高星海

當(dāng)前，驅(qū)動制造業(yè)創(chuàng)新和持續(xù)發(fā)展的動因正在注入新的要素并由此引發(fā)其架構(gòu)的巨大變化，從美國的再工業(yè)化到德國的工業(yè)4.0再到中國制造2025，從中我們可以發(fā)現(xiàn)，制造業(yè)是全球經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展的重要驅(qū)動力，世界各國都意在占領(lǐng)未來制造業(yè)的制高點。

美國提出以“軟”的服務(wù)為主，注重軟件、網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)等對工業(yè)領(lǐng)域服務(wù)方式的顛覆；德國通過價值網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)橫向集成、跨越整個價值鏈的工程端到端數(shù)字化集成、垂直集成和網(wǎng)絡(luò)化的制造系統(tǒng)，來保證德國在傳統(tǒng)制造領(lǐng)域的領(lǐng)先地位；中國提出以信息化和工業(yè)化深度融合為主線，在智能制造、互聯(lián)網(wǎng)+的突破等方面來增強國家工業(yè)競爭力，帶動產(chǎn)業(yè)數(shù)字化水平和智能化水平的提高。

在這個全球大背景下，智能制造體現(xiàn)著從傳統(tǒng)制造向數(shù)字制造轉(zhuǎn)型的創(chuàng)新方向——在保持靈活性的同時，兼顧提升生產(chǎn)效率、縮短上市時間、提高產(chǎn)品質(zhì)量，其中最重要的是實現(xiàn)從企業(yè)管理、產(chǎn)品研發(fā)到制造控制的高度互聯(lián)，其次是在整個價值鏈中集成IT系統(tǒng)的應(yīng)用，第三是涵蓋設(shè)計、生產(chǎn)、物流、市場和銷售的生命周期的自動化控制和管理。

全球制造業(yè)數(shù)字化發(fā)展趨勢

新一輪工業(yè)革命為企業(yè)帶來新應(yīng)用，數(shù)字化技術(shù)貫穿于產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)工程、生產(chǎn)執(zhí)行、客戶服務(wù)等的各個環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)虛擬數(shù)字世界與現(xiàn)實生產(chǎn)世界的準(zhǔn)確映射（圖1）。這個演進過程離不開物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新一代數(shù)字技術(shù)支持，離不開集成先進的數(shù)字工程環(huán)境、生產(chǎn)管理系統(tǒng)和現(xiàn)場自動化技術(shù)，并以此為平臺達到數(shù)字技術(shù)在企業(yè)中的深刻應(yīng)用，以最小的資源消耗獲得最高的生產(chǎn)效率。

從全球視野看，數(shù)字制造技術(shù)的理念正在發(fā)生重大變化。美國國家技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)研究院（NIST）提出從MBD（基于模型的定義）到MBE（基于模型的企業(yè)）的躍升，其要義是，模型驅(qū)動貫穿系統(tǒng)生命周期的各個方面和領(lǐng)域，一次創(chuàng)建并為制造、服務(wù)等所有下游重用。國內(nèi)制造業(yè)中，航空工業(yè)在MBD方面起步較早，當(dāng)時基于模型的定義主要解決設(shè)計和制造的協(xié)同，最典型的應(yīng)用是主機廠所在飛機設(shè)計階段就采用全數(shù)字量表達飛機的幾何特征，同時將數(shù)字樣機傳遞到制造單位，在數(shù)字樣機之上開展工藝設(shè)計、工藝仿真以及部分環(huán)節(jié)自動加工指令的生成?，F(xiàn)在的MBE是把傳統(tǒng)的模型向前端應(yīng)用到需求開發(fā)、功能和邏輯設(shè)計，向后端應(yīng)用到更廣泛的智能制造以及綜合保障等各個環(huán)節(jié)。

從MBD到MBE，數(shù)字化設(shè)計和制造技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用成為制造業(yè)發(fā)展的新趨勢。MBD更關(guān)注產(chǎn)品的幾何信息，包括工藝描述信息、制造屬性信息、管理屬性信息，把三維模型作為生產(chǎn)制造的唯一依據(jù)。未來MBE更關(guān)注MBD數(shù)據(jù)在整個生命周期的充分利用，并從幾何層面上升到系統(tǒng)層面；另一方面在企業(yè)內(nèi)部以及企業(yè)外部供應(yīng)鏈之間建立集成和協(xié)同的環(huán)境，開展基于模型的交換，在數(shù)字空間進行反復(fù)迭代，以減少物理空間的質(zhì)量問題和時間成本問題，目的是提高復(fù)雜大系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量、縮減交付時間、減少工程更改、減少產(chǎn)品缺陷和提高首次交付質(zhì)量。

美國“下一代制造技術(shù)計劃”（NGMTI）將MBE的發(fā)展歷程分為四個階段。第一階段以2D工程圖為中心，設(shè)計制造交換的是二維信息；第二階段以3D模型為中心，開展三維實體建模，并驗證整個結(jié)構(gòu)的幾何交互關(guān)系，包括運動學(xué)仿真、有限元仿真、基于模型的制造等；第三階段是基于模型的定義（MBD），側(cè)重于在三維模型中全方位地表達設(shè)計制造信息；第四個階段是基于模型的企業(yè)（MBE），其3D主控模型不僅包含3D標(biāo)注等幾何信息，還包含更多的模型信息，未來要把三維模型應(yīng)用到企業(yè)和供應(yīng)鏈，基于廣義的MBD進行信息交換。

MBE的內(nèi)涵

MBE逐漸成為先進設(shè)計制造方法的具體體現(xiàn)，也代表數(shù)字化設(shè)計與制造的未來，是建模與仿真方法在設(shè)計、制造、支持等全流程技術(shù)和業(yè)務(wù)的徹底顛覆和創(chuàng)新，其中MBD是核心，基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）和基于模型的持續(xù)保障（MBS）是應(yīng)用和實踐的新方向。利用產(chǎn)品模型和過程模型定義、執(zhí)行、控制、管理企業(yè)的全部業(yè)務(wù)，可實現(xiàn)業(yè)務(wù)之間的無縫集成，并與戰(zhàn)略管理對接。

MBE主要包括基于模型的工程（Model Based Engineering，MBe）、基于模型的制造（Model Based Manufacturing，MBM）和基于模型的持續(xù)保障（Model Based Sustainability，MBS）。MBe將模型技術(shù)作為系統(tǒng)生命周期中需求、分析、設(shè)計、實施和驗證的能力，突破MBD單一的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍，并將MBSE作為重要的完善和發(fā)展方向。MBM從CAD向后推演，使用MBD模型用于虛擬制造環(huán)境中進行工藝規(guī)劃、優(yōu)化和管理，它更強調(diào)的是基于模型的工藝仿真、生產(chǎn)線的仿真、指令的仿真以及指令傳遞到物理設(shè)備之后的控制和數(shù)據(jù)采集。MBS將產(chǎn)品和工藝開發(fā)中的模型和仿真應(yīng)用到系統(tǒng)生命周期的維護階段，持續(xù)關(guān)注系統(tǒng)的整個運行狀態(tài)，把系統(tǒng)運行過程中的質(zhì)量數(shù)據(jù)、維護/維修/故障數(shù)據(jù)采集回饋到模型，在模型中進行比較，評估產(chǎn)品實現(xiàn)和工藝方案，并反饋到產(chǎn)品設(shè)計的改進環(huán)節(jié)，通過MBS來提取設(shè)計優(yōu)化信息。

MBE的演進方向與分級評價

美國國家技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)研究院按路徑選擇以及需要的能力將MBE分為Level 0-Level 6共計7個等級。其中，Level 3的主要功能應(yīng)用為MBD，主要交付物為2D注釋模型和輕量化可視化數(shù)據(jù)；Level 4的主要功能應(yīng)用是MBD和數(shù)據(jù)管理，主要交付物為通過PLM管理3D注釋模型和輕量化可視化數(shù)據(jù)；Level 5可在三維環(huán)境下定義、自動生成技術(shù)數(shù)據(jù)包（TDP），包括制造需要的和綜合保障需要的信息；Level 6的主要功能應(yīng)用是MBD生成TDP和基于需求的企業(yè)數(shù)據(jù)訪問，主要交付物為通過WEB訪問的數(shù)字化產(chǎn)品定義和技術(shù)數(shù)據(jù)包的交換機制。

該分級也可用來指導(dǎo)我們的未來發(fā)展路徑。目前國內(nèi)有些單位還是以二維圖紙為中心；部分單位雖用到源CAD模型，但在使用過程中依然派生出二維圖紙?zhí)峁┙o使用；大部門航空企業(yè)可達到MBD和數(shù)據(jù)管理、通過PLM管理3D注釋模型和輕量化可視化數(shù)據(jù)的狀態(tài)。所以未來我們還有大量的工作要做。endprint