民用復雜系統產品的數據管理研究

郝朝杰，馮 野

（中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海 200237）

在大數據的背景下，民用復雜系統的研制過程，比如民用航空發動機產品，具有跨學科、跨單位、研發周期漫長、變更頻繁、安全性法規要求苛刻等特點。這些復雜系統在研制過程中往往產生數以萬計的數據，如何高效、準確、完整地使用這些產品數據，是目前很多公司急需解決的問題。針對現代數字化工程而言，數據管理是對源數據進行管理，如何在民用復雜系統研制全生命周期過程中建立和維護一個保障數據的一致性、完整性、實時性、有效性和追溯性等要求的公共數據源，是每個民用復雜系統研制需要重點解決的問題。目前，很多民用復雜系統的數據管理主要是基于文件夾組合、單個文件的版本控制、更改管理等。這樣簡單的管理方式很難在產品全生命周期中說明產品數據的完整性、有效性、可追溯性等，容易造成不同研制階段數據隔離和關聯不清晰的問題，同時，也造成了在某些管理方面的欠缺，例如，無法實現對需求更改的有效跟蹤，驗證數據對應需求的驗證追蹤困難，實物構型對應設計狀態一致性的管理煩瑣，歷史數據追溯困難，無法達到產品研制過程中對所有數據實時與有效控制的目的。

本文研究以產品結構為核心，組織所有構型數據的管理機制，建設全面的BOM管理，以構成產品的單一數據源，以便準確獲取各類構型信息，并根據產品結構實現各種構型信息之間的關聯管理，確保在項目研制周期內能夠快速調用與產品構型和構型管理活動相關的各類信息及其統計數據，以保證在各個階段獲得產品構型數據的一致性、完整性、實時性、有效性和可追溯性。

1 產品研制全生命周期的數據分類

民用復雜系統研制過程按照NPR7120.5《NASA空間飛行工程和項目管理需求》一般分為概念探索階段，概念研究和技術開發階段，初步設計和技術完善階段，詳細設計和制造階段，系統組裝、集成、試驗和投產階段，運行使用與維護階段，退役處置階段共7個階段。在研制的每個階段均輸出大量的數據，按照產品在整個生命周期產生的數據依據使用目的和產生過程的不同進行分類，大體可分為需求、設計、實物、工藝、生產、驗證、客服、維修等數據，具體的數據類型如表1所示。

2 產品結構

民用復雜系統研制過程中每個階段都會產生大量數據，如何管理展示這些數據，為數據的使用者提供便利呢？本文主要研究的是產品數據管理模型，即產品結構（BOM）。產品結構是在產品架構的基礎上組織與管理產品數據。作為產品數據管理模型，也是項目所有信息輸出的基礎和信息源頭，將產品通過不同視角或者邏輯關系排列位置節點形成不同產品架構，然后按照自上而下的方法組織各層級相應的數據形成產品結構。產品結構每下降一層代表對產品結構更加詳細的描述，上層結構應是其下層的總和，或者說下層的集成生成上層。產品結構的具體模型包括產品架構、有效性配置、數據管理3個模塊，具體如圖1所示。

產品結構中存在以下關系：①產品架構。圖1中產品架構是由位置節點按照不同的視角或邏輯關系搭建的產品框架，其通過位置節點的完整性來表征產品結構框架的完整性。②PART節點也可稱為數據節點，它是在產品架構與位置節點連接，作為產品位置節點與產品數據集的連接站來表征產品架構上位置節點對應的數據集。③有效性值。作為PART節點（數據節點）上的重要屬性，可通過不同的有效性值來表征產品架構與數據管理對象的選配關系。如圖1中Part2、Part3對應同一個位置節點，但是有效性值不同，所以對應的數據集B、數據集C也不同。有效性值是產品數據多方案管理和不同類別數據追溯的紐帶。④有效性配置。有效性值是PART節點（數據節點）的重要屬性，而PART節點（數據節點）與位置節點組成產品架構，依據產品架構相同的有效性值可以表征上層組件與零件之間的選配關系。有效性的配置在信息化系統中可以說是利用產品架構的邏輯關系，通過選擇相同的有效性來達到選配產品的目的。⑤數據集。數據集是以產品結構為數據管理模型的一大特點，數據不是以單個文檔的形式管理，也不是按照一個籠統的文件夾的形式管理，而是以數據集的形式進行組織管理。數據集是由一個或多個文檔或圖紙組成，這些數據是描述產品相應位置節點的某種類別的數據，同時，這些數據具備相同的有效性值才能組成數據集。描述同一位置節點的相同類別數據，有效性值不同，數據集也不同，如圖1中數據集B、數據集C。

在民用復雜系統研制的全生命周期的不同階段，產品結構隨著產品研制進程的推進不斷增加新的內容、功能和用途。產品結構在產品生命周期中表現為不同的形式，反映了產品開發不同階段的成熟度，與該階段的任務相適應。

2.1 產品架構

產品架構是產品結構的框架，是數據管理的模型骨架，是用來組織數據形成視圖。產品架構按照不同的視角和邏輯可以分解為圖2所示的幾個部分。

2.1.1 工作分解架構

工作分解架構是根據項目工作任務分工形成的架構，它表達的邏輯模式為工作任務上下層級之間的關系。

2.1.2 功能分解架構

功能分解架構是根據產品功能分解形成的架構，表達的邏輯模式為產品功能、系統功能、子系統功能、功能單元之間的組合關系。

2.1.3 裝配分解架構

裝配分解架構是根據裝配關系形成的分解架構，表達的邏輯模式為產品零組件裝配所屬的指向關系。

2.1.4 制造分解架構

制造分解架構是根據工藝裝配步驟形成的分解架構，表達的邏輯模式為產品制造裝配的工藝順序關系。

2.1.5 維護分解架構

維護分解架構是根據維護、維修步驟形成的分解架構，表達的邏輯模式為產品維護、維修的拆解順序關系。

在民用復雜系統全生命周期研制過程中，數據組織管理模型中的產品架構采用什么樣的分解架構，應按照對應階段的工作任務來定義，即按照產品數據產生使用的視角進行組織管理，例如在初步設計和技術完善階段采用功能分節架構管理設計方案數據，在詳細設計階段采用裝配分解架構管理工程設計圖樣，在制造階段采用制造分解架構管理工藝規程和工藝記錄，在運行使用與維護階段采用維護分解架構管理故障維修相關數據等。

2.2 視圖管理

文章前面部分對民用復雜系統的產品全生命周期研制過程中產生的產品數據進行了分類，按照產品架構，即產品數據管理的模型框架組織管理對應的數據分類，以滿足不同角色對數據的需要管理，形成不同視角視圖。

圖1中所示的產品架構和數據集組成產品結構，相同的產品架構組織不同的數據集形成不同的產品結構，只有相同的產品架構組織相同的數據集才能形成相同的產品結構即視圖。

民用復雜系統產品全生命周期對應不同的研制階段，按照階段數據產生的邏輯形成不同的產品架構組織，并按照對應的數據類別形成視圖，具體如圖3所示。

BOM狹義上的定義為物料清單，本文中的BOM均指的是廣義定義，即產品結構，按照不同的產品架構組織不同類別的數據形成不同的產品結構。圖3為可供參考的民用復雜系統產品全生命周期的產品結構，其每個產品結構管理的數據類別、管理者、管理目的如表2所示。

從圖3和表2中可以看出，在復雜系統研制的全生命周期過程中，建設全面的產品結構不但可以解決不同階段數據隔離的問題，而且也解決了數據追溯的問題，同時，滿足不同角色在項目研制周期內能夠快速調用與構型及構型管理活動相關的各類信息及其統計數據，實現產品數據在全生命周期內的一致性、完整性、實時性、有效性、可追溯性管理。

2.3 有效性配置

產品構型配置又稱為可變性管理。產品構型配置的一般規則有3種，即按照版本號配置，按照有效性配置，按照變型規則配置。通常在產品結構中用的配置規則為有效性配置，如圖4所示，在產品架構的PART節點上賦予數據集的有效性值，通過有效性值的篩選達到產品構型配置的目的。有效性值在產品結構中作為一個變量，其選擇變量應用變量條件，變量條件是一個邏輯表達式，定義了一種數據集按照產品架構的邏輯結合，當有效性取不同的值時，按照產品架構的模式篩選出不同的數據集，數據集為不同的設計方案或構型時，即進行多方案和多構型的管理。

例如，在工程BOM中，按照臺份定義有效性值，從而通過篩選有效性值可以獲得某一臺份的產品結構。如圖4所示，通過篩選有效值1獲得1臺份的產品結構，如圖5所示，依次類推可以獲得3臺份、4臺份、XX臺份的信息。

3 分析與總結

在產品研制的全生命周期內，依托不同的視角和業務邏輯關系的產品架構，組織管理不同類別的產品數據，同時，依據有效性達到數據篩選配置的目的。在民用復雜系統全生命周期內建立全面BOM管理產品數據，可以實現在產品研制全生命周期過程中建立和維護一個保障產品數據的一致性性、完整性、實時性、有效性和可追溯性等要求的公共數據源，實現產品數據在物理上分散、邏輯上關聯。

產品數據管理模型存在的意義是：①產品結構化數據可以實現對項目的圖形表達，捕捉人們心中的想法，方便溝通交流；②可以實現對項目和產品有關的業務信息和技術信息有組織的收集和共享；③將離散化的產品數據關聯起來，體現了產品研制的關聯根本；④國內外產品全壽命周期數據管理的通用做法和管理趨勢；⑤基于不同的視角，利用平臺的功能和流程開展協同研制工作。

［1］ 王慶林.基于系統工程的飛機構型管理［M］.上海：上海科學技術出版社，2017：150-151.

［2］ 高奇微，莫欣農.產品數據管理（PDM）及其實施［M］.北京：機械工業出版社，1998.

［3］ 王慶林，余國華，王睿.構型管理［M］.上海：上海科學技術出版社，2010：247-251.

［4］ 朱一凡，李群，楊峰，等.NASA系統工程手冊［M］.北京：電子工業出版社，2012：20-21.