面向全生命周期的飛機產品數據架構技術

周永， 羅小琦， 李榮強， 熊青岳

中航工業成都飛機設計研究所, 成都　610091

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面向全生命周期的飛機產品數據架構技術

周永*， 羅小琦， 李榮強， 熊青岳

中航工業成都飛機設計研究所, 成都610091

摘要:為增強產品數據管理能力，提升飛機研發效率和質量，基于構型控制技術和飛機產品數據管理的多年實踐，提出了飛機統一產品數據架構(UA-PDA)概念，并依據飛機研制生命周期過程對UA-PDA的分類、組成以及相互之間的關系進行了定義和描述，對架構管理技術和方法也進行了探討；此項技術研究對于復雜產品研制構建統一產品數據模型，實施產品研制和服務全過程的數據協同和構型控制，具有十分重要的意義。

關鍵詞:產品生命周期管理； 數據架構； 功能架構； 構型控制； 工程協同

近年來，隨著復雜產品的產品數據管理和產品生命周期管理(PDM/PLM)技術的應用發展，產品研發過程中不同階段、不同功能的產品數據構成及其相互關系成為了應用研究熱點。

在飛機或其他復雜系統的研制過程中，將產生多種類型、數量巨大的設計、生產、管理和保障數據[1]。這些數據可以按照功能分解、空間結構裝配關系等多個維度進行組織，并且在產品整個生命周期中不斷地生成[2]，它們往往相互依賴，存在著復雜的邏輯關聯關系。如果不能對這些數據進行管控，保證其一致性，不同專業和部門間的協調工作將會浪費大量時間，從而導致研發效率降低、項目拖延，甚至造成產品質量缺陷[3]。因此，實現單一數據源產品數據(Single Source of Product Data, SSPD)管理對執行高效、高質量的研發工作具有重要意義。

目前國外具有業界先進水平的航空企業已經廣泛開展了基于物料清單(BOM)或相應機制的產品生命周期數據管理工作，并在保障產品順利研發交付方面取得了有目共睹的成績。例如，空客、Boeing等企業等都在飛機產品多業務物料清單(xBOM)管理技術上，借助產品生命周期管理(PLM)工具，采用多視圖IT控制技術，為飛機型號建立了完整的產品數據庫，以支持產品生命周期研發和交付保障[4-5]。

達索系統公司的ENOVIA V6系統推出了需求/功能/邏輯/物理模型(RFLP)產品數據定義技術，支持運用系統工程的方法對產品數據進行架構開發和應用[6]。

通過對飛機研制過程中產生的各種數據的特征進行分析和歸納，可以發現產品數據之間雖然存在復雜的關聯，但能夠通過多個分解結構的交叉和映射進行有效的描述和管理，因此這些不同類型的分解結構可以共同形成一種產品數據架構(Product Data Architecture, PDA)，來作為產品全生命周期管理的核心線索。

產品數據架構是一種自頂向下的產品數據分解構成，主要用于定義并表達產品生命周期全過程數據，包括產品的需求分析與定義、設計與建模、分析仿真、產品試驗、產品工藝、產品制造、產品裝配、產品交付與維護等信息，用于支持產品工程研發、制造和服務過程的工程協同和技術狀態管理。

飛機研制需要歷經方案設計、初步設計、詳細設計和試制、試飛以及產品交付過程。在方案設計和初步設計中，飛機總體設計的重要內容之一是定義飛機按系統和成品的產品分解結構，按照系統功能和裝配工藝提出設計、制造、集成的研制要求和規范，形成產品研制數據構成和管理方案，這對于開展工程研制過程協同與技術狀態管理意義重大。

建立飛機型號級統一的產品數據架構，對數據架構進行有效管理，有利于根據不同的視圖和管理需要，從頂層上安排和掌握飛機型號的研發方案和研制情況，保證研制需求和規范在研制過程中得到貫徹和實現。

同時，對不同的功能數據架構進行關鍵指標或模型的關聯，能夠維護產品各模塊和組成部分間的關聯關系，從而保證產品數據的一致性。這對產品的研發過程協同和管控，特別是對變更控制、設計迭代和產品配置管理有著極大的促進作用，能夠有效地提高產品研發和交付質量。

此外，按研制周期定義數據架構分類，可以分門別類、多角度地進行產品知識的積累，也便于實現結構和部件的參考和引用，從而為后續產品型號的改進發展提供可持續的敏捷研發能力。

最后，對數據架構進行多視圖應用開發，對飛機工作范圍進行劃分，也能夠增強采購和分包管理能力，實現對飛機系統和子系統的協同開發和承制商管控能力的提升。

1飛機全生命周期產品數據組成

1.1數據分類

通過對飛機研制過程進行研究和分析，可將飛機全生命周期產品數據分類歸納如下[7-8]。

1) 研制需求類：包括飛機指標、能力目錄、飛機研制規范、系統研制規范、機體研制規范和技術指標等數據。該類數據初始產生于飛機方案設計階段，用于指導飛機研制全過程。

2) 系統設計類：包括系統設計原理圖、線路圖、飛機系統接口定義文件、設備數模、按功能分解的設備設計實例號以及系統試驗/仿真等數據。該類數據初始產生于飛機初步設計階段，服務于初步設計及以后的所有飛機研制階段。

3) 數字樣機類：包括飛機數字樣機按區段的分區協調模型、評審記錄、飛機總體三面圖/總體布置圖/理論外形數模、樣機三維數模以及生產用技術條件文檔等數據。該類數據初始產生于飛機詳細設計階段，服務于詳細設計及以后的所有飛機研制階段。

4) 工藝設計類：包括工藝路線、工藝組合件和材料定額等工藝信息數據。該類數據初始產生于飛機詳細設計階段，服務于詳細設計及以后的所有飛機研制階段。

5) 裝配制造類：包括工藝規程、工裝設計數據、生產現場生產/檢驗記錄、成品序列號、超差、偏離情況以及單機/單件稱重信息等數據。該類數據在飛機試制階段產生，服務于飛機試制及以后的所有飛機研制階段。

6) 維修保障類：包括維護維修任務規劃、維修分析報告、支持維護技術手冊和備品備件信息等數據。該類數據在飛機初步設計階段產生，服務于飛機初步設計及以后的所有飛機研制階段。

7) 外場服務類：包括飛機外場維修維護記錄、設備履歷、技術通報以及更改外場執行情況等信息數據。該類數據在飛機使用支持階段產生，主要服務于該階段。飛機全生命周期產品數據與研制階段關系如圖1所示。

飛機研制過程中各類數據的產生均具有自頂向下、逐級衍變的特點，因此適合采用樹狀數據結構進行關系組織[9]。

1.2需求

圖1飛機全生命周期產品數據與研制階段關系
Fig. 1Relationships between aircraft product data of lifecycle and R&D phase

飛機產品研制需求，是飛機設計各階段的設計依據和狀態基礎，對產品的設計、實現和驗證起牽動作用。需求的定義過程就是對關鍵因素和指標的反復權衡過程，包括：系列化、多樣性、功能、性能、安全、可靠性、可支持性、舒適性、成本、研發進度、周期、生產能力和供應鏈等。需求的具體產生過程是：首先對客戶需求進行正確的識別和捕獲(表達為飛機指標和能力目錄)，在客戶需求一經確認后，就需要建立需求基線；在需求基線初步確定后，再進行功能分析，建立功能架構。功能架構是在功能分解和分配的過程中不斷迭代，并權衡其影響后建立起來的。需求到功能架構的建立過程模型如圖2所示，需求的分解和分配過程如圖3所示。

考慮到飛機產品組成和設計的復雜性，不同系統需要不同專業人員參與完成。飛機設計中主要包括結構設計和系統設計兩大類。

圖2客戶需求到功能架構的建立過程模型
Fig. 2Model of construction process from customer
requirements to function architecture

結構架構遵從一個共同的結構數據頂層框架，它也是設計分解和集成(裝配)的源頭。飛機結構框架組成是在初步設計階段完成的，對單一型號而言，其相對變化小。結構架構需要包括產品各大部件(主結構)框架和組成、各部件功能需求、材料需求、結構強度、工藝可加工性和裝配性等，工程設計中需要對架構數據的組成關系、部件結構需求和指標等進行定義和管理。

系統設計不同于結構設計，一開始并沒有統一的系統架構；系統架構是通過系統頂層設計和各系統設計逐步建立起來的。從系統的頂層功能需求開始，進行系統的組成和功能的設計，經過多次迭代，驗證系統頂層方案達到設計目標，滿足系統的功能需求[10]。完成系統頂層設計后，才能建立飛機系統的架構，所以系統架構因系統功能需求的不同而不同。一般來講，系統架構應包括系統需求文件(SRD)、系統安裝需求文件(RIRD)、系統安裝設計原則(SIDP)、設備安裝需求文件(EIRD)、采購技術規范(PTS)和系統設計目標(TDD)等。這些系統需求與規范文件包含了有關系統的安全性要求、功能要求、客戶要求、運行要求、性能要求、物理和安裝要求、維修性要求以及接口要求等[11]。

圖3飛機需求的分解和分配過程模型
Fig. 3Model of deployment and allocation of aircraft
requirements

1.3數字樣機

數字樣機是飛機從設計到工程實現的核心架構，是產品工程物料清單(EBOM)的集成形式。EBOM是工程設計組織創建的產品結構樹，反映產品設計的意圖和內容，存儲了工程產品及其組件的結構關系和數量關系，是產品工程數據的組織架構與飛機工程制造的依據。其構造從產品逐層分解到物理安裝，涵蓋了產品詳細設計階段設計產生的、用于生產的大量零部件數據[12]。

國內外不同航空企業在構建EBOM時采取了不同的方式。空客公司采用的是“固定層-構型層-零組部件層”的三大層次，在構型層采用“構型項(CI)-連接點(LO)-設計方案(DS)”的模式。Boeing公司采用的是“選項(OPTIONS)-模塊(MODULES)-零組部件(PARTS)”的模式。無論是空客公司還是Boeing公司，飛機產品結構上層部分的構建方式基本相似，均以艙段和大部件，以及系統、子系統(民機采用ATA章節)為線索進行EBOM分解[13]。

圖4為空客公司A380項目的頂層產品結構。由圖可知，A380項目至少包括A380-800和A380-700兩個系列型號。在型號之下，首先按飛機大部件進行劃分，例如按左右機翼、機身、垂尾、起落架和發動機進行劃分；然后再按飛機結構進行分段；分艙段之后再按系統、分系統(對應ATA章節)進行劃分；在系統、分系統劃分之后，再設立構型項(CI)，并通過設計方案(DS)將零部件組織起來。

圖4空客公司A380飛機EBOM頂層結構
Fig. 4Top-level EBOM structure of Airbus A380 aircraft

2數據架構管理技術

2.1飛機統一產品架構模型定義

結合飛機研制流程和規律，總體來說，可將飛機研制數據歸納為兩類：①圍繞飛機功能的定義和設計過程服務，包括研制需求類數據、系統設計類數據和維護保障類數據；②圍繞飛機實物的生產與裝配過程，包括數字樣機類數據、工藝設計類數據、裝配制造類數據和外場服務類數據[14]。

對應地，在架構分類上，可將飛機架構模型也分為兩類：①按飛機系統/功能架構對飛機產品數據進行樹狀分解和組織，簡稱飛機功能架構(F-PDA)；②按照飛機空間幾何及物理安裝進行樹狀分解和組織，簡稱飛機空間架構(S-PDA)。以F-PDA和S-PDA為基礎組合可以形成統一的飛機產品數據架構——飛機統一產品數據架構(UA-PDA)，它采用層次化的方式定義飛機數據結構，主要集成需求、設計、驗證、制造和外場保障的相關元數據，管理飛機全生命周期過程數據與狀態數據(定義、關系、約束和變更)，形成產品綜合視圖，對飛機全生命周期技術狀態進行完整紀實。

下面對UA-PDA進行詳細描述。

UA-PDA由層次化的節點與節點關聯的數據構成，包括頂層產品結構、配置層、底層產品結構和設計資源層4層結構。

UA-PDA的頂層產品結構與配置層由F-PDA和S-PDA共同組成。其中，F-PDA的頂層節點代表飛機系統設計功能分解的層次，通常由飛機系統/分系統/子系統這樣的結構組成；F-PDA的配置層簡稱F-CI，通常分解至飛機各系統的外場可更換單元(LRU)級或接口級。而S-PDA的頂層產品結構上，每一個節點代表飛機按物理安裝的分解層次，通常按照主部段/艙段/安裝/裝配這樣的結構組成；S-PDA的配置層簡稱S-CI，主要包括設備安裝結構、結構件和結構連接件3種類型數據。

在UA-PDA的配置層以下緊鄰的為底層產品結構，它由需求和系統設計等數據集合構成，提供給配置層選用，選配關系定義在配置層與數據集合層之間的鏈接關系上(參見2.2 節)。

UA-PDA的最下層為設計資源層，用于存儲設備、通用零部件、元器件、標準件和材料等通用設計資源設計信息，提供給底層產品結構設計過程選用。UA-PDA模型定義如圖5所示。

圖5UA-PDA模型
Fig. 5Model of UA-PDA

2.2飛機統一產品架構數據關系

在UA-PDA模型中，各種類型飛機產品數據均應與架構節點關聯，同時架構關聯模型之間也具有從前到后、派生和引用等關系特征，例如研制需求數據的產生完善過程，將引導產品分解結構(PBS)初步架構和數字樣機技術要求的產生；而系統設計過程將產生系統設備模型以及系統裝配、連接等技術要求，這些設計要素均可作為數字樣機產生過程中的重要輸入，驅動數字樣機的設計工作[15]。

在UA-PDA中，可依據關聯的數據類型(參見1.1 節)，將架構節點與產品數據的關聯關系進行分類定義，建立產品架構關系模型，包括：需求關系模型(R-LINK)、系統設計關系模型(St-LINK)、數字樣機關系模型(E-LINK)、維修保障關系模型(S-LINK)、工藝設計關系模型(P-LINK)、裝配制造關系模型(M-LINK)和外場使用關系模型(O-LINK)[15]。將這種數據與數據之間的關系進行梳理、定義，對于飛機研制流程的規范化和知識化具有重要意義；同時，當數據變更產生時可以依據關系鏈路，進行向前和向后影響分析，得到更為全面的變更影響分析結論[16]。圖6為UA-PDA數據在飛機研制過程中的關系模型定義。

圖6UA-PDA數據關系模型
Fig. 6Model of UA-PDA data relationships

通過對這些關系模型進行統一管理，可以實現基于UA-PDA自動抽取不同的工程視圖，包括需求視圖(RBOM)、系統視圖(StBOM)、工程視圖(EBOM)、工藝視圖(PBOM)、制造視圖(MBOM)、保障視圖(SBOM)以及運營視圖(OBOM)等，從而實現xBOM的綜合應用[17]。圖7為由UA-PDA進行多視圖應用的原理。

2.3與國外先進模式的對比

國外航空工業巨頭——空客公司在其最新研制的A350機型中，采用了三級多視圖管理方式對飛機全生命周期各個階段的產品數據組織進行了規劃定義，該規劃分為主數據架構層(對應意向視圖(As Proposed)、規格視圖(As Specified)、定義視圖(As Defined)、設計視圖(As Designed)、系統視圖(System View)、工藝視圖(As Planed)、制造視圖(As Prepared)和維護視圖(As Maintained)8個主視圖)、數據架構實例層(由8個主視圖分別擴展生成7個擴展視圖)和交付層(對應各視圖輸出的可交付數據)3層，從飛機全生命周期、全過程域給出了A350飛機研制擬采用的研制數據管理規劃。該模式目前也僅在空客A350機型研制中進行了試點，并未全面推廣應用。圖8為空客A350采用的產品數據多視圖結構規劃模型。

與空客公司的規劃相比較，本文所研究的飛機統一產品架構模型及其相關技術，主要結合了國內飛機研制特點，側重于自頂向下對飛機研制數據及其內部組織關系的描述定義，從根本上建立飛機全生命周期產品數據的核心管理機制，基于該機制可實現對產品功能和物理空間兩個視角在統一架構下管理飛機全生命周期數據，有利于解決當前工程各階段數據分散管理、技術狀態難以完整控制的被動局面。

圖7UA-PDA多視圖應用原理
Fig. 7Application principle of UA-PDA multi-view

2.4架構配置管理

UA-PDA主要通過版本和有效性控制方式進行配置管理。其中，有效性管理主要分為兩類：方案有效性和架次有效性。

方案有效性指針對不同飛機的系統功能或性能要求，在研制中采用不同的設計方案。例如，同系列型號的A型飛機和B型飛機，可對應到飛機設計方案A和設計方案B。不同設計方案在物理實現中最終將落實到不同飛機架次上進行驗證或研制交付[18]。

架次有效性與生產密切相關，對應具體的飛機生產架次序列。管理中通常用1～9 999的數字序列對飛機架次進行配置和管理[19]。

在F-PDA上主要通過方案有效性進行配置管理，其配置方式為：F-PDA上每個節點可多個大版本同時有效，每個大版本對應不同的方案有效性數據集。有效性配置模型如圖9所示。

S-PDA上主要管理飛機物理架次有效性，采用簡化有效性定義方式進行配置管理：頂層產品結構節點最新版本有效，不定義有效性，默認對整個產品全架次范圍有效；有效性僅在S-CI上定義，該節點可多個大版本同時有效。每個大版本對應不同的架次范圍；底層產品結構模塊最新版本有效，有效性直接從對應版本的S-CI上繼承，其有效性配置模型如圖10所示。

圖8空客產品數據多視圖架構模型
Fig. 8Multi-view architecture model of Airbus product data

圖9F-PDA有效性配置模型
Fig. 9Model of F-PDA effectiveness configuration

圖10S-PDA有效性配置模型
Fig. 10Model of S-PDA effectiveness vonfiguration

2.5架構集成技術

UA-PDA中的工程數據通常產生于不同的專業/業務設計工具和系統，如DOORS、Raphsody、ENOVIA、CATIA、DELMIA等，因此UA-PDA架構的有效運作，要求架構管理系統具備跨平臺的集成能力，應能夠根據架構視圖建立架構關系模型，從各個專業系統中定位和獲取該結構相關的專業數據，并在各個視圖應用中根據結構關系為使用者提供這些信息。上述能力主要涉及UA-PDA管理工具的3個主要技術特征：

1) 產品信息描述方法。產品各視圖數據可在UA-PDA架構管理工具中提取、傳遞和使用，要求在被集成的各個專業系統中，產品的數據都是高度結構化的，能夠通過一定標準進行描述和存儲。

2) 產品結構主數據源。為了實現產品數據架構集成，各業務系統應將其數據對象與產品結構建立關聯，即在業務數據組織方式設計中應體現其與產品架構的映射思想。這種關聯可能是基于BOM映射維護系統中的結構樹與產品結構視圖自動關聯，也可能是直接人工指定數據對象與產品架構某一視圖的結構項之間關聯。但無論哪種關聯，UA-PDA架構管理工具均應成為產品結構的唯一主數據源[20]。

3) 產品信息提取與使用。UA-PDA管理工具不應該成為產品業務數據的生產者，而應該成為數據的調度員；它應將各個業務系統產生的數據按產品結構關系進行匯集，并根據業務依托的視圖提供給其他需要這些數據的業務系統。產品數據架構在其應用深度上的表現很大程度上取決于各個業務系統的開放程度。

3應用與展望

產品數據架構技術正在筆者單位進行深入研究和開發，并已逐步應用到工程研制過程中，目前已經基于S-PDA實現了飛機設計狀態、架次狀態的變更控制和有效追溯;而隨著產品系統工程的推進,F-PDA的研究和應用開發也在逐步深入，上述工作為實現對UA-PDA的進一步研究與應用打下了堅實的基礎。圖11為根據某飛機工程應用需求建立的一個UA-PDA實例。可以預見的是，UA-PDA技術的推廣應用，有利于飛機研制過程中的多專業、多業務協同，將為完整實現飛機全生命周期中的過程與數據管理提供強大支持。

圖11UA-PDA應用實例
Fig. 11Application example of UA-PDA

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周永男， 學士， 研究員， 碩士生導師。主要研究方向： 計算機應用技術， 企業信息化。

Tel: 028-85509145

E-mail: zy1572@163.com

羅小琦男， 學士， 工程師。主要研究方向： 計算機應用技術。

Tel: 028-66339261

E-mail: luo_xq@126.com

李榮強男， 碩士， 高級工程師。主要研究方向： 飛機研制數字化應用， 虛擬現實仿真。

Tel: 028-66329660

E-mail: rqli1978@sina.com

熊青岳男， 碩士， 工程師。主要研究方向： 計算機應用技術。

Tel: 028-65034553

Email: jameswilliam@163.com

Received： 2015-08-20; Revised: 2015-10-28; Accepted: 2015-11-13; Published online: 2015-12-0410:08

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151204.1008.016.html

Technology of lifecycle oriented aircraft product data architecture

ZHOU Yong*, LUO Xiaoqi, LI Rongqiang, XIONG Qingyue

AVIC Chengdu Aircraft Design & Research Institute, Chengdu610091, China

Abstract:For raising the product data management capability and improving the efficiency and quality of aircraft research and development, this paper proposes the concept of unified aircraft-product data architecture (UA-PDA) based on the practice of configuration control and aeronautic product data management for years, defines and discusses the classification, constitution and inner relation of UA-PDA according to the aircraft product lifecycle processes, and investigates the method and technology of architecture management. The investigation will be of great significance to the construction of UA-PDA for complex product, the data cooperation and configuration control in the whole process of product R&D implement and services.

Key words:product lifecycle management; data architecture; function architecture; configuration control; engineering collaboration

*Corresponding author. Tel.： 028-85509145E-mail: zy1572@163.com

作者簡介：

中圖分類號：V221； V37

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6893(2016)01-0324-11

DOI：10.7527/S1000-6893.2015.0320

*通訊作者.Tel.： 028-85509145E-mail: zy1572@163.com

收稿日期：2015-08-20; 退修日期: 2015-10-28; 錄用日期: 2015-11-13; 網絡出版時間: 2015-12-0410:08

網絡出版地址： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151204.1008.016.html

引用格式： 周永， 羅小琦， 李榮強， 等. 面向全生命周期的飛機產品數據架構技術[J]． 航空學報, 2016, 37(1): 324-334. ZHOU Y, LUO X Q, LI R Q, et al. Technology of lifecycle oriented aircraft product data architecture[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(1): 324-334.

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