数字化协同研制体系在固体动力系统领域的研究及应用

刘荣荣等 /中国航天科工集团六院情报信息研究中心

固体动力系统科研生产是一项多学科、多专业相结合的大型系统工程，研制过程贯穿了设计、工艺、质量和产品调度等各阶段。在管理上受限于企业组织结构和设计、制造、试验等各学科、各专业精细化分工的影响，部分采用数字化手段开展的单学科、独立专业的工程研究与应用模式成为研制的主流。但在研制管理方面，面对面的研讨方法、数据和信息的分散无序也带来了质量追溯难、过程管控难、研制周期长等问题。

面对2020 年突发的新冠疫情，异地协同研制、数字化协同办公传统的现场、集中会议、面对面协调等科研生产管理模式带来了更大挑战。如何运用新思维、新方法、新技术加速推进人工智能、物联网、大数据等新技术与传统学科的相互融合，构建基于数字化协同技术的科研生产体系，成为科研生产企业数字化协同研制能力提升的重要发展方向。

一、数字化协同研制体系的内涵

当前固体动力系统研制过程采用的是基于传统的系统工程思想，但新形势下型号总体对固体发动机的需求日益复杂和精细化、结构化、数据化，这对动力分系统的协同和敏捷研发支撑能力提出更高要求。为减少设计迭代次数、降低问题反复概率，解决传统自然语言为主描述的研制文档管理导致的二义性问题，需采用基于MBSE 技术，标准定义的模型语言描述、对接需求并关联研发过程、验证需求等，使各项要求及时落地。同时实现多型号异地协同研制、数字化协同办公，必须充分考虑基于物理样机、分阶段工程研制下传统串行研制模式的特点，建立适应企业管理理念和科研现状的数字化协同研制体系，打破科研生产研制过程在地域、管理、技术上的壁垒，满足各研制阶段的数字化样机协同设计、协同制造、协同试验、协同管理的数字化管理要求。

1.数字化协同研制体系是实现科研生产管理模式创新变革的基石

基于MBSE 先进理念的数字化科研生产体系的全面建立，以及智能制造技术、产品、标准体系的同步健全，是先进军品研发模式的有力保障，也为实现高效运行的智慧企业奠定基础。设计单位应用基于总体与分系统协同工作模式和基于模型定义的设计/制造/试验一体化的MBD模式进行产品设计研发，建立基于虚拟样机的一体化系统模型，进行系统仿真与虚拟试验验证集成，实现科研生产管理模式创新变革。

2.数字化科研生产体系是持续推动固体动力产业能力提升的利器

在数字化协同设计阶段，设计单位基于总体输入开展数字化方案样机的论证。在数字化协同制造阶段，通过PDM、三维工艺设计、MES、SCADA 等系统的数据传递和集成，完成设计与试验的局部协同和调整。在数字化协同试验阶段，基于数字化方案样机论证和数字化设计样机进行试验任务的数据反馈，在试验综合信息系统和TDM 系统的支撑下，进行分系统、各专业单项试验任务调度、计划、资源、控制有关的分析，实现与总体单位的协同研制管理。在数字化协同管理阶段，通过数据中心及ERP系统、项目管理、质量管理等管理类系统的集成管控，形成集成协同级的产品研发制造和经营管理平台，为数字化科研生产体系提供有效使能手段。通过搭建产品设计仿真、试验测试、生产制造、协同管理的全生命周期数字化协同环境，实现研制过程在产品分析、仿真、制造、装配与试验等关键业务的协同化、数字化、并行化，助力固体动力产业能力提升。

二、数字化协同研制体系架构研究

以建设智慧企业为目标、建立数字化科研生产体系为抓手，开展基于虚拟样机的数字化协同设计、基于MBSE 的协同设计制造试验一体化、基于智慧管控模式的数字化协同管理、基于云服务的基础环境支撑等条件建设，构建基于多维协同的供应链优化模式和基于协同共享的区块链、物联网体系，实现从传统基于实物样机的独立、串行为主的研制模式向基于虚拟样机与实物样机有机结合的并行协同的新型数字化研制模式转变；从传统的职能式管理向基于知识的跨部门协同智慧化管理方式转变；从传统的工业生产组织方式向基于模型的数字化智能制造转变，为基于MBE 和MBSE 的智慧型企业的形成打造坚实的基础。数字化协同研制体系架构如图1 所示。

图1 数字化协同研制体系架构

（1）统一信息导航与数据访问门户。为企业提供跨职能平台的统一应用入口、任务列表、协同讨论、资源访问、通知与信息发布及信息展现等功能。

（2）战略管控。基于企业经营管理、产品研发制造及综合保障管理提供战略管控、决策支持、全面预算、绩效管理、风险及预警管理等决策支撑应用。

（3）构建设计、仿真、试验测试、生产制造的异地协同与集成支撑环境，实现以任务为主线的产品研制过程管理、产品数据管理和技术状态管理，通过数据中心实现设计、试验、工艺、制造数据的实时传递。在数字化协同设计与仿真方面，实现以企业本级为中心的PDM 系统跨单位跨组织的异地联邦集成，实现以BOM 产品结构为核心的全生命周期技术状态管理和一体化的更改闭环管理及产品统一基线管理，实现跨学科的仿真数据流仿真及演示、技术文件电子会签和数据发放。在数字化协同试验方面，实现高效的并行协同试验交互能力，提升试验任务整体管理调度效率。在数字化协同制造方面，实现生产、安全、质量、数据采集、产品生产过程信息流的全面打通，提高生产效率、降低生产成本。在数字化协同研制管理方面，形成以多项目管理系统为智能中控模式的协同管理工作环境，提升企业整体管理水平。

（4）网络系统及基础设施：构建安全、稳定、可靠的基础网络支撑保障条件，实现企业关键设备的冗余备份，形成高速、稳定、安全的网络基础环境。

三、数字化协同研制体系在固体动力系统领域应用的主要内容

1.基于虚拟样机的数字化协同设计条件

构建以虚拟样机为核心、云化环境及学习算法为基础的虚拟样机数字化协同设计环境，实现基于大数据分析的总体和各分系统间设计、仿真、优化一体化云化协同，实现研制各环节基于虚拟样机设计与虚拟试验验证的云化同步协同。

（1）构建数字化总体协同设计环境

建立以PDM 系统和MCAD系统为中心、基于协同数字化技术的型号快速响应研制体系，形成较为完备的基于虚拟样机的云设计能力。统一规范管理、统一资源管理、统一BOM 管理，统一技术状态管理，实现三维工程图设计、产品数据管理、数字化工艺设计和管理、基于产品协同研发的项目管理，促进型号总体与分系统间模型级的协同设计、设计与制造之间的互联互通协作，实现型号研制信息与过程信息的集成。通过产品数据在整个协同环境中的贯穿，实现数据资源的共享和集成化控制，支撑产品研发不同的角色在整个项目研制过程中协同工作，实现企业全型号基于三维模型的一体化协同产品研发，提升型号产品的整体研发能力和管理水平。

（2）构建数字化集成仿真环境

通过集成仿真系统、集成仿真演示系统建设，构建产品总体优化建模与仿真试验软件环境，形成基于虚拟样机模型的构建能力、多物理场耦合仿真及优化能力。扩充数据、标准、规范、工程经验等知识库，推动设计知识共享，动态固化工程经验，正向积累沉淀仿真方法，构建面向产品整体设计的集成仿真环境，提高产品设计效率，缩短研制周期，加速型号产品数字化研发模式的转变。

构建以虚拟样机为核心、云化环境及学习算法为基础的虚拟样机数字化协同设计环境，实现基于大数据分析的总体和各分系统间设计、仿真、优化一体化云化协同，实现研制各环节基于虚拟样机设计与虚拟试验验证的云化同步协同。

（3）构建数字化协同试验验证条件

构建基于MBSE 的协同试验验证环境，实现试验任务的计划调度、执行监控和结果处理等环节的科学管理，记录完整试验信息，形成虚拟试验验证能力，实现试验管控模式由文件型管控向数字型管控模式转变的同时，试验验证体系也由注重技术指标的符合性验证向基于能力的协同性试验验证转变。

通过运用数字化和信息化手段满足企业多单位协同试验，理顺产品试验过程中的各类迭代关系，完善试验顶层设计。构建以协同试验综合信息系统、系统试验数据处理系统为主应用的试验大数据管控一体化平台，将分散的大量试验数据充分、有效收集，实现数据的统一、有序管理，保证试验信息的完备性，对试验过程和结果数据进行数字化管理，保证试验任务、试验资源、设备联网监控和试验数据的集中管理、有效共享、合理利用，实现试验程序的规范化和数据分析处理的标准化，确保试验数据能够准确、及时地被收集和整理，以满足产品生产各阶段的试验数据融合。

2.基于MBSE 的协同设计制造试验一体化条件

构建以系统模型为核心，基于MBSE 的设计、仿真、试验测试、生产制造一体化条件，形成基于三维产品数字化定义的一体化协同环境，实现以型号任务为主线的产品研制过程管理、产品数据管理和技术状态管理。构建虚拟工艺样机进行制造过程的仿真和验证，通过数据中心实现型号设计、试验、工艺、制造数据的实时传递，支撑协同工作开展。

（1）构建三维数字化工艺设计环境

建立三维工艺设计管理系统，开展工艺数字化设计，构建全三维设计制造一体化环境，实现快速和高效的基于三维的结构化工艺规划和管理，提高工艺规划的质量。构建并行协同设计与仿真环境，提供统一的协同设计环境，支持多专业、多学科的协同设计、分析与优化，支持对设计的过程数据管理。

（2）构建智能装配生产线

构建基于智能生产线的协同数字化管控设计/制造/试验一体化条件，实现物流信息化、装配柔性化、过程可视化、运行控制局部智能化，形成生产过程物料的自动识别、跟踪定位、加工控制以及对各阶段物料的工艺状态、质量等信息的自动采集、分析与优化决策能力。

（3）建立基于MES 的协同制造过程信息系统

依托SCADA 系统采集产品研发、制造等各个环节的数据，提高生产与工艺执行水平，及时有效控制生产安全隐患，综合提高生产、工作效率。依托数字化制造DNC 系统采集工艺设计、生产计划和生产执行情况的相关数据，完成对生产过程中所涉及数据加工设备的网络化管理。通过PDM、MES、ERP、SCADA等业务系统集成，实现在生产制造过程中对作业计划、生产现场质量信息、物料信息、人力资源信息、生产进度、设备信息等的全面管理。

（4）实现科研生产流程一体化集成

通过ERP 系统与工艺管理系统、制造执行系统的集成，实现与工艺管理系统中标准工序、工作中心、物料信息、产品结构、工艺路线、工艺规程等信息的集成，实现与MES 系统中生产计划、生产计划调整数据、物料库存等信息的集成；通过ERP 系统与PDM 系统的集成，完成对产品数据全生命周期的管理。通过PDM 系统与工艺设计管理系统集成，实现工艺的流转与重用，提高工艺复用性。

3.基于智慧管控模式的数字化协同管理条件

引进集成研发、精细管理的理念，以提升经营管理和执行水平为目标，构建基于智慧管控模式的数字化协同管理环境，满足对战略、计划、质量、供应链、人力、财务、物资等的全面一体化智能化管理，实现科研生产任务基于项目管控的纵向协同应用、组织内跨部门间横向协同应用、基于产品具体实现过程关键要素协同应用、多级质量管理业务协同应用、质量检测全过程业务协同应用。

（1）构建以项目管理系统为中心的智能中控模式

通过引进集成研发（IPD）、通用构建模块（CBB）等先进管理理念，以全流程、全要素、多项目管理决策支持为目标，以端到端的产出流程为主线，以各业务活动为支撑，构建以项目管理系统为中心的智能中控模式，将基于WBS 的计划管理向基于产出流程的项目管理转变，满足基于项目的风险管理和预警、量化考核和绩效、质量管控，实现规范的流程、统一的规则、协同的计划、经验的积累和沉淀，有效支撑型号项目全过程、全要素、全周期的精细化管理。

（2）构建以ERP 系统、数据中心为底层应用的协同管控环境

围绕智能大数据分析、智慧决策、智慧营销、科研生产资源管理、智能知识库领域，以建设门户系统、质量管理系统、项目管理系统、财务共享中心等典型应用为依托，构建以ERP 系统、数据中心为底层应用的协同管控环境。以项目为主线，打通科研生产过程中领导决策层、管理层和执行层之间的各个环节，整合关键性资源，形成云共享资源，实现对型号多项目、多状态、跨地区、异地协同的科研生产管理，支撑跨单位/跨系统的资源协同、跨项目资源统筹调度，提升对风险、成本、进度、质量等的管控能力。

（3）构建统一的数据存储与管理平台

以摸清企业信息化系统清单为切入点，构建数据资产管理系统，全面开展数据资产清单梳理工作，最终梳理并编制形成企业信息资源全量目录，实现数据全面归集、有效管理和共享利用，建立数据资源池与数据仓库，实现数据资产清晰化、动态化、常态化管理。

4.基于云服务的基础环境支撑条件

以企业存量信息化资源为基础、云服务能力建设为核心，构建基于云服务的基础环境支撑条件，形成满足智慧企业条件下“云、大、物、移、智”等新技术应用的网络基础能力。

（1）搭建互联互通网络环境

通过统一规划建设适应未来业务发展的整体IT 基础环境设施，保障IT基础环境的高安全性、高可用性和高效运行，实现资源有效、自动配置。以网络运维管理系统为基础，构建企业统一运维环境，对企业网络设备、服务器、业务应用等关键运行指标进行监测和预警，提高运维管理工作的响应能力和处理能力，提高运维效率，节约成本。以数据中心为企业中心形成多级数据交换环境，实现数据资源标准的统一和资源的共享。以流程中心为企业基础应用，形成跨单位、跨组织的电签流程，提高工作效率。

（2）构建基于云架构的运营中心

构建以数据驱动为基础、安全运营为核心、态势感知为支撑、协同联动为特征，涵盖大数据分析、安全运营管理、安全态势呈现、风险预警分析的安全运营中心，对网络环境和服务器系统进行信息采集、管理、监测及故障报警，形成平台化、智能化、高可靠的网络故障监测诊断平台，实现科学运维和快速响应能力的提升。

（3）形成统一的标准规范体系、流程规则体系

建立支撑业务应用的标准规范体系和流程规则体系，规范数据定义，编制企业数据标准化规范，形成企业数据分类、元数据定义、主数据编码以及产品BOM、工艺BOM、物资BOM 等内容的标准规范。同时统一规范企业信息化架构和应用系统建设标准，保障系统与平台间的信息交换、资源共享和能力协同。建立健全科研生产管理流程，实现基于流程的科研生产数字化管理。

5.构建基于多维协同的供应链优化模式

从设计源头保证供应链可控，在型号研制方案设计阶段按照多供方供应原则，开展多厂家应用验证。协同供应商开展流程优化和工艺优化，提高研制效率、产品质量，进一步加强设计对产品技术状态的管控能力。结合企业内部数据中心、ERP、SCM 等系统建设和以工业互联网为主的产业链级云端应用（包括面向产业链层的各类云端APP 等）等手段支撑对企业内外部供应链的优化。通过建立多地协同的供应链优化模式，不断强化供应链管控，优化供应链条结构，深入推进内部协作，充分引入市场竞争，着力压缩采购成本，提升内外部供应管控能力。

6.构建基于协同共享的区块链、物联网体系

（1）科学聚焦区块链技术基础科学研究

以智慧园区、智能工厂为牵引，重点发展原创性、基础性、前瞻性、突破性的区块链技术安全，科学聚焦航天安全领域的区块链技术基础科学研究。依托物联网技术/产品+解决方案，引进从底层物联网到上层软件平台的智能工厂系统解决方案、智能仓储系统等，依托ERP、PDM 系统加速推进航天产业市场拓展。

（2）构建产品全生命周期数字交付

采用区块链技术为产品型号建立全生命周期的数字档案，定期自动记录产品信息，通过网络进行数据共享，及时掌握产品状态。结合数据中台战略，完善数据仓库、数据集市并预置若干典型业务场景的算法和模型，构建基于模型驱动的数字化服务体系，实现产品全生命周期数字交付。

笔者通过运用先进的MBSE系统工程、知识工程和数字化协同技术的思想，构建面向产品研制全过程的集研制策划、研制过程管理、技术执行、数字化设计/仿真/制造、知识工程、质量管理、维护与保障管理、数据管理于一体的综合协同研制工作环境，打通从设计、试验到生产制造的数据流和过程流，进一步缩短研制生产周期，提高设计质量，降低研制成本。同步构建基于多维协同的供应链优化模式和基于协同共享的区块链、物联网体系，实现企业创新设计、先进制造、精益管理，为疫情环境下异地协同研制、数字化协同办公提供有力支撑，为基于MBE 和MBSE 的智慧型企业形成及固体动力系统科研数字化管控提供有力借鉴。▲