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航天液体动力产品数字化协同研制应用研究与实践

2023/12/18    来源:e-works    作者:王雪纯  牛文行  张晓晴  庄宿国      
关键字:产品数字化协同  BOM主线  数据管理  航天液体动力产品  
本文主要介绍航天液体动力产品的研制特点,研究形成了具备“四全六化”特征的产品数字化协同研制体系,并在数字化转型的牵引下,进行BOM主线及数据管理、质量特性及数据包贯通、一体化技术状态控制等关键技术研究,梳理优化业务流程,开展一体化平台的建设与实践。
1 前言

       航天液体动力产品研制是一项集研究、设计、生产、试验于一体的复杂系统工程,随着航天高密度发射,用户方对液体动力产品研制质量和交付周期的要求不断提升,转变传统的、线性的科研生产模式,构建以模型为核心的数字化研制体系,以数据驱动业务流程重塑,从产品的全生命周期对数据进行模型化、结构化、参数化组织,实现科研生产模式的数字化转型升级,成为企业高质量、高效率、高效益发展的必然途径。

       航天推进技术研究院承担着运载火箭主动力系统、姿轨控动力系统及空间飞行器推进系统等多类型液体动力产品的研制任务,研究院下属的设计所、制造厂和试验所分别作为液体动力产品设计、生产、试验业务的承研单位,通过上下游、跨单位串行研制的方式实现产品科研生产的组织管理。在新形势、新任务的要求下,当前的协同研制模式对产品研发效率、交付能力与产品质量管理提出了极大的挑战。液体动力产品研制的技术难度高、专业跨度大,研制迭代周期长,多任务并举的研制现状与高强密度发射任务之间的资源矛盾日益显现,产品交付压力明显增大,高产量下的技术状态稳定性缺乏有效的控制手段,质量数据尚难以高效率按需汇集、自动化整编,距离全数字化交付仍有一定差距;同时,产品研制相关的应用系统分别建设在各承研单位,基础资源不统一,业务流程尚未完全贯通,数据分散在异构系统内,集成、升级及扩展的成本高,易用性差,缺乏从型号全局出发的统一存储、组织和一体化技术状态管理模式,跨地域、跨组织协同能力和精细化管理能力有所不足,尚未建立架构完整、流程牵引、标准统一的数字化研发体系。

       根据当前面临的主要业务挑战与信息化建设方面的问题,本文结合液体动力产品的研制特点,对数字化协同研制体系开展分析研究,明确了以多BOM主线为核心开展数字化研制能力建设的技术实现路径,探索以模型为核心的设计、生产、试验并行敏捷迭代一体化协同研制模式,以统一数据源贯穿工程研制全流程,拓展产品质量保证数据贯通和数字化产品交付等能力,以推动科研生产全要素闭环管控,提高产品研制及交付效率,提升数字化研制能力。

2 产品数字化协同研制体系    

       数字化技术能够促进组织间产品协同研制模式的转型升级,形成兼具研制成本和研制效率优势的连接方式[1],现有研究从知识流动方向[2]、合作方式[3]、协同导向[4]等方面对协同创新模式进行了解析,为液体动力产品的数字化协同研制体系研究提供了一定参考。面向液体动力产品当前研制周期短、质量要求高、协同难度大等研制特点,需要通过规范化管理,实现由传统研制模式向先进的数字化研制方式转变,基于模型的系统工程思想、方法、工具和手段,提升产品研制的系统性和完备性,提高过程精细化管理水平和研制效率,统一策划构建产品数字化协同研制体系,形成先进的航天液体动力产品的研制管理能力。

       2.1 总体特征

       根据液体动力产品的研制流程及特点,产品数字化协同研制体系需面向全生命周期、全研制流程、全生产要素、全产业链路,实现需求生成“正向化”、整体架构“统一化”、产品设计“智能化”、产品实现“自动化”、发射运行“无人化”、研制管理“精细化”,从而提升产品研制的正向论证能力、信息交互认知能力、数据自动回溯能力、流程协同和资源响应能力、故障诊断及预测能力、流程数据贯通及管控能力,最终形成具有“四全六化”特征的数字化协同研制体系。

       2.2 核心内容

       面向航天液体动力产品工程研制,创新模式,优化流程,构建多型号产品、全生命周期、跨地域、跨组织的数字化协同研制环境,形成模型驱动的全数字主线,实现基于单一数据源的产品数据完整传递与管理,对接各承研单位的执行流程,上下一体、横向贯通。在此基础上,进一步实现以策划驱动的产品保证闭环、产品数据贯通为基础的数据包生成及交付,以及标准接口驱动的产业链协同,形成数字化、一体化、并行化、精细化、透明化的产品科研生产及质量管理的新模式。

3 数字化协同研制技术研究与实践    

       在液体动力产品数字化协同研制体系的牵引下,首先需解决在基础共性领域中产品研制数据分散和流程贯通的问题,进一步建立模型、数据与流程、组织之间的关系,从而实现产品研制在设计、生产、试验等各类业务领域间的高效协同和产品全生命周期精细化管理。

       PLM(Product Lifecycle Management,产品生命周期管理)理念中涵盖了产品数据的产生、产品数据与流程的管理、产品数据与流程的知识重用等重要信息,同时依托网络和信息化功能充分发挥产品创新、协同工作和应用集成作用[5]。BOM(Bill of Material,物料清单)在信息系统中可用于识别产品结构及数据文件,以BOM为核心的数字主线可视作系统架构模型的中枢,创建端到端的系统模型,其通过提供质量保证、可重复性和高水平过程控制所需的数据,可以实现更智能的敏捷制造[6]。针对液体动力产品的研制特点和现状问题,本文基于PLM理念开展了数字化协同研制手段的研究与实践,应用开发了产品数字工程研制一体化平台(以下简称一体化平台),并以平台为依托,构建了适用于液体动力产品的多BOM管理体系,实现了数据、人员、流程的集成与协同,通过一体化的流程及数据管理方式,简化了从研发设计到制造生产再到试验验证的过程,提高了研制协同以及质量管理效率。

       3.1 总体框架

       围绕当前液体动力产品研制交付的瓶颈环节,本着关键问题优先解决的原则,兼顾夯实数据治理基础以及系统功能架构拓展的可持续性,确定了一体化平台的建设框架主要包括BOM主线及数据管理、质量特性及数据包贯通、一体化技术状态控制三个方面。

       BOM主线及数据管理:以BOM为主线,规范化液体动力产品多构型状态,对设计数据、工艺数据、生产数据、试验数据进行规范化组织和统一管理。重点解决产品的BOM管理体系不完整不规范、协同流程未打通、产品数据分散的问题。

       质量特性及数据包贯通:实现三类关键特性、设计特性以及产品数据包的上下游贯通,辅助数据包快速构建。重点解决产品在设计端特性定义及数据包要求与工艺/生产端的质量记实不匹配的问题,辅助产品数据包快速生成。

       一体化技术状态控制:贯彻最新标准规范及产品保证要求,实现技术状态更改、偏离许可、产品配置等业务的一体化管理。重点解决产品技术状态管理与标准规范要求不符、数字化管控手段缺失等问题,实现更改、偏离、配置等业务的透明化、一体化贯彻。

数字化协同研制技术研究总体框架

图1 数字化协同研制技术研究总体框架

       3.2 关键技术

       3.2.1 BOM主线及数据管理技术

       BOM主线及数据管理技术主要基于典型型号的研制规律,研究构建包含设计(EBOM)、工艺(PBOM)、制造(MBOM)、实作(BBOM)、试验(TBOM)等要素的BOM主线,面向同一对象模型建立不同BOM之间的匹配关联和追溯关系,在不同研制环节依托对应BOM建立数据管理准则,解决液体动力产品跨域数据的规范化组织、共享和协同管理等难题,实现基于模型的一体化并行协同研制。

       EBOM集合产品各级设计信息,规范化产品的构型定义、层级定义及多状态管理,集成CAD设计工具开展基于MBD的设计,关联和组织产品设计数据(模型、图纸、技术文件、质量特性等),实现跨厂所协同会签及设计数据的自动发放;PBOM基于EBOM重构获得,按零部件类型批量转视图并自动构建初始PBOM,可新增工艺件并调整PBOM结构,维护PBOM视图下的零部件属性及工艺路线,支持维护零部件材料定额;MBOM基于工艺路线创建并关联工艺规程,工艺规程、工序、工步形成工艺规程结构树,关联NC程序、工艺附图、作业指导书、工艺状态表等文件类数据,在PBOM中选择并关联相关产品,在工艺资源库中选择并关联工艺资源,同时支持工艺参数的结构化定义和质量记实要求的关联管理;BBOM基于自底向上的生产装配路径构建记实数据归集模式,基于BBOM形成包含管理类记实数据、生产数据、技术状态数据、外部数据、生产资源数据的完整记实数据集,可为设计验收、质量复查等业务活动提供数字化依据;TBOM基于在EBOM识别为试验件的零部件转视图获得,按试验项下达具体试验任务,基于试验实例归集管理试验数据,对试验测点、原始数据、整编数据进行结构化规范管理,实现在线结构化浏览及专业分析工具集成,形成以试验任务驱动业务流程的试验管理模式。

液体动力产品BOM主线

图2 液体动力产品BOM主线

       3.2.2 质量特性及数据包贯通技术

       质量特性及数据包贯通技术主要基于BOM主线对质量特性及记实要求进行结构化定义,建立特性模型的关联机制,并依据相关研制要求和标准规范,构建特性模型在不同BOM之间以及各集成系统之间的存储规则和数据逻辑,记实数据可随生产过程快速收集,形成特性定义、质量参数记实要求、记实要求工艺分配、生产记实及反馈的闭环框架,实现质量参数的结构化、数字化、关联化、规范化定义管理;同时,基于BBOM构建质量数据自动归集逻辑,辅助质量数据包自动生成及管理。

质量特性及数据包贯通示例

图3 质量特性及数据包贯通示例

       3.2.3 一体化技术状态控制技术

       一体化技术状态控制技术聚焦于液体动力产品研制过程中的技术状态控制及管理活动,基于BOM主线,确定技术状态管理的业务模式及规则。参照相关管理标准,面向技术状态管理要素,研究制定一体化的设计/工艺更改方式和更改贯彻落实流程,保证模型对象更改的贯彻落实闭环;以最新受控BOM为基准,对偏离数据进行规范化标识及结构化管理,实现设计偏离、工艺偏离、临时工艺的贯彻落实闭环控制;其次,基线为设计、工艺、生产、试验的技术状态控制基准,基线管控需根据BOM类型设置对应状态基线,并对基线所包含的控制对象、控制流程和责任团队进行清晰化定义,提供基线分类管理、基线数据投放/合并、基线流程管理等功能,支持基线数据的统计及报表输出。另外,根据液体动力产品交付按照特定批/台进行组合件、单机、飞行状态等多层级配置的业务特点,开展产品配置业务模式研究,基于EBOM进行结构化产品配置,建立产品配置规则及协同流程,显性化产品配置过程,明确特定用途下的产品配套及其技术状态信息,为设计优化、质量复查等提供准确配置数据。

一体化技术状态控制模式

图4 一体化技术状态控制模式

       3.3 应用实践

       3.3.1 转型创新

       液体动力产品的数字化协同研制技术应用涉及全流程科研生产体系、标准规范贯彻、跨单位业务协同等方面,在实践过程中,建立业务负责制下的数据和流程管理责任体系,以问题为导向开展各类研制业务管理流程和数据的梳理优化,打破了组织障碍,推动了模式变革;构建柔性开放式架构,建设自主可控平台,支撑了数字化转型的可持续发展;重塑数字环境下对数据的管理要求,构建基于BOM主线的标准规范体系,为数据治理夯实了基础;探索数字化转型的技术实施路径,规划引领,持续迭代数字化协同研制体系,有效提升了产品研制质量与交付能力,助力企业实现“三高”发展。

       3.3.2 应用效果

       为构建产品数字化协同研制关键能力,基于上述技术手段,应用开发了以多BOM管理体系为核心的一体化平台,建立了资源中心、文档中心、设计中心、工艺中心、试验中心、质量中心、技术状态管理、实物部件等8个工业APP,形成了设计、工艺、制造、试验一体融合的科研生产模式,开展了典型型号的统一数据模型建设,构建了标准化协同流程和数据体系,已形成了上万个BOM节点,统一了200余个数据模型,并制定了一系列数字化标准,保证产品数据的规范化管理和单一数据源,质量管理及技术状态控制手段明显加强,逐步建立了业务闭环管控能力,有效提升了产品协同研制效率。

       后续,基于一体化平台,将不断拓展跨单位研制协同场景,扩大型号应用范围,健全多BOM管理体系,保障产品保证管理业务的数字化贯通,逐步实现基于模型的一体化并行协同研制,构建涵盖研制和管理要素的数字化业务运营生态,持续支撑载人月球探测、深空探测等重大航天工程任务。

4 结论

       本文主要介绍航天液体动力产品的研制特点,研究形成了具备“四全六化”特征的产品数字化协同研制体系,并在数字化转型的牵引下,进行BOM主线及数据管理、质量特性及数据包贯通、一体化技术状态控制等关键技术研究,梳理优化业务流程,开展一体化平台的建设与实践。

       基于一体化平台,首次建立多BOM管理体系,形成贯通跨单位数据和流程的一体化管理模式,解决了液体动力产品多源异构数据的难题,实现了产品全流程、全数据的贯通;建立“多BOM-质量特性-记实要求-记实数据”的质量特性管理模式,形成特性模型的匹配关联机制,实现了特性数据的快速追溯和质量数据包的自动归集;构建一体化的技术状态管理模式,实现了产品更改、偏离、配置等技术状态管理业务的全生命周期追溯。基于型号产品的数据组织架构,转变了承研单位原有烟囱式系统单点集成的技术路线,从管理机制和软件逻辑上保证了设计、生产、试验数据的一致性,实现了研制业务流程的显性化、透明化,将全级次型号研制和管理队伍纳入统一的协同研制环境,提高了产品研制过程的透明度,为实现型号科研生产穿透式管理奠定了良好的基础,进一步支撑液体动力产品数字化协同研制体系和精细化管理举措的落地。

参考文献

       [1] 朱书昕,许成磊,陈童婕,等. 科技型中小企业的数字化研发协同模式研究[J]. 科技与经济,2023,36(4):21-25.
       [2] BENHAYOUN L,DAIN M,CARINE A L, et al. SMEs embedded in collaborative innovation networks: how to measure their absorptive capacity? [J]. Technological Forecasting and Social Change,2020,159:120-136.
       [3] 张艺,许治,朱桂龙. 协同创新的内涵、层次与框架[J]. 科技进步与对策,2018(18):20-28.
       [4] 陶权. 制造业开放式科技创新模式的灰色关联分析[J]. 科技管理研究,2020(6):7-14.
       [5] 景晓东,赵栋,艾艳,等. 基于PLM的核电设备三维协同设计平台应用研究[J]. 核工业勘察设计,2015(3):47-54.
       [6] 刘亚威.数字线索提升航空产品寿命周期决策能力[A]. 2017年(第三届)中国航空科学技术大会论文集[C]. 北京:2017.
责任编辑:程玥
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