数字化工程环境下复杂产品技术状态管理架构优化

任璐英, 王庆国, 张海峰, 丁 洁, 徐卫卫, 臧雪静

(北京航天情报与信息研究所, 北京 100854)

0 引 言

数字化设计及制造是以数字信息的生成、修改、传输、使用、分析和储存为基础,以数字样机为核心,大量应用数字化建模、仿真与优化等信息技术、先进数字化制造技术,通过对数据源进行管理,实现以生产制造过程数字为核心的现代设计研制模式[1]。数字化环境则是为实现上述研制模式,将研制中管理模式、研发流程、平台工具以及技术规范等进行数字化形成的研制环境[2]。

20世纪90年代,复杂产品系统(complex product and system,CoPS)这一概念首次由英国的研究机构提出。复杂产品一般是指系统组成复杂、研发过程复杂、管理复杂,具有极限功能、高精度和高效率的一类产品,如航空飞机、航天器、舰船和武器系统等[3]。航天武器装备复杂产品通常涉及材料、机械、气动、控制、电子、液压、软件等多个学科领域,不同学科领域为分系统。不同分系统由多个子系统组合形成,而每个子系统则又由成千上万个零部件构成[4]。

目前,随着航天产品研制复杂化、多元化与系列化的要求日益提升,数字化设计与制造技术已经在复杂航天产品的研制中得到应用[5]。尽管拥有计算机管理系统(如数据管理系统、制造执行系统、产品数据管理系统)的管控与协助,工艺负责人及质量管理、审核等相关责任人在复杂产品的图纸设计、模型构建以及尺寸检测等之间的比对和维护中,效率极低且容易出错。这种技术状态管理的技术手段已不能全面地满足航天复杂产品的管理需要,迫切需要建立一种全新的质量管理控制模式,即开展技术状态数字化管理技术研究,解决传统的管理方式存在的工程难题(如:难以实现有效的流程控制;数据源不唯一;数据实时性差等),最终实现航天复杂产品质量管理的科学化、规范化和可视化。

为解决复杂产品在实际操作研制中技术状态标识、审核、更改等方面存在的差异性管理要求及实施的局限性问题,国内外学者做了大量研究。陈明辉等[6]根据工程实际车辆研制特点,从总要求、策划、标识、控制、审核、纪实和报告6个方面对产品技术状态管理方法进行了总结和提炼,以期为产品研制技术状态管理提供实操参考和指导。宋铭涛[7]为解决数字化车间的低效率等问题,对数字化车间监控技术进行了系统研究,构建了针对数字化车间设备状态的分布式监控系统的基础框架,阐述了系统框架实现过程中所使用的相关关键技术。

数字化工程环境下的技术状态管理是对产品全周期、全流程状态下的质量监控与管理,属于产品管理的一种创新,是对产品管理理念的一种变革,实现了对产品全流程的实时动态数字化监控[8-9]。陈明辉等[10]提出了数字化设计技术状态管理的解决思路和基于成熟度的数据控制方法。陈畅宇等[11]首先利用数字样机完成对生产数据的集成,并形成一种管理框架,同时根据研制工艺方法,完成产品工艺总装技术状态的管理与控制,以期达到对产品总装技术状态精准管控的目的。将采用数字样机得到的工艺总装技术状态与物理状态进行对比,得到的技术状态视图方法可以将产品总装工艺设计与实施相结合。秦剑等[2]以复杂装备为研究对象,形成了数字化研制环境下的质量管控模式。李晓曦等[12]通过总结技术状态更改管理应用实践经验,在数字化环境下建立了一套完整规范的新型技术状态更改管理体系。

本文首先介绍了目前航天复杂产品技术状态管理的特点与发展研究现状,其次基于数字化环境,提出了针对航天复杂产品的技术状态管理方式,最后在数字化环境下构建了对航天复杂产品技术状态管理的应用模型,实现了对复杂产品全生命周期的技术状态设置与管理以及技术状态数据的准确管控。

1 复杂产品技术状态管理现状与特点

随着航天产品科技含量的提高,其系统演变得愈加复杂,这也对航天产品的技术质量水平提出了更高要求,技术状态管理工作也显得相当重要[13]。通过实施高效的技术状态管理措施,可以做到批量化生产的航天产品“文物相符,一一对应”,进而确保产品的技术状态、工艺状态、质量状态等过程可控、可追溯,提高复杂产品的质量稳定性,满足用户的使用要求[14]。

1.1 复杂产品技术状态定义

技术状态是指在文件中规定的并且在产品中达到的功能特性和物理特性的总称。其中,产品的功能特性一般是指产品的使用条件、指标要求、使用性能以及保障维护要求等,如飞行器的航程、速度特性、加速度特性、飞行时间、飞行高度、可靠性等;而产品的物理特性则是指产品的实体特性,如飞行器的结构组成、结构强度、结构特征、线性尺寸、形位公差、重量等[15]。

技术状态管理是指在产品寿命周期内,为确立和维护产品的功能和物理特性与产品需求、技术状态文件规定保持一致的管理活动[16],适用于某一产品或系统从研制到生产,以及生产后产品维保的整个生命周期,最终形成了一套对某一产品的基线设定以及标识和更改进行规范化管理的综合系统,其整体流程如图1所示。

图1 技术状态管理流程图

技术状态主要包括4个项目,即技术状态标识项目、技术状态纪实项目、技术状态控制项目以及技术状态审核项目。

(1) 技术状态标识项目,首先是确定技术状态项目及其对应的技术状态文件;其次,对技术状态项及对应技术状态文件进行标识,对技术状态文件进行发放并保持技术状态文件,最终建立技术状态基线。

(2) 技术状态纪实项目,是在产品寿命周期中,通过记录、报告等活动对产品技术状态进行说明。

(3) 技术状态控制项目,是在建立技术状态基线之后,对技术状态提出的更改、偏离许可及让步等申请进行描述、检查、协调、论证、评定、审批和实施等。

(4) 技术状态审核项目,是通过正式检查对技术状态项目及其对应技术状态文件的一致性进行确认[17-18]。

这些技术状态项目之间的关系如图2所示。

图2 技术状态项目之间的关系图

技术状态管理就是在CoPS或技术状态项目等研制过程的不同阶段,分别编制出能够全面反映某一特定时刻确定的技术状态文件,建立技术状态基线,对这些基线的更改进行有效控制,使全部更改具有可追溯性,从而使得CoPS或技术状态项目在任何阶段使用技术文件的正确性得到保障[19-21]。所谓技术状态基线,就是能够对产品在研制阶段某一特定时刻的产品技术状态进行规定的技术文件,可为后续研制活动提供参照的基准[22]。在产品研制过程中,一般可以设立3条技术状态基线:① 功能基线,即论证阶段结束后,所形成的与产品研制任务书或技术协议书要求内容相一致的技术状态基线;② 分配基线,是总体方案评审通过后,所形成的与分系统任务书要求内容相一致的技术状态基线;③ 生产基线,也称产品基线,是产品经设计确认、鉴定、定型后所确定的技术状态。

1.2 复杂产品技术状态管理架构现状

目前,在实施复杂产品技术状态管理的过程中,已经由基于图纸的技术状态管理模式逐步转变为基于零件或模块的技术状态管理模式。通过建立产品阶段结构管理体系,形成产品各阶段和技术状态项目之间的内在联系,通过数据管理系统同时实现产品的技术状态管理和控制[23],其技术状态阶段管理流程如图3所示。

图3 复杂产品技术状态管理阶段流程图

国内研究人员针对传统技术状态管理体系架构开展了相关研究。郭鑫等[24]依据技术状态管理体系的相关标准的要求,构建了核电厂设计阶段完整的技术状态管理体系架构,通过技术状态过程管理保证了输出满足输入的要求,如图4所示。

图4 技术状态管理体系架构

孙维有[25]针对轨道交通车辆产品结构和全生命周期过程,提出技术状态管理体系架构。这套系统涵盖了技术状态标识管理、控制与纪实管理、工程变更管理、批次管理与序列号管理、车辆软件版本管理以及技术匹配管理。丁华等[26]鉴于机载设备的技术特点,提出机载设备技术状态管理架构,创建了单个机载设备全寿命周期内的技术状态管理模型,从而对机载设备的技术状态信息进行了有效控制。

随着协同设计、虚拟样机试验和数字化制造一体化等技术在型号中的广泛应用,目前传统技术状态管理体系已经无法满足全过程系统管理的需求,存在以下几点问题:① 数字化设计方法的大量使用造成在制品状态差异化显著提升,缺乏保证数据频繁交互使用需求的技术状态控制方法,产品状态控制难度大;② 缺乏顶层规划,技术状态纪实阶段信息与系统相互独立,获得整个产品技术状态信息需要进行跨系统操作,且数据的准确性与完整性难以保证,交互效果差; ③ 数字化生产模式向图样模型化、工艺程序化、产品复杂化转变,从研发设计到技术工艺再到质量检测等技术状态文件的数量与种类较多,并且在各个管控流程中存在关联与交叉,现有生产技术状态管理方法不协调,难以进行系统管理[27-28]。

2 数字化环境下复杂产品技术状态管理体系的构建

由于复杂产品技术状态信息十分复杂,难以采用单一的方法和手段对其技术状态进行有效管理,必须根据数字化环境下复杂产品的特点,建立系统级的技术状态管理解决方案,满足数字化环境下边设计、边验证的快速设计验证修改的设计需求,实现协同设计、虚拟样机实验和数字化制造一体化。

2.1 数字化环境复杂产品管理体系的构成

数字化环境下复杂产品的管理主要涵盖5个方面的内容:数字化环境中质量管理模式、集成化质量管理信息化平台、集成化质量管理工具包、数字化研制流程以及数字化质量管理标准体系。其中,数字化研制流程不同于传统研制模式,全面采用了数字化模型进行产品设计和研制,并覆盖了整个研发过程。如图5所示,数字化研制流程首先对产品需求进行分析,梳理状态、规范和标准,建立需求模型,分解总体设计要求,确定关键指标与特性,最终形成需求方案。随后,进入数字化设计阶段以及数字化制造阶段。数字化设计阶段包含初步设计和详细设计,而数字化制造阶段则包括工艺设计和生产制造。在不同阶段开展并行设计,反复进行迭代修改,直至最终完成定型设计。由此可见,全流程的模型化设计和数据传递是数字化研制的关键。借助多学科系统设计仿真平台,利用计算机辅助设计和仿真技术,可以通过建立各类模型与模拟仿真进行快速设计验证和迭代,完成设计方案的快速优化以及初期虚拟验证,实现合理配置资源、多学科协同设计。另外,在各个阶段进行数据统一管理,包括配置管理、版本管理、物料清单管理、文档管理以及过程管理等,整个协同设计过程形成以多领域模型为核心的“唯一数据源”,不仅有利于不同部门人员之间的知识资源共享,还可以加快信息传递和状态变更分析过程,形成贯穿全生命周期的知识图谱。

图5 数字化环境下复杂产品研制流程图

如图6所示,数字化环境下质量管理体系架构主要分为业务作业层、控制管理层、计划决策层以及软、硬件环境。业务作业层、控制管理层以及计划决策层联系在一起,即形成应用系统。

图6 数字化环境下复杂产品质量管理系统图

其中,业务作业层包括了复杂产品整个生命周期中的设计制造过程,包括来自设计总部提出的需求分析,数字化环境下的设计与工艺,基于数字化设计与工艺完成的数字化生产制造。以CAD、Ansys、Matlab、ABAQUS等设计仿真软件、通用规范标准文件、试验过程中获取的相关数据等软件环境,以及生产制造采用的加工设备、质量检测设备等硬件环境作为支持,可实现数字化环境下复杂产品流程管理中质量信息的有效控制。控制管理层是复杂产品质量管理系统中的核心关键要素,是对复杂产品数字化与集成化的质量与信息数据的管理。计划决策层在复杂产品质量管理系统搜集产品生产研制过程的数据与信息的基础上,采用数据处理器与信息化软件系统对数据进行分析与统计,根据分析结论评价整个管理系统运行的质量。

采用数字化复杂产品质量信息化管控模式,就是以数字化标准管理和集成化质量管理为基准,以硬件、软件支撑环境层作为支撑,依照复杂产品的研制流程,借助质量管理平台化工具对复杂航天产品进行全生命周期的数字化质量管控,以确保集成的数字化质量管理系统的实施和运行。

2.2 数字化环境中复杂产品技术状态管理体系架构的构建

开展产品全生命周期的数字化质量管控,是在数字工程环境下对复杂产品技术状态进行管理,是以数字化质量管理系统为基础,按照产品数字化研制流程,通过复杂产品全周期过程数据的数字化自动采集,辅助于集成的质量管理工具平台,实现分阶段技术状态数字化、模块化的管理,形成基于数据可视化的分析、决策和改进的管理方式。数字化环境下的技术状态管理可以分为以下几个阶段:首先,根据需求分析进行策划,按照产品实现流程进行数字化设计、数字化生产,将各阶段任务流程进行分解并进行技术状态确定和标识;其次,对各阶段任务流程进行进一步细化,针对具体执行过程,通过数字化技术状态控制获取相关节点数据;然后,利用可视化技术和主动监控与跟踪技术完成数据的实时收集和监测;最后,通过对复杂产品整个阶段的技术状态数据进行分析决策,实现复杂产品全寿命周期的数字化技术状态管理的目的[29]。

因此,以《GJB 3206A—2010技术状态管理》为基础,针对数字化环境下复杂产品的特点,对现有的技术状态管理架构进行优化,并针对复杂产品不同阶段的数字化产品技术状态管理差异化需求,从数字化设计与数字化生产两方面进行专项技术的应用,将综合技术和专项技术相关规范构成管理的通用规范,最终形成覆盖全生命周期的数字化的复杂产品技术状态管理的体系框架,如图7所示。

图7 数字化复杂产品技术状态管理架构

2.3 数字化环境下复杂产品技术状态管理的实施应用

在数字化环境下,复杂产品的技术状态管理体系及架构平台的实施应用以国军标、航标等相关标准为前提,将产品在研制生产过程中的数据及相关信息与生产管理进行融合,同时与信息化系统相连接,完成复杂产品整个生命周期的数据采集与控制。

其中,技术状态标识的对象主要是复杂产品的名称、版本、阶段等信息,主要目的是使复杂产品的数据标识具有唯一性。将产品代号、图样号以及产品名称相结合进行对象命名工作,接着利用“产品代号+图样号+图号”进行对象标识。版本标识主要由“版本标识+版次标识”组成。阶段标识主要包括论证阶段、方案阶段、研制阶段、设计定型阶段及生产定型阶段。产品数据标识则是将对象标识、阶段标识及版本标识相叠加进行标识。当产品数据通过评审并建立相关基线,需要通过基线方式进行传递,即作为研制的正式依据。

对技术状态基线应实施有效控制。首先,采用组织技术评审的方式进行技术状态基线确定;产品涉及相关数据、状态基线设立以及基线所具备功能应分别进行组织并通过相关审查、审批以及审核流程;其次,产品各个阶段的相关数据要与该阶段基线所对应的技术状态文件相一致,不同阶段各基线之间应通过对应的技术状态文件实现相互协调、统一;在保证技术状态得到有效控制的前提下,可对技术状态基线进行修订;最后,为提高效率、便于管理,不同单位应根据所承担产品的特点和本单位实际情况,对基本技术状态基线进行有效转换,建立满足本单位使用要求的基线。

对技术状态更改要做到有效控制,要以审查论证充分、试验验证完整为主要原则。针对已在PDM系统中公布的产品数据,需通过授权流程获得修订权限后才可进行修订工作。针对产品模型数据发生更改的情形,必须以零件实体模型作为唯一数据源。针对不同层级之间产品技术状态更改的情形,需自下而上进行协调。针对发生技术状态更改的情形,应保证所有涉及的不同介质文件或文档同时进行修改,并对过程和结果进行审核确认。

3 结束语

针对复杂产品的技术状态管理体系架构的特点与研究现状,提出了基于数字化环境下复杂产品的技术状态管理方式,以《GJB 3206A 2010技术状态管理》为基础,并结合复杂产品数字化研制特点,构建了数字化环境下复杂产品管理流程图及数字化复杂产品技术状态管理架构,并对技术状态管理中的分项目实施路径进行了详细说明,为数字化工程环境下复杂产品技术状态管理的进一步发展与优化提供了思路与参考。后期将继续深化数字化环境下复杂产品技术状态管理在产品设计改进数据反馈以及反馈模型构建等方面的研究工作。