陶 劍

TAO Jian

（金航數(shù)碼科技有限責任公司，北京 100028）

0 引言

長期以來美、德等工業(yè)發(fā)達國家的制造業(yè)以信息技術創(chuàng)新應用為核心，運用系統(tǒng)工程方法論，采用基于模型的設計、制造、服務和管理等先進技術，以構建基于模型的企業(yè)為目標，不斷地促進開發(fā)模式轉(zhuǎn)型和企業(yè)架構重構，持續(xù)地提升復雜裝備產(chǎn)品的協(xié)同開發(fā)能力。隨著新一輪工業(yè)革命的到來，中航工業(yè)以德國工業(yè)4.0等為標桿，導入賽博-物理系統(tǒng)（Cyber-physical System，CPS）技術。引發(fā)虛擬產(chǎn)品生命周期與現(xiàn)實生產(chǎn)生命周期的集成，以及自優(yōu)化、自重構、自診斷和對人的認知和智能支持等思想融合到航空制造企業(yè)的架構開發(fā)中，為構建信息技術和制造技術深度融合、支持高度柔性生產(chǎn)方式的智能制造企業(yè)提供示范指導。

圖1 航空制造企業(yè)總體架構

1 航空制造企業(yè)的總體架構

基于模型的航空制造企業(yè)是一種實體，如圖1所示，它以CPS為基礎，利用過程、產(chǎn)品和信息模型來定義、執(zhí)行、控制和管理企業(yè)的全部業(yè)務；采用建模與仿真手段對需求、設計、制造、試驗、生產(chǎn)、服務的全部技術和業(yè)務流程進行徹底的改進、無縫的集成以及戰(zhàn)略的管理；使用科學的模擬與分析工具，對研發(fā)全生命周期的每一步工作進行綜合驗證和確認，以做出最佳決策；從根本上減少產(chǎn)品創(chuàng)新、開發(fā)、制造和支持的時間和成本。

1.1 系統(tǒng)工程中的架構方法

信息、網(wǎng)絡、自動化和嵌入式技術應用比例的不斷擴大，使得航空產(chǎn)品研制活動從單純組裝型向系統(tǒng)集成型轉(zhuǎn)變，并且產(chǎn)品不再由單一企業(yè)完成，而是依靠多個企業(yè)或企業(yè)聯(lián)盟共同實現(xiàn)。因此，航空產(chǎn)品研制不可避免地成為了系統(tǒng)工程，具有統(tǒng)一的系統(tǒng)概念也成為對現(xiàn)代航空制造企業(yè)最基本的要求。架構作為解決系統(tǒng)復雜性的通用方法，針對圍繞信息技術應用而構建的包含戰(zhàn)略、業(yè)務、信息技術等多元要素于一體的復雜企業(yè)/系統(tǒng)，必須使用架構的方法對其整體結構和相互關系，以及這些關系之間的變化規(guī)則進行多層面、多角度的構建和描述，以指導信息技術在復雜企業(yè)/系統(tǒng)內(nèi)的實施，確保與企業(yè)業(yè)務戰(zhàn)略的一致。西門子公司在其工業(yè)4.0的戰(zhàn)略中，就是在統(tǒng)一業(yè)務流程、統(tǒng)一工業(yè)軟件和工業(yè)自動化的專業(yè)知識與技術的基礎上，利用網(wǎng)絡以及相關軟硬件設備工具，為產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)過程提供一個基于CPS的、高度柔性化、自動化和智能化的全球統(tǒng)一的數(shù)字化企業(yè)（工廠）架構。

1.2 架構開發(fā)中的模型技術

架構就是應用有效的開發(fā)方法，將企業(yè)戰(zhàn)略愿景和目標逐步落實為具體的行動與解決方案，形成業(yè)務能力，其中模型及其建模技術是復雜系統(tǒng)架構開發(fā)的重要手段?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程（Model Based System Engineering，MBSE）能提供在產(chǎn)品/系統(tǒng)開發(fā)的全生命周期不同階段支持系統(tǒng)需求分析、功能分析、架構設計、產(chǎn)品驗證和綜合確認所需的模型和建模手段，以便確定系統(tǒng)需求、功能、表現(xiàn)和結構等要素之間的相關性。因此，在架構的開發(fā)過程中，需要應用MBSE逐步細化描繪出企業(yè)/系統(tǒng)的各個主要業(yè)務過程（需求工程、設計工程、制造工程、生產(chǎn)工程及IT在內(nèi)的諸多相關要素），并將收集到的過程、產(chǎn)品和信息等模型轉(zhuǎn)變?yōu)橄乱徊介_發(fā)的基礎，以便構建更詳細的子系統(tǒng)或組件模型，上述模型及其相互間的關系對于架構開發(fā)（業(yè)務架構-IT架構-技術架構）過程的確認、驗證和跟蹤都具有非常重要的作用。

2 基于過程模型的業(yè)務架構

現(xiàn)代企業(yè)的核心價值鏈是業(yè)務過程，業(yè)務架構作為首先開展的架構活動，它以實現(xiàn)航空制造企業(yè)的業(yè)務戰(zhàn)略為目標，提供開展其他領域（應用、數(shù)據(jù)和技術）架構工作所必須的知識，形成貫徹企業(yè)戰(zhàn)略的業(yè)務運作模式，其中過程模型是企業(yè)/系統(tǒng)中執(zhí)行任何過程的相關資源、信息、工具等要素的描述者和協(xié)調(diào)者。

2.1 工程領域的過程模型

航空產(chǎn)品的研制是應用于全生命周期的跨學科的復雜系統(tǒng)工程，特別強調(diào)通過工程實踐總結提煉過程模型，即通過對研制各個階段的活動詳細分析來描述環(huán)環(huán)相扣的業(yè)務過程，并得到涉及的技術方法、系統(tǒng)工具和工程經(jīng)驗。航空航天領域通常采用圖2的“V”字模型來描述企業(yè)的業(yè)務過程，其中第1個V字模型代表傳統(tǒng)的業(yè)務過程，即先進行數(shù)字化虛擬設計，然后生產(chǎn)制造實際產(chǎn)品，最后開展物理試驗進行驗證的過程。第2個V字模型代表數(shù)字化的業(yè)務過程，即所有業(yè)務過程（需求工程、設計工程、制造工程，試驗工程、綜合確認）均在數(shù)字化虛擬環(huán)境下完成，確保投入實際生產(chǎn)后一次成功，該模型代表的就是西門子實施工業(yè)4.0所采用的先進的數(shù)字化和虛擬化的產(chǎn)品研制過程。由于基于IT應用的各類知識——經(jīng)驗、規(guī)則、模型、標準和方法等需要長期的積累和集成，所以中航工業(yè)的數(shù)字化的試驗工程和綜合確認目前尚處于起步階段。

圖2 “V”字過程模型

2.2 管理領域的過程模型

過程模型另一個重點是管理領域，管理過程模型就是以實現(xiàn)管理的敏捷化、精細化和精益化為目標，通過業(yè)務過程的顯性化、結構化和標準化，達到對企業(yè)管理業(yè)務過程的建模、仿真、評估以及后續(xù)應用過程的執(zhí)行、監(jiān)控、交互和控制。并通過建模理解企業(yè)/系統(tǒng)的行為，通過仿真研究和預測企業(yè)系統(tǒng)的未來動態(tài)，為最終建造一種全新的企業(yè)管理方法和模式提供依據(jù)。為此，以西門子實施工業(yè)4.0中產(chǎn)品生命周期與生產(chǎn)生命周期的無縫集成為目標，將信息化與管理提升和企業(yè)再造緊密結合，一方面要運用需求、項目、構型及數(shù)據(jù)的管理思想，實現(xiàn)虛擬的產(chǎn)品生命周期業(yè)務過程中的工程需求、數(shù)據(jù)結構、配置功能和邏輯關系的全面管控。另一方面運用CPS及服務的管理理念，將現(xiàn)實的生產(chǎn)生命周期過程中獨立的產(chǎn)品、工具與關聯(lián)的服務相互連接，構成一個有機整體實現(xiàn)從原料進廠到產(chǎn)品出廠的生產(chǎn)過程自動化、裝備制造信息化和智能化、生產(chǎn)過程的透明化。

3 基于產(chǎn)品模型的IT架構

為了實現(xiàn)企業(yè)的戰(zhàn)略目標和業(yè)務架構，需要在過程模型的基礎上進行IT（數(shù)據(jù)和應用）架構開發(fā)，它將企業(yè)的業(yè)務實體抽象為信息對象-產(chǎn)品模型，進一步開展業(yè)務過程與系統(tǒng)/系統(tǒng)功能分析，明確系統(tǒng)間的信息交互關系，提升整個企業(yè)之間共享信息和服務的能力，實現(xiàn)從業(yè)務模式向信息模型的轉(zhuǎn)變。在這個階段不涉及具體的應用系統(tǒng)和技術，而是描述管理數(shù)據(jù)對象和支持業(yè)務功能的邏輯能力。

3.1 產(chǎn)品模型的形成

產(chǎn)品模型是研制信息的載體和數(shù)據(jù)架構的可視化展示，它是隨著對應用架構（系統(tǒng)功能及接口等）的細化分析而不斷被豐富和延拓，在需求工程中，通過用例、功能、時序、狀態(tài)、架構和接口等模型全面反映產(chǎn)品需求的屬性信息（性能、物理結構、功能結構、質(zhì)量和可靠性等），確保不同角色的工程設計人員能快速準確理解、識別、定義、分析、確認、分配需求。然后依據(jù)確認的需求指標開展產(chǎn)品研制，建立產(chǎn)品的邏輯、幾何、功能、性能和關聯(lián)等模型，實現(xiàn)基于模型的數(shù)字化產(chǎn)品定義與關聯(lián)設計，在虛擬的數(shù)字世界中完成多學科優(yōu)化、協(xié)同設計、優(yōu)化分析、試驗仿真、制造仿真以及模擬產(chǎn)品的制造和運營過程。產(chǎn)品模型的形成，是航空制造企業(yè)推進網(wǎng)絡化、數(shù)字化、信息化、自動化、智能化等技術在產(chǎn)品全生命周期、企業(yè)全業(yè)務流程和產(chǎn)業(yè)全價值鏈的應用，提升研制數(shù)據(jù)跨地域/企業(yè)/系統(tǒng)的共享和傳遞能力，實現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬、并行、協(xié)同的網(wǎng)絡化研制的必然結果。

3.2 產(chǎn)品模型的應用

數(shù)字化、網(wǎng)絡化協(xié)同研制模式下，產(chǎn)品模型主要是按照業(yè)務架構的要求，完成應用架構所規(guī)定的功能，具體分為三種情況。首先，在單一數(shù)據(jù)源的管理思想下，以工程產(chǎn)品模型為基礎，依次延拓出裝配產(chǎn)品模型、檢測產(chǎn)品模型、制造產(chǎn)品模型等數(shù)據(jù)，最終進入實際生產(chǎn)。也可利用設計的工程產(chǎn)品模型直接進行生產(chǎn)，如增材制造等。其次，利用虛擬仿真技術，以各類產(chǎn)品模型（功能、性能）為基礎，實現(xiàn)數(shù)字化虛擬試驗替代傳統(tǒng)的物理試驗，即依托試驗工具、系統(tǒng)及模型（知識）庫，完成產(chǎn)品功能性能驗證、極限工況試驗、故障模擬分析、工廠和生產(chǎn)線布局等活動，確保實際生產(chǎn)的順利進行。最后，經(jīng)過仿真驗證的工程、裝配、檢測和制造模型結合生產(chǎn)現(xiàn)場的過程控制和自動化系統(tǒng)，通過產(chǎn)品模型實時獲得生產(chǎn)和采購計劃等信息，并由MES統(tǒng)一管理和下達生產(chǎn)計劃和工藝指令，實現(xiàn)對生產(chǎn)計劃調(diào)度、物料追蹤、數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)設備狀態(tài)監(jiān)控、工位操作等生產(chǎn)運營全過程的優(yōu)化整合。

4 基于信息模型的技術架構

技術架構是由IT架構驅(qū)動的、以技術和平臺為核心的，實現(xiàn)IT架構的底層技術基礎結構，涉及數(shù)據(jù)架構、應用架構和基礎設施等方面。如圖3所示，西門子公司在實施工業(yè)4.0時，使用自主的CAD、PLM、MES和全集成自動化（TIA）等軟件搭建CPS，實現(xiàn)解決方案、軟件技術、硬件技術、網(wǎng)絡技術、信息安全、標準體系等IT要素的集成，以支撐企業(yè)應用的運轉(zhuǎn)。

4.1 信息模型的類型

開放的、全球化協(xié)作的航空產(chǎn)品研制模式，需要構建一個高效、安全的統(tǒng)一協(xié)同和管理數(shù)字化環(huán)境，并組建與之相適應的協(xié)調(diào)機制，為各個層次研制業(yè)務活動提供解決方案和所需軟硬件、網(wǎng)絡等的技術支持，以滿足跨地域/多廠所數(shù)字化協(xié)同研制和項目、生產(chǎn)、供應鏈等的數(shù)字化管理業(yè)務的要求。當前，信息模型有同構和異構兩種類型，同構的信息模型是指實現(xiàn)業(yè)務活動功能的工業(yè)軟硬件均由同一代理商提供，特點是易于保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)、業(yè)務過程和研發(fā)企業(yè)之間的集成與協(xié)同，缺點是從應用軟件工具到硬件服務器都由代理商控制，不能按照業(yè)務要求自主可控的開展平臺和環(huán)境的統(tǒng)一管理與建設。異構的信息模型是指實現(xiàn)業(yè)務活動功能的工業(yè)軟硬件由不同的代理商提供，特點是可以根據(jù)業(yè)務活動需求自主可控的選擇合適系統(tǒng)，缺點是易導致存在多種孤立不兼容的應用系統(tǒng)、大量異構平臺、無法轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)格式等，造成信息交換和集成困難。

圖3 西門子公司實施工業(yè)4.0的技術架構（信息模型）

4.2 信息模型的發(fā)展

德國工業(yè)4.0的推出，使得智能制造成為現(xiàn)代先進制造業(yè)新的發(fā)展方向，智能制造的核心是CPS，其原理是將物聯(lián)網(wǎng)及服務引入制造業(yè)，建立起高度智能化的、自適應、自調(diào)整的柔性化的生產(chǎn)方式，從根本上改善工業(yè)過程。為使信息模型能夠支持航空制造業(yè)務的重大變革與高速發(fā)展。需要充分應用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、社會性網(wǎng)絡服務（SNS）等新一代的信息技術，實現(xiàn)更加高效的協(xié)同創(chuàng)新；利用物聯(lián)網(wǎng)提高企業(yè)生產(chǎn)和物流自動化和智能化程度；利用云計算平臺有效解決數(shù)值模擬、虛擬仿真、工業(yè)設計等所需超大規(guī)模的計算能力問題；利用SNS達成與合作伙伴的高效協(xié)同、與客戶的敏捷響應；利用工程中間件提供的統(tǒng)一平臺和標準，既可以使得各工業(yè)軟件廠商兼容并存，又可在工程中間件之上開發(fā)自主業(yè)務系統(tǒng)。

5 結束語

中國航空工業(yè)經(jīng)過多年的探索和發(fā)展，現(xiàn)已形成比較成熟的信息化體系，當前針對企業(yè)創(chuàng)造價值的方式與組織和管理的矛盾越來越突的問題，體現(xiàn)在戰(zhàn)略與執(zhí)行的不一致、組織與業(yè)務相沖突、業(yè)務與IT分離等方面。中航工業(yè)從全局的角度審視與信息化相關的業(yè)務、信息、應用和技術間的相互關系以及這種關系對業(yè)務過程和功能的影響。全面導入架構方法，推動從業(yè)務架構（過程模型）統(tǒng)一規(guī)劃、IT架構（數(shù)據(jù)和應用模型）具體分析、技術架構（信息模型）有效支撐的整體性設計，以滿足未來航空制造業(yè)推動產(chǎn)品研制數(shù)字化和業(yè)務流程管理為核心的協(xié)同業(yè)務模型的變革需求，實現(xiàn)信息化與工業(yè)化的深度融合。

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