,由于SysML、AADL、Modeica、ReF、OSC、SPICE等信息建模、数据建模、系统建模、系统仿真标准语言的出现,系统工程定义下的信息模型正逐步取代文档成为直升机研制沟通的主要手段,建立功能、逻辑模型后仿真再验证,模型本身成为过程管理的对象,进而实现全生命周期所管理的各专业领域模型的一致性、可追踪性、可验证性和关联性。

    BOM是研究产品数字化数据的产生、加工、拓延、控制和管理的重要组成部分。BOM中记录了用来描述产品研制信息及研制流程之间的转化关系,不同BOM 记录的不尽一致,但是它们都体现了产品全生命周期各阶段信息模型的重要特征,而这些特征都是关联的,如图2所示,制造BOM 产品结构中零部件对象与工程BOM(EBOM)相对应,由于装配关系描述不统一,需要根据EBOM 产品结构树重构MBOM产品结构树。实际上,EBOM到MBOM 重构的过程中,产品设计模型与制造模型发生关联,设计制造的业务流程也发生了重构。同理,需求BOM(RBOM)、仿真BOM、试验BOM、工艺BOM(PBOM)、维护BOM(SBOM)与工程BOM 的相应对象具有一致性,基于BOM 重构的直升机产品全生命周期信息模型成为“基于模型”的研制范式能否从系统工程领域拓展到直升机产品全生命周期的重要转变。

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    图2 基于BOM重构的直升机产品全生命周期信息模型

责任编辑:张纯子
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