面向飛機的武器裝備采辦項目的分布式產品描述信息研究

李偉 梅中義

( 北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191)

0 引言

隨著數字化設計與制造技術在航空工業的廣泛應用，航空產品在實施采辦項目過程中使用了多種先進設計方法，如產品仿真、并行協同設計、異地協同、數據共享等研制模式，通過集成項目管理方法，對航空裝備采辦項目過程進行質量管理、保障管理、試驗與評價及生產管理，并將研制風險，研制成本、研制進度等關鍵因素集成到整個采辦項目過程中［1］。

航空武器裝備采辦項目管理系統主要包括分布式產品描述、DoD/工業部門資源中心、協同環境和數據轉換格式DIFs 四部分［2］。其中，面向采辦項目的飛機統一分布式產品描述是虛擬采辦項目應用技術研究內容中的一項關鍵技術，通過研究分布式產品信息的統一描述方法以及面向不同采辦項目角色的分布式產品信息傳遞，為通過Web 互連技術實現航空武器裝備采辦項目過程中的分布式產品信息集成與管理提供依據。

1 分布式產品描述信息構成

基于飛機的分布式產品描述 (Distributed Product Description，DPD)是以飛機產品為中心的信息集，包含了飛機研制和開發過程中的各類相關信息，如產品數據、工作流、人員、權限、資源、設計信息等。DPD 主要由產品數據、產品模型和過程模型三部分組成，此外還包括其他與產品相關的重要信息，例如審核、驗證與確認VV＆A 狀態。

1.1 產品數據

產品數據給出了飛機在各個研制階段的屬性值，包括需求分析數據、項目管理數據、工程制造數據以及測試數據等。需求分析數據主要包括飛機級需求文件和系統級需求文件，如系統規范、飛機技術通用規范文檔、系統接口控制文件等，這些數據主要是以非結構化的文檔形式存在的。項目管理數據主要包括進度、成本、風險、質量及文檔管理數據，這些數據主要是以結構化數據的形式存在于項目管理系統中的。工程制造數據產生于協同設計制造平臺，主要包括結構化的設計信息數據和制造信息數據，還包括三維CAD 模型、CAE 分析模型等，隨著MBD 技術的發展，這些設計規范、工藝規范等非結構數據信息均集成在三維模型上，形成了統一的MBD 數據集模型［3］。測試數據主要由試驗數據和仿真數據兩部分組成，這些數據主要以非結構化的文檔形式保存，包括試驗任務書、試驗大綱及試驗報告等。

1.2 產品模型

產品模型是對飛機產品行為和性能的一種權威表達，包括功能模型、結構模型和行為模型等。飛機的功能模型是指在飛機設計需求的基礎上，為解決飛機設計研制問題所提出的系統功能需求，并按照“飛機級-系統級-設備級”需求分解思想對飛機的功能逐級分解，且需要說明解決研制中哪一部分的設計需求以及各功能之間的關系［4］。飛機的結構模型是對飛機產品功能的物理定義，表達了實現功能特性的具體系統結構和機體結構，是功能分解和行為分析的依據。飛機的結構模型對應于飛機的產品分解結構(Product Breakdown Structure，PBS)，隨著飛機研制過程的進行，不同階段的PBS 發展成不同的物料清單(Bill Of Material，BOM)。飛機的行為模型是對飛機功能模型的識別，一個功能可以對應多個行為，反過來一個行為可以實現不同的功能。

1.3 過程模型

過程模型是對定義、開發、制造、使用和報廢一個產品所需的處理過程進行定義。在飛機研制過程中，過程模型確定了飛機研制階段所應生成的產品模型信息和其對應的數據信息，會對飛機的產品數據的流向和產品模型的演化進行有效管理。針對國內外武器裝備采辦項目及武器裝備研制流程，飛機產品的采辦項目過程模型主要包括:項目論證階段、方案論證階段、工程研制階段、生產與部署階段、使用與保障階段和退役與處理階段［5］。

2 分布式產品信息統一描述方法

航空武器裝備采辦項目主要由采辦項目方、研制方和項目管理方三類角色組成，這些不同角色可以構建不同的視圖模型。在不同的視圖模型中，采辦項目角色在所關注的產品信息不同，這些產品信息在不同的階段也具有不同的組織形式和具體內容。為了完整地表達不同角色關注的產品信息以及產品信息在不同階段的組織形式和內容，首先構建了分布式產品描述信息的多視圖模型，然后提出了基于時間維- 知識維- 邏輯維的分布式產品信息統一描述方法，最后分析了采辦項目各階段的產品信息的內容和形式。

2.1 分布式產品信息的多視圖模型

依據武器裝備采辦項目實施需要解決的重點問題，強調對整個采辦項目有宏觀把握的同時使各個采辦項目參與者可以關注特定的產品信息，主要從評價決策、產品技術研發和項目管理三個角度構建了由決策信息視圖、技術信息視圖和管理信息視圖三個視圖組成的多視圖模型，如圖1所示。

圖1 分布式產品描述信息的多視圖模型

2.1.1 決策信息視圖

決策視圖主要面向武器裝備采辦項目過程中的采辦項目方。在武器裝備采辦項目過程中，采辦項目方首先通過對武器裝備采辦項目過程中的產品性能和戰績指標等信息進行定義，利用綜合研討廳等功能模塊對產品性能和指標進行定量和定性的評價比較，為采辦項目方提供決策依據。然后通過對系統能力需求分析和作戰方案制訂，得到武器裝備的戰績指標和作戰性能，從而為武器裝備的研制制定目標，確定武器最終研制成功所應達到的技術要求。同時，要在里程碑階段設定考核的指標，指定所應該滿足的技術要求，推進研制方對采辦項目的順利實施。

2.1.2 技術信息視圖

技術信息視圖主要針對武器裝備采辦過程中的研發人員。在武器裝備采辦過程中，技術視圖用于指導研制方進行預定方案的研制實施。它提供了系統分析等功能，并定義了子系統和零部件的性能指標和設計參數，這些研制信息是武器裝備采辦項目管理過程中的考核指標。零部件或子系統的研制是否通過審核，將會以這些指標作為參考，為項目管理方提供用于決策的技術指標。在技術視圖中，研制方能夠根據采辦項目方的要求和研制方案對武器裝備開展設計、仿真驗證等工作，以滿足采辦項目要求。

2.1.3 管理信息視圖

管理視圖主要針對面向武器裝備采辦的項目管理人員，主要對武器裝備采辦項目的全生命周期的進度、成本、風險等信息進行管理。項目管理方通過管理視圖可以協調武器裝備采辦項目中的研制方和采辦項目方對設計方案和設計產品達成一致，最終實現武器裝備采辦項目的順利驗收。同時，通過按層次分階段逐級完成對PBSWBS 的映射，實現研制方的技術視圖向管理方的管理視圖轉變，確定研制產品的進度、費用和風險等指標是否符合設計標準，并將這些關鍵信息及時地反饋給決策者和研制人員，為采辦項目方和研制方人員提供決策支持。

2.2 基于時間維－邏輯維－知識維的分布式產品信息統一描述

采辦項目中不同角色關注的產品信息在采辦項目的不同階段具有不同的組織形式和具體內容，通過研究分布式產品信息中產品數據和產品模型在采辦項目過程模型中的不同表現形式，以產品數據中的需求分析數據、項目管理數據、成本數據、工程制造數據和測試數據等相關數據為武器裝備采辦項目的知識維，以產品模型中的功能模型、行為模型和結構模型為武器裝備采辦項目的邏輯維，以產品項目論證階段、方案論證階段、工程研制階段、生產與部署階段、使用與保障階段、退役與處理階段的武器裝備全壽命采辦項目流程為時間維，構建了基于時間-邏輯-知識(Time-Logic-Knowledge，T-L-K)的分布式產品信息統一描述模型，如圖2 所示。

2.2.1 T-L-K 模型中的時間維

基于T-L-K 的分布式產品信息統一描述模型將分布式產品信息中的過程模型作為全生命周期采辦項目的時間維。通過定義不同時間維度的項目任務來組織產品數據和產品模型在相應時間段的主要形式，將分布式產品信息的數據內容和產品模型進行分類和整理，確定其在相應時間維度中所對應產品信息的數據形式和表達方法。

圖2 基于T-K-L 的分布式產品信息描述方法

2.2.2 T-L-K 模型中的知識維

基于T-L-K 的分布式產品信息統一描述模型將分布式產品信息中的產品數據作為全生命周期采辦的知識維。以過程模型作為產品描述的時間維度，分析其在飛機全生命周期采辦過程中知識維度的產品數據，并對不同時間維度下的需求分析數據、項目管理數據、成本數據、工程制造數據和測試數據等知識信息進行歸類，確定其在飛機產品不同采辦階段中所對應的內容和表現形式。

2.2.3 T-L-K 模型中的邏輯維

基于T-L-K 的分布式產品信息統一描述模型，將分布式產品信息中的產品數據作為全生命周期采辦的邏輯維。將產品模型作為飛機產品設計的主要表現形式，體現了飛機在研制各個階段的過程信息與產品數據信息的邏輯關系，通過功能行為模型對產品功能任務的分解，以及結構模型對產品設計制造和仿真驗證的具象化表現，來梳理采辦項目各個階段中產品數據與過程模型之間的邏輯關系。

2.3 T-L-K 模型各階段數據內容與過程分析

采辦項目中不同角色關注的產品信息在T-LK 模型中不同時間維度都有不同的產品信息和數據形式，其數據與模型也來自于不同的信息知識環境和系統工具支持，在分布式產品信息統一描述過程中，詳細確定采辦項目全生命周期過程中各階段的產品數據內容和產品模型組織形式，構建武器裝備采辦項目中分布式產品信息統一描述的各時間維度所對應的產品數據與產品模型的關系表，如表1 所示。

表1 基于T-L-K 模型的產品分布式信息統一描述關系表

3 分布式產品描述信息的概念模型及模型框架

元數據是描述數據模型的數據，它可用于管理復雜的產品數據，實現產品數據的集成、交換、共享和查閱。為了實現分布式產品信息的管理與集成，先采用元數據建模，建立分布式產品統一描述方法的概念模型，然后基于多視圖模型，構建分布式產品統一描述方法的模型框架。

3.1 分布式產品信息統一描述的概念模型

采用元數據建立分布式產品信息的概念模型，如圖3 所示。該模型包括業務對象、聯系對象和數據對象。業務對象用來描述飛機產品的某個事物(零件/部件、項目、客戶等)或定義組織方面的信息，數據對象用來描述與采辦項目全生命周期過程相關數據的屬性和文件，包括元數據和數據文件。元數據主要用來描述數據文件的屬性及指明數據文件在計算機網絡存儲位置的指針，數據文件就是元數據指針所指的物理數據［6］。聯系對象通過業務對象存在的一些復雜關系(聚合、繼承、關聯、知識映射等)將業務元數據和數據模型在邏輯上集成為一個整體以及將飛機所有零部件和系統模型裝配成產品。

在基于飛機的采辦項目過程中，產品信息的存儲方式如圖3 所示。業務對象及數據對象這些結構化數據存儲在分布式數據庫中包括飛機結構構型信息、版本信息、更改信息、功能信息等。數據對象中物理數據這些非結構化數據存儲在文件系統中，這些非結構化數據包括研制規范、技術可行性報告、關鍵技術文檔、CAD 數模、CAE文件等，它們以PDF 文檔、Word 文檔、Excel 文檔、CAD 文件等形式存在。對于以PDF、Word、Excel 形式存在的文檔信息，主要將指向存儲位置的文件指針存儲在分布式數據庫中。這些三維模型以XML 形式集成存儲在分布式數據庫中的相關設計信息、制造信息和工藝信息中。

圖3 分布式產品信息的概念模型及存儲

3.2 分布式產品描述信息的模型框架

基于分布式產品信息的統一描述和元數據模型，從角色層、業務對象層、過程層、產品結構模型層和數據模型層五個方面，構建基于T-K-L 的分布式產品統一描述方法的模型框架，如圖4 所示。

對于研制方來說，業務對象包括飛機的系統、部件、組件、零件等，隨著采辦項目的進行，這些業務對象通過相應的約束關系形成對應階段的產品結構樹模型(設計BOM、制造BOM、工藝BOM 等)，并通過聯系對象使產品結構樹和數據模型在邏輯上成為一個整體。對于項目管理方，它包括工作包、項目、合同等，隨著采辦項目的進行，這些業務元數據通過相應的約束關系形成對應階段的項目WBS 和合同WBS，并通過聯系對象使WBS 和數據模型在邏輯上成為一個整體。對采辦項目方來說，主要是通過聯系對象使對應階段的產品結構樹模型(需求BOM、維修BOM、使用BOM 等)和數據模型在邏輯上成為一個整體。結合采辦項目的多視圖模型。對于采辦項目方，要監督和控制采辦項目過程的開展，根據里程碑是否達到規定的、確認的某一技術狀態來判斷是否進入下一階段，為產品結構樹的演化提供依據。

圖4 基于T-K-L 的分布式產品描述信息的模型框架

4 結語

本文主要對面向采辦項目的飛機統一分布式產品描述這一關鍵技術進行了深入研究。通過構建分布式產品描述信息的多視圖模型，建立基于時間-知識-邏輯的分布式產品信息的統一描述方法，有助于更清楚地了解不同角色所關注的產品信息和它們之間的聯系，以及采辦項目不同階段的產品數據內容和產品模型組織形式。最后，本文根據元數據技術構建分布式產品信息統一描述的概念模型和模型框架，不僅能夠有效地實現分布式產品信息的集成與管理，而且為構建面向采辦項目的飛機分布式產品信息集成與管理系統提供理論依據。

［1］ 何鳳平，劉祥靜. 美國武器裝備一體化產品開發模式研究［J］. 企業與管理，2012 (10):87-90.

［2］ Sun Yong，Han Liang，Li Ni. Research and Application of PLM in SBA ［J］. Journal of System Simulation，2008，20 (19):5166-5170.

［3］ 王紅雨，顧翠，敬石開. 統一MBD 數據集在產品全生命周期中的應用研究［J］. 制造業自動化，2013，35 (12):56-60.

［4］ 李承立. 需求驅動民機系統研制過程及構型數據結構［C］.沈陽:第六屆中國航空學會青年科技論壇，2014.

［5］ 田路彬，翟源景. 基于PLM 的裝備項目管理模式分析［J］.項目管理技術，2008 (1):35-38.

［6］ 顧巧祥，祁國寧，紀楊建等. 基于元數據的產品數據本體建模技術［J］ . 浙江大學學報，2007，41 (5):736-741. PMT