基于PDM的航天發射支持系統MRO技術研究與實踐

張 燕，李 木，嚴 勇

基于PDM的航天發射支持系統MRO技術研究與實踐

張 燕，李 木，嚴 勇

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

針對航天發射支持系統MRO信息平臺需求的迫切性和復雜性，通過比對現階段各類信息系統的功能特點，分析PDM系統的核心技術，提出了基于PDM的航天發射支持系統MRO中性SBOM模型，并在Teamcenter完成了MRO信息平臺的建模與初步實踐。該研究的內容與技術成果，對航天復雜產品的MRO信息平臺及其它與產品全生命周期數據管理相關的工程信息化平臺建設，具有指導和借鑒意義。

航天發射支持系統；MRO；PDM；SBOM

0 引 言

長期以來航天發射支持系統在產品售后使用維護過程中積累了大量的數據。首先，每個型號的設計產品種類多至成百上千種，包括各種自制件、通用件、借用件、外購件、外協件、標準件等；其次，型號中每種設計產品的實做產品數量又隨著批產交付，在不斷地成倍增加，數據量增大至上萬個；之后，型號中每個批產實做產品又隨著飛行試驗的使用次數，數據量增大至數十萬個；最后，一個企業內有幾十個型號。因此企業內的產品售后使用維護數據量應能達到千萬個量級。

如此海量的產品售后維護大數據，蘊含著關于產品使用特征、產品固有性能、售后維護規律、企業發展趨勢等相關的寶貴信息，是企業的巨大財富。但長期以來，產品售后維護數據一直零散在各處及各主管設計手中。對產品售后維護信息進行有效地數據管理，具有重要意義，并且需求十分迫切。

1 信息平臺需求特點

1.1 使用人員

通常制造企業的產品“維護、維修和大修”（Maintenance，Repair & Overhaul，MRO）工作，由專門的維修部門人員進行，但由于航天發射支持系統的復雜性、發射試驗的高風險、對發射保成功的高標準要求，僅依靠維修部門人員達不到航天發射支持系統的高質量要求。航天發射支持系統實行的是設計負責制，對交付用戶售后的產品實物狀態也是由設計師系統技術負責。

因此，航天發射支持系統MRO信息平臺的使用人員是設計師系統。

1.2 平臺的復雜性

對航天發射支持系統MRO信息平臺管理的信息內涵，也不僅是如通常制造企業的從售后階段開始的臺份、實做產品的運行、維護信息，而是至少要從實做產品對應研制階段的出廠驗收關鍵信息、大型地面試驗信息、歷次發射試驗信息開始，直至產品交付用戶售后階段的各項MRO綜合管理信息，甚至航天發射支持系統MRO信息管理的起點要從實做產品對應研制階段的設計模型和設計文件、技術狀態變化的三單信息開始，才能最終做到綜合保障售后實做產品的有效維護、設備完好率，確保發射成功。

因此，航天發射支持系統MRO信息平臺需要的是一個具有數字化、信息化、集成化的產品全生命周期數據管理特性的售后產品信息系統。

2 選擇基于PDM系統建設

2.1 現階段各類信息系統的功能特點

現階段信息系統分類和具有的主要功能[1]，如表1所示。

表1 現有信息系統的主要功能比對

因此，根據上述航天發射支持系統MRO信息平臺的需求，需基于數字化、信息化、集成化的PDM系統進行建設。

2.2 PDM系統的現狀

產品數據管理（Product Data Management，PDM）是一門用來管理所有與產品相關信息（包括零件信息、配置、文檔、CAD文件、結構、權限信息等）和所有與產品相關過程（包括過程定義和管理）的技術。

目前，PDM技術在國內外得到了廣泛應用，成為企業提高設計與管理效率的有效工具，并給企業帶來了非凡的成就。當前，世界上主流的商用PDM系統有德國西門子公司的Teamcenter系統、PTC公司的Winchill系統和法國達索公司的VPDM系統，這3個PDM系統是比較成熟的，幾乎可以成功應用于任何企業，需注意的是其各自集成的CAD軟件類型。

2.3 PDM系統的核心技術

產品結構（Product Structure），是對產品物理和邏輯組成及層次的描述。物料清單（Bill of Material，BOM）是產品結構的技術性描述文件，它表明了產品組件、部件、零件直到原材料之間的物理結構和數量關系，以及型號中系統及其組成的各分系統、子系統之間的邏輯結構和層次關系。BOM又是一種樹型結構，稱為產品結構樹。

PDM系統是以BOM為主線組織的產品信息，貫穿于企業的整個活動。企業產品BOM信息首先產生于產品設計階段，同時貫穿于整個產品生命周期，從產品研制一直到售后服務、報廢終止為止。

a）設計工程BOM（Engineering-BOM，EBOM）。

反映產品屬性和零件間設計關系的物料清單，包含按設計要求劃分而成的結構和各零組件的組成關系。

b）工藝BOM（Process planning-BOM，PBOM）。

反映生產交付順序的物料清單，包含EBOM的部分屬性信息，工藝組件和零組件工藝分工和工藝路線等工藝信息。

c）制造BOM（Manufacturing-BOM，MBOM）。

在設計BOM和工藝BOM的基礎上增加了制造信息，用于組織和管理在實際制造和生產管理過程中所需的零部件物料清單。

d）服務BOM（Service-BOM，SBOM）。

在設計BOM的基礎上增加了售后服務產品信息，用于組織和管理產品維修屬性和相關支援信息。

因此，PDM系統的核心技術之一是對產品數據的結構化BOM管理。

2.4 MRO系統基于PDM建設的益處

基于PDM建設，首先是基于BOM對產品研制階段全鏈條信息的可追溯性，來滿足航天發射支持系統MRO系統自身的建設需求。

同時，考慮到MRO系統今后的可擴展性。BOM是各種工程信息化系統中最重要的基礎數據，也是各系統之間信息共享和集成的關鍵數據。MRO系統以后可以通過BOM方便地與數字化企業的企業資源計劃系統（Enterprise Resource Planning，ERP）、制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）、管理信息系統（Management Ιnformation System，MΙS）、集成質量系統（Ιntegrated Quality System，ΙQS）、綜合保障分析（Logistic Support Analysis，LSA）、健康管理與故障預測（Prognostics and Health Management，PHM）、電子交互式手冊（Ιnteractive Electronic Technical Manual，ΙETM）等系統進行數據集成。

3 信息平臺特性分析

3.1 量身創新定制航天發射支持系統MRO

產品全生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）是以PDM為核心基礎上的功能外拓。

目前，PDM系統已是較成熟的產品，在各企業中已有較好的應用，但PLM系統還處于概念階段。即便是上述世界三大PDM（PLM）系統，在MRO信息管理方面也很薄弱，特別是符合航天發射支持系統MRO信息需求的應用系統還尚未有過。

MRO是一門綜合性交叉學科，涉及機械、計算機等許多領域，系統建設過程中需要有工程實踐經驗和創新精神。關鍵是必須以解決航天發射支持系統售后服務的實際問題作為唯一檢驗標準，量身創新定制。只有結合PDM已有優勢，使MRO系統在企業真正落地，才能實現產品售后服務信息共享、提高管理效率、減少維護成本、閉環產品設計、縮短維護響應時間、保障設備完好率、確保發射成功的目標。

3.2 航天發射支持系統MRO的SBOM特性

SBOM是MRO系統中的核心，MRO系統中所有設備的售后維護狀況都將通過SBOM建立邏輯上的關聯關系。

3.2.1 航天發射支持系統SBOM是中性BOM

通常意義下的SBOM是產品多臺實做BOM（Physical BOM）結構，即每一個SBOM對應一個實做產品。但由于航天發射支持系統MRO信息平臺的使用企業是設計研究所，目前航天發射支持系統的各個配套制造廠都還不具備通過MES產生具有批次、臺份產品編號的實做產品MBOM結構能力。

現階段不具備由MBOM映射產生SBOM的條件，因此航天發射支持系統SBOM是映射自EBOM，且同EBOM一樣，是中性BOM（Neutral BOM），見圖1。

圖1 航天發射支持系統SBOM的中性BOM結構

3.2.2 航天發射支持系統SBOM與EBOM的區別

航天發射支持系統EBOM是產生于產品設計階段的主模型數據結構，是PDM中所有BOM結構的源頭。EBOM結構必須將產品的所有層級結構展開并至底、覆蓋至所有的零部件。EBOM結構示意如圖2所示[2]。

圖2 EBOM中的一個單根樹結構示意

SBOM的構成僅與產品售后使用階段的MRO的要求和約束信息緊密相關。SBOM的底層節點根據其管理特點，并不是結構上不可再分的零件。判斷節點是否再分是根據基層級、中繼級、基地級可拆卸分解、更換的備件或零件的維修性、互換性而定。底層節點可是諸如零件一樣的基本單元，也可是一個部件或一個組件。該結構和EBOM相比，結構優化較簡練。

航天發射支持系統的SBOM一般只到3級，如XX供氣系統——XX配氣臺——XX閥件；XX特種車——XX控制柜——XX旋鈕。SBOM結構示意見圖3。

圖3 SBOM某單根樹結構示意

4 航天發射支持系統MRO的SBOM模型

航天發射支持系統MRO信息平臺具體結合的PDM系統是Teamcenter。

昨天在魯鎮沒看到“祝?！眱x式的表演，今天就打算到紹興市魯迅故里再去看看。加上魯迅故里的“祝福”儀式媒體多有報道，所以我今天就更想一睹究竟了。天公作美，久違的太陽出來了。雖然氣溫還低，但陽光讓游客都興致盎然。魯迅故里人山人海，散客、旅游團等操著天南地北不同口音來到了這個江南古鎮的旅游景區，想一睹這位大文豪生活過的地方。我問了幾個工作人員，才終于找到“祝?！眱x式的表演地——魯迅祖居?！白８！眱x式在德壽堂舉行。初一到初五，每天上下午各兩場，每場持續15分鐘。

4.1 SBOM的中性Ιtem模型

通過對航天發射支持系統的MRO業務梳理，確定了組成SBOM的Ιtem模型，如圖4所示。

圖4 SBOM的Ιtem模型

在Teamcenter的業務建模器集成開發環境（Business Modeler Ιntegrated Development Environment，BMΙDE）中對SBOM的Ιtem建模。BMΙDE是一個用來配置和擴展Teamcenter所安裝數據模型的工具，它是基于Eclipse平臺開發的，支持無代碼的擴展，Eclipse支持C/C++和Java語言。BMΙDE通過商業產品供應架（Commercial off the Shelf，COTS）來從而完成其功能。數據模型對象被保存到為應用程序服務并包含數據模型對象的模板中[3]。

Eclipse基本層次結構如圖5所示。圖5中底層為操作系統（Platform），中間層為JAVA運行環境及其工具（JAVA Development Tools）、上層為Eclipse插件層（Plug-in Development Environment）。Eclipse的體系結構，如圖6所示。

圖5 Eclipse及其支持環境

圖6 Eclipse體系結構

4.2 SBOM的實做產品Form模型

通過對航天發射支持系統的具體MRO需求梳理，歸納總結出管理產品售后產品信息需要的15類數據，分別是：產品實物基本數據、產品出廠驗收數據、產品出廠交付數據、產品地面試驗數據、產品發射試驗數據、產品定期校驗數據、產品定期檢修數據、故障維修數據、產品使用壽命（包括里程、次數和時間）數據、技術狀態變化數據、更改單數據、質疑單數據、偏離單數據、軟件產品數據、產品備件數據。通過這15類、共計302個屬性字段的數據梳理，基本覆蓋并滿足了企業對產品售后服務所有事件的管理需求。

這15類數據的建模都是通過具有關聯Ιtem、繼承SBOM特性的15類Form來分別實現的。某類Form模型如圖7所示。

每臺實做產品的每一類每一個信息，都是通過選擇對應種類的Form模版來錄入數據的。

圖7 繼承SBOM特性的某類Form模型

4.3 SBOM的實做產品可視化模型

4.3.1 SBOM的數據結構模型

SBOM的數據結構繼承、引用模型，見圖8。

圖8 SBOM的數據結構繼承、引用模型

4.3.2 SBOM的實做產品可視化建模

實物產品在發射場使用時，必須保證圖、文、物狀態一致性。將與該批次實物狀態一致的EBOM信息關聯引用到SBOM相關位置中（圖9）得到了與設計狀態一致的實做產品BOM可視化模型。

圖9 關聯引用EBOM的SBOM示例

4.4 SBOM的遍歷算法

要進行SBOM匯總必須對PDM中的產品結構進行遍歷。SBOM遍歷是沿著某條搜索路徑，對SBOM中的所有節點做1次且僅做1次訪問。典型的SBOM遍歷算法通常包括遞歸算法和分層算法[4]。

遞歸算法采用深度優先搜索的方式，它以產品結構樹中的零、部件是否有子件為遞歸條件，充分展現了零、部件間的層次關系和SBOM的樹結構。該算法的優點是程序簡單，但由于是遞歸調用，涉及到堆棧的操作在進行深層次遍歷時，系統消耗的資源會較大。

分層算法采用廣度優先搜索方式，它首先訪問層次數為0的根節點，然后訪問層次數為1的所有節點，依次逐層往下遍歷直到訪問完最后一層的所有節點。

考慮到航天發射支持系統的子系統較多、產品結構較為分散，即型號應用中SBOM的多根樹結構較多、層次較淺（一般為2層、3層）的特點，采用遞歸遍歷的算法。

5 應用實踐

5.1 兩種應用方式并存的軟硬件架構

根據企業需求，需在發射場異地遠程瀏覽器使用MRO系統，因此需采用具有瘦客戶端（Thin Client）功能的Teamcenter4層架構。同時考慮到基于C/S服務器的胖客戶端（Rich Client）比基于B/S服務器的瘦客戶端功能強大，因此MRO系統采用了胖、瘦客戶端兩種應用方式并存的4層架構進行建設。

MRO信息平臺的4層系統架構如圖10所示。

圖10 MRO信息平臺的4層架構

胖客戶端開發實現了MRO需求的全部功能模塊，包括基于TC的訪問控制和項目的權限管理，SBOM數據的上傳、修改、插入、刪除，審簽受控、更改受控，批量導入、導出；預警顯示統計，復合檢索、匯總。

瘦客戶端開發實現的功能模塊稍弱于胖客戶端，上述功能中不實現新建Form的關聯Ιtem以及數據的批量導入。

在應用實踐中，MRO數據的建立和上傳是以胖客戶端為主，在瘦客戶端以MRO數據的查看和檢索、統計為主。

5.2 MRO數據的項目權限管理

通過TC的項目管理實現了只有該型號及其管理人員才有權查看該型號的MRO數據。

各型號在TC中建立項目，并確立項目組成員，以及項目組各類人員的讀、寫、刪除、查看等的權限級別，如圖11所示。

a）項目管理員：修改項目ΙD、項目名、項目描述、項目成員；b）項目小組管理員：選擇項目成員；c）有特權的項目成員：可以往項目中添加或移除數據；d）無特權的項目成員：不可以往項目中添加或移除數據。

圖11 各型號的項目管理

5.3 MRO數據的SBOM管理

5.3.1 SBOM結構的統一管理

通過結構管理器，實現對產品售后SBOM結構的統一管理，如圖12所示。

圖12 SBOM結構示意

5.3.2 SBOM下的Form集成各種數據集

通過15類定制的Form集成各種AutoCAD、OFFΙCE、視頻、動畫等二維文件，將單臺實物產品的維護信息進行數據鏈接和展示，如圖13所示。

圖13 Form集成數據集示意

5.3.3 MRO數據在企業EPS目錄樹下的統一管理

在企業EPS目錄樹該型號產品的對應文件夾下，放置MRO數據。

在MRO的Ιtem“售后產品信息”偽文件夾下，分別建立15類信息的文件夾，將各個實做產品Form信息分目錄管理。實做產品信息的目錄樹管理示意如圖14所示。

圖14 實做產品信息的目錄樹管理

5.3.4 SBOM的遍歷應用

圖15 SBOM的遍歷應用

5.4 MRO數據的審簽受控及更改管理

航天發射支持系統MRO信息的受控發布，是通過配置的“實做產品MRO信息審簽流程”進行管理。

另外，當已受控的實做產品MRO信息需要更改時，可由編寫者重新啟動“售后產品信息審簽流程”，在“編寫”節點對原信息進行修改，重新走“實做產品MRO信息審簽流程”將信息再次受控。

5.5 MRO數據的批量導入、導出

考慮目前企業大量使用MS Excel軟件管理數據的現狀和工作習慣，本系統開發了完備的產品MRO信息數據導入和匯總導出功能。

通過Excel表格模版自動批量建立SBOM（包含item及其下的15種售后產品信息文件夾），并可通過Excel表格模版自動批量導入15種Form的各個實做產品數據信息。為保證數據的一致性，在導入過程中，對導入的數據進行了一致性檢查，確保數據導入成功。Excel批量導入模版如圖16所示。

圖16 Excel批量導入模版

批量匯總導出Excel數據如圖17所示。

圖17 批量匯總導出Excel

5.6 MRO數據的預警顯示和統計

為了方便設計師系統及時了解售后實做產品的定期檢修、定期校驗，以及壽命信息，開發了預警顯示和統計功能（見圖18），提醒及時做出必要的處置。

圖18 預警顯示和統計

5.7 MRO數據的復合檢索、匯總

為了方便設計師系統復合檢索產品售后實物信息，分別為SBOM定制了Ιtem、Form和綜合信息，共計17種復合檢索模式，如圖19所示。

圖19 復合檢索模式

設計師系統可以輸入302個屬性字段中的任意已知信息，快速檢索、匯總售后實做產品相關的維護信息，如圖20所示。

圖20 檢索條件及數據匯總

設計師系統將檢索結果匯總導出到Excel電子數據表，進一步分析、統計生成以產品臺份、實做零部件為中心的圖形報表。通過報表和分析決策支持能力，辨別臺份實做產品的性能和可靠性趨勢，從而把MRO數據用于解決業務問題，轉換為可以使用的知識。

5.8 應用效果

本航天發射支持系統MRO信息平臺已實際試用，如CZ-3A系列的高密度發射和某武器型號交裝設備的巡檢、巡修為典型應用?，F已上傳數據近萬條，為維護型號設備完好和保駕護航發射成功，發揮了應有的作用。

6 結束語

本文結合了最高級別的產品數據管理PDM系統的海量、元數據、信息化、集成化優勢，在深入理解PDM核心的產品結構化數據BOM技術及企業產品售后維護信息需求的基礎上，完成了發射支持系統MRO信息平臺的建模方法研究，并經實踐檢驗。

本研究是結合企業現有工程信息化能力和基礎進行的，且該平臺仍有不完善之處。希望本文提供的方法，能夠對航天復雜產品的MRO信息平臺及其它與產品全生命周期數據管理相關的工程信息化平臺建設起到指導和借鑒作用。

[1] 安晶. 產品數據管理原理與應用-基于Teamcenter平臺[M]. 北京: 電子工業出版社, 2015.

[2] 王輯添, 司書賓. 復雜裝備維護BOM集成建模方法研究[J]. 中國制造業信息化, 2011(12): 50-51.

[3] 黃曙榮. 產品數據管理PDM原理與應用[M]. 鎮江: 江蘇大學出版社, 2014.

[4] 朱文華, 王大斌, 蘇玉鵬. Teamcenter Engineering中BOM功能的二次開發[J]. 現代制造工程, 2009(2): 42-43.

Research and Application on MRO Technology of Space Launch Support System Based on PDM

Zhang Yan, Li Mu, Yan Yong
（Beijing Ιnstitute of Space Launch Technology, Beijing, 100076）

According to the requirement of Space Launch Support System (SLSS)′s MRO information platform are complicated and urgency, this paper compares the characteristics of all kinds of present information systems, analyzes the key technology of PDM, presents a kind of neutral SBOM model for SLSS′s MRO based on PDM, establishes the model of SLSS′s MRO information platform on Teamcenter and applies it. The contents and technological achievements of this research can direct MRO information platform developments for the space complicated products, and other custom engineering information platform developments about PLM.

Space launch support system; MRO; PDM; SBOM;

TJ768.2

A

1004-7182(2017)04-0095-08

DOΙ：10.7654/j.issn.1004-7182.20170422

2016-11-16；

2017-06-28

張 燕（1973-），女，高級工程師，主要研究方向為工程信息化、數字化、數值仿真