數字化工程環境下復雜產品技術狀態管理架構優化

任璐英, 王慶國, 張海峰, 丁 潔, 徐衛衛, 臧雪靜

(北京航天情報與信息研究所, 北京 100854)

0 引 言

數字化設計及制造是以數字信息的生成、修改、傳輸、使用、分析和儲存為基礎,以數字樣機為核心,大量應用數字化建模、仿真與優化等信息技術、先進數字化制造技術,通過對數據源進行管理,實現以生產制造過程數字為核心的現代設計研制模式[1]。數字化環境則是為實現上述研制模式,將研制中管理模式、研發流程、平臺工具以及技術規范等進行數字化形成的研制環境[2]。

20世紀90年代,復雜產品系統(complex product and system,CoPS)這一概念首次由英國的研究機構提出。復雜產品一般是指系統組成復雜、研發過程復雜、管理復雜,具有極限功能、高精度和高效率的一類產品,如航空飛機、航天器、艦船和武器系統等[3]。航天武器裝備復雜產品通常涉及材料、機械、氣動、控制、電子、液壓、軟件等多個學科領域,不同學科領域為分系統。不同分系統由多個子系統組合形成,而每個子系統則又由成千上萬個零部件構成[4]。

目前,隨著航天產品研制復雜化、多元化與系列化的要求日益提升,數字化設計與制造技術已經在復雜航天產品的研制中得到應用[5]。盡管擁有計算機管理系統(如數據管理系統、制造執行系統、產品數據管理系統)的管控與協助,工藝負責人及質量管理、審核等相關責任人在復雜產品的圖紙設計、模型構建以及尺寸檢測等之間的比對和維護中,效率極低且容易出錯。這種技術狀態管理的技術手段已不能全面地滿足航天復雜產品的管理需要,迫切需要建立一種全新的質量管理控制模式,即開展技術狀態數字化管理技術研究,解決傳統的管理方式存在的工程難題(如:難以實現有效的流程控制;數據源不唯一;數據實時性差等),最終實現航天復雜產品質量管理的科學化、規范化和可視化。

為解決復雜產品在實際操作研制中技術狀態標識、審核、更改等方面存在的差異性管理要求及實施的局限性問題,國內外學者做了大量研究。陳明輝等[6]根據工程實際車輛研制特點,從總要求、策劃、標識、控制、審核、紀實和報告6個方面對產品技術狀態管理方法進行了總結和提煉,以期為產品研制技術狀態管理提供實操參考和指導。宋銘濤[7]為解決數字化車間的低效率等問題,對數字化車間監控技術進行了系統研究,構建了針對數字化車間設備狀態的分布式監控系統的基礎框架,闡述了系統框架實現過程中所使用的相關關鍵技術。

數字化工程環境下的技術狀態管理是對產品全周期、全流程狀態下的質量監控與管理,屬于產品管理的一種創新,是對產品管理理念的一種變革,實現了對產品全流程的實時動態數字化監控[8-9]。陳明輝等[10]提出了數字化設計技術狀態管理的解決思路和基于成熟度的數據控制方法。陳暢宇等[11]首先利用數字樣機完成對生產數據的集成,并形成一種管理框架,同時根據研制工藝方法,完成產品工藝總裝技術狀態的管理與控制,以期達到對產品總裝技術狀態精準管控的目的。將采用數字樣機得到的工藝總裝技術狀態與物理狀態進行對比,得到的技術狀態視圖方法可以將產品總裝工藝設計與實施相結合。秦劍等[2]以復雜裝備為研究對象,形成了數字化研制環境下的質量管控模式。李曉曦等[12]通過總結技術狀態更改管理應用實踐經驗,在數字化環境下建立了一套完整規范的新型技術狀態更改管理體系。

本文首先介紹了目前航天復雜產品技術狀態管理的特點與發展研究現狀,其次基于數字化環境,提出了針對航天復雜產品的技術狀態管理方式,最后在數字化環境下構建了對航天復雜產品技術狀態管理的應用模型,實現了對復雜產品全生命周期的技術狀態設置與管理以及技術狀態數據的準確管控。

1 復雜產品技術狀態管理現狀與特點

隨著航天產品科技含量的提高,其系統演變得愈加復雜,這也對航天產品的技術質量水平提出了更高要求,技術狀態管理工作也顯得相當重要[13]。通過實施高效的技術狀態管理措施,可以做到批量化生產的航天產品“文物相符,一一對應”,進而確保產品的技術狀態、工藝狀態、質量狀態等過程可控、可追溯,提高復雜產品的質量穩定性,滿足用戶的使用要求[14]。

1.1 復雜產品技術狀態定義

技術狀態是指在文件中規定的并且在產品中達到的功能特性和物理特性的總稱。其中,產品的功能特性一般是指產品的使用條件、指標要求、使用性能以及保障維護要求等,如飛行器的航程、速度特性、加速度特性、飛行時間、飛行高度、可靠性等;而產品的物理特性則是指產品的實體特性,如飛行器的結構組成、結構強度、結構特征、線性尺寸、形位公差、重量等[15]。

技術狀態管理是指在產品壽命周期內,為確立和維護產品的功能和物理特性與產品需求、技術狀態文件規定保持一致的管理活動[16],適用于某一產品或系統從研制到生產,以及生產后產品維保的整個生命周期,最終形成了一套對某一產品的基線設定以及標識和更改進行規范化管理的綜合系統,其整體流程如圖1所示。

圖1 技術狀態管理流程圖

技術狀態主要包括4個項目,即技術狀態標識項目、技術狀態紀實項目、技術狀態控制項目以及技術狀態審核項目。

(1) 技術狀態標識項目,首先是確定技術狀態項目及其對應的技術狀態文件;其次,對技術狀態項及對應技術狀態文件進行標識,對技術狀態文件進行發放并保持技術狀態文件,最終建立技術狀態基線。

(2) 技術狀態紀實項目,是在產品壽命周期中,通過記錄、報告等活動對產品技術狀態進行說明。

(3) 技術狀態控制項目,是在建立技術狀態基線之后,對技術狀態提出的更改、偏離許可及讓步等申請進行描述、檢查、協調、論證、評定、審批和實施等。

(4) 技術狀態審核項目,是通過正式檢查對技術狀態項目及其對應技術狀態文件的一致性進行確認[17-18]。

這些技術狀態項目之間的關系如圖2所示。

圖2 技術狀態項目之間的關系圖

技術狀態管理就是在CoPS或技術狀態項目等研制過程的不同階段,分別編制出能夠全面反映某一特定時刻確定的技術狀態文件,建立技術狀態基線,對這些基線的更改進行有效控制,使全部更改具有可追溯性,從而使得CoPS或技術狀態項目在任何階段使用技術文件的正確性得到保障[19-21]。所謂技術狀態基線,就是能夠對產品在研制階段某一特定時刻的產品技術狀態進行規定的技術文件,可為后續研制活動提供參照的基準[22]。在產品研制過程中,一般可以設立3條技術狀態基線:① 功能基線,即論證階段結束后,所形成的與產品研制任務書或技術協議書要求內容相一致的技術狀態基線;② 分配基線,是總體方案評審通過后,所形成的與分系統任務書要求內容相一致的技術狀態基線;③ 生產基線,也稱產品基線,是產品經設計確認、鑒定、定型后所確定的技術狀態。

1.2 復雜產品技術狀態管理架構現狀

目前,在實施復雜產品技術狀態管理的過程中,已經由基于圖紙的技術狀態管理模式逐步轉變為基于零件或模塊的技術狀態管理模式。通過建立產品階段結構管理體系,形成產品各階段和技術狀態項目之間的內在聯系,通過數據管理系統同時實現產品的技術狀態管理和控制[23],其技術狀態階段管理流程如圖3所示。

圖3 復雜產品技術狀態管理階段流程圖

國內研究人員針對傳統技術狀態管理體系架構開展了相關研究。郭鑫等[24]依據技術狀態管理體系的相關標準的要求,構建了核電廠設計階段完整的技術狀態管理體系架構,通過技術狀態過程管理保證了輸出滿足輸入的要求,如圖4所示。

圖4 技術狀態管理體系架構

孫維有[25]針對軌道交通車輛產品結構和全生命周期過程,提出技術狀態管理體系架構。這套系統涵蓋了技術狀態標識管理、控制與紀實管理、工程變更管理、批次管理與序列號管理、車輛軟件版本管理以及技術匹配管理。丁華等[26]鑒于機載設備的技術特點,提出機載設備技術狀態管理架構,創建了單個機載設備全壽命周期內的技術狀態管理模型,從而對機載設備的技術狀態信息進行了有效控制。

隨著協同設計、虛擬樣機試驗和數字化制造一體化等技術在型號中的廣泛應用,目前傳統技術狀態管理體系已經無法滿足全過程系統管理的需求,存在以下幾點問題:① 數字化設計方法的大量使用造成在制品狀態差異化顯著提升,缺乏保證數據頻繁交互使用需求的技術狀態控制方法,產品狀態控制難度大;② 缺乏頂層規劃,技術狀態紀實階段信息與系統相互獨立,獲得整個產品技術狀態信息需要進行跨系統操作,且數據的準確性與完整性難以保證,交互效果差; ③ 數字化生產模式向圖樣模型化、工藝程序化、產品復雜化轉變,從研發設計到技術工藝再到質量檢測等技術狀態文件的數量與種類較多,并且在各個管控流程中存在關聯與交叉,現有生產技術狀態管理方法不協調,難以進行系統管理[27-28]。

2 數字化環境下復雜產品技術狀態管理體系的構建

由于復雜產品技術狀態信息十分復雜,難以采用單一的方法和手段對其技術狀態進行有效管理,必須根據數字化環境下復雜產品的特點,建立系統級的技術狀態管理解決方案,滿足數字化環境下邊設計、邊驗證的快速設計驗證修改的設計需求,實現協同設計、虛擬樣機實驗和數字化制造一體化。

2.1 數字化環境復雜產品管理體系的構成

數字化環境下復雜產品的管理主要涵蓋5個方面的內容:數字化環境中質量管理模式、集成化質量管理信息化平臺、集成化質量管理工具包、數字化研制流程以及數字化質量管理標準體系。其中,數字化研制流程不同于傳統研制模式,全面采用了數字化模型進行產品設計和研制,并覆蓋了整個研發過程。如圖5所示,數字化研制流程首先對產品需求進行分析,梳理狀態、規范和標準,建立需求模型,分解總體設計要求,確定關鍵指標與特性,最終形成需求方案。隨后,進入數字化設計階段以及數字化制造階段。數字化設計階段包含初步設計和詳細設計,而數字化制造階段則包括工藝設計和生產制造。在不同階段開展并行設計,反復進行迭代修改,直至最終完成定型設計。由此可見,全流程的模型化設計和數據傳遞是數字化研制的關鍵。借助多學科系統設計仿真平臺,利用計算機輔助設計和仿真技術,可以通過建立各類模型與模擬仿真進行快速設計驗證和迭代,完成設計方案的快速優化以及初期虛擬驗證,實現合理配置資源、多學科協同設計。另外,在各個階段進行數據統一管理,包括配置管理、版本管理、物料清單管理、文檔管理以及過程管理等,整個協同設計過程形成以多領域模型為核心的“唯一數據源”,不僅有利于不同部門人員之間的知識資源共享,還可以加快信息傳遞和狀態變更分析過程,形成貫穿全生命周期的知識圖譜。

圖5 數字化環境下復雜產品研制流程圖

如圖6所示,數字化環境下質量管理體系架構主要分為業務作業層、控制管理層、計劃決策層以及軟、硬件環境。業務作業層、控制管理層以及計劃決策層聯系在一起,即形成應用系統。

圖6 數字化環境下復雜產品質量管理系統圖

其中,業務作業層包括了復雜產品整個生命周期中的設計制造過程,包括來自設計總部提出的需求分析,數字化環境下的設計與工藝,基于數字化設計與工藝完成的數字化生產制造。以CAD、Ansys、Matlab、ABAQUS等設計仿真軟件、通用規范標準文件、試驗過程中獲取的相關數據等軟件環境,以及生產制造采用的加工設備、質量檢測設備等硬件環境作為支持,可實現數字化環境下復雜產品流程管理中質量信息的有效控制。控制管理層是復雜產品質量管理系統中的核心關鍵要素,是對復雜產品數字化與集成化的質量與信息數據的管理。計劃決策層在復雜產品質量管理系統搜集產品生產研制過程的數據與信息的基礎上,采用數據處理器與信息化軟件系統對數據進行分析與統計,根據分析結論評價整個管理系統運行的質量。

采用數字化復雜產品質量信息化管控模式,就是以數字化標準管理和集成化質量管理為基準,以硬件、軟件支撐環境層作為支撐,依照復雜產品的研制流程,借助質量管理平臺化工具對復雜航天產品進行全生命周期的數字化質量管控,以確保集成的數字化質量管理系統的實施和運行。

2.2 數字化環境中復雜產品技術狀態管理體系架構的構建

開展產品全生命周期的數字化質量管控,是在數字工程環境下對復雜產品技術狀態進行管理,是以數字化質量管理系統為基礎,按照產品數字化研制流程,通過復雜產品全周期過程數據的數字化自動采集,輔助于集成的質量管理工具平臺,實現分階段技術狀態數字化、模塊化的管理,形成基于數據可視化的分析、決策和改進的管理方式。數字化環境下的技術狀態管理可以分為以下幾個階段:首先,根據需求分析進行策劃,按照產品實現流程進行數字化設計、數字化生產,將各階段任務流程進行分解并進行技術狀態確定和標識;其次,對各階段任務流程進行進一步細化,針對具體執行過程,通過數字化技術狀態控制獲取相關節點數據;然后,利用可視化技術和主動監控與跟蹤技術完成數據的實時收集和監測;最后,通過對復雜產品整個階段的技術狀態數據進行分析決策,實現復雜產品全壽命周期的數字化技術狀態管理的目的[29]。

因此,以《GJB 3206A—2010技術狀態管理》為基礎,針對數字化環境下復雜產品的特點,對現有的技術狀態管理架構進行優化,并針對復雜產品不同階段的數字化產品技術狀態管理差異化需求,從數字化設計與數字化生產兩方面進行專項技術的應用,將綜合技術和專項技術相關規范構成管理的通用規范,最終形成覆蓋全生命周期的數字化的復雜產品技術狀態管理的體系框架,如圖7所示。

圖7 數字化復雜產品技術狀態管理架構

2.3 數字化環境下復雜產品技術狀態管理的實施應用

在數字化環境下,復雜產品的技術狀態管理體系及架構平臺的實施應用以國軍標、航標等相關標準為前提,將產品在研制生產過程中的數據及相關信息與生產管理進行融合,同時與信息化系統相連接,完成復雜產品整個生命周期的數據采集與控制。

其中,技術狀態標識的對象主要是復雜產品的名稱、版本、階段等信息,主要目的是使復雜產品的數據標識具有唯一性。將產品代號、圖樣號以及產品名稱相結合進行對象命名工作,接著利用“產品代號+圖樣號+圖號”進行對象標識。版本標識主要由“版本標識+版次標識”組成。階段標識主要包括論證階段、方案階段、研制階段、設計定型階段及生產定型階段。產品數據標識則是將對象標識、階段標識及版本標識相疊加進行標識。當產品數據通過評審并建立相關基線,需要通過基線方式進行傳遞,即作為研制的正式依據。

對技術狀態基線應實施有效控制。首先,采用組織技術評審的方式進行技術狀態基線確定;產品涉及相關數據、狀態基線設立以及基線所具備功能應分別進行組織并通過相關審查、審批以及審核流程;其次,產品各個階段的相關數據要與該階段基線所對應的技術狀態文件相一致,不同階段各基線之間應通過對應的技術狀態文件實現相互協調、統一;在保證技術狀態得到有效控制的前提下,可對技術狀態基線進行修訂;最后,為提高效率、便于管理,不同單位應根據所承擔產品的特點和本單位實際情況,對基本技術狀態基線進行有效轉換,建立滿足本單位使用要求的基線。

對技術狀態更改要做到有效控制,要以審查論證充分、試驗驗證完整為主要原則。針對已在PDM系統中公布的產品數據,需通過授權流程獲得修訂權限后才可進行修訂工作。針對產品模型數據發生更改的情形,必須以零件實體模型作為唯一數據源。針對不同層級之間產品技術狀態更改的情形,需自下而上進行協調。針對發生技術狀態更改的情形,應保證所有涉及的不同介質文件或文檔同時進行修改,并對過程和結果進行審核確認。

3 結束語

針對復雜產品的技術狀態管理體系架構的特點與研究現狀,提出了基于數字化環境下復雜產品的技術狀態管理方式,以《GJB 3206A 2010技術狀態管理》為基礎,并結合復雜產品數字化研制特點,構建了數字化環境下復雜產品管理流程圖及數字化復雜產品技術狀態管理架構,并對技術狀態管理中的分項目實施路徑進行了詳細說明,為數字化工程環境下復雜產品技術狀態管理的進一步發展與優化提供了思路與參考。后期將繼續深化數字化環境下復雜產品技術狀態管理在產品設計改進數據反饋以及反饋模型構建等方面的研究工作。