基于模塊化設計的工程設計數據管理

張成武，郝朝杰

（中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海200241）

0 引言

航空發動機是制造業中典型的研制周期長、技術難度高、投入成本高的復雜系統，在研制過程中會產生大量的不同層級、不同種類的產品數據，并且在跨階段、大范圍協同的研制過程中還會經歷頻繁的設計更改。因此，如何制定合理的數據管理方案，是航空發動機構型管理工作的首要問題。而以工程圖樣為主的工程設計數據作為關聯設計、制造、試驗、取證/定型的核心紐帶，則更是重中之重。

工程圖樣一般分為零件圖和組件圖（也稱裝配圖），用于定義產品結構各層級零/組件的構型及其在產品結構上的層級關系。按照國內航空發動機行業的傳統模式，組件圖上一般直接標注下一層級零/組件號，并且標注的件號具有惟一性；在零/組件圖的標題欄，也會定義上層組件的件號作為裝配處信息。對于單一方案而言，這種模式上下追溯關系清楚且惟一。然而，當圖紙發生更改而且需要新增件號時，由于上層組件只能惟一對應更改前的件號，因而只能新增上層組件號來對應更改后的件號，繼而再新增上上層組件號，直至發動機最頂層。由此可見，在當前傳統模式下，一旦某個零件換號，該更改將一直傳遞至發動機頂層，帶來大量的組件圖、裝配工藝的關聯更改。為了避免上述“株連九族”式的關聯更改，行業內采用了多種規避機制，然而這些機制都只局限于臨時解決問題，反而造成工程設計數據的混亂，給產品數據管理帶來更多問題。

本文對行業內更改規避機制存在的諸多弊端進行分析，論述了問題產生的根源，參考國際通用標準和其他行業的管理模式，結合航空發動機研制特點，提出基于模塊化設計的工程設計數據管理方案，為解決行業內長期存在的隱患提出完整的解決方案與實施建議。

1 傳統模式下的更改封閉機制

當前，國內航空發動機設計單位通常采用以下3種方法處理圖紙的更改:

（1）無論更改前的方案是否有效，均選擇升版圖紙，通過圖紙的不同版本對應不同設計方案，即“多版本有效”；

（2）設計通過發布臨時偏離（通常稱為“技術通知單”）的方式處理設計更改；

（3）發生更改的零件新增件號，針對上層組件發布臨時偏離，代替新增上層組件號。

然而，這3種辦法都將帶來新的問題:

（1）升版。在“多版本有效”模式下，必須通過“件號+版本”的方式才能確定構型，即意味著所有出現件號的地方均要附帶版本號才可以，而事實上當前組件圖和目錄上標識的件號以及實物標印上均不體現版次信息，將導致構型管理的極大混亂。如果要求所有標識件號的地方均附帶版本號，那么版本號將成為件號的一部分，其更改同樣會引起自下而上的關聯更改。

（2）發臨時偏離。首先，技術通知單僅用于處理“臨時偏離”，不用于產品設計，一旦技術通知單定義的構型用于產品取證，仍然要新發圖紙代替技術通知單，依舊面臨自上而下的關聯更改，而且更改前后與相關驗證信息的關聯也將成為問題；其次，裝配圖、目錄均不包含技術通知單，仍然需要再針對組件補充定義裝配要求，過程中需要大量的人工統計與辨識，單據遺漏的風險極大。

（3）上層組件發臨時偏離。問題與零件發臨時偏離所帶來的問題相同，只是將問題的范圍縮小了，但并未杜絕。

綜上所述，當前的更改封閉機制盡管解決了眼前的更改向上傳遞問題，但是違背了國際通用標準和最佳實踐[1-3]所推薦的“單一件號對應單一構型”這一基本原則，無論如何補救都無法在裝配圖、設計目錄、零件圖、實物標印四者之間建立直接追溯關系，不得不在設計、裝配等各環節增加更多的臨時單據或臨時文件，后續環節需要大量的人工統計與辨識，風險極大。究其根本，還是因為當前傳統的工程設計數據管理模式只適合產品結構層級少、設計方案單一且極少變更的產品，無法適應航空發動機這種復雜系統的研制。

在國內商用飛機型號研制中也遇到過類似問題[4]，曾一度使其適航取證工作受到很大影響，最終不得不臨時更換工程數據管理模式，付出了時間和成本上的巨大代價。然而，國內航空發動機行業長期專注于軍用型號研制，沒有外在的適航取證壓力，未能貫徹國際通用標準要求，使得這一問題長期存在于型號研制過程中，既沒有引起足夠重視，也沒有得到系統地解決，成為航空發動機構型管理工作的一大隱患。

2 模塊化設計理念

2.1 基本原理

模塊化設計是1種將復雜系統向下分解為若干子系統/零部件的設計方法。在模塊化設計下，組成系統的零部件被定義為若干個模塊，這些模塊不再完全依附于該系統，而是可以單獨進行開發。考慮到所有系統通常都是由零部件組成的，而且極少數系統的零部件完全無法分解和重新組裝。因此，在某種程度上，幾乎所有系統都可以采用模塊化設計[5]。模塊化設計使得零組件上下層級關系變得更為靈活，在滿足上層組件對于功能、性能、接口等要求的前提下，下一層零/組件的不同構型可以根據實際需要靈活選配。

2.2 更改傳遞規則

若將模塊化設計理念應用于工程圖樣管理，那么定義組件圖時，將不再直接明確下一層級的裝配件，而是可以通過其他方式對下一層級裝配件進行靈活選擇，從而打破了組件上下層級的一一對應關系。當某一層級件號發生更改時，其上層組件首先判斷更改前后是否具有可互換性，即:若該組件更改前后的功能特性和物理特性在性能、可靠性、維修性方面是等效的，互換時不影響接口與性能，也不需要其他相配合的構型進行選擇或調整，則認為該組件更改前后具有互換性[6]，組件號不再新增；若不可互換，上層組件需新增件號，并繼續向上判斷可互換性，直至到達可互換的層級或最高層級為止[1-2]。

2.3 應用現狀

模塊化設計是1種現代產品設計理念，可以極大地提高產品數據的重用性，目前已廣泛應用于飛機、汽車等制造業[7]。在航空領域，以空中客車、歐洲直升機為代表的飛機制造商采用模塊化設計理念，通過定義可變項、不可變項的方式在產品結構上建立模塊層，并實施模塊間的邊界保護，將更改封閉在可變項內部，在模塊層實現多方案的自由選配[8-9]。然而，航空發動機零組件之間的耦合性更強，難以效仿飛機行業在某一層級實施明確的邊界保護[10]，必須制定更加復雜、細致的管理方案，以適應航空發動機的研制特點。

3 基于模塊的產品架構標識

3.1 產品架構定義

在基于模塊可選配的管理模式下，組件下的某一位置可以對應不同的零/組件，同一零/組件也可以隸屬于不同的上層組件。為確保這種通用性，組件圖中的裝配位置上只能定義代表其功能的模塊，而不是具體的零/組件號。各層級的模塊組合起來，即構成完整的產品架構。根據系統工程理論，產品研制過程中，應當先建立產品架構，再進行產品設計[11]。因此，需要1套獨立于零組件號的編碼系統，用于標識各層級模塊，并以模塊為節點建立產品架構，組件圖中的裝配位置相應地標識模塊編碼。

盡管航空發動機研制過程中設計更改頻繁，甚至會出現多方案并行設計，導致產品結構在研制過程中一直處于不斷變化之中，但是產品架構通常相對穩定。獨立標識的產品架構可以為不同設計方案的產品結構提供通用基礎，而且可以體現不同設計方案之間的關聯和差異。

3.2 模塊化層級定義

采用模塊化設計并不意味著所有層級的零/組件都要被定義為模塊。通常應根據產品的自身特點，在產品結構樹上選擇特定的零/組件作為最小模塊（如圖1所示），這些最小模塊的上層組件均為模塊，下層級（若有）均不再被定義為模塊。作為最小模塊的組件，其下層級的所有零/組件均惟一確定，若更改導致這些零/組件需新增件號，則上一層級組件號需要相應新增，直至最小模塊層的組件也隨之新增件號后，才能通過互換性判斷更改是否可以終止。未被定義成模塊的零/組件不會直接體現在產品架構上，而是作為其所在最小模塊組件的一部分，通過該最小模塊與產品架構建立關聯。

圖1 基于模塊的產品架構

最小模塊層級的選擇，關系到產品架構的管理成本和更改成本。層級過高，將導致非模塊的組件層級過多，使得最小模塊層以下的零/組件更改成本過高，甚至重蹈當前國內航空發動機行業的覆轍；層級過低，更改很少具有互換性，甚至導致產品架構變更頻繁，不僅沒有降低更改成本，反而增加了大量的產品架構管理成本。盡管最小模塊層的選擇因產品而異，但是依然有一些通用的原則可以遵循，幫助產品數據管理工程師做出適合產品研制特點的選擇。

3.3 最小模塊的最低選擇層級

根據組件的維修策略不同，可以將組件分為可分解組件與不可分解組件2大類。在使用維護過程中，其下層零組件不可以單獨進行拆裝更換，必須要將組件進行整體更換的，一般稱為不可分解組件（如焊接組件）；相應地，無須進行整體更換的，稱為可分解組件。因此，通常將可獨立安裝的零件和不可分解組件作為實物管理的最小單元，實物上所標印的件號和序列號可惟一代表該實物構型。而可分解組件在使用過程中會經歷頻繁地拆裝換件，實物所標印的件號和序列號無法惟一確定該組件的實物構型，必須輔以裝機目錄（也稱為配套表）記錄每次裝配的下層級零/組件實物的件號和序列號。

如果將最小模塊層定義至不可分解組件以下的零/組件上，那么理論上這些零/組件的更改可以通過互換性準則封閉在不可分解組件的內部，使得該不可分解組件的件號維持不變，導致相同的不可分解組件的件號可以對應不同的構型。然而，不可分解組件實物并沒有輔以裝機目錄，無法區分相同組件號的不同構型，將帶來實物構型管理上的混亂。因此，最小模塊層的定義不能低于不可分解組件。

3.4 最小模塊的最高選擇層級

航空發動機通常劃分為若干個部件（如壓氣機、燃燒室、渦輪、噴管等），部件之間通過接口定義以確保可以集成；同樣，部件內部也可以繼續向下劃分成若干個零/組件并定義接口。為了盡可能減小設計更改的影響范圍，有的企業會將某一層級部件或零/組件之間的接口凍結，強制要求各設計方在設計發生更改時不得更改接口，或者采取措施盡量減少。這種對設計邊界進行保護的控制策略盡管犧牲了部分設計最優方案，但是卻最大程度上確保了接口相關的零/組件設計更改的互換性，從而縮小了更改范圍。因此，如果對某一層級接口設置了邊界保護，那么最小模塊層的設置應不高于該層級，否則設計邊界所在層級將無法采用互換性準則阻隔更改傳遞。

3.5 模塊層級選擇建議

模塊化層級的選擇需要企業根據具體的型號研制策略和管理策略，在產品架構管理的復雜性和更改成本之間做進一步的權衡。考慮到國內航空發動機研制經驗不足，技術成熟度低，型號研制過程中降低更改成本的需求更加迫切，因此更加適合將最小模塊層劃分到最低層級，即可獨立拆裝的零件和不可分解組件。模塊層級過多所帶來的管理復雜性可以通過信息化系統功能開發予以應對。

4 基于模塊可選配的管理方案

4.1 互換性管理

盡管基于模塊可選配的管理方案可以通過互換性判斷準則阻隔更改向上傳遞，但并不是所有的更改都會具有互換性。因此，對于下一層級零/組件的更換，上一層級組件是否具有互換性，應進行明確的定義。鑒于物料清單（Bill of Material，BOM），也可稱為零組件目錄或明細表）通常承載著零組件之間的上下層級關系，因而可在BOM上標識互換性。

在基于模塊化設計的管理模式下，BOM的架構應首先通過產品架構標識建立起來，在同一裝配位置下的零/組件應當對應相同的產品架構標識號，見表1。若組件某一裝配位置對應的2個零件相互替換使用不影響該組件的互換性，那么在BOM中，其中1個零/組件可以添加1個可替換使用的標記，如“可替換件”、“ALT”、“SUBST”等[12]。若設計更改前后 2 個零/組件不具備互換性，則需要新增上層組件號，新增的下層零件號不再標識可替換使用。

表1 燃燒室組件BOM示例

4.2 有效性管理

在基于模塊可選配的管理模式下，各模塊層級的零/組件均可能存在多個構型，但是對于1套完整的發動機設計方案，構型卻是惟一的。盡管各可選配構型對于上層組件而言可以相互替換，但是每個構型都有其適配的設計方案和特殊用途，必須通過額外的標識進行區分，即通常所說的有效性。有效性定義的是零/組件的使用屬性，不屬于零/組件本身構型，應單獨進行定義和標識。

航空發動機在研制階段需要開展大量試驗，以證明其相對于需求的符合性。因此，在研制階段產生的所有工程圖樣最終都會直接或間接（部分需進行改裝）地用于各臺份的試驗件（包括整機、核心機、部件及關鍵零組件）中。而單一臺份的試驗件所貫徹的設計方案相對惟一，可以很好地區分零/組件構型的使用范圍，因而可以采用臺份編號作為零/組件的有效性標識。單個零/組件的有效性可以定義為多臺份編號，代表該零/組件用于多臺試驗件設計。盡管航空發動機在研制過程中產品的設計方案在持續不斷地更新，但是在任何時間點上均存在1套基礎構型擬用于產品取證，作為后續試驗件設計的基準。因此，還應當增加1個特殊的編號，用于定義某些零/組件屬于產品基礎構型。而且，隨著產品設計方案不斷更改，代表基礎構型的有效性編號也應當相應地調整到新的零/組件號上。

4.3 EBOM管理

模塊化設計與傳統設計最大的不同在于，組件圖只定義本身的裝配要求及下一層級的產品架構，下一層零/組件的構型由BOM定義，從而由傳統的以圖紙為核心轉變為以BOM為核心的管理模式[13]。在基于模塊可選配的管理模式下，BOM不僅要承載零組件的層級關系，還要定義互換性和有效性，其管理的復雜度遠高于傳統模式下的BOM。因此，有必要借助信息化系統構建基于統一產品架構的EBOM，提高工程設計數據的管理效率。

基于統一產品架構的EBOM包含4類要素及其相互關系，如圖2所示。其中要素包括:位置節點:以模塊編碼為標識，每個位置節點代表1個模塊；數據節點:以件號為標識，用于定義設計方案，產品架構的某個位置節點掛接的不同數據節點，表示在同一模塊功能下采用不同的設計方案；有效性:以臺份編號為標識，定義每個件號的使用范圍；數據文件:包括工程圖樣及隨圖文件，以數據包的形式掛接至數據節點。要素之間的關系則包括:位置節點之間的層級關系；數據節點與位置節點的掛接關系；數據文件與數據節點之間的掛接關系；各模塊對應的零/組件在其上一層模塊對應的組件下的可替換關系。

圖2 基于統一產品架構的EBOM示例

在如圖2所示的工程設計物料清單（Engineering Bill of Material，EBOM）下，可以快速獲得以下幾方面關鍵信息:

（1）通過有效性編號篩選出某單臺份試驗件構型或當前的產品基礎構型；

（2）通過零組件號所關聯的有效性，可以獲得該件的使用范圍；

（3）通過相同的位置節點，可以對比某一位置節點上不同臺份之間的方案差異性。

5 管理模式轉變的影響評估

當前行業內的傳統管理模式轉變為基于模塊可選配的管理模式，需在設計數據管理、工藝數據管理、組件裝配、BOM管理上進行統一調整。

5.1 設計數據管理

對于最小模塊及以上層級的組件，工程圖樣僅定義組件的裝配、檢測等要求以及下一層級零/組件的裝配位置，不再定義下一層級零/組件的具體件號。在零/組件更改時，需通過互換性判斷是否向上傳遞。對于2維圖紙而言，組件與其下一層級裝配件相互獨立，在裝配圖上直接修改標識號即可適應；而對于基于模型的3維設計（Model Based Design，MBD），組件與其下一層級裝配件模型之間在系統上存在直接、惟一的引用關系，因而必須對3維設計軟件及產品數據管理（Product Data Management，PDM）/產品生命周期管理（Product Life-cycle Management，PLM）系統功能進行二次開發，使得模型上下層引用關系可以通過BOM進行配置管理，通過有效性篩選可以過濾出所需要的組件模型[14]。

對于最小模塊層以下的組件和所有零件，無需任何調整。

5.2 工藝數據管理

對于最小模塊及以上層級的組件，由于裝配工藝以組件號為惟一追溯性標識，而組件下允許可選配，若下一層級零/組件號的更換不引起組件號和組件圖的更換，那么裝配工藝也不應當發生更改。因此，裝配工藝文件也應當與組件圖一樣采用可選配的標識方法，不再直接確定下一層級零/組件號，而是與BOM共同確定最終的組件裝配構型。

對于最小模塊層以下的組件和所有零件，無需任何調整。

5.3 BOM管理

在傳統模式下，組件圖/工藝文件均惟一確定了組件構型，無論是傳統的BOM文件還是PLM/ERP系統的EBOM/MBOM[15]，都僅作為組件圖/工藝文件的附屬統計信息，ERP為企業資源規劃（Enterprise Resource Planning），MBOM 為制造物料清單（Manufacturing Bill of Material）。發生更改時，必須首先確保圖紙和工藝文件貫徹到位，而BOM一般無需立即貫徹更改。在基于模塊可選配的管理模式下，BOM將取代組件圖和工藝文件成為數據管理的核心，通過BOM索引到組件圖和工藝文件完整地確定產品構型。從設計方案定義、裝配要求下發到物料流轉、裝配執行，都必須以BOM作為惟一數據源。因此，發生更改時必須首先確保BOM的貫徹到位。

6 結論

（1）當前傳統的工程數據管理模式無法避免多方案產生的自下而上的關聯更改，任何規避措施都無法完整地解決問題。

（2）基于模塊化設計理念，在產品架構、互換性、有效性以及BOM管理上制定更加詳細、普適的規則，可以實現多層級模塊可選配的管理模式，完整地解決多方案產生的關聯更改問題。

（3）企業在實施基于模塊可選配的管理模式時，需在設計數據管理、工藝管理、BOM管理同步進行適應性調整，完成管理模式的整體轉變。

本文論證了當前工程數據管理向基于模塊可選配的管理模式轉變的必要性與可行性，并完成了具體的管理方案研究，可以指導企業完整、規范地建立適合于航空發動機多方案設計的工程設計數據管理體系，解決行業內長期存在的工程數據標識不清、更改難以封閉的問題。