李偉 梅中義

( 北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191)

0 引言

隨著數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)在航空工業(yè)的廣泛應(yīng)用，航空產(chǎn)品在實施采辦項目過程中使用了多種先進(jìn)設(shè)計方法，如產(chǎn)品仿真、并行協(xié)同設(shè)計、異地協(xié)同、數(shù)據(jù)共享等研制模式，通過集成項目管理方法，對航空裝備采辦項目過程進(jìn)行質(zhì)量管理、保障管理、試驗與評價及生產(chǎn)管理，并將研制風(fēng)險，研制成本、研制進(jìn)度等關(guān)鍵因素集成到整個采辦項目過程中［1］。

航空武器裝備采辦項目管理系統(tǒng)主要包括分布式產(chǎn)品描述、DoD/工業(yè)部門資源中心、協(xié)同環(huán)境和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式DIFs 四部分［2］。其中，面向采辦項目的飛機(jī)統(tǒng)一分布式產(chǎn)品描述是虛擬采辦項目應(yīng)用技術(shù)研究內(nèi)容中的一項關(guān)鍵技術(shù)，通過研究分布式產(chǎn)品信息的統(tǒng)一描述方法以及面向不同采辦項目角色的分布式產(chǎn)品信息傳遞，為通過Web 互連技術(shù)實現(xiàn)航空武器裝備采辦項目過程中的分布式產(chǎn)品信息集成與管理提供依據(jù)。

1 分布式產(chǎn)品描述信息構(gòu)成

基于飛機(jī)的分布式產(chǎn)品描述 (Distributed Product Description，DPD)是以飛機(jī)產(chǎn)品為中心的信息集，包含了飛機(jī)研制和開發(fā)過程中的各類相關(guān)信息，如產(chǎn)品數(shù)據(jù)、工作流、人員、權(quán)限、資源、設(shè)計信息等。DPD 主要由產(chǎn)品數(shù)據(jù)、產(chǎn)品模型和過程模型三部分組成，此外還包括其他與產(chǎn)品相關(guān)的重要信息，例如審核、驗證與確認(rèn)VV＆A 狀態(tài)。

1.1 產(chǎn)品數(shù)據(jù)

產(chǎn)品數(shù)據(jù)給出了飛機(jī)在各個研制階段的屬性值，包括需求分析數(shù)據(jù)、項目管理數(shù)據(jù)、工程制造數(shù)據(jù)以及測試數(shù)據(jù)等。需求分析數(shù)據(jù)主要包括飛機(jī)級需求文件和系統(tǒng)級需求文件，如系統(tǒng)規(guī)范、飛機(jī)技術(shù)通用規(guī)范文檔、系統(tǒng)接口控制文件等，這些數(shù)據(jù)主要是以非結(jié)構(gòu)化的文檔形式存在的。項目管理數(shù)據(jù)主要包括進(jìn)度、成本、風(fēng)險、質(zhì)量及文檔管理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要是以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的形式存在于項目管理系統(tǒng)中的。工程制造數(shù)據(jù)產(chǎn)生于協(xié)同設(shè)計制造平臺，主要包括結(jié)構(gòu)化的設(shè)計信息數(shù)據(jù)和制造信息數(shù)據(jù)，還包括三維CAD 模型、CAE 分析模型等，隨著MBD 技術(shù)的發(fā)展，這些設(shè)計規(guī)范、工藝規(guī)范等非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息均集成在三維模型上，形成了統(tǒng)一的MBD 數(shù)據(jù)集模型［3］。測試數(shù)據(jù)主要由試驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)兩部分組成，這些數(shù)據(jù)主要以非結(jié)構(gòu)化的文檔形式保存，包括試驗任務(wù)書、試驗大綱及試驗報告等。

1.2 產(chǎn)品模型

產(chǎn)品模型是對飛機(jī)產(chǎn)品行為和性能的一種權(quán)威表達(dá)，包括功能模型、結(jié)構(gòu)模型和行為模型等。飛機(jī)的功能模型是指在飛機(jī)設(shè)計需求的基礎(chǔ)上，為解決飛機(jī)設(shè)計研制問題所提出的系統(tǒng)功能需求，并按照“飛機(jī)級-系統(tǒng)級-設(shè)備級”需求分解思想對飛機(jī)的功能逐級分解，且需要說明解決研制中哪一部分的設(shè)計需求以及各功能之間的關(guān)系［4］。飛機(jī)的結(jié)構(gòu)模型是對飛機(jī)產(chǎn)品功能的物理定義，表達(dá)了實現(xiàn)功能特性的具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和機(jī)體結(jié)構(gòu)，是功能分解和行為分析的依據(jù)。飛機(jī)的結(jié)構(gòu)模型對應(yīng)于飛機(jī)的產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)(Product Breakdown Structure，PBS)，隨著飛機(jī)研制過程的進(jìn)行，不同階段的PBS 發(fā)展成不同的物料清單(Bill Of Material，BOM)。飛機(jī)的行為模型是對飛機(jī)功能模型的識別，一個功能可以對應(yīng)多個行為，反過來一個行為可以實現(xiàn)不同的功能。

1.3 過程模型

過程模型是對定義、開發(fā)、制造、使用和報廢一個產(chǎn)品所需的處理過程進(jìn)行定義。在飛機(jī)研制過程中，過程模型確定了飛機(jī)研制階段所應(yīng)生成的產(chǎn)品模型信息和其對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，會對飛機(jī)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)的流向和產(chǎn)品模型的演化進(jìn)行有效管理。針對國內(nèi)外武器裝備采辦項目及武器裝備研制流程，飛機(jī)產(chǎn)品的采辦項目過程模型主要包括:項目論證階段、方案論證階段、工程研制階段、生產(chǎn)與部署階段、使用與保障階段和退役與處理階段［5］。

2 分布式產(chǎn)品信息統(tǒng)一描述方法

航空武器裝備采辦項目主要由采辦項目方、研制方和項目管理方三類角色組成，這些不同角色可以構(gòu)建不同的視圖模型。在不同的視圖模型中，采辦項目角色在所關(guān)注的產(chǎn)品信息不同，這些產(chǎn)品信息在不同的階段也具有不同的組織形式和具體內(nèi)容。為了完整地表達(dá)不同角色關(guān)注的產(chǎn)品信息以及產(chǎn)品信息在不同階段的組織形式和內(nèi)容，首先構(gòu)建了分布式產(chǎn)品描述信息的多視圖模型，然后提出了基于時間維- 知識維- 邏輯維的分布式產(chǎn)品信息統(tǒng)一描述方法，最后分析了采辦項目各階段的產(chǎn)品信息的內(nèi)容和形式。

2.1 分布式產(chǎn)品信息的多視圖模型

依據(jù)武器裝備采辦項目實施需要解決的重點問題，強(qiáng)調(diào)對整個采辦項目有宏觀把握的同時使各個采辦項目參與者可以關(guān)注特定的產(chǎn)品信息，主要從評價決策、產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)和項目管理三個角度構(gòu)建了由決策信息視圖、技術(shù)信息視圖和管理信息視圖三個視圖組成的多視圖模型，如圖1所示。

圖1 分布式產(chǎn)品描述信息的多視圖模型

2.1.1 決策信息視圖

決策視圖主要面向武器裝備采辦項目過程中的采辦項目方。在武器裝備采辦項目過程中，采辦項目方首先通過對武器裝備采辦項目過程中的產(chǎn)品性能和戰(zhàn)績指標(biāo)等信息進(jìn)行定義，利用綜合研討廳等功能模塊對產(chǎn)品性能和指標(biāo)進(jìn)行定量和定性的評價比較，為采辦項目方提供決策依據(jù)。然后通過對系統(tǒng)能力需求分析和作戰(zhàn)方案制訂，得到武器裝備的戰(zhàn)績指標(biāo)和作戰(zhàn)性能，從而為武器裝備的研制制定目標(biāo)，確定武器最終研制成功所應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求。同時，要在里程碑階段設(shè)定考核的指標(biāo)，指定所應(yīng)該滿足的技術(shù)要求，推進(jìn)研制方對采辦項目的順利實施。

2.1.2 技術(shù)信息視圖

技術(shù)信息視圖主要針對武器裝備采辦過程中的研發(fā)人員。在武器裝備采辦過程中，技術(shù)視圖用于指導(dǎo)研制方進(jìn)行預(yù)定方案的研制實施。它提供了系統(tǒng)分析等功能，并定義了子系統(tǒng)和零部件的性能指標(biāo)和設(shè)計參數(shù)，這些研制信息是武器裝備采辦項目管理過程中的考核指標(biāo)。零部件或子系統(tǒng)的研制是否通過審核，將會以這些指標(biāo)作為參考，為項目管理方提供用于決策的技術(shù)指標(biāo)。在技術(shù)視圖中，研制方能夠根據(jù)采辦項目方的要求和研制方案對武器裝備開展設(shè)計、仿真驗證等工作，以滿足采辦項目要求。

2.1.3 管理信息視圖

管理視圖主要針對面向武器裝備采辦的項目管理人員，主要對武器裝備采辦項目的全生命周期的進(jìn)度、成本、風(fēng)險等信息進(jìn)行管理。項目管理方通過管理視圖可以協(xié)調(diào)武器裝備采辦項目中的研制方和采辦項目方對設(shè)計方案和設(shè)計產(chǎn)品達(dá)成一致，最終實現(xiàn)武器裝備采辦項目的順利驗收。同時，通過按層次分階段逐級完成對PBSWBS 的映射，實現(xiàn)研制方的技術(shù)視圖向管理方的管理視圖轉(zhuǎn)變，確定研制產(chǎn)品的進(jìn)度、費(fèi)用和風(fēng)險等指標(biāo)是否符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，并將這些關(guān)鍵信息及時地反饋給決策者和研制人員，為采辦項目方和研制方人員提供決策支持。

2.2 基于時間維－邏輯維－知識維的分布式產(chǎn)品信息統(tǒng)一描述

采辦項目中不同角色關(guān)注的產(chǎn)品信息在采辦項目的不同階段具有不同的組織形式和具體內(nèi)容，通過研究分布式產(chǎn)品信息中產(chǎn)品數(shù)據(jù)和產(chǎn)品模型在采辦項目過程模型中的不同表現(xiàn)形式，以產(chǎn)品數(shù)據(jù)中的需求分析數(shù)據(jù)、項目管理數(shù)據(jù)、成本數(shù)據(jù)、工程制造數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)為武器裝備采辦項目的知識維，以產(chǎn)品模型中的功能模型、行為模型和結(jié)構(gòu)模型為武器裝備采辦項目的邏輯維，以產(chǎn)品項目論證階段、方案論證階段、工程研制階段、生產(chǎn)與部署階段、使用與保障階段、退役與處理階段的武器裝備全壽命采辦項目流程為時間維，構(gòu)建了基于時間-邏輯-知識(Time-Logic-Knowledge，T-L-K)的分布式產(chǎn)品信息統(tǒng)一描述模型，如圖2 所示。

2.2.1 T-L-K 模型中的時間維

基于T-L-K 的分布式產(chǎn)品信息統(tǒng)一描述模型將分布式產(chǎn)品信息中的過程模型作為全生命周期采辦項目的時間維。通過定義不同時間維度的項目任務(wù)來組織產(chǎn)品數(shù)據(jù)和產(chǎn)品模型在相應(yīng)時間段的主要形式，將分布式產(chǎn)品信息的數(shù)據(jù)內(nèi)容和產(chǎn)品模型進(jìn)行分類和整理，確定其在相應(yīng)時間維度中所對應(yīng)產(chǎn)品信息的數(shù)據(jù)形式和表達(dá)方法。

圖2 基于T-K-L 的分布式產(chǎn)品信息描述方法

2.2.2 T-L-K 模型中的知識維

基于T-L-K 的分布式產(chǎn)品信息統(tǒng)一描述模型將分布式產(chǎn)品信息中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)作為全生命周期采辦的知識維。以過程模型作為產(chǎn)品描述的時間維度，分析其在飛機(jī)全生命周期采辦過程中知識維度的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，并對不同時間維度下的需求分析數(shù)據(jù)、項目管理數(shù)據(jù)、成本數(shù)據(jù)、工程制造數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)等知識信息進(jìn)行歸類，確定其在飛機(jī)產(chǎn)品不同采辦階段中所對應(yīng)的內(nèi)容和表現(xiàn)形式。

2.2.3 T-L-K 模型中的邏輯維

基于T-L-K 的分布式產(chǎn)品信息統(tǒng)一描述模型，將分布式產(chǎn)品信息中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)作為全生命周期采辦的邏輯維。將產(chǎn)品模型作為飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計的主要表現(xiàn)形式，體現(xiàn)了飛機(jī)在研制各個階段的過程信息與產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息的邏輯關(guān)系，通過功能行為模型對產(chǎn)品功能任務(wù)的分解，以及結(jié)構(gòu)模型對產(chǎn)品設(shè)計制造和仿真驗證的具象化表現(xiàn)，來梳理采辦項目各個階段中產(chǎn)品數(shù)據(jù)與過程模型之間的邏輯關(guān)系。

2.3 T-L-K 模型各階段數(shù)據(jù)內(nèi)容與過程分析

采辦項目中不同角色關(guān)注的產(chǎn)品信息在T-LK 模型中不同時間維度都有不同的產(chǎn)品信息和數(shù)據(jù)形式，其數(shù)據(jù)與模型也來自于不同的信息知識環(huán)境和系統(tǒng)工具支持，在分布式產(chǎn)品信息統(tǒng)一描述過程中，詳細(xì)確定采辦項目全生命周期過程中各階段的產(chǎn)品數(shù)據(jù)內(nèi)容和產(chǎn)品模型組織形式，構(gòu)建武器裝備采辦項目中分布式產(chǎn)品信息統(tǒng)一描述的各時間維度所對應(yīng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)與產(chǎn)品模型的關(guān)系表，如表1 所示。

表1 基于T-L-K 模型的產(chǎn)品分布式信息統(tǒng)一描述關(guān)系表

3 分布式產(chǎn)品描述信息的概念模型及模型框架

元數(shù)據(jù)是描述數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)，它可用于管理復(fù)雜的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的集成、交換、共享和查閱。為了實現(xiàn)分布式產(chǎn)品信息的管理與集成，先采用元數(shù)據(jù)建模，建立分布式產(chǎn)品統(tǒng)一描述方法的概念模型，然后基于多視圖模型，構(gòu)建分布式產(chǎn)品統(tǒng)一描述方法的模型框架。

3.1 分布式產(chǎn)品信息統(tǒng)一描述的概念模型

采用元數(shù)據(jù)建立分布式產(chǎn)品信息的概念模型，如圖3 所示。該模型包括業(yè)務(wù)對象、聯(lián)系對象和數(shù)據(jù)對象。業(yè)務(wù)對象用來描述飛機(jī)產(chǎn)品的某個事物(零件/部件、項目、客戶等)或定義組織方面的信息，數(shù)據(jù)對象用來描述與采辦項目全生命周期過程相關(guān)數(shù)據(jù)的屬性和文件，包括元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)文件。元數(shù)據(jù)主要用來描述數(shù)據(jù)文件的屬性及指明數(shù)據(jù)文件在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)存儲位置的指針，數(shù)據(jù)文件就是元數(shù)據(jù)指針?biāo)傅奈锢頂?shù)據(jù)［6］。聯(lián)系對象通過業(yè)務(wù)對象存在的一些復(fù)雜關(guān)系(聚合、繼承、關(guān)聯(lián)、知識映射等)將業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)模型在邏輯上集成為一個整體以及將飛機(jī)所有零部件和系統(tǒng)模型裝配成產(chǎn)品。

在基于飛機(jī)的采辦項目過程中，產(chǎn)品信息的存儲方式如圖3 所示。業(yè)務(wù)對象及數(shù)據(jù)對象這些結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲在分布式數(shù)據(jù)庫中包括飛機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)型信息、版本信息、更改信息、功能信息等。數(shù)據(jù)對象中物理數(shù)據(jù)這些非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲在文件系統(tǒng)中，這些非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括研制規(guī)范、技術(shù)可行性報告、關(guān)鍵技術(shù)文檔、CAD 數(shù)模、CAE文件等，它們以PDF 文檔、Word 文檔、Excel 文檔、CAD 文件等形式存在。對于以PDF、Word、Excel 形式存在的文檔信息，主要將指向存儲位置的文件指針存儲在分布式數(shù)據(jù)庫中。這些三維模型以XML 形式集成存儲在分布式數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)設(shè)計信息、制造信息和工藝信息中。

圖3 分布式產(chǎn)品信息的概念模型及存儲

3.2 分布式產(chǎn)品描述信息的模型框架

基于分布式產(chǎn)品信息的統(tǒng)一描述和元數(shù)據(jù)模型，從角色層、業(yè)務(wù)對象層、過程層、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型層和數(shù)據(jù)模型層五個方面，構(gòu)建基于T-K-L 的分布式產(chǎn)品統(tǒng)一描述方法的模型框架，如圖4 所示。

對于研制方來說，業(yè)務(wù)對象包括飛機(jī)的系統(tǒng)、部件、組件、零件等，隨著采辦項目的進(jìn)行，這些業(yè)務(wù)對象通過相應(yīng)的約束關(guān)系形成對應(yīng)階段的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹模型(設(shè)計BOM、制造BOM、工藝BOM 等)，并通過聯(lián)系對象使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹和數(shù)據(jù)模型在邏輯上成為一個整體。對于項目管理方，它包括工作包、項目、合同等，隨著采辦項目的進(jìn)行，這些業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的約束關(guān)系形成對應(yīng)階段的項目WBS 和合同WBS，并通過聯(lián)系對象使WBS 和數(shù)據(jù)模型在邏輯上成為一個整體。對采辦項目方來說，主要是通過聯(lián)系對象使對應(yīng)階段的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹模型(需求BOM、維修BOM、使用BOM 等)和數(shù)據(jù)模型在邏輯上成為一個整體。結(jié)合采辦項目的多視圖模型。對于采辦項目方，要監(jiān)督和控制采辦項目過程的開展，根據(jù)里程碑是否達(dá)到規(guī)定的、確認(rèn)的某一技術(shù)狀態(tài)來判斷是否進(jìn)入下一階段，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的演化提供依據(jù)。

圖4 基于T-K-L 的分布式產(chǎn)品描述信息的模型框架

4 結(jié)語

本文主要對面向采辦項目的飛機(jī)統(tǒng)一分布式產(chǎn)品描述這一關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。通過構(gòu)建分布式產(chǎn)品描述信息的多視圖模型，建立基于時間-知識-邏輯的分布式產(chǎn)品信息的統(tǒng)一描述方法，有助于更清楚地了解不同角色所關(guān)注的產(chǎn)品信息和它們之間的聯(lián)系，以及采辦項目不同階段的產(chǎn)品數(shù)據(jù)內(nèi)容和產(chǎn)品模型組織形式。最后，本文根據(jù)元數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建分布式產(chǎn)品信息統(tǒng)一描述的概念模型和模型框架，不僅能夠有效地實現(xiàn)分布式產(chǎn)品信息的集成與管理，而且為構(gòu)建面向采辦項目的飛機(jī)分布式產(chǎn)品信息集成與管理系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

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