基于模型的航空制造企业架构

陶 剑

TAO Jian

（金航数码科技有限责任公司，北京 100028）

0 引言

长期以来美、德等工业发达国家的制造业以信息技术创新应用为核心，运用系统工程方法论，采用基于模型的设计、制造、服务和管理等先进技术，以构建基于模型的企业为目标，不断地促进开发模式转型和企业架构重构，持续地提升复杂装备产品的协同开发能力。随着新一轮工业革命的到来，中航工业以德国工业4.0等为标杆，导入赛博-物理系统（Cyber-physical System，CPS）技术。引发虚拟产品生命周期与现实生产生命周期的集成，以及自优化、自重构、自诊断和对人的认知和智能支持等思想融合到航空制造企业的架构开发中，为构建信息技术和制造技术深度融合、支持高度柔性生产方式的智能制造企业提供示范指导。

图1 航空制造企业总体架构

1 航空制造企业的总体架构

基于模型的航空制造企业是一种实体，如图1所示，它以CPS为基础，利用过程、产品和信息模型来定义、执行、控制和管理企业的全部业务；采用建模与仿真手段对需求、设计、制造、试验、生产、服务的全部技术和业务流程进行彻底的改进、无缝的集成以及战略的管理；使用科学的模拟与分析工具，对研发全生命周期的每一步工作进行综合验证和确认，以做出最佳决策；从根本上减少产品创新、开发、制造和支持的时间和成本。

1.1 系统工程中的架构方法

信息、网络、自动化和嵌入式技术应用比例的不断扩大，使得航空产品研制活动从单纯组装型向系统集成型转变，并且产品不再由单一企业完成，而是依靠多个企业或企业联盟共同实现。因此，航空产品研制不可避免地成为了系统工程，具有统一的系统概念也成为对现代航空制造企业最基本的要求。架构作为解决系统复杂性的通用方法，针对围绕信息技术应用而构建的包含战略、业务、信息技术等多元要素于一体的复杂企业/系统，必须使用架构的方法对其整体结构和相互关系，以及这些关系之间的变化规则进行多层面、多角度的构建和描述，以指导信息技术在复杂企业/系统内的实施，确保与企业业务战略的一致。西门子公司在其工业4.0的战略中，就是在统一业务流程、统一工业软件和工业自动化的专业知识与技术的基础上，利用网络以及相关软硬件设备工具，为产品研发和生产过程提供一个基于CPS的、高度柔性化、自动化和智能化的全球统一的数字化企业（工厂）架构。

1.2 架构开发中的模型技术

架构就是应用有效的开发方法，将企业战略愿景和目标逐步落实为具体的行动与解决方案，形成业务能力，其中模型及其建模技术是复杂系统架构开发的重要手段。基于模型的系统工程（Model Based System Engineering，MBSE）能提供在产品/系统开发的全生命周期不同阶段支持系统需求分析、功能分析、架构设计、产品验证和综合确认所需的模型和建模手段，以便确定系统需求、功能、表现和结构等要素之间的相关性。因此，在架构的开发过程中，需要应用MBSE逐步细化描绘出企业/系统的各个主要业务过程（需求工程、设计工程、制造工程、生产工程及IT在内的诸多相关要素），并将收集到的过程、产品和信息等模型转变为下一步开发的基础，以便构建更详细的子系统或组件模型，上述模型及其相互间的关系对于架构开发（业务架构-IT架构-技术架构）过程的确认、验证和跟踪都具有非常重要的作用。

2 基于过程模型的业务架构

现代企业的核心价值链是业务过程，业务架构作为首先开展的架构活动，它以实现航空制造企业的业务战略为目标，提供开展其他领域（应用、数据和技术）架构工作所必须的知识，形成贯彻企业战略的业务运作模式，其中过程模型是企业/系统中执行任何过程的相关资源、信息、工具等要素的描述者和协调者。

2.1 工程领域的过程模型

航空产品的研制是应用于全生命周期的跨学科的复杂系统工程，特别强调通过工程实践总结提炼过程模型，即通过对研制各个阶段的活动详细分析来描述环环相扣的业务过程，并得到涉及的技术方法、系统工具和工程经验。航空航天领域通常采用图2的“V”字模型来描述企业的业务过程，其中第1个V字模型代表传统的业务过程，即先进行数字化虚拟设计，然后生产制造实际产品，最后开展物理试验进行验证的过程。第2个V字模型代表数字化的业务过程，即所有业务过程（需求工程、设计工程、制造工程，试验工程、综合确认）均在数字化虚拟环境下完成，确保投入实际生产后一次成功，该模型代表的就是西门子实施工业4.0所采用的先进的数字化和虚拟化的产品研制过程。由于基于IT应用的各类知识——经验、规则、模型、标准和方法等需要长期的积累和集成，所以中航工业的数字化的试验工程和综合确认目前尚处于起步阶段。

图2 “V”字过程模型

2.2 管理领域的过程模型

过程模型另一个重点是管理领域，管理过程模型就是以实现管理的敏捷化、精细化和精益化为目标，通过业务过程的显性化、结构化和标准化，达到对企业管理业务过程的建模、仿真、评估以及后续应用过程的执行、监控、交互和控制。并通过建模理解企业/系统的行为，通过仿真研究和预测企业系统的未来动态，为最终建造一种全新的企业管理方法和模式提供依据。为此，以西门子实施工业4.0中产品生命周期与生产生命周期的无缝集成为目标，将信息化与管理提升和企业再造紧密结合，一方面要运用需求、项目、构型及数据的管理思想，实现虚拟的产品生命周期业务过程中的工程需求、数据结构、配置功能和逻辑关系的全面管控。另一方面运用CPS及服务的管理理念，将现实的生产生命周期过程中独立的产品、工具与关联的服务相互连接，构成一个有机整体实现从原料进厂到产品出厂的生产过程自动化、装备制造信息化和智能化、生产过程的透明化。

3 基于产品模型的IT架构

为了实现企业的战略目标和业务架构，需要在过程模型的基础上进行IT（数据和应用）架构开发，它将企业的业务实体抽象为信息对象-产品模型，进一步开展业务过程与系统/系统功能分析，明确系统间的信息交互关系，提升整个企业之间共享信息和服务的能力，实现从业务模式向信息模型的转变。在这个阶段不涉及具体的应用系统和技术，而是描述管理数据对象和支持业务功能的逻辑能力。

3.1 产品模型的形成

产品模型是研制信息的载体和数据架构的可视化展示，它是随着对应用架构（系统功能及接口等）的细化分析而不断被丰富和延拓，在需求工程中，通过用例、功能、时序、状态、架构和接口等模型全面反映产品需求的属性信息（性能、物理结构、功能结构、质量和可靠性等），确保不同角色的工程设计人员能快速准确理解、识别、定义、分析、确认、分配需求。然后依据确认的需求指标开展产品研制，建立产品的逻辑、几何、功能、性能和关联等模型，实现基于模型的数字化产品定义与关联设计，在虚拟的数字世界中完成多学科优化、协同设计、优化分析、试验仿真、制造仿真以及模拟产品的制造和运营过程。产品模型的形成，是航空制造企业推进网络化、数字化、信息化、自动化、智能化等技术在产品全生命周期、企业全业务流程和产业全价值链的应用，提升研制数据跨地域/企业/系统的共享和传递能力，实现产品的虚拟、并行、协同的网络化研制的必然结果。

3.2 产品模型的应用

数字化、网络化协同研制模式下，产品模型主要是按照业务架构的要求，完成应用架构所规定的功能，具体分为三种情况。首先，在单一数据源的管理思想下，以工程产品模型为基础，依次延拓出装配产品模型、检测产品模型、制造产品模型等数据，最终进入实际生产。也可利用设计的工程产品模型直接进行生产，如增材制造等。其次，利用虚拟仿真技术，以各类产品模型（功能、性能）为基础，实现数字化虚拟试验替代传统的物理试验，即依托试验工具、系统及模型（知识）库，完成产品功能性能验证、极限工况试验、故障模拟分析、工厂和生产线布局等活动，确保实际生产的顺利进行。最后，经过仿真验证的工程、装配、检测和制造模型结合生产现场的过程控制和自动化系统，通过产品模型实时获得生产和采购计划等信息，并由MES统一管理和下达生产计划和工艺指令，实现对生产计划调度、物料追踪、数据采集、生产设备状态监控、工位操作等生产运营全过程的优化整合。

4 基于信息模型的技术架构

技术架构是由IT架构驱动的、以技术和平台为核心的，实现IT架构的底层技术基础结构，涉及数据架构、应用架构和基础设施等方面。如图3所示，西门子公司在实施工业4.0时，使用自主的CAD、PLM、MES和全集成自动化（TIA）等软件搭建CPS，实现解决方案、软件技术、硬件技术、网络技术、信息安全、标准体系等IT要素的集成，以支撑企业应用的运转。

4.1 信息模型的类型

开放的、全球化协作的航空产品研制模式，需要构建一个高效、安全的统一协同和管理数字化环境，并组建与之相适应的协调机制，为各个层次研制业务活动提供解决方案和所需软硬件、网络等的技术支持，以满足跨地域/多厂所数字化协同研制和项目、生产、供应链等的数字化管理业务的要求。当前，信息模型有同构和异构两种类型，同构的信息模型是指实现业务活动功能的工业软硬件均由同一代理商提供，特点是易于保证产品数据、业务过程和研发企业之间的集成与协同，缺点是从应用软件工具到硬件服务器都由代理商控制，不能按照业务要求自主可控的开展平台和环境的统一管理与建设。异构的信息模型是指实现业务活动功能的工业软硬件由不同的代理商提供，特点是可以根据业务活动需求自主可控的选择合适系统，缺点是易导致存在多种孤立不兼容的应用系统、大量异构平台、无法转换的数据格式等，造成信息交换和集成困难。

图3 西门子公司实施工业4.0的技术架构（信息模型）

4.2 信息模型的发展

德国工业4.0的推出，使得智能制造成为现代先进制造业新的发展方向，智能制造的核心是CPS，其原理是将物联网及服务引入制造业，建立起高度智能化的、自适应、自调整的柔性化的生产方式，从根本上改善工业过程。为使信息模型能够支持航空制造业务的重大变革与高速发展。需要充分应用物联网、云计算、社会性网络服务（SNS）等新一代的信息技术，实现更加高效的协同创新；利用物联网提高企业生产和物流自动化和智能化程度；利用云计算平台有效解决数值模拟、虚拟仿真、工业设计等所需超大规模的计算能力问题；利用SNS达成与合作伙伴的高效协同、与客户的敏捷响应；利用工程中间件提供的统一平台和标准，既可以使得各工业软件厂商兼容并存，又可在工程中间件之上开发自主业务系统。

5 结束语

中国航空工业经过多年的探索和发展，现已形成比较成熟的信息化体系，当前针对企业创造价值的方式与组织和管理的矛盾越来越突的问题，体现在战略与执行的不一致、组织与业务相冲突、业务与IT分离等方面。中航工业从全局的角度审视与信息化相关的业务、信息、应用和技术间的相互关系以及这种关系对业务过程和功能的影响。全面导入架构方法，推动从业务架构（过程模型）统一规划、IT架构（数据和应用模型）具体分析、技术架构（信息模型）有效支撑的整体性设计，以满足未来航空制造业推动产品研制数字化和业务流程管理为核心的协同业务模型的变革需求，实现信息化与工业化的深度融合。

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