基于三維模型的衛(wèi)星數(shù)字化跨單位異地并行協(xié)同設(shè)計與集成應(yīng)用

◎ 上海衛(wèi)星工程研究所 曹建光 姚駿 沈靖

上海衛(wèi)星工程研究所持續(xù)探索基于三維模型的跨單位異地并行協(xié)同設(shè)計與集成應(yīng)用，推動實(shí)現(xiàn)面向數(shù)字化研制的衛(wèi)星領(lǐng)域設(shè)計制造全面協(xié)同。本文從設(shè)計環(huán)境、工作模式、研制體系等方面構(gòu)建數(shù)字化解決方案，面向衛(wèi)星領(lǐng)域構(gòu)建了跨域并行協(xié)同研制的數(shù)字化工作環(huán)境，全面實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星領(lǐng)域的設(shè)計制造一體化跨域協(xié)同并行研制。

一、引言

數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化是新一輪科技革命的突出特征，也是新一代信息技術(shù)的核心。其中，MBD（Model Based Definition，基于模型的定義）技術(shù)是關(guān)鍵之一，將三維模型貫穿于產(chǎn)品的設(shè)計、工藝、制造與檢測等過程，改變傳統(tǒng)研制模式，實(shí)現(xiàn)設(shè)計制造一體化，成為了制造業(yè)信息化的發(fā)展趨勢。

上海衛(wèi)星工程研究所（下簡稱衛(wèi)星所）是上海航天技術(shù)研究院衛(wèi)星領(lǐng)域的總體設(shè)計單位，主要開展衛(wèi)星體系論證、任務(wù)策劃和應(yīng)用研究，承擔(dān)衛(wèi)星總體設(shè)計、綜合測試、在軌管理的任務(wù)以及部分分系統(tǒng)和地面測試設(shè)備的研制任務(wù)。在推進(jìn)設(shè)計制造一體化的過程中，衛(wèi)星所深入研究MBD 技術(shù)，充分發(fā)揮總體主導(dǎo)作用，持續(xù)探索基于三維模型的跨單位異地并行協(xié)同設(shè)計與集成應(yīng)用，努力達(dá)成面向數(shù)字化研制的衛(wèi)星領(lǐng)域設(shè)計制造全面協(xié)同。

二、傳統(tǒng)研制模式與存在不足

衛(wèi)星系統(tǒng)組成復(fù)雜、專業(yè)覆蓋廣泛、研制單位眾多、技術(shù)狀態(tài)變更與迭代頻繁，具有小批量、多專業(yè)、高品質(zhì)、短周期、多狀態(tài)的研制特點(diǎn)，屬于典型的跨專業(yè)、跨領(lǐng)域、跨單位協(xié)同開發(fā)的產(chǎn)品。

在傳統(tǒng)的衛(wèi)星研制模式中，組成衛(wèi)星的各承制單位以二維圖紙或技術(shù)文件等載體開展對口分頭協(xié)調(diào)和串行研制生產(chǎn)，設(shè)計、工藝、制造、檢測等各個研制環(huán)節(jié)需要在三維建模和二維表達(dá)之間多次轉(zhuǎn)換，設(shè)計信息的表達(dá)不充分、不規(guī)范、不完整，導(dǎo)致型號在低效反復(fù)的校對、制表、統(tǒng)計、確認(rèn)等工作上耗費(fèi)大量精力和周期，整個衛(wèi)星研制質(zhì)量和效率低下，形成獨(dú)立的信息“孤島”而缺少共享，嚴(yán)重影響了衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大。

鑒于以上問題，衛(wèi)星所迫切需要開展以MBD 技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字化研制，推動衛(wèi)星研制的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，促進(jìn)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量、高效率、高效益發(fā)展。

三、數(shù)字化解決方案與創(chuàng)新性

面對型號傳統(tǒng)研制模式上的諸多弊端，衛(wèi)星所對癥下藥，在技術(shù)和管理兩個方面同時著手密切配合，從數(shù)字化設(shè)計環(huán)境、工作模式、研制體系等多個方面全面、系統(tǒng)地開展工作。

（一）數(shù)字化解決方案

1、覆蓋全面的數(shù)字化設(shè)計環(huán)境

針對三維研制的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，衛(wèi)星所開展基于三維模型的數(shù)字化設(shè)計與制造的頂層設(shè)計與系統(tǒng)規(guī)劃，持續(xù)建設(shè)和完善了IDS（I nterface Date Sheet，接口數(shù)據(jù)單）系統(tǒng)、PDM（Product Date Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）平臺、三維快速設(shè)計系統(tǒng)和IPT（Integrated Product Team，集成產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)）工作室，推動數(shù)字化從單純建設(shè)向型號應(yīng)用縱深方向發(fā)展。

衛(wèi)星所以IDS 系統(tǒng)為紐帶，收集單機(jī)接口數(shù)據(jù)，主要解決了單機(jī)信息統(tǒng)一填報的問題；以PDM 為平臺，實(shí)現(xiàn)基于三維模型的跨域協(xié)同設(shè)計、技術(shù)狀態(tài)管理、數(shù)據(jù)分發(fā)控制；以快速設(shè)計系統(tǒng)為支撐，通過整星主控骨架統(tǒng)籌提取衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計時的核心信息并進(jìn)行頂層控制和約束，形成有序高效的分布式三維協(xié)同設(shè)計和智能優(yōu)化；以IPT室為基礎(chǔ)，不同單位的設(shè)計師與工藝師集同辦公，實(shí)現(xiàn)設(shè)計與制造并行協(xié)同。由此，衛(wèi)星所夯實(shí)了數(shù)字化研制基礎(chǔ)，為流程貫通、數(shù)據(jù)共享創(chuàng)造了條件。

2、創(chuàng)新協(xié)同的數(shù)字化工作模式

衛(wèi)星所采用AVIDM4.0 作為PDM平臺。通過PDM 平臺向衛(wèi)星研制各專業(yè)所、制造端的延伸，解決了多流程重復(fù)工作、數(shù)據(jù)管控不強(qiáng)、變更過程難追溯、變更確認(rèn)繁瑣等問題，由單一的總體所內(nèi)部協(xié)同向總體、分系統(tǒng)、裝配制造單位間的設(shè)計與制造全面協(xié)同轉(zhuǎn)變；在單機(jī)承制單位部署三維IDS 軟件，以單機(jī)模型為唯一數(shù)據(jù)源用于數(shù)字化協(xié)同設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了模型規(guī)范性與數(shù)據(jù)齊套性檢查的自動化。

圖1 PDM部署架構(gòu)

在PDM 平臺和IDS 軟件延伸部署的基礎(chǔ)上，通過“跨 域收集—協(xié)同設(shè)計—三維下廠”等三個層次的協(xié)同，打通基于MBD 的設(shè)計、工藝、制造、檢測等研制環(huán)節(jié)的數(shù)字化鏈路。

3、持續(xù)完善的數(shù)字化研制體系

通過型號的成功試用，衛(wèi)星所提煉形成了完善的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)體系和管理制度，包括36 份院級標(biāo)準(zhǔn)、39 份所級標(biāo)準(zhǔn)和3 份規(guī)章制度，內(nèi)容覆蓋衛(wèi)星三維建模和簡化標(biāo)注、數(shù)據(jù)分發(fā)與技術(shù)狀態(tài)管理、三維檢驗(yàn)方法應(yīng)用等型號研制的多個方面，為型號數(shù)字化的全面推廣應(yīng)用提供了可操作的指導(dǎo)性依據(jù)。

通過基于三維模型的衛(wèi)星數(shù)字化跨單位異地并行協(xié)同設(shè)計與集成應(yīng)用，衛(wèi)星領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了三維建模軟件工具版本的統(tǒng)一、模型建模標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一、數(shù)據(jù)管理平臺的統(tǒng)一。

（二）數(shù)字化工作創(chuàng)新

1、數(shù)據(jù)定義與信息承載

衛(wèi)星所以設(shè)計信息表達(dá)為抓手，探索基于模型的數(shù)據(jù)定義與信息表達(dá)，完善PMI（P roduct Manufacturing Information）承載方式，實(shí)現(xiàn)了由IDS紙質(zhì)到IDS 電子化、由二維IDS 填報到三維IDS 表達(dá)、由二維圖紙全面標(biāo)注到三維模型簡化標(biāo)注、由基于文本的信息傳遞到基于骨架的信息傳遞、由按圖生產(chǎn)到按模型生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變。

圖2 面向數(shù)字化的衛(wèi)星設(shè)計與制造并行協(xié)同研制流程

IDS 是衛(wèi)星總體與分系統(tǒng)之間的儀器設(shè)備接口文件，傳統(tǒng)模式下以紙質(zhì)的IDS 形式進(jìn)行信息傳遞，無法利用該信息進(jìn)行三維設(shè)計。衛(wèi)星所將單機(jī)質(zhì)量特性、安裝特性、安裝要求、精度要求等機(jī)械接口數(shù)據(jù)定義到三維模型中，實(shí)現(xiàn)了型號研制中總體布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計等環(huán)節(jié)的信息提取和完整應(yīng)用。

2、協(xié)同方法與工作環(huán)境

衛(wèi)星所以IDS 系統(tǒng)為紐帶，以PDM 為平臺，以快速設(shè)計系統(tǒng)為支撐，以IPT 為基礎(chǔ)，PDM 平臺和IDS 軟件延伸部署，構(gòu)成了數(shù)字化設(shè)計制造一體化的全集成環(huán)境，從而形成了基于三維模型的衛(wèi)星數(shù)字化跨單位異地并行協(xié)同模式，實(shí)現(xiàn)了單機(jī)承制單位與總體設(shè)計單位之間、總體設(shè)計單位內(nèi)部多專業(yè)之間、總體設(shè)計單位與總裝制造單位之間等三個層次的協(xié)同。

隨著型號應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，PDM平臺管理的數(shù)據(jù)量急劇增長。為了提高平臺的穩(wěn)定性和可靠性，衛(wèi)星所對PDM 平臺開展性能調(diào)優(yōu)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器升級為RAC 集群架構(gòu)，應(yīng)用服務(wù)器升級為Cluster 集群架構(gòu)，CAD Worker機(jī)獨(dú)立部署，實(shí)現(xiàn)PDM 應(yīng)用負(fù)載均衡、數(shù)據(jù)庫雙機(jī)熱備、存儲數(shù)據(jù)同步備份，從而整體提升了平臺的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和健壯性。當(dāng)前，系統(tǒng)打開10G 大小的整星模型耗時由60 分鐘壓縮為3分鐘左右，增強(qiáng)了設(shè)計師的三維設(shè)計體驗(yàn)。

型號在實(shí)際研制過程中，由于周期緊、各分系統(tǒng)進(jìn)度不一等原因，不可避免出現(xiàn)初樣、正樣、裝備等多個階段并行研制的狀況。以往通常采用手工模型下載、轉(zhuǎn)階段、上傳，操作繁瑣效率低；模型設(shè)計參數(shù)無法自動更新，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理的內(nèi)部閉環(huán)。由此，衛(wèi)星所開展基于PDM 的“一鍵式”線上轉(zhuǎn)階段，保證新階段的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和模型樹的正確性，保證各專業(yè)、單機(jī)內(nèi)部以及相互之間的模型關(guān)聯(lián)完整，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一變更階段標(biāo)識等參數(shù)，設(shè)計師可以基于新階段模型獨(dú)立開展設(shè)計工作。

3、流程再造與模式變革

衛(wèi)星所將三維模型貫穿應(yīng)用于型號研制的設(shè)計—工藝—制造—檢驗(yàn)等全過程：

1）跨域收集：單機(jī)承制單位與總體設(shè)計單位之間的協(xié)同。通過PDM 平臺和IDS 軟件延伸部署，衛(wèi)星總體收集單機(jī)接口數(shù)據(jù)和三維模型；

2）協(xié)同設(shè)計：總體設(shè)計單位內(nèi)部多專業(yè)之間的協(xié)同。總體布局設(shè)計師建立主控骨架并發(fā)布；結(jié)構(gòu)、熱控、電纜網(wǎng)等多專業(yè)設(shè)計師基于主控骨架體系實(shí)現(xiàn)多專業(yè)并行設(shè)計，基于PDM 平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理及技術(shù)狀態(tài)控制；工藝師提前參與衛(wèi)星設(shè)計；

3）三維下廠：總體設(shè)計單位與總裝制造單位之間的協(xié)同。衛(wèi)星總體、結(jié)構(gòu)、電纜網(wǎng)、熱控等產(chǎn)品基于三維模型進(jìn)行規(guī)范化定義并進(jìn)行簡化標(biāo)注；向衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件制造單位發(fā)放結(jié)構(gòu)三維模型，制造單位基于三維模型開展結(jié)構(gòu)產(chǎn)品工藝設(shè)計、制造、測量；向衛(wèi)星總裝單位發(fā)放衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、電纜網(wǎng)、衛(wèi)星總裝三維模型，總裝廠基于三維模型開展衛(wèi)星結(jié)構(gòu)裝配、電纜網(wǎng)制造與總裝、單機(jī)總裝。

衛(wèi)星所把標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、設(shè)計經(jīng)驗(yàn)、工藝禁忌、幫助文檔等嵌入軟件中，實(shí)現(xiàn)全三維數(shù)字化研制業(yè)務(wù)規(guī)則和流程的規(guī)范化，由設(shè)計流程驅(qū)動，智能推送至設(shè)計師。參與衛(wèi)星研制的網(wǎng)絡(luò)連通單位不再需要來回奔波，可以在本單位提交單機(jī)三維模型，與總體開展異地實(shí)時的三維協(xié)同設(shè)計。

衛(wèi)星所以衛(wèi)星主要結(jié)構(gòu)件（蜂窩板、桁架接頭）為研究對象，開展基 于GPS&V（Geometrical Product Specifications and Verification，幾何技術(shù)規(guī)范與驗(yàn)證）的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件精度設(shè)計控制提升技術(shù)研究，通過形位公差與尺寸公差的合理轉(zhuǎn)換，配合核心算法，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計信息在檢測過程的快捷應(yīng)用，形成一套規(guī)范有序的操作流程、信息規(guī)范和管理模式。

通過MBD 技術(shù)，衛(wèi)星研制將產(chǎn)品研發(fā)模式從串行模式轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿心Ｊ剑瑢a(chǎn)品設(shè)計制造的管理方式從基于文檔轉(zhuǎn)變?yōu)榛谀Ｐ偷男畔⒒芾恚瑢?shí)現(xiàn)了衛(wèi)星研制由分散斷點(diǎn)的模式向端到端集成的一體化模式轉(zhuǎn)變。

四、數(shù)字化工作成效

衛(wèi)星所面向衛(wèi)星領(lǐng)域構(gòu)建了跨域并行協(xié)同研制的數(shù)字化工作環(huán)境，帶動各分系統(tǒng)單位數(shù)字化設(shè)計進(jìn)展，帶動總裝制造單位共同開展設(shè)計制造一體化，全面實(shí)現(xiàn)設(shè)計-制造-測試等維度、總體-結(jié)構(gòu)-電纜網(wǎng)-熱控等要素、設(shè)計-工藝-制造-檢驗(yàn)等流程的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，全面實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星領(lǐng)域的設(shè)計制造一體化跨域協(xié)同并行研制。

（一）促進(jìn)型號全面推廣數(shù)字化協(xié)同研制

當(dāng)前，衛(wèi)星所有在研型號基于三維模型開展設(shè)計制造一體化研制，PDM平臺覆蓋10 個單位近2000 用戶、管理模型文檔超過17萬，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、電纜網(wǎng)三維下廠率100%。

（二）提高型號研制的質(zhì)量、效率和效益

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、電纜網(wǎng)等專業(yè)設(shè)計效率提升5 倍以上，型號總體研制效率提升30%；技術(shù)狀態(tài)確定后到完成詳細(xì)設(shè)計由6 個月縮減至2 個月以內(nèi)，周期壓縮至1/3；系統(tǒng)性設(shè)計質(zhì)量問題全部消滅；研制中全面取消模裝星，采用成熟平臺的衛(wèi)星取消結(jié)構(gòu)熱控星，節(jié)約成本上千萬元。

（三）提升總體抓總的技術(shù)和管理能力

通過基于三維模型的衛(wèi)星數(shù)字化跨單位異地并行協(xié)同設(shè)計與集成應(yīng)用，衛(wèi)星所從全局層面掌握單機(jī)IDS 和三維模型，動態(tài)掌握單機(jī)設(shè)計進(jìn)展和技術(shù)狀態(tài)；建立覆蓋單機(jī)、總體布局、結(jié)構(gòu)、熱控、電纜網(wǎng)、推進(jìn)等專業(yè)的完整三維模型，優(yōu)化型號研制流程和技術(shù)狀態(tài)。衛(wèi)星節(jié)省下的空間與重量可以用來裝載更多的有效載荷，從而增加探測手段、發(fā)揮更大效能。

由此，衛(wèi)星所為衛(wèi)星領(lǐng)域研制搭建了總體與分系統(tǒng)、設(shè)計與制造、產(chǎn)品與檢驗(yàn)之間的并行設(shè)計協(xié)同環(huán)境，形成了基于三維模型的協(xié)同設(shè)計和知識融入的數(shù)字化設(shè)計制造方法，加強(qiáng)了總體對分系統(tǒng)單位的技術(shù)狀態(tài)和工作進(jìn)度控制，提升總體對型號全局的系統(tǒng)設(shè)計與規(guī)范管理能力，整體統(tǒng)籌、協(xié)調(diào)推動了型號研制的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

五、結(jié)束語

當(dāng)前，衛(wèi)星領(lǐng)域型號產(chǎn)品數(shù)字化定義日趨完善、協(xié)同研制模式逐步成熟，以并行設(shè)計、集同工作、數(shù)據(jù)共享、知識復(fù)用為特點(diǎn)的數(shù)字化研制流程初步形成。

衛(wèi)星所將繼續(xù)強(qiáng)化“總體主導(dǎo)、并行協(xié)同、深化應(yīng)用”，全力以“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”促進(jìn)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的“高質(zhì)量、高效率、高效益”發(fā)展。