李偉 梅中義

( 北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191)

0 引言

隨著數(shù)字化設計與制造技術在航空工業(yè)的廣泛應用，航空產(chǎn)品在實施采辦項目過程中使用了多種先進設計方法，如產(chǎn)品仿真、并行協(xié)同設計、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，并將研制風險，研制成本、研制進度等關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統(tǒng)一分布式產(chǎn)品描述是虛擬采辦項目應用技術研究內(nèi)容中的一項關鍵技術，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)品描述信息構成

基于飛機的分布式產(chǎn)品描述 (Distributed Product Description，DPD)是以飛機產(chǎn)品為中心的信息集，包含了飛機研制和開發(fā)過程中的各類相關信息，如產(chǎn)品數(shù)據(jù)、工作流、人員、權限、資源、設計信息等。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)品相關的重要信息，例如審核、驗證與確認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)主要包括飛機級需求文件和系統(tǒng)級需求文件，如系統(tǒng)規(guī)范、飛機技術通用規(guī)范文檔、系統(tǒng)接口控制文件等，這些數(shù)據(jù)主要是以非結構化的文檔形式存在的。項目管理數(shù)據(jù)主要包括進度、成本、風險、質(zhì)量及文檔管理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要是以結構化數(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)同設計制造平臺，主要包括結構化的設計信息數(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 技術的發(fā)展，這些設計規(guī)范、工藝規(guī)范等非結構數(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)主要以非結構化的文檔形式保存，包括試驗任務書、試驗大綱及試驗報告等。

1.2 產(chǎn)品模型

產(chǎn)品模型是對飛機產(chǎn)品行為和性能的一種權威表達，包括功能模型、結構模型和行為模型等。飛機的功能模型是指在飛機設計需求的基礎上，為解決飛機設計研制問題所提出的系統(tǒng)功能需求，并按照“飛機級-系統(tǒng)級-設備級”需求分解思想對飛機的功能逐級分解，且需要說明解決研制中哪一部分的設計需求以及各功能之間的關系［4］。飛機的結構模型是對飛機產(chǎn)品功能的物理定義，表達了實現(xiàn)功能特性的具體系統(tǒng)結構和機體結構，是功能分解和行為分析的依據(jù)。飛機的結構模型對應于飛機的產(chǎn)品分解結構(Product Breakdown Structure，PBS)，隨著飛機研制過程的進行，不同階段的PBS 發(fā)展成不同的物料清單(Bill Of Material，BOM)。飛機的行為模型是對飛機功能模型的識別，一個功能可以對應多個行為，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行定義。在飛機研制過程中，過程模型確定了飛機研制階段所應生成的產(chǎn)品模型信息和其對應的數(shù)據(jù)信息，會對飛機的產(chǎn)品數(shù)據(jù)的流向和產(chǎn)品模型的演化進行有效管理。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。為了完整地表達不同角色關注的產(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注特定的產(chǎn)品信息，主要從評價決策、產(chǎn)品技術研發(fā)和項目管理三個角度構建了由決策信息視圖、技術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)績指標等信息進行定義，利用綜合研討廳等功能模塊對產(chǎn)品性能和指標進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)績指標和作戰(zhàn)性能，從而為武器裝備的研制制定目標，確定武器最終研制成功所應達到的技術要求。同時，要在里程碑階段設定考核的指標，指定所應該滿足的技術要求，推進研制方對采辦項目的順利實施。

2.1.2 技術信息視圖

技術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，技術視圖用于指導研制方進行預定方案的研制實施。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和設計參數(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。零部件或子系統(tǒng)的研制是否通過審核，將會以這些指標作為參考，為項目管理方提供用于決策的技術指標。在技術視圖中，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度、成本、風險等信息進行管理。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計方案和設計產(chǎn)品達成一致，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)研制方的技術視圖向管理方的管理視圖轉(zhuǎn)變，確定研制產(chǎn)品的進度、費用和風險等指標是否符合設計標準，并將這些關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、行為模型和結構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來組織產(chǎn)品數(shù)據(jù)和產(chǎn)品模型在相應時間段的主要形式，將分布式產(chǎn)品信息的數(shù)據(jù)內(nèi)容和產(chǎn)品模型進行分類和整理，確定其在相應時間維度中所對應產(chǎn)品信息的數(shù)據(jù)形式和表達方法。

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)等知識信息進行歸類，確定其在飛機產(chǎn)品不同采辦階段中所對應的內(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)品模型作為飛機產(chǎn)品設計的主要表現(xiàn)形式，體現(xiàn)了飛機在研制各個階段的過程信息與產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息的邏輯關系，通過功能行為模型對產(chǎn)品功能任務的分解，以及結構模型對產(chǎn)品設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的產(chǎn)品數(shù)據(jù)與產(chǎn)品模型的關系表，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)務對象、聯(lián)系對象和數(shù)據(jù)對象。業(yè)務對象用來描述飛機產(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)文件在計算機網(wǎng)絡存儲位置的指針，數(shù)據(jù)文件就是元數(shù)據(jù)指針所指的物理數(shù)據(jù)［6］。聯(lián)系對象通過業(yè)務對象存在的一些復雜關系(聚合、繼承、關聯(lián)、知識映射等)將業(yè)務元數(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所有零部件和系統(tǒng)模型裝配成產(chǎn)品。

在基于飛機的采辦項目過程中，產(chǎn)品信息的存儲方式如圖3 所示。業(yè)務對象及數(shù)據(jù)對象這些結構化數(shù)據(jù)存儲在分布式數(shù)據(jù)庫中包括飛機結構構型信息、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)這些非結構化數(shù)據(jù)存儲在文件系統(tǒng)中，這些非結構化數(shù)據(jù)包括研制規(guī)范、技術可行性報告、關鍵技術文檔、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)庫中的相關設計信息、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)務對象層、過程層、產(chǎn)品結構模型層和數(shù)據(jù)模型層五個方面，構建基于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)務對象包括飛機的系統(tǒng)、部件、組件、零件等，隨著采辦項目的進行，這些業(yè)務對象通過相應的約束關系形成對應階段的產(chǎn)品結構樹模型(設計BOM、制造BOM、工藝BOM 等)，并通過聯(lián)系對象使產(chǎn)品結構樹和數(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，隨著采辦項目的進行，這些業(yè)務元數(shù)據(jù)通過相應的約束關系形成對應階段的項目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)系對象使對應階段的產(chǎn)品結構樹模型(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)里程碑是否達到規(guī)定的、確認的某一技術狀態(tài)來判斷是否進入下一階段，為產(chǎn)品結構樹的演化提供依據(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 結語

本文主要對面向采辦項目的飛機統(tǒng)一分布式產(chǎn)品描述這一關鍵技術進行了深入研究。通過構建分布式產(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)技術構建分布式產(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，而且為構建面向采辦項目的飛機分布式產(chǎn)品信息集成與管理系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

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