面向飞机的武器装备采办项目的分布式产品描述信息研究

李伟 梅中义

( 北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 100191)

0 引言

随着数字化设计与制造技术在航空工业的广泛应用，航空产品在实施采办项目过程中使用了多种先进设计方法，如产品仿真、并行协同设计、异地协同、数据共享等研制模式，通过集成项目管理方法，对航空装备采办项目过程进行质量管理、保障管理、试验与评价及生产管理，并将研制风险，研制成本、研制进度等关键因素集成到整个采办项目过程中［1］。

航空武器装备采办项目管理系统主要包括分布式产品描述、DoD/工业部门资源中心、协同环境和数据转换格式DIFs 四部分［2］。其中，面向采办项目的飞机统一分布式产品描述是虚拟采办项目应用技术研究内容中的一项关键技术，通过研究分布式产品信息的统一描述方法以及面向不同采办项目角色的分布式产品信息传递，为通过Web 互连技术实现航空武器装备采办项目过程中的分布式产品信息集成与管理提供依据。

1 分布式产品描述信息构成

基于飞机的分布式产品描述 (Distributed Product Description，DPD)是以飞机产品为中心的信息集，包含了飞机研制和开发过程中的各类相关信息，如产品数据、工作流、人员、权限、资源、设计信息等。DPD 主要由产品数据、产品模型和过程模型三部分组成，此外还包括其他与产品相关的重要信息，例如审核、验证与确认VV＆A 状态。

1.1 产品数据

产品数据给出了飞机在各个研制阶段的属性值，包括需求分析数据、项目管理数据、工程制造数据以及测试数据等。需求分析数据主要包括飞机级需求文件和系统级需求文件，如系统规范、飞机技术通用规范文档、系统接口控制文件等，这些数据主要是以非结构化的文档形式存在的。项目管理数据主要包括进度、成本、风险、质量及文档管理数据，这些数据主要是以结构化数据的形式存在于项目管理系统中的。工程制造数据产生于协同设计制造平台，主要包括结构化的设计信息数据和制造信息数据，还包括三维CAD 模型、CAE 分析模型等，随着MBD 技术的发展，这些设计规范、工艺规范等非结构数据信息均集成在三维模型上，形成了统一的MBD 数据集模型［3］。测试数据主要由试验数据和仿真数据两部分组成，这些数据主要以非结构化的文档形式保存，包括试验任务书、试验大纲及试验报告等。

1.2 产品模型

产品模型是对飞机产品行为和性能的一种权威表达，包括功能模型、结构模型和行为模型等。飞机的功能模型是指在飞机设计需求的基础上，为解决飞机设计研制问题所提出的系统功能需求，并按照“飞机级-系统级-设备级”需求分解思想对飞机的功能逐级分解，且需要说明解决研制中哪一部分的设计需求以及各功能之间的关系［4］。飞机的结构模型是对飞机产品功能的物理定义，表达了实现功能特性的具体系统结构和机体结构，是功能分解和行为分析的依据。飞机的结构模型对应于飞机的产品分解结构(Product Breakdown Structure，PBS)，随着飞机研制过程的进行，不同阶段的PBS 发展成不同的物料清单(Bill Of Material，BOM)。飞机的行为模型是对飞机功能模型的识别，一个功能可以对应多个行为，反过来一个行为可以实现不同的功能。

1.3 过程模型

过程模型是对定义、开发、制造、使用和报废一个产品所需的处理过程进行定义。在飞机研制过程中，过程模型确定了飞机研制阶段所应生成的产品模型信息和其对应的数据信息，会对飞机的产品数据的流向和产品模型的演化进行有效管理。针对国内外武器装备采办项目及武器装备研制流程，飞机产品的采办项目过程模型主要包括:项目论证阶段、方案论证阶段、工程研制阶段、生产与部署阶段、使用与保障阶段和退役与处理阶段［5］。

2 分布式产品信息统一描述方法

航空武器装备采办项目主要由采办项目方、研制方和项目管理方三类角色组成，这些不同角色可以构建不同的视图模型。在不同的视图模型中，采办项目角色在所关注的产品信息不同，这些产品信息在不同的阶段也具有不同的组织形式和具体内容。为了完整地表达不同角色关注的产品信息以及产品信息在不同阶段的组织形式和内容，首先构建了分布式产品描述信息的多视图模型，然后提出了基于时间维- 知识维- 逻辑维的分布式产品信息统一描述方法，最后分析了采办项目各阶段的产品信息的内容和形式。

2.1 分布式产品信息的多视图模型

依据武器装备采办项目实施需要解决的重点问题，强调对整个采办项目有宏观把握的同时使各个采办项目参与者可以关注特定的产品信息，主要从评价决策、产品技术研发和项目管理三个角度构建了由决策信息视图、技术信息视图和管理信息视图三个视图组成的多视图模型，如图1所示。

图1 分布式产品描述信息的多视图模型

2.1.1 决策信息视图

决策视图主要面向武器装备采办项目过程中的采办项目方。在武器装备采办项目过程中，采办项目方首先通过对武器装备采办项目过程中的产品性能和战绩指标等信息进行定义，利用综合研讨厅等功能模块对产品性能和指标进行定量和定性的评价比较，为采办项目方提供决策依据。然后通过对系统能力需求分析和作战方案制订，得到武器装备的战绩指标和作战性能，从而为武器装备的研制制定目标，确定武器最终研制成功所应达到的技术要求。同时，要在里程碑阶段设定考核的指标，指定所应该满足的技术要求，推进研制方对采办项目的顺利实施。

2.1.2 技术信息视图

技术信息视图主要针对武器装备采办过程中的研发人员。在武器装备采办过程中，技术视图用于指导研制方进行预定方案的研制实施。它提供了系统分析等功能，并定义了子系统和零部件的性能指标和设计参数，这些研制信息是武器装备采办项目管理过程中的考核指标。零部件或子系统的研制是否通过审核，将会以这些指标作为参考，为项目管理方提供用于决策的技术指标。在技术视图中，研制方能够根据采办项目方的要求和研制方案对武器装备开展设计、仿真验证等工作，以满足采办项目要求。

2.1.3 管理信息视图

管理视图主要针对面向武器装备采办的项目管理人员，主要对武器装备采办项目的全生命周期的进度、成本、风险等信息进行管理。项目管理方通过管理视图可以协调武器装备采办项目中的研制方和采办项目方对设计方案和设计产品达成一致，最终实现武器装备采办项目的顺利验收。同时，通过按层次分阶段逐级完成对PBSWBS 的映射，实现研制方的技术视图向管理方的管理视图转变，确定研制产品的进度、费用和风险等指标是否符合设计标准，并将这些关键信息及时地反馈给决策者和研制人员，为采办项目方和研制方人员提供决策支持。

2.2 基于时间维－逻辑维－知识维的分布式产品信息统一描述

采办项目中不同角色关注的产品信息在采办项目的不同阶段具有不同的组织形式和具体内容，通过研究分布式产品信息中产品数据和产品模型在采办项目过程模型中的不同表现形式，以产品数据中的需求分析数据、项目管理数据、成本数据、工程制造数据和测试数据等相关数据为武器装备采办项目的知识维，以产品模型中的功能模型、行为模型和结构模型为武器装备采办项目的逻辑维，以产品项目论证阶段、方案论证阶段、工程研制阶段、生产与部署阶段、使用与保障阶段、退役与处理阶段的武器装备全寿命采办项目流程为时间维，构建了基于时间-逻辑-知识(Time-Logic-Knowledge，T-L-K)的分布式产品信息统一描述模型，如图2 所示。

2.2.1 T-L-K 模型中的时间维

基于T-L-K 的分布式产品信息统一描述模型将分布式产品信息中的过程模型作为全生命周期采办项目的时间维。通过定义不同时间维度的项目任务来组织产品数据和产品模型在相应时间段的主要形式，将分布式产品信息的数据内容和产品模型进行分类和整理，确定其在相应时间维度中所对应产品信息的数据形式和表达方法。

图2 基于T-K-L 的分布式产品信息描述方法

2.2.2 T-L-K 模型中的知识维

基于T-L-K 的分布式产品信息统一描述模型将分布式产品信息中的产品数据作为全生命周期采办的知识维。以过程模型作为产品描述的时间维度，分析其在飞机全生命周期采办过程中知识维度的产品数据，并对不同时间维度下的需求分析数据、项目管理数据、成本数据、工程制造数据和测试数据等知识信息进行归类，确定其在飞机产品不同采办阶段中所对应的内容和表现形式。

2.2.3 T-L-K 模型中的逻辑维

基于T-L-K 的分布式产品信息统一描述模型，将分布式产品信息中的产品数据作为全生命周期采办的逻辑维。将产品模型作为飞机产品设计的主要表现形式，体现了飞机在研制各个阶段的过程信息与产品数据信息的逻辑关系，通过功能行为模型对产品功能任务的分解，以及结构模型对产品设计制造和仿真验证的具象化表现，来梳理采办项目各个阶段中产品数据与过程模型之间的逻辑关系。

2.3 T-L-K 模型各阶段数据内容与过程分析

采办项目中不同角色关注的产品信息在T-LK 模型中不同时间维度都有不同的产品信息和数据形式，其数据与模型也来自于不同的信息知识环境和系统工具支持，在分布式产品信息统一描述过程中，详细确定采办项目全生命周期过程中各阶段的产品数据内容和产品模型组织形式，构建武器装备采办项目中分布式产品信息统一描述的各时间维度所对应的产品数据与产品模型的关系表，如表1 所示。

表1 基于T-L-K 模型的产品分布式信息统一描述关系表

3 分布式产品描述信息的概念模型及模型框架

元数据是描述数据模型的数据，它可用于管理复杂的产品数据，实现产品数据的集成、交换、共享和查阅。为了实现分布式产品信息的管理与集成，先采用元数据建模，建立分布式产品统一描述方法的概念模型，然后基于多视图模型，构建分布式产品统一描述方法的模型框架。

3.1 分布式产品信息统一描述的概念模型

采用元数据建立分布式产品信息的概念模型，如图3 所示。该模型包括业务对象、联系对象和数据对象。业务对象用来描述飞机产品的某个事物(零件/部件、项目、客户等)或定义组织方面的信息，数据对象用来描述与采办项目全生命周期过程相关数据的属性和文件，包括元数据和数据文件。元数据主要用来描述数据文件的属性及指明数据文件在计算机网络存储位置的指针，数据文件就是元数据指针所指的物理数据［6］。联系对象通过业务对象存在的一些复杂关系(聚合、继承、关联、知识映射等)将业务元数据和数据模型在逻辑上集成为一个整体以及将飞机所有零部件和系统模型装配成产品。

在基于飞机的采办项目过程中，产品信息的存储方式如图3 所示。业务对象及数据对象这些结构化数据存储在分布式数据库中包括飞机结构构型信息、版本信息、更改信息、功能信息等。数据对象中物理数据这些非结构化数据存储在文件系统中，这些非结构化数据包括研制规范、技术可行性报告、关键技术文档、CAD 数模、CAE文件等，它们以PDF 文档、Word 文档、Excel 文档、CAD 文件等形式存在。对于以PDF、Word、Excel 形式存在的文档信息，主要将指向存储位置的文件指针存储在分布式数据库中。这些三维模型以XML 形式集成存储在分布式数据库中的相关设计信息、制造信息和工艺信息中。

图3 分布式产品信息的概念模型及存储

3.2 分布式产品描述信息的模型框架

基于分布式产品信息的统一描述和元数据模型，从角色层、业务对象层、过程层、产品结构模型层和数据模型层五个方面，构建基于T-K-L 的分布式产品统一描述方法的模型框架，如图4 所示。

对于研制方来说，业务对象包括飞机的系统、部件、组件、零件等，随着采办项目的进行，这些业务对象通过相应的约束关系形成对应阶段的产品结构树模型(设计BOM、制造BOM、工艺BOM 等)，并通过联系对象使产品结构树和数据模型在逻辑上成为一个整体。对于项目管理方，它包括工作包、项目、合同等，随着采办项目的进行，这些业务元数据通过相应的约束关系形成对应阶段的项目WBS 和合同WBS，并通过联系对象使WBS 和数据模型在逻辑上成为一个整体。对采办项目方来说，主要是通过联系对象使对应阶段的产品结构树模型(需求BOM、维修BOM、使用BOM 等)和数据模型在逻辑上成为一个整体。结合采办项目的多视图模型。对于采办项目方，要监督和控制采办项目过程的开展，根据里程碑是否达到规定的、确认的某一技术状态来判断是否进入下一阶段，为产品结构树的演化提供依据。

图4 基于T-K-L 的分布式产品描述信息的模型框架

4 结语

本文主要对面向采办项目的飞机统一分布式产品描述这一关键技术进行了深入研究。通过构建分布式产品描述信息的多视图模型，建立基于时间-知识-逻辑的分布式产品信息的统一描述方法，有助于更清楚地了解不同角色所关注的产品信息和它们之间的联系，以及采办项目不同阶段的产品数据内容和产品模型组织形式。最后，本文根据元数据技术构建分布式产品信息统一描述的概念模型和模型框架，不仅能够有效地实现分布式产品信息的集成与管理，而且为构建面向采办项目的飞机分布式产品信息集成与管理系统提供理论依据。

［1］ 何凤平，刘祥静. 美国武器装备一体化产品开发模式研究［J］. 企业与管理，2012 (10):87-90.

［2］ Sun Yong，Han Liang，Li Ni. Research and Application of PLM in SBA ［J］. Journal of System Simulation，2008，20 (19):5166-5170.

［3］ 王红雨，顾翠，敬石开. 统一MBD 数据集在产品全生命周期中的应用研究［J］. 制造业自动化，2013，35 (12):56-60.

［4］ 李承立. 需求驱动民机系统研制过程及构型数据结构［C］.沈阳:第六届中国航空学会青年科技论坛，2014.

［5］ 田路彬，翟源景. 基于PLM 的装备项目管理模式分析［J］.项目管理技术，2008 (1):35-38.

［6］ 顾巧祥，祁国宁，纪杨建等. 基于元数据的产品数据本体建模技术［J］ . 浙江大学学报，2007，41 (5):736-741. PMT