基于模型的航空制造企業架構

陶 劍

TAO Jian

（金航數碼科技有限責任公司，北京 100028）

0 引言

長期以來美、德等工業發達國家的制造業以信息技術創新應用為核心，運用系統工程方法論，采用基于模型的設計、制造、服務和管理等先進技術，以構建基于模型的企業為目標，不斷地促進開發模式轉型和企業架構重構，持續地提升復雜裝備產品的協同開發能力。隨著新一輪工業革命的到來，中航工業以德國工業4.0等為標桿，導入賽博-物理系統（Cyber-physical System，CPS）技術。引發虛擬產品生命周期與現實生產生命周期的集成，以及自優化、自重構、自診斷和對人的認知和智能支持等思想融合到航空制造企業的架構開發中，為構建信息技術和制造技術深度融合、支持高度柔性生產方式的智能制造企業提供示范指導。

圖1 航空制造企業總體架構

1 航空制造企業的總體架構

基于模型的航空制造企業是一種實體，如圖1所示，它以CPS為基礎，利用過程、產品和信息模型來定義、執行、控制和管理企業的全部業務；采用建模與仿真手段對需求、設計、制造、試驗、生產、服務的全部技術和業務流程進行徹底的改進、無縫的集成以及戰略的管理；使用科學的模擬與分析工具，對研發全生命周期的每一步工作進行綜合驗證和確認，以做出最佳決策；從根本上減少產品創新、開發、制造和支持的時間和成本。

1.1 系統工程中的架構方法

信息、網絡、自動化和嵌入式技術應用比例的不斷擴大，使得航空產品研制活動從單純組裝型向系統集成型轉變，并且產品不再由單一企業完成，而是依靠多個企業或企業聯盟共同實現。因此，航空產品研制不可避免地成為了系統工程，具有統一的系統概念也成為對現代航空制造企業最基本的要求。架構作為解決系統復雜性的通用方法，針對圍繞信息技術應用而構建的包含戰略、業務、信息技術等多元要素于一體的復雜企業/系統，必須使用架構的方法對其整體結構和相互關系，以及這些關系之間的變化規則進行多層面、多角度的構建和描述，以指導信息技術在復雜企業/系統內的實施，確保與企業業務戰略的一致。西門子公司在其工業4.0的戰略中，就是在統一業務流程、統一工業軟件和工業自動化的專業知識與技術的基礎上，利用網絡以及相關軟硬件設備工具，為產品研發和生產過程提供一個基于CPS的、高度柔性化、自動化和智能化的全球統一的數字化企業（工廠）架構。

1.2 架構開發中的模型技術

架構就是應用有效的開發方法，將企業戰略愿景和目標逐步落實為具體的行動與解決方案，形成業務能力，其中模型及其建模技術是復雜系統架構開發的重要手段。基于模型的系統工程（Model Based System Engineering，MBSE）能提供在產品/系統開發的全生命周期不同階段支持系統需求分析、功能分析、架構設計、產品驗證和綜合確認所需的模型和建模手段，以便確定系統需求、功能、表現和結構等要素之間的相關性。因此，在架構的開發過程中，需要應用MBSE逐步細化描繪出企業/系統的各個主要業務過程（需求工程、設計工程、制造工程、生產工程及IT在內的諸多相關要素），并將收集到的過程、產品和信息等模型轉變為下一步開發的基礎，以便構建更詳細的子系統或組件模型，上述模型及其相互間的關系對于架構開發（業務架構-IT架構-技術架構）過程的確認、驗證和跟蹤都具有非常重要的作用。

2 基于過程模型的業務架構

現代企業的核心價值鏈是業務過程，業務架構作為首先開展的架構活動，它以實現航空制造企業的業務戰略為目標，提供開展其他領域（應用、數據和技術）架構工作所必須的知識，形成貫徹企業戰略的業務運作模式，其中過程模型是企業/系統中執行任何過程的相關資源、信息、工具等要素的描述者和協調者。

2.1 工程領域的過程模型

航空產品的研制是應用于全生命周期的跨學科的復雜系統工程，特別強調通過工程實踐總結提煉過程模型，即通過對研制各個階段的活動詳細分析來描述環環相扣的業務過程，并得到涉及的技術方法、系統工具和工程經驗。航空航天領域通常采用圖2的“V”字模型來描述企業的業務過程，其中第1個V字模型代表傳統的業務過程，即先進行數字化虛擬設計，然后生產制造實際產品，最后開展物理試驗進行驗證的過程。第2個V字模型代表數字化的業務過程，即所有業務過程（需求工程、設計工程、制造工程，試驗工程、綜合確認）均在數字化虛擬環境下完成，確保投入實際生產后一次成功，該模型代表的就是西門子實施工業4.0所采用的先進的數字化和虛擬化的產品研制過程。由于基于IT應用的各類知識——經驗、規則、模型、標準和方法等需要長期的積累和集成，所以中航工業的數字化的試驗工程和綜合確認目前尚處于起步階段。

圖2 “V”字過程模型

2.2 管理領域的過程模型

過程模型另一個重點是管理領域，管理過程模型就是以實現管理的敏捷化、精細化和精益化為目標，通過業務過程的顯性化、結構化和標準化，達到對企業管理業務過程的建模、仿真、評估以及后續應用過程的執行、監控、交互和控制。并通過建模理解企業/系統的行為，通過仿真研究和預測企業系統的未來動態，為最終建造一種全新的企業管理方法和模式提供依據。為此，以西門子實施工業4.0中產品生命周期與生產生命周期的無縫集成為目標，將信息化與管理提升和企業再造緊密結合，一方面要運用需求、項目、構型及數據的管理思想，實現虛擬的產品生命周期業務過程中的工程需求、數據結構、配置功能和邏輯關系的全面管控。另一方面運用CPS及服務的管理理念，將現實的生產生命周期過程中獨立的產品、工具與關聯的服務相互連接，構成一個有機整體實現從原料進廠到產品出廠的生產過程自動化、裝備制造信息化和智能化、生產過程的透明化。

3 基于產品模型的IT架構

為了實現企業的戰略目標和業務架構，需要在過程模型的基礎上進行IT（數據和應用）架構開發，它將企業的業務實體抽象為信息對象-產品模型，進一步開展業務過程與系統/系統功能分析，明確系統間的信息交互關系，提升整個企業之間共享信息和服務的能力，實現從業務模式向信息模型的轉變。在這個階段不涉及具體的應用系統和技術，而是描述管理數據對象和支持業務功能的邏輯能力。

3.1 產品模型的形成

產品模型是研制信息的載體和數據架構的可視化展示，它是隨著對應用架構（系統功能及接口等）的細化分析而不斷被豐富和延拓，在需求工程中，通過用例、功能、時序、狀態、架構和接口等模型全面反映產品需求的屬性信息（性能、物理結構、功能結構、質量和可靠性等），確保不同角色的工程設計人員能快速準確理解、識別、定義、分析、確認、分配需求。然后依據確認的需求指標開展產品研制，建立產品的邏輯、幾何、功能、性能和關聯等模型，實現基于模型的數字化產品定義與關聯設計，在虛擬的數字世界中完成多學科優化、協同設計、優化分析、試驗仿真、制造仿真以及模擬產品的制造和運營過程。產品模型的形成，是航空制造企業推進網絡化、數字化、信息化、自動化、智能化等技術在產品全生命周期、企業全業務流程和產業全價值鏈的應用，提升研制數據跨地域/企業/系統的共享和傳遞能力，實現產品的虛擬、并行、協同的網絡化研制的必然結果。

3.2 產品模型的應用

數字化、網絡化協同研制模式下，產品模型主要是按照業務架構的要求，完成應用架構所規定的功能，具體分為三種情況。首先，在單一數據源的管理思想下，以工程產品模型為基礎，依次延拓出裝配產品模型、檢測產品模型、制造產品模型等數據，最終進入實際生產。也可利用設計的工程產品模型直接進行生產，如增材制造等。其次，利用虛擬仿真技術，以各類產品模型（功能、性能）為基礎，實現數字化虛擬試驗替代傳統的物理試驗，即依托試驗工具、系統及模型（知識）庫，完成產品功能性能驗證、極限工況試驗、故障模擬分析、工廠和生產線布局等活動，確保實際生產的順利進行。最后，經過仿真驗證的工程、裝配、檢測和制造模型結合生產現場的過程控制和自動化系統，通過產品模型實時獲得生產和采購計劃等信息，并由MES統一管理和下達生產計劃和工藝指令，實現對生產計劃調度、物料追蹤、數據采集、生產設備狀態監控、工位操作等生產運營全過程的優化整合。

4 基于信息模型的技術架構

技術架構是由IT架構驅動的、以技術和平臺為核心的，實現IT架構的底層技術基礎結構，涉及數據架構、應用架構和基礎設施等方面。如圖3所示，西門子公司在實施工業4.0時，使用自主的CAD、PLM、MES和全集成自動化（TIA）等軟件搭建CPS，實現解決方案、軟件技術、硬件技術、網絡技術、信息安全、標準體系等IT要素的集成，以支撐企業應用的運轉。

4.1 信息模型的類型

開放的、全球化協作的航空產品研制模式，需要構建一個高效、安全的統一協同和管理數字化環境，并組建與之相適應的協調機制，為各個層次研制業務活動提供解決方案和所需軟硬件、網絡等的技術支持，以滿足跨地域/多廠所數字化協同研制和項目、生產、供應鏈等的數字化管理業務的要求。當前，信息模型有同構和異構兩種類型，同構的信息模型是指實現業務活動功能的工業軟硬件均由同一代理商提供，特點是易于保證產品數據、業務過程和研發企業之間的集成與協同，缺點是從應用軟件工具到硬件服務器都由代理商控制，不能按照業務要求自主可控的開展平臺和環境的統一管理與建設。異構的信息模型是指實現業務活動功能的工業軟硬件由不同的代理商提供，特點是可以根據業務活動需求自主可控的選擇合適系統，缺點是易導致存在多種孤立不兼容的應用系統、大量異構平臺、無法轉換的數據格式等，造成信息交換和集成困難。

圖3 西門子公司實施工業4.0的技術架構（信息模型）

4.2 信息模型的發展

德國工業4.0的推出，使得智能制造成為現代先進制造業新的發展方向，智能制造的核心是CPS，其原理是將物聯網及服務引入制造業，建立起高度智能化的、自適應、自調整的柔性化的生產方式，從根本上改善工業過程。為使信息模型能夠支持航空制造業務的重大變革與高速發展。需要充分應用物聯網、云計算、社會性網絡服務（SNS）等新一代的信息技術，實現更加高效的協同創新；利用物聯網提高企業生產和物流自動化和智能化程度；利用云計算平臺有效解決數值模擬、虛擬仿真、工業設計等所需超大規模的計算能力問題；利用SNS達成與合作伙伴的高效協同、與客戶的敏捷響應；利用工程中間件提供的統一平臺和標準，既可以使得各工業軟件廠商兼容并存，又可在工程中間件之上開發自主業務系統。

5 結束語

中國航空工業經過多年的探索和發展，現已形成比較成熟的信息化體系，當前針對企業創造價值的方式與組織和管理的矛盾越來越突的問題，體現在戰略與執行的不一致、組織與業務相沖突、業務與IT分離等方面。中航工業從全局的角度審視與信息化相關的業務、信息、應用和技術間的相互關系以及這種關系對業務過程和功能的影響。全面導入架構方法，推動從業務架構（過程模型）統一規劃、IT架構（數據和應用模型）具體分析、技術架構（信息模型）有效支撐的整體性設計，以滿足未來航空制造業推動產品研制數字化和業務流程管理為核心的協同業務模型的變革需求，實現信息化與工業化的深度融合。

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