飞机模块化产品数据管理探讨

韩苏征 李宝环 韩 祎

（中航工业一飞院，陕西 西安 710089）

飞机模块化产品数据管理探讨

韩苏征 李宝环 韩 祎

（中航工业一飞院，陕西 西安 710089）

介绍了飞机产品模块的定义和分类，针对国内目前飞机模块化产品数据管理存在的问题，在产品结构设计视图、模块划分及有效性定义、版本控制、基于需求的飞机构型基线建立与控制、系列化产品平台搭建、模块化程度评价等方面给出了实施建议。

模块化；产品结构树；设计视图；有效性定义

近年来，我国飞机研制逐渐从单一型号向多元化过渡发展，其研制理念也从单一构型转变成为了多构型发展，一种型号的飞机，随着技术进步以及用户需求的增长，不断派生新型号，甚至同一型号的飞机，每架次的要求都有可能不同。而飞机设计需要众多专业（包括总体、气动、结构、强度、机械系统、航电等）协同工作， 其研制过程是一个庞大的系统工程，在各个研制阶段都会产生相应的产品数据。一般来讲，一架中小型飞机仅结构件就有2万多件，外购件1 000多种，标准件1 000余种，数量达到三四十万，大飞机产品零部件更是达到了300万～600万之多，标准件数量近300万件，这些庞大的飞机数据加上复杂的飞机研制流程，给其产品数据管理提出了新的要求。

根据飞机产品全寿命周期数字化定义的阶段，产品数据分为：需求构型、设计构型、工艺构型、生产构型、服务构型和运营构型，每个阶段的产品数据和信息存在相应的继承性和差异性，而所有阶段的产品构型都是基于需求构型的。民机研制需求来源于市场，由于客户需求的多样性，在其研制初期就要考虑多构型发展。与民机相比，军用飞机的研制需求主要来源于军方，其分解和管理过程要基于国军标体系；另外，虽然军机的系列化构型没有民机复杂，但其产品结构的构建也要考虑产品系列型谱的发展，最大程度地模块化，提高研制效率。

1 产品模块化设计需求和优势

1.1 产品模块化的需求

a）客户需求：安全性和可靠性需求，战术技术指标需求，使用及维护需求，系列化和多样化需求，交付周期和时间需求，降低全寿命成本需求等；

b）公司商业利益的需求：扩大可重用性，加速产品研发，增加客户满意度，最终达到商业成功；

c）工业化需求：适应大规模生产的需求，降低成本，简化构型管理，减少错误和返工，提高产品质量，提高一次成功率。

1.2 模块化设计的优势

a）提高系统可靠性。 模块化技术清晰划分各模块功能，明确其在系统中的整合方法，在设计初期就很好地把握产品的总体性能，有效避免设计错误。

b）提高产品数据的重用性，可以快速开发出适应客户需求的系列化和个性化产品，开拓市场，提高客户满意度；另外，各功能部件具有一定的通用性、互换性，降低了制造成本。

c）按订单配置客户构型，满足客户多元化需求，同时兼顾大批量生产模式的优势，降低成本；

d）实现产品结构扁平化，简化工程管理和构型管理，提高产品数据的有效性和准确度；

e）按精简作业流TBS（Tailored Business Stream）和简化物料管理TMM（Tailored Material Management）组织生产，体现精益生产理念；

f）模块化技术能提高设计人员的劳动效率，

让设计人员将更多精力投入性能的改进与完善，避免开发不同产品或产品改型时 “ 从头再来”，减少重复性劳动，缩短开发时间。采用先进的模块化生产和装配模式，也能缩短交付周期；

g）模块化有利于产品的维修性和客户增值服务，在调试维修中可以快速定位故障模块，加快调试进程、缩短调试时间、提高响应速度、降低维修使用成本；

h）模块划分有利于合作伙伴（供应商）的接口定义和建立合作研制体系。

2 国内外相关技术现状

美国和欧洲一些航空发达国家十分注重模块化设计研究，并在军、民机型号上得到了应用。波音、空客公司为适应不同地区、航线及市场需求，在基本机型基础上衍生出众多的型号，所采用的就是模块化设计，相同的机头、机翼、机尾、尾翼等，不同的机身插入段。以飞机结构为平台，其中燃油、液压、操纵、航电、环控、电气等系统也采用标准接口，方便组合与更新。对于新的模块，可集中力量进行技术创新与试验验证，确保水平与质量。波音777将模块化设计思想应用于客舱设计，为用户提供多种灵活多变的客舱布置，可以按用户要求设置不同等级的座舱，布置多种不同数量的座椅、厨房和盥洗室等，而所有这些要求均可在飞机交付前72 h内灵活变更。空客A400M运输机可以迅速改变为步兵运送、混合（货物和人员）运送、货盘式货物运送、医疗救护、非货盘装备运送、空降伞兵等构型。

我国飞机模块化结构设计还处于起步阶段，如民用飞机模块化客舱、货舱的设计要求、实施方案、典型结构形式，以及评价方式等正在研究中。近年来，国内飞机结构数字化设计平台建设取得较大进展，采用模块化设计已有较好基础，各飞机研制单位已开始重视模块化设计思想，ARJ21-700飞机装配、C919飞机机头样机制造等均贯彻模块化思想。我国在军用大飞机的研制过程中开展了模块化的产品结构的建立和应用，制定了相应的规则，建立了技术平台，不同程度地开展了模块化设计制造工作，为协同研制创造了一定的条件。

3 飞机模块定义

飞机模块就是综合考虑飞机产品研制的全生命周期过程中的所有要素，运用标准化原理，针对系列飞机产品结构的构成，将飞机产品分解为一个个具有独立特性和接口结构的抽象的产品结构对象。这个产品结构对象不仅包括组成飞机产品主结构的零部件及其所包含的系统，而且还包括描述这些零部件的设计、工艺计划、工艺装备和支持文档等。因此，飞机模块可以说是由下列对象所组成的抽象的逻辑集合：

●零部件；

●用于零组件制造、安装的工艺规范；

●相关的安装计划、图表和数字模型；

●工装；

●需求定义形成的相关的技术数据；

●验证数据和通用质量特性数据等。

4 飞机模块化产品数据管理关键环节实施建议

4.1 概述

产品数据管理是一门以信息技术为基础、以产品为核心、集成和管理所有与产品相关的信息和过程的技术，其管理的对象不但包括产品的各种信息（如零部件属性、产品结构、数据模型、工艺和制造信息等），还包括围绕产品研发的过程（如过程的定义、审批、发放、更改等）。

我国飞机研制数字化手段迅速发展，已从三维建模，二维发图的研制模式提升到了全三维数字化设计和协同制造，这种协同研制模式下，需要开展统一的产品数据管理，控制全寿命周期的产品状态，保证每架飞机的个性化状态在各项工作中的统一性，确保产品的完整性和设计制造以及服务的可追溯性。

模块化是开展统一的产品数据管理的基础，目前国内飞机研制虽然开展了不同程度的模块化产品数据管理，但也存在一定的问题，在设计视图、有效性定义和零组件版本控制方面存在一些争议，尚未建立模块划分具体操作层面的规范，未结合飞机产品各级需求定义开展模块化的产品研发过程，缺乏规划共用模块库，导致产品数据的重复利用率不高。

针对以上问题，本文从以下几个方面进行论述并给出实施建议。

4.2 建立模块化产品结构设计视图

飞机研发对产品结构分解的需求主要来自于项目管理、工程、制造、市场和销售、产品支援、质量等

方面。不同的团队按需主动从产品结构中提取有关的、有用的产品信息。

飞机可以按照不同的产品结构分解的需求建立不同的产品结构分解树，并引入“视图”的概念来描述。其中设计视图是研发阶段飞机产品结构划分中的主要视图，在项目的详细设计阶段引入使用，用于各设计部门进行详细设计，以形成工程发展的产品数据源。

设计视图从物理安装的角度来描述飞机的构成关系，所有参与飞机装配的零组件，不论是结构件还是系统件，都将在设计视图中体现。

国内外飞机研制对于模块化的产品结构视图建立的方法各有不同，但笔者认为，以工作分解结构为顶层结构的设计视图，在顶层结构层面分解到了工作分解结构的工作包，而工作分解结构WBS（Work Breakdown Structure）作为项目管理的基础，也是在项目全范围内分解和定义各层次的工作包，因此这种以工作分解结构为顶层结构的设计视图能够在项目管理和工程管理之间架起一座桥梁，将项目管理和工程研发有机地结合在了一起，更有利于项目的综合管理和控制。

以工作分解结构为顶层结构的设计视图如图1所示。

不管采用哪种结构树形式，建立模块化的飞机产品结构的最主要目的就是使飞机产品结构树“扁平化”，从而更有利于实施更改的管理与控制，减少零部件之间相互的更改影响关联。因此，在进行飞机产品结构树构建时，要求组成模块的零部件的深度一般不超过2层，个别特殊情况下最多也不应超过3层。如图2所示。

4.3 合理划分飞机各层级模块并处理好接口和互换性要求

图1 以工作分解结构为顶层结构的设计视图

图2 模块组成层示意图

在现代模块化设计过程中，模块划分或称模块分解是其重要组成部分，也是其关键技术之一。一个产品系统能否“模块化”成功，其重要基础就是模块分解的是否合理。国内一些书籍和资料上给出了模块划分的原则，飞机模块化设计过程中应按此原则建立操作规范，并组织相关单位、相关部门协同开展模块的划分工作。

另外，由于目前飞机研制多采用多厂所协同研制，因此对模块接口要进行标准化设计，并根据当前工业技术发展的水平，接口设计任务的要求，对模块接口的功能特性、结构特性、材料特性、制造特性等按统一标准要求进行设计和生产。

4.4 建立高效的有效性定义和零组件版本控制机制

飞机的有效性是一个相对的概念，即在不同时间范围内（一般用截止时间来表达）具有不同的有效性控制，它既可以是离散的，也可以是阶段性连续的。飞机零组部件的有效性标识是通过相应的有效

性定义实现的，在飞机产品使用的产品数据管理软件中有效性一般包括时间、架次、选项的定义，以及根据这3种有效性进行的复合型的构型规则定义。

为简化有效性管理，提高系统整个的运行速度，所有的有效性均定义在模块层。按照模块化的设计原则，将模块进行分类，并将分类关联在相应的飞机产品结构树上，在相应的类别下进行对应选项的定义。

产品结构是产品单元根据其上下级隶属关系而构建的，每个设计对象都可以用单元来表示，其可以是部件、组件、零件以及各类技术、管理类文件，也可以代表整个产品型号。产品单元的更改会引起大范围内零部件的更改，也就是说当某单元版本升级或者变号时，与其相关联的上一级单元也要发生相应的改动，即版本的向上追溯性。这在飞机的研制过程中是一件令人很头疼的问题。为了更好的进行版本的追踪和构型控制，借鉴波音公司变号和升版原则，要建立以下版本追溯模型（具体项目研制应根据此原则进一步细化规则，也要增加更改的受影响分析环节），如图3所示。

图3 版本追溯模型

4.5 建立基于需求的飞机构型基线，实施模块化构型控制

20世纪60年代美国军方提出了基于需求的系统工程（RBE），开展了基于需求的产品开发。基于需求的产品开发依据用户需求，采用系统工程的研制程序和方法，确保研制规范基于用户需求，使定义的要求与用户需求完全一致。

从需求管理的角度来讲，产品构架源于需求，而模块化产品数据管理中模块是组成产品的基本单元，因此，可以说模块组成源于需求，而模块设计、更改等可能导致衍生需求的出现。因此在飞机研制过程中贯彻实施系统工程的理念应按研制流程开展自顶向下的需求定义，将客户和军方的要求进行逐层分解，直至其产品结构的构型项上。而定义在飞机产品结构树上的各层级的需求的集合就构成了飞机需求BOM，即RBOM。飞机研制其他BOM均源于RBOM，因此RBOM是飞机构型管理的重中之重，应结合RBOM建立各级基线，并实施基于RBOM的构型管理和控制。

4.6 搭建系列化产品平台，创建共用知识积累

基于需求的飞机模块化产品数据管理的一项重要任务就是建立系列化产品平台，形成整个系列产品所采用的共同要素的集合，包括共用的需求定义、基本架构、零组件及关键技术等。

系列化产品平台承接飞机各级需求的不断更新，运用模块化设计原理，将飞机各级产品的研发过程优化成为对专用技术和共用技术有机组合，从而可快速研制形成新产品。另外，通过新产品的研制不断充实平台，形成知识积累，并在后续研发过程中实时推送，提高模块的重用性和可配置性。

4.7 建立评价方法，促进模块化措施落地

在以往飞机型号及产品研制过程中，通用化的程度使用标准化系数来评价，其计算公式为标准化系数=［零件或整件的（标准件的品种或数量+借用件的品种或数量+通用件的品种或数量）/零件或整件的总品种或总数量］×100%，这种计算方法虽然也能反映一个产品中零件和整件的标准化程度，但并不能完全真实地反映一个产品中模块的标准化和通用化程度以及产品的继承性程度。

基于以上考虑，需要增加对产品继承性的评价方法，即继承性评价系数=（成熟模块数量/模块的总数量）×100%，其中成熟模块指本产品中运用的通用的、标准的和借用的模块。

5 结论

飞机模块化产品数据管理是飞机构型管理的一个重要环节，是复杂产品研制技术手段的发展趋势，在满足需求的条件下，飞机各级产品和系统的研制过程中要尽量考虑“ 一机多用”、 “ 一机多型”，建立模块化的产品结构，并以此为基础搭建系列化技术平台，解决飞机改型与设计制造周期、成本之间的矛盾，满足用户的不同需求。这样，既能减少设计工作量，又可以减少重复出现的技术过失，使设计人员从繁琐的设计计算中解放出来，提

高了设计效率和质量。模块化产品数据管理能提升飞机功能部件的互换性、维修性和可生产性，同时由于减少了飞机零部件品种，能够提高零部件的通用化水平，使工艺和生产管理简化、方便，从而降低设计和制造成本，缩短了设计和制造周期。模块化产品数据管理对于基于企业联盟的协同研制模式意义重大，它的有效实施将大大提高研制效率，简化企业作业流程，也能缓解了航空产品高投入与经济承受能力的矛盾。

[1]王庆林. 飞机构型管理 [M]. 上海：上海科学技术出版社，2012年.

[2]范 林，王 哲. 模块化技术在飞机研制中的应用[J].航空科学技术，2010，3.

[3]王哲. 现代飞机机体结构模块化设计技术研究[J]. 航空科学技术，2011，2.

[4]刘丽萍. 基于模块化设计思想的标准化程度评价方法探讨 [J]. 航天标准化，2008，1.

（编辑：劳边）

表7 国防科工局提名推荐和获何梁何利基金科学与技术奖人员职称统计

3.2 评审推荐流程和程序科学规范，评审过程公正客观

何梁何利基金的宗旨有两个：促进中国科学与技术发展；奖励取得杰出成就和重大创新的科学技术工作者[2]。为了实现这两个目标，何梁何利基金科学与技术奖的评选工作一直按照由何梁何利基金信托委员会会议通过的《何梁何利基金评选章程》进行，评选委员会严格贯彻“公平、公正、公开”的原则，实行一人一票制，以无记名形式表决确定获奖人。

国防科工局再进行提名推荐工作时，也一直要求各位评委站在全行业的高度，认真履行职责，不搞行业平衡，宁缺毋滥，目的就是确保提名推荐工作的“公正、公开、公正”，严把质量关，评审出真正有水平的候选人。从统计数据可以看出，较“十一五”期间，“十二五”期间国防科工局提名推荐的科技工作者获奖的比率有明显提高，说明提名推荐候选人质量和水平的提高；另外，数据中表明推荐和获奖人的平均年龄有明显降低，说明在推荐过程中评审专家没有论资排辈，而是按照科技工作者的实际贡献进行客观公正的评价。

3.3 何梁何利奖虽然是民间科技奖，但它的奖励力度和对科技人员的激励作用都很大，是我国目前最有影响的社会奖

从统计的推荐数据来看，近几年从军工集团和高校推荐的科技工作者数量较前几年有一定增加，体现了该奖项在本领域的影响力越来越大。随着推荐和获奖的科技工作者年龄和结构更加趋于合理，说明越来越多的中青年的科技工作者得到了该奖项的肯定和认同，他们使我们的科技人才队伍充满了活力。

[参考文献]

[1]何梁何利基金评选委员会.何梁何利基金科学与技术奖获奖人简介（2013）.

[2]何梁何利基金评选委员会. 何梁何利 [M]. 北京：中国科学技术出版社，2013.10.

（编辑：雨晴）

V26-65

C

1003-6660（2016）05-0052-05

10.13237/j.cnki.asq.2016.05.014

2016-07-11