基于數字樣機的飛機研制項目監控技術

陳暢宇 于 勇 趙 罡

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191)

飛機研制是一個多階段、多層面銜接配合的工作過程［1－2］.每個階段包含1個或多個基線.在每一個階段中，按照協同并行設計的要求，由產品設計、工藝設計、工裝設計、產品制造、檢驗檢測等各領域共同完成設計迭代.在各階段任務執行過程中，項目管理(PM，Project Management)監控［3］將項目的實際進展和項目計劃結合起來，記錄項目的進展和變化，保證即時信息交流，為項目計劃的調整決策提供信息上的支持.相較于常規產品研制項目，飛機研制流程具有周期漫長、數據繁雜、并發事件多等特點.另外，飛機研制任務一般需要多家設計或制造單位之間的協作，涉及位置分散、變更頻繁的大規模數據，形成了一種復雜的信息環境.如何在該種信息環境下，為飛機研制任務的管理決策者高效地提供管理決策依據，并輔助其發現項目中潛在的風險和問題，一直是航空制造業重點研究的命題之一，也是面向航空制造領域的項目監控技術發展的一個主要目標.

根據上述飛機研制流程和信息環境特點，適用的項目監控方法應該包含下述功能:①實現大規模任務狀態的全局可視化;②支持可定制的任務信息多視圖展示;③便于大規模并發事件的情報掌握與快速處理;④提供處理事件所需的任務關聯信息并支持信息追溯;⑤便捷高效的人機交互方式.

在傳統的項目監控方法中，采用甘特圖、資源監控表、任務進展報告等方式統計任務執行狀況.將其與上述功能要求比較后可以發現如下缺點:①信息表達方式有限，局限于二維圖表或文字描述，要求用戶分配一定的理解與分析時間，在出現大規模事件并發時限制了用戶的信息處理效率;②反映的信息缺乏聯系，難以實現不同階段間的任務數據追溯，管理人員處理問題時的視角缺乏全局性;③缺乏按照工作領域、資源類型劃分的多層次直觀視圖，不便于快速分析任務關系與資源負載分布.

類似的缺點在建筑行業的建設項目管理領域中已經引起了關注［4］，在項目計劃過程中采用4D CAD系統［5］成為一種有效的問題解決途徑.該種系統將項目規劃和設計信息與CAD模型進行緊密結合，幫助項目管理人員更有效地掌握動態變化的項目信息.目前，4D CAD系統在建設項目管理領域的應用已經比較成熟，證明了模型可視化用于項目管理監控環節的可行性與價值.

針對前述缺點，并借鑒于模型可視化與項目監控相結合的成功經驗，本文在飛機研制項目監控中引入了數字樣機技術，其出發點在于:首先，三維空間中的幾何信息表達較二維圖表更加直觀;其次，數字樣機可以有效地體現飛機產品結構與飛機研制任務的緊密聯系.一方面，飛機研制任務一般按照產品結構進行工作結構分解.通過項目監控數字樣機建立零部件具體形象與工作結構間的聯系，有助于用戶對工作任務的快速識別與理解;另一方面，飛機數字樣機分級分階段的構建過程與飛機研制任務的階段劃分相互對應，其成熟度是項目進度的另一種體現;最后，由于數字樣機與產品數據管理(PDM，Product Data Management)系統存在緊密關系，為復雜的項目監控功能開發提供了便利.

在將數字樣機模型與項目任務進行結合并實現項目監控功能的過程中，首先需要保證數字樣機具有明確的創建規則與方法，并實現樣機幾何模型與任務節點的規則映射.然后在該映射基礎上實現項目任務進度、資源分配情況等任務詳細信息與樣機的綁定顯示，以及任務信息多階段、多視圖(不同資源相關性、不同系統功能相關性等)的展示.最后，良好的人機交互性能也是本方法重點考慮的因素.為了實現這些目標，本文首先研究了面向飛機研制的PDM/PM集成模型;然后基于該模型提出項目監控用數字樣機的創建方法;最后圍繞該方法的技術應用，對項目監控的可視化及交互方法進行了研究.該技術在工程實際中得到成功應用.

1 面向飛機研制的PDM/PM集成模型

數字樣機(DMU，Digital Mockup)是對產品的真實化、集成化的虛擬仿真，用于工程設計、干涉檢查、機構仿真、產品拆裝、加工制造和維護檢測等模擬環境［6－7］.飛機數字樣機的生成與飛機的研制項目規劃、過程控制手段、數據管理方式等息息相關，劃分為全機樣機、結構樣機、系統樣機、分區樣機、專用樣機等類型［8］.本文提出的項目監控用數據樣機屬于專用數字樣機.隨著飛機研制過程中方案設計、初步設計和詳細設計的完成，逐步產生一級、二級和三級數字樣機.作為一種任務交付物，數字樣機的生成與存儲既屬于產品數據管理的范疇，又與項目管理的任務結構分解密切相關.可以將數字樣機視為在PM與PDM之間的一種橋梁.為了實現基于數字樣機的項目監控系統，必須對其所處的PM與PDM的集成環境作出清晰的描述，并在該種環境中實現PM系統對PDM系統的數據管理與工作流功能的有效調用.

在PDM與PM的集成理論方面，一些學者已經開展了卓有成效的工作.萬立等［9］解釋了將PM與PDM進行集成的必要性，并提出了一種PDM中面向產品開發全過程的項目組織模型.其主要思路為按階段將項目劃分為不同子任務，在相鄰階段間設置評估過程;對子任務繼續進行逐級分解時，保證分解出的子活動能夠描述父活動的一項完整的單元功能.何恒等［10］則從產品結構分解角度建立項目任務與產品結構模型間的對應關系，認為復雜產品的研制項目管理實質上可以作為一種系統工程，并建立了一種三級劃分的工作分解結構(WBS，Work Breakdown Structure).3個級別由高至低依次為:基于產品的工作分解結構(PWBS，Product-based WBS)，基于交付物的工作分解結構(DWBS，Delivery-based WBS)，基于項目活動分解的工作分解結構(AWBS，Activity-based WBS).在此基礎上，何苗等［11］提出了產品結構分解(PBS，Product Breakdown Structure)與WBS間的關系映射，通過交付物實現了PBS節點與WBS單元項的關聯.實際應用方面，空客在產品(A380，A350及后續機型)研發過程中全面引入了 cDMU(configured DMU)概念［12］，以對產品結構的分解為線索組織和協調全球化的協同研發.在現有軟件系統中，PTC公司的Windchill和達索公司的V6系列等主流軟件都提供了與PDM相關聯的PM集成方案.

綜合上述觀點和成果，本文認為何恒等［10］提出的“PWBS-DWBS-AWBS”模式符合對飛機研制項目活動的分解與執行應用現狀的描述，并有利于在數字樣機與多級別的任務之間建立映射.為了便于對本文方法進行闡述，本文對該模式進行了簡化，依然沿用“PWBS”，“DWBS”，“AWBS”這 3個標記.在該模式中，可以劃分出在產品研制的不同階段、不同模塊或系統進行的、不同層面或領域的任務，其基本組織形式如圖1所示.

圖1 研制項目管理模型

每一個階段均按照產品結構或系統功能對飛機研制項目進行多級別分解，分解的功能單元對應于研制的子活動單元(PWBS);該種PWBS單元分解為多個領域類別的多層任務單元(DWBS);在每個DWBS單元中，由AWBS單元驅動工作流實現對交付物的操作與提交.這3種單元可以分別記為式(1)～式(3).

其中，UP表示PWBS單元(后文以uP表示UP的一個實例);M為PWBS單元各工作領域d的樣機模型的集合(設包含若干個工作領域的集合為D=g0gggggg)，將特定的PWBS單元uP在工作領域d下對應的M記為M(uP，d);P為研制階段，將特定階段p下的UP記為UP(p);RP為UP間的關系集合;U'D為UP所對應的DWBS單元集合，將uP對應的U'D記為U'D(uP);AP為UP的其他屬性集合.

其中，UD表示DWBS單元;RD為DWBS單元間的關系集合;L為UD對應的交付物集合，UD的交付物記為L(UD);U'A為UD所對應的AWBS單元集合;D為UD所屬的工作領域d的集合，D=g0gggggg，將特定工作領域d對應的UD記為UD(d);AD為UD的其他屬性集合.

其中，UA表示AWBS單元;RA為AWBS單元間的關系集合;C為UA對應的執行流程;AA為UA的其他屬性集合.

在飛機研制過程中，基線是研制階段劃分的依據，基線必須對產品結構或系統功能的研制目標提出明確要求，以便于進行PWBS層與DWBS層的分解.PWBS按產品結構分解方式進行分解.隨著研制項目的推進，后續階段在前面階段劃分的基礎上進行細化和補充.雖然PWBS單元在后續研制階段可以被沿用，但針對PWBS單元所執行的研制任務并不相同，故不同階段中的相同PWBS單元所含的DWBS不同.AWBS單元根據DWBS的交付物類別調用或創建工作流模板，按模板規則管理任務執行過程.

上述方法使用PWBS單元指明了項目計劃與產品結構或功能系統的對應關系，建立了項目任務與PDM系統管理的產品結構間的關系，形成了PDM系統與PM系統共同協調管理的數據環境.同時，DWBS單元與PWBS單元之間的附屬關系使所有交付物都可以與產品結構或功能系統相對應，為面向項目監控的專用數字樣機理論的提出創造了數據關系基礎.

2 項目監控專用數字樣機創建方法

數字樣機包括所有研制任務成果在三維虛擬空間中的仿真，如外形、物理特性、空間關系、運動控制邏輯等.相對于運動仿真、干涉檢查等應用，面向項目監控的數字樣機包含的內容較為簡單，僅需要能指明與PWBS單元對應關系的外形數據.該類外形數據來自于與幾何設計相關的研制活動.

本文將以樣機模型作為交付物的DWBS單元定義為項目監控用數字樣機的可視化支撐單元，記為

圖2 數字樣機創建流程

圖3 不同工作領域的數字樣機結構示例

在實際項目推進過程中，數字樣機的生成是一個動態過程，當所有子PWBS單元的均執行完畢后，才能完成M(UP)的創建.在階段pi中，由于M(uP(pi))是)的交付物，無法在)執行過程中提前給出.所以，應該采用M(uP(pi－1))作為階段pi開始時的數字樣機，用于標示pi中的uP(pi)DWBS進展情況(項目開始時，可以采用圖片或簡化概念模型作為數字樣機模型的替代物).隨著的完成，逐步對M(uP(pi))進行更新.以方案設計階段p為例，在達到結構布局基線以前，只能采用沒有分離面的概念樣機的外形數據作為M(uP(p));在劃分結構分離面和工藝分離面的各級UD執行過后，會逐步形成結構布局數字樣機，對M(uP(p))進行替換升級，逐步采用由分離面定義的外形數據展示.

3 項目信息綁定及多視圖監控

利用M(UP(P))與UP(P)的對應關系，可以從數字樣機直接查詢到以對應PWBS單元為根節點的PWBS單元樹，以及所有依附于各樹節點的DWBS單元樹.通過對這些DWBS單元的屬性信息進行抽取與分析加工，有利于管理人員對資源進行有效、合理的調度與分配.

通過M(UP(P)，D)與UP(P)及 UD(D)之間的關系，可以標示不同PWBS單元在階段、空間、層次方面的關系，從產品結構視角快速鎖定相關的任務活動，并按照工作領域劃分查看不同領域的任務情況，實現了飛機研制過程中各階段的統一管理.結合任務本身具有的豐富屬性，項目監控用數字樣機允許對項目信息按如下方式進行多角度地觀察:①指定研制階段，查看相關的項目信息;②指定PWBS單元，查看其在全生命周期中的項目信息;③指定工作領域，查看與該領域相關的項目信息.如圖4所示，虛線為被選擇的元素.用戶查看了階段P(A)下的PWBS根節點在工作領域d3下的M(uP(P(A))，d3).以該DMU為基點，可以查詢PWBS在該工作領域下的DWBS樹，進而可以查看各任務的詳細信息和進展情況.用戶也可以在不同階段與工作領域的M(uP(P))間進行快速切換.

圖4 數字樣機與任務信息的綁定示例

4 數字樣機雙層模型載入策略

數字樣機模型來自于專業設計軟件的精確建模，將參數化的實體模型轉換為表面模型后，如果維持原有模型精度，全機模型將變得非常巨大.故按照行業標準建議，數字樣機在應用時應該經過一定程度的簡化［8］.G.Sun［13］認為數字樣機的可視化系統應該在符合應用精度需求的前提下能夠載入所有需要的模型，并且具備好的顯示性能與效果.除了進行模型面片的簡化，在可視化階段還可以采用細節層次(LOD，Level of Detail)的實時自適應繪制、模型分割、可見性剔除、動態存儲調度、光線跟蹤等技術提高系統的顯示效果和性能［14］.

相對于其他數字樣機應用系統的需求，使用面向項目監控的數字樣機時，樣機模型僅僅作為任務活動的標示物，對模型可視化的精度要求很低，僅要求保證模型的外觀不會使用戶在辨別PWBS時產生歧義.在使用過程中，用戶需要在不同階段、不同層次的M(UP(P))間進行切換，要求系統實現對模型的批量載入和可視化.除了前述的可視化優化手段，為了減輕顯示設備的運算負擔，本文提出了M(UP(P))展開時的雙層模型載入策略，如圖5所示.

圖5 雙層模型載入策略

該策略中，為每一個DMU預定一個低精度模型.所謂低精度，是指僅維持該樣機輪廓外觀的精度，剔除所有細節性的內容，以及被遮擋的不可見部分.設M(uP(p))在DMU樹中為非葉節點.當用戶觀看uP(p)的內容時，由M(uP(p))的子級的低精度模型組成當前的DMU模型.當焦點轉換為其中一個子級DMU時，系統首先將卸載當前場景中的模型，然后，如果該子級DMU為非葉節點，則重復低精度載入的模式，載入該子級DMU所有子級的低精度模型;如果該子級DMU已經是葉節點，則載入精度較高、適于顯示的模型.

基于如上可視化策略，提出以數字樣機模型為對象的基本界面交互功能:①圍繞模型進行的視角平移、旋轉與縮放;②對模型的選擇和拾取;③在DMU樹中的漫游.

5 飛機研制項目監控原型系統

為了驗證本文理論的可行性，設計并實現了功能較為簡單的原型系統.如圖6所示，該原型包括PDM系統、PM系統、監控服務器、監控客戶端、協同工具服務器等部分.其中，PDM系統采用的是PTC公司的Windchill PDMLink.監控服務器根據PDM/PM集成模型的定義從PDM與PM系統中抽取數據;在客戶端利用封裝了 WebGL的three.js庫和ExtJS庫生成項目信息監控頁面;協同工具軟件選擇了思科公司的WebEX，提供了遠程協同常用的短消息、視頻會議、電子白板、遠程桌面等功能.原型采用B/S架構，支持PDM，PM及DMU數據層服務器的靈活部署.

圖6 原型系統結構及界面示例

該原型實踐了數字樣機的雙層模型動態載入與可視化;實現了第4節中所述的交互功能;允許用戶通過樣機模型查看相關的項目任務信息;利用樣機模型的顏色標示任務進展狀況;用戶可以通過樣機模型快速定位任務相關角色并利用協同工具發起遠程協同討論.

6 結論

本文針對飛機研制項目監控需求，通過對PDM/PM集成模型的研究，建立了項目任務與DMU模型間的關系模型.基于該關系模型，提出了一種使用數字樣機輔助進行項目監控的方法，并研究了相關的可視化與交互技術.通過原型系統對理論進行了成功實踐.面向飛機研制項目監控的數字樣機使項目管理人員能夠全局性地、多角度地、沉浸式地漫游于項目信息中.

本文工作雖然完成了簡單的原型系統，但仍然需要在如下幾個方面進一步開展工作:①雖然“PWBS-DWBS-AWBS”模式符合對飛機研制項目活動的描述，但在諸如MS Project這樣的通用項目管理軟件中并沒有提供與產品結構分解對應的任務分解功能，只能人工進行工作結構分解與產品結構分解間的映射，故需要進一步研究自動化實現該種映射的方法;②本文實現的原型系統，其人機交互形式仍然以傳統的WIMP(Windows，I-cons，Mouse，Pointer)為主，限制了用戶與項目信息之間的交互效率.可以考慮結合人機自然交互界面和虛擬現實交互設備進行研究，使面向海量數據的項目監控能夠真正受益于三維用戶界面環境，提高系統的易用性與使用效率;③由于飛機零部件形狀與尺寸差異較大，可能導致同一層級對應的數字樣機可視化尺寸差異過大，需要進一步研究用于輔助的信息提示與模型交互方法.另外，對于隨著監控需求而出現的大規模的、結構化的、非幾何的信息，其可視化方法也應該作為進一步研究的重點.

隨著信息可視化與人機交互技術的進一步發展，數字樣機在項目監控中的應用途徑必將得到進一步發展.

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