基于動態聯邦的軍用特種車輛數字化協同研制模式研究

楊建新，劉文軍，李翠霞

(中國兵器工業信息中心，北京 100089)

以坦克、步兵戰車為代表的軍用特種車輛是陸軍地面作戰的主戰裝備[1]，也是攻城略地、奪取戰爭最后勝利的重要力量，其研制能力直接反映了國防軍工行業的科技水平。軍用特種車輛研制是一項跨地域、跨企業、跨專業高度協同的復雜系統工程，具有參研單位眾多、協作配套關系復雜、設計制造分離、多學科交叉等特點，面臨戰技指標、質量可靠性、成本控制、交付周期等客戶需求日趨嚴格的巨大壓力，迫切需要構建“智能制造+網絡協同”的數字化協同模式，實現總體單位、參研單位、總裝廠、協作配套單位之間協同研制。

放眼全球，制造業正面臨著“以數字化為核心特征”的第三次產業革命[2]，國內外大型制造企業通過構建網絡化協同環境，形成了全球協同研制模式。波音公司基于網絡建立了基于單一數據源的核心流程和系統框架[3]，在B787項目研制中實現了25個國家、135個工作地點、180個供應商的全球協同研制，實現了飛機研制的全生命周期管理；洛克希德·馬丁公司在JSF項目[4]中通過構建全球性的數字化協同研發平臺，實現了全球5萬多名工作人員協同研發，F-35戰機研制周期從42個月縮短至24個月，成為協同研制的最高典范；國內中航工業在ARJ21項目[5-6]中建立了協同飛機設計制造平臺，實現了以數字樣機為核心的多廠所聯合協同研制；我國商飛在C919項目[7]中建立了面向飛機全生命周期集成數字化環境IDEAL平臺，實現了國內22個省市、200多家企業、36所高校、數十萬產業人員的共同參與；航天科技以AVIDM為基礎，構建了航天全生命周期數字化研制綜合能力平臺[8]，采用基于數字化的IPT工作模式，建立了三維關聯設計、IPT協同團隊、成熟度的研制協同模式，實現了多種火箭、衛星產品的全三維協同研制。

隨著當前數字經濟的快速發展，推動互聯網與制造業融合[9]已成為當前制造業的主要工作。鑒于此，軍用特種車輛面對產業結構調整、資源環境挑戰、數字技術發展創新帶來的行業顛覆與機遇，加快前瞻部署數字轉型和智能升級的發展戰略，構建數字化協同研制平臺，增強總體單位在研制過程中的龍頭作用和協調能力，充分發揮各專業所和制造廠的專業化協作能力與配套能力，形成“數字研制”新形態。

1 數字化協同研制需求分析

多年來，兵器集團各單位通過數字化建設，建立了各類數字化應用系統，支撐企業數字化研發生產與經營管理。但是，各單位數字化發展水平參差不齊，CAD、PDM等軟件存在品牌、版本不統一等問題，缺乏統一的協同工作平臺支撐，嚴重地制約了總體單位和協作配套之間數字化研制工作的開展。隨著軍用特種車輛由單一作戰單元向模塊化、通用化、系列化的技術方向發展，為保證按期高質量完成軍用特種車輛研制任務，迫切需要建立基于數字樣機的數字化協同研發流程，支撐多專業學科、多部門進行數字樣機交互式協同設計、分析與試驗驗證，實現研制流程的并行化和協同化，推動軍用特種車輛研制從串行模式向并行模式轉變，提升裝備研發能力。

軍用特種車輛全生命周期研制涉及三個層面的數字化協同研制業務：一是設計與設計協同，主要是在方案設計階段和工程設計階段，總體和分系統、分系統和子系統之間的設計協同，采用基于三維模型的自頂向下協同設計方法，通過基于三維骨架的數字化協調卡片實現設計意圖的表達，協作配套單位之間開展協同設計，構建完整、正確、全尺寸的數字樣機，通過數字樣機完成總體布置、預裝配、運動間隙控制與協調、可達性分析、人機交互、關鍵部件剛強度分析等，提高設計質量與效率，縮短研制周期；二是設計-工藝-制造協同，主要是在工程設計、工藝設計和樣機試制階段，設計和工藝之間針對關重件進行工藝審查，特別是當關重件設計達到一定成熟度時，通過預發放數據，制造企業可以提前開展工藝準備，從而縮短制造周期；三是制造-制造協同，主要是樣機研制階段的迭代改進，制造企業之間以數字樣機為依據，實現總裝廠與零組件承制廠、供應商異地制造過程，基于產品結構的數字化傳遞、分布式數據管理、產品數據共享與協同流程控制。

2 數字化協同研制平臺建設

2.1 建設目標

通過對軍用特種車輛研制流程的梳理，結合各單位數字化能力建設現狀和發展目標，構建一個跨廠所(從總體到分系統、分系統單位之間、分系統到單機)、跨專業(設計、工藝、制造)、跨系統(支撐產品研制的各類應用系統)的數字化協同研制環境，將總體、分系統、制造廠聯系在一起，實現基于實物樣機的傳統串行研制模式向基于數字樣機的并行協同數字化研制模式轉變。

1)研制業務融合：產品設計、工藝、制造并行，由傳統串行模式向并行模式轉變。

2)研制進度協同：形成自上而下的項目縱向管理環境，實現跨地域、跨單位的項目綜合管控，有效提升產品研制質量，控制研制成本，保證研制進度，提高項目管理水平。

3)研制流程協同：產品研發生命周期內的所有業務流程在總體到分系統、分系統與分系統之間雙向協同貫通，實現骨架模型發放、產品數據預發放、跨廠所的工藝會簽、數據正式發放和跨廠所的工程變更。

4)研制數據協同：產品研制過程中所有數據均以設計BOM(物料清單)為源頭，實現以BOM為核心的全生命周期技術狀態管理。

2.2 協同研制平臺的構成

由于軍用特種車輛產品經常是眾多產品同時并行研制，同一單位、同一個人經常分別隸屬于不同的研發團隊，負責產品的研發工作。為此，借鑒聯邦[10]的思想，提出了基于動態聯邦的軍用特種車輛協同研制方法(見圖1)。動態聯盟非常突出的一個特點就是其組織形態上的多態性[11]，根據產品研制任務分工，以參研單位為粒度，根據項目的組織機構、配套關系，采用動態聯邦的組織模式通過協同服務平臺組建研制團隊[12]，實現不同項目研制團隊的靈活、快速組織，構建連接總體單位、分系統及研制單位的一體化集成環境，實現跨地域、跨單位、跨系統數據共享與交換、流程銜接、技術狀態控制。

圖1 基于動態聯邦的數字化協同研制平臺

基于動態聯邦的數字化協同研制平臺組成包括1個數字化協同服務平臺和N個參研單位的產品數據管理平臺(PDM)，其中協同服務平臺是數字化協同研制平臺的核心，主要負責協同服務的管理與調度，包括聯邦成員管理、聯邦構建管理、協同服務管理、協同中間件管理、協同運行監控、平臺系統管理等功能。通過協同服務平臺與各單位PDM系統集成，各單位以聯邦成員形式加入數字化協同研制平臺參與協同研制業務。協同服務平臺主要包括如下功能。

1)協同聯邦進行管理：對數字化協同研制平臺中所有項目的協同聯邦進行管理，包括項目狀態、項目階段、各階段研制聯邦組成等，各單位只有接入數字化協同研制平臺成為聯邦成員后，才能加入項目聯邦團隊，參與該項目的協同研制業務。

2)服務管理：對各聯邦成員參與協同研制業務所需的各項服務進行注冊與管理、調度，包括服務的注冊、發布、查詢、變更、調用、編排、路由、監控及信息聚合等內容，協同服務是參與協同業務的各聯邦成員間進行數據與流程交互的支撐服務，是協同業務正常開展的基礎。

3)綜合監控功能：對型號項目研制過程中協同業務的開展情況、協同服務執行情況等進行監控和統計，并提供對協同歷史和系統數據的追溯。

4)數據與消息交互服務：對協同業務過程中的數據、流程、消息通知等進行傳遞與交換，產品研制協同過程中各聯邦成員間交換的產品數據、流程審批記錄、協同流程執行狀態等都通過數據與消息交互服務實現。

5)協同服務中間件：協同服務平臺通過協同服務中間件模塊對骨架模型發放、產品數據預發放等研制協同業務過程提供支持；與此同時，對研制任務下發與接收、研制進度反饋與接收、關鍵節點交付物提交與接收、進度執行異常信息的傳遞與接收等研制進度同步業務提供支持。

3 協同研制動態聯邦構建

復雜產品協同研制動態聯邦的構建過程如圖2所示，主要分為如下5個步驟。

圖2 復雜產品協同研制動態聯邦構建過程

1)動態聯邦初始定義。

當復雜產品研制項目的組織機構和任務分工確定后，首先進行動態聯邦初始定義，確定動態聯邦構成和協同機制；其次，定義聯邦成員之間的協同關系(包括協同設計、協同設計制造和協同制造)、協同數據交互方式(包括選擇CAD工具和數據交互標準)以及協同流程；然后，根據相關安全保密規范，定義動態聯邦協同研制安全訪問機制和數據交互策略；最后，編制《復雜產品協同研制動態聯邦章程》，為動態聯邦協同研制運行以及動態聯邦協同研制環境構建提供依據。

2)動態聯邦總體協同平臺構建。

首先，根據聯邦總體及聯邦成員現有的PDM基礎平臺，選型并配置總體協同平臺基礎環境；其次，根據項目組織機構、任務分工、產品結構定義動態聯邦總體協同平臺的用戶及其權限；第三，根據協同研制的標準件優選目錄，在總體協同平臺中定義標準件、元器件、通用件等，同時定義統一的信息編碼規則；第四，由聯邦總體統一構建復雜產品的產品結構樹，形成初步產品結構(EBOM)；最后，由聯邦總體和聯邦成員共同定義數字化協同研制平臺的數據存儲規則和版本控制規則。

3)動態聯邦協同研制環境集成。

采用系統集成技術，將聯邦成員的內部協同研制平臺和動態聯邦總體協同研制平臺進行集成，實現協同數據交互和協同流程互通。首先，對聯邦成員內部協同平臺和動態聯邦總體協同平臺的協同服務組件進行配置，形成互聯互通的協同研制環境；其次，聯邦成員根據協同需求向聯邦總體協同平臺申請并同步信息代碼；第三，采用數據同步機制，將優選的基礎數據同步到聯邦成員；第四，聯邦總體與聯邦成員之間、聯邦成員之間根據研制任務通過動態聯邦協同研制平臺交互產品數據；最后，根據聯邦成員之間的協同關系，配置跨域協同流程。通過動態聯邦協同研制環境集成，最終形成滿足復雜產品動態聯邦協同研制的協同平臺。

4)動態聯邦運行。

建立動態聯邦業務運行和協同平臺維護機制，并不斷收集協同研制新需求，及時解決新問題，有效保證復雜產品動態聯邦協同業務運行。

5)動態聯邦解體。

在研制項目完成后，將解散動態聯邦、歸檔產品研制數據、凍結技術狀態、重新定義動態聯邦總體協同研制平臺用戶權限。

4 基于動態聯邦的協同數據集成技術

在軍用特種車輛數字化協同研制過程中，數據的轉換與映射是協同中的關鍵問題，但由于各單位CAD、PDM等軟件由不同的實施方進行建設，導致各類數據模型的定義不統一等問題，對跨廠所的數字化協同研制數據交換造成了較大的障礙。

4.1 異構PDM系統數據交換

為了解決不同PDM系統(如Windchill平臺和Teamcenter平臺)之間數據交換與信息共享問題，簡化數據交換的復雜性，采用中間格式的方法進行異構數據交換(見表1)。中間格式包含數據中間模型、關系中間模型和映射規則。其中，數據中間模型是一組協同業務所需的PDM對象的中間模型，關系中間模型是一組數據間的關系模型，映射規則是一種符合映射對象模型的XML文檔，提供了本地PDM與中間模型的對應關系。中間格式的主要內容所示。

表1 中間格式交換方式

4.2 異構CAD模型數據交換

異構CAD模型數據交換是指不同三維設計CAD工具之間(如Creo和NX)的數據集成。目前，異構CAD軟件之間數據交換主要是通過中性格式模型[13](如STEP)進行。然而，由于CAD源模型向中性格式模型轉換時只能對三維模型的幾何拓撲數據轉換，模型的非幾何信息(材質、技術要求等屬性信息)往往無法轉換。因此，異構CAD模型數據交換時不僅要求考慮模型的幾何拓撲信息，還需要考慮非幾何信息。基于動態聯邦的數字化協同研制平臺異構CAD模型數據交換如圖3所示。三維CAD設計工具將源模型存儲于PMD系統中，通過數字化協同研制平臺進行跨平臺數據交換時，通過調用特定的模型轉換工具將源模型轉換成中性模型，與此同時，將CAD模型中包含的非幾何信息、裝配約束信息進行解析，實現中性模型與對象和關系的映射關聯。

圖3 異構CAD模型交換技術

5 結語

根據上述研究成果，開展軍用特種車輛數字化協同研制平臺構建工作，研發基于動態聯邦的數字化協同研制平臺，實現軍用特種車輛總體到分系統、分系統與分系統之間基于骨架模型的自頂向下設計、基于成熟度的數據預發放、跨廠所的工藝會簽、數據正式發放、跨廠所的工程變更以及標準件、電子元器件等共性基礎資源的數據共享，極大地提高了研制效率，縮短了研制周期，提高了數據一致性和有效性，對軍用特種車輛的數字化研制模式變革發揮了重大作用。