從基于模型的定義（MBD）到基于模型的企業（MBE）

高星海

當前，驅動制造業創新和持續發展的動因正在注入新的要素并由此引發其架構的巨大變化，從美國的再工業化到德國的工業4.0再到中國制造2025，從中我們可以發現，制造業是全球經濟穩定發展的重要驅動力，世界各國都意在占領未來制造業的制高點。

美國提出以“軟”的服務為主，注重軟件、網絡、大數據等對工業領域服務方式的顛覆；德國通過價值網絡實現橫向集成、跨越整個價值鏈的工程端到端數字化集成、垂直集成和網絡化的制造系統，來保證德國在傳統制造領域的領先地位；中國提出以信息化和工業化深度融合為主線，在智能制造、互聯網+的突破等方面來增強國家工業競爭力，帶動產業數字化水平和智能化水平的提高。

在這個全球大背景下，智能制造體現著從傳統制造向數字制造轉型的創新方向——在保持靈活性的同時，兼顧提升生產效率、縮短上市時間、提高產品質量，其中最重要的是實現從企業管理、產品研發到制造控制的高度互聯，其次是在整個價值鏈中集成IT系統的應用，第三是涵蓋設計、生產、物流、市場和銷售的生命周期的自動化控制和管理。

全球制造業數字化發展趨勢

新一輪工業革命為企業帶來新應用，數字化技術貫穿于產品設計、生產規劃、生產工程、生產執行、客戶服務等的各個環節，以實現虛擬數字世界與現實生產世界的準確映射（圖1）。這個演進過程離不開物聯網技術、云計算、大數據、工業互聯網等新一代數字技術支持，離不開集成先進的數字工程環境、生產管理系統和現場自動化技術，并以此為平臺達到數字技術在企業中的深刻應用，以最小的資源消耗獲得最高的生產效率。

從全球視野看，數字制造技術的理念正在發生重大變化。美國國家技術和標準研究院（NIST）提出從MBD（基于模型的定義）到MBE（基于模型的企業）的躍升，其要義是，模型驅動貫穿系統生命周期的各個方面和領域，一次創建并為制造、服務等所有下游重用。國內制造業中，航空工業在MBD方面起步較早，當時基于模型的定義主要解決設計和制造的協同，最典型的應用是主機廠所在飛機設計階段就采用全數字量表達飛機的幾何特征，同時將數字樣機傳遞到制造單位，在數字樣機之上開展工藝設計、工藝仿真以及部分環節自動加工指令的生成。現在的MBE是把傳統的模型向前端應用到需求開發、功能和邏輯設計，向后端應用到更廣泛的智能制造以及綜合保障等各個環節。

從MBD到MBE，數字化設計和制造技術的創新應用成為制造業發展的新趨勢。MBD更關注產品的幾何信息，包括工藝描述信息、制造屬性信息、管理屬性信息，把三維模型作為生產制造的唯一依據。未來MBE更關注MBD數據在整個生命周期的充分利用，并從幾何層面上升到系統層面；另一方面在企業內部以及企業外部供應鏈之間建立集成和協同的環境，開展基于模型的交換，在數字空間進行反復迭代，以減少物理空間的質量問題和時間成本問題，目的是提高復雜大系統的設計質量、縮減交付時間、減少工程更改、減少產品缺陷和提高首次交付質量。

美國“下一代制造技術計劃”（NGMTI）將MBE的發展歷程分為四個階段。第一階段以2D工程圖為中心，設計制造交換的是二維信息；第二階段以3D模型為中心，開展三維實體建模，并驗證整個結構的幾何交互關系，包括運動學仿真、有限元仿真、基于模型的制造等；第三階段是基于模型的定義（MBD），側重于在三維模型中全方位地表達設計制造信息；第四個階段是基于模型的企業（MBE），其3D主控模型不僅包含3D標注等幾何信息，還包含更多的模型信息，未來要把三維模型應用到企業和供應鏈，基于廣義的MBD進行信息交換。

MBE的內涵

MBE逐漸成為先進設計制造方法的具體體現，也代表數字化設計與制造的未來，是建模與仿真方法在設計、制造、支持等全流程技術和業務的徹底顛覆和創新，其中MBD是核心，基于模型的系統工程（MBSE）和基于模型的持續保障（MBS）是應用和實踐的新方向。利用產品模型和過程模型定義、執行、控制、管理企業的全部業務，可實現業務之間的無縫集成，并與戰略管理對接。

MBE主要包括基于模型的工程（Model Based Engineering，MBe）、基于模型的制造（Model Based Manufacturing，MBM）和基于模型的持續保障（Model Based Sustainability，MBS）。MBe將模型技術作為系統生命周期中需求、分析、設計、實施和驗證的能力，突破MBD單一的應用領域和范圍，并將MBSE作為重要的完善和發展方向。MBM從CAD向后推演，使用MBD模型用于虛擬制造環境中進行工藝規劃、優化和管理，它更強調的是基于模型的工藝仿真、生產線的仿真、指令的仿真以及指令傳遞到物理設備之后的控制和數據采集。MBS將產品和工藝開發中的模型和仿真應用到系統生命周期的維護階段，持續關注系統的整個運行狀態，把系統運行過程中的質量數據、維護/維修/故障數據采集回饋到模型，在模型中進行比較，評估產品實現和工藝方案，并反饋到產品設計的改進環節，通過MBS來提取設計優化信息。

MBE的演進方向與分級評價

美國國家技術和標準研究院按路徑選擇以及需要的能力將MBE分為Level 0-Level 6共計7個等級。其中，Level 3的主要功能應用為MBD，主要交付物為2D注釋模型和輕量化可視化數據；Level 4的主要功能應用是MBD和數據管理，主要交付物為通過PLM管理3D注釋模型和輕量化可視化數據；Level 5可在三維環境下定義、自動生成技術數據包（TDP），包括制造需要的和綜合保障需要的信息；Level 6的主要功能應用是MBD生成TDP和基于需求的企業數據訪問，主要交付物為通過WEB訪問的數字化產品定義和技術數據包的交換機制。

該分級也可用來指導我們的未來發展路徑。目前國內有些單位還是以二維圖紙為中心；部分單位雖用到源CAD模型，但在使用過程中依然派生出二維圖紙提供給使用；大部門航空企業可達到MBD和數據管理、通過PLM管理3D注釋模型和輕量化可視化數據的狀態。所以未來我們還有大量的工作要做。endprint