（航空工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，成都 610092）

現(xiàn)代大型飛機機載系統(tǒng)是典型的復雜系統(tǒng)，通常包括了大量來自不同飛機系統(tǒng)的裝機設(shè)備、管路、線束[1]。與飛機結(jié)構(gòu)的復雜性不同，飛機系統(tǒng)的復雜性不僅來自于大量的裝機件及其多樣的連接方式，更來自于飛機系統(tǒng)間的功能性依賴關(guān)系。飛機多個系統(tǒng)協(xié)同工作來實現(xiàn)一項功能，比如系統(tǒng)間的熱交換、機電系統(tǒng)集成控制、航電信息處理等。對于新一代飛機，由于整機系統(tǒng)集成度高，只有在所有關(guān)聯(lián)的機載系統(tǒng)一起協(xié)同正常工作時，飛機的整機設(shè)計要求才能實現(xiàn)[2]。在本文所研究的范圍中，復雜性限定于飛機系統(tǒng)的復雜性。

飛機總裝生產(chǎn)線設(shè)計是產(chǎn)品工業(yè)化過程的一個重要階段。飛機裝配的工藝流程作為橋梁，連接了設(shè)計與制造，也將生產(chǎn)資源與安裝試驗工序進行了集成。因此，總裝工藝流程有兩項重要角色：第一，集成設(shè)計需求、指標的要求來滿足飛機復雜系統(tǒng)功能的實現(xiàn)；第二，集成生產(chǎn)制造活動的需求來實現(xiàn)裝配線平衡[3]。對于新一代飛機而言，在早期工藝設(shè)計階段，首要的任務是充分理解飛機系統(tǒng)設(shè)計的復雜性，即系統(tǒng)的功能、各系統(tǒng)間的主要依賴關(guān)系和交聯(lián)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上將產(chǎn)品設(shè)計信息轉(zhuǎn)化為總裝生產(chǎn)工序流程。裝配線平衡設(shè)計、生產(chǎn)能力預測，以及基于工藝流程的建模、仿真驗證等工作，需要在得到初步工藝流程結(jié)果后，在工藝流程設(shè)計的后期才能充分開展。

目前總裝工藝流程設(shè)計主要基于技術(shù)人員對飛機系統(tǒng)設(shè)計的個人理解，以及類似研制項目上的工藝流程設(shè)計經(jīng)驗。技術(shù)人員對于產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)計在飛機功能實現(xiàn)過程中的對接關(guān)系不清晰，這主要體現(xiàn)在飛機系統(tǒng)的功能、邏輯在飛機總裝集成過程中分解落地、逐步實現(xiàn)的過程不清晰，可能存在功能檢查項目在總裝及其后續(xù)試飛驗證中出現(xiàn)重復、遺漏。上述基于經(jīng)驗的總裝工藝流程設(shè)計方法，對于產(chǎn)品功能實現(xiàn)的機理不清楚，存在較大的產(chǎn)品研制風險。比如，在總裝過程中出現(xiàn)某項零件、設(shè)備缺件；某項設(shè)備更換后，哪些功能性的檢查試驗需要重新進行，與所拆卸更換的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)功能是否受到了影響，是否需要重新試驗驗證。對于這樣的復雜系統(tǒng)的問題，本文嘗試使用系統(tǒng)工程的方法、工具，以統(tǒng)一模型架構(gòu)的方式來解決上述問題，實現(xiàn)基于模型的總裝工藝流程設(shè)計。

飛機系統(tǒng)與總裝工藝流程設(shè)計

1 飛機系統(tǒng)在總裝集成過程中的特點

飛機復雜系統(tǒng)一般可以用裝配樹來表達其多層結(jié)構(gòu)，典型的層級結(jié)構(gòu)可以劃分為整機、分系統(tǒng)、子系統(tǒng)、部件。以系統(tǒng)工程的觀點，飛機結(jié)構(gòu)也可以作為飛機的頂層分系統(tǒng)。新一代飛機典型的產(chǎn)品樹狀結(jié)構(gòu)劃分為：飛機結(jié)構(gòu)、飛機系統(tǒng)、任務系統(tǒng)[4]。一般來說，系統(tǒng)的集成特性主要可以分為物理性的集成和功能性的集成。對于上述飛機分系統(tǒng)，其集成特性如表1所示[5]。

由表1可見，物理性集成特性是飛機系統(tǒng)裝配中主要考慮的特性。飛機結(jié)構(gòu)大部件、系統(tǒng)設(shè)備、零件都是通過物理連接安裝、配合、緊固在一起。而功能性集成通常指飛機不同的動力能源、飛機系統(tǒng)間的信息流、控制流。值得注意的是，飛機系統(tǒng)同時表現(xiàn)出了很強的物理性集成和功能性集成特性。這是由于飛機系統(tǒng)或者飛機基礎(chǔ)平臺的主要功能對其他系統(tǒng)、飛機結(jié)構(gòu)間有很強的物理依賴關(guān)系。比如，飛機燃油系統(tǒng)的油液貯存功能的實現(xiàn)強烈依賴于飛機油箱結(jié)構(gòu)的裝配，飛機起落架裝置的功能、布置也與飛機結(jié)構(gòu)外形與液壓氣動系統(tǒng)的安裝密不可分。從系統(tǒng)集成過程的角度看，物理性集成和功能性集成是互相依賴的，都有特定的集成過程順序必須遵循，否則產(chǎn)品設(shè)計的功能就無法實現(xiàn)或者無法得到正確的驗證。

表1 飛機分系統(tǒng)集成特性對比Table 1 Comparisons of major aircraft systems characteristics

工藝流程是流程建模仿真驗證的基礎(chǔ)，目前飛機總裝工藝流程仿真的輸入基本采用了傳統(tǒng)的 “先結(jié)構(gòu)再系統(tǒng)”的飛機總裝工藝流程。一些研究將飛機結(jié)構(gòu)大部件過程對合作為飛機裝配線的主要流程[6-7]。僅有極少數(shù)研究注意到裝配線上的系統(tǒng)安裝試驗工作。然而，這些研究仍然沒有清楚地解釋飛機系統(tǒng)在總裝集成過程中的約束和聯(lián)系，僅將系統(tǒng)裝配工作當作是獨立的、附加的工作內(nèi)容[8-9]。實際上，“先結(jié)構(gòu)后系統(tǒng)”的順序反映的僅是一些項目的頂層工藝流程特點，在空客公司等航空企業(yè)的裝配流程中，存在大量的Preequipping 系統(tǒng)預裝配工作。資料顯示，空客A320 飛機的工藝流程中，系統(tǒng)安裝、試驗、結(jié)構(gòu)裝配的流程間存在著高度的依賴關(guān)系[10-12]。

2 裝配順序約束

裝配工藝流程設(shè)計中將決定裝配任務順序的工程活動稱作裝配順序規(guī)劃（Assembly Sequence Planning，ASP）。裝配順序規(guī)劃中存在兩種約束類型：絕對約束和優(yōu)化約束。絕對約束指的是一旦違背該約束條件，裝配順序就無法實現(xiàn)。優(yōu)化約束指即使違背該約束條件，裝配順序仍然可以實現(xiàn)，但可能造成工作效率降低。絕對約束決定裝配線流程中的關(guān)鍵路徑、里程碑節(jié)點，而優(yōu)化約束更多的是應用于工序優(yōu)化平衡[13-15]。在目前應用ASP開展的相關(guān)研究中，大部分絕對約束是基于物理連接約束，并在此基礎(chǔ)上開展裝配順序獲取算法研究，比如“Liaisondiagram”、“AND/OR graph”、裝配分解法等。這些方法由于依賴于產(chǎn)品物理連接關(guān)系，并不適用于機電一體化高度融合、系統(tǒng)功能高度耦合的產(chǎn)品，也不適用于以飛機系統(tǒng)功能集成驗證順序為主要關(guān)注點的飛機總裝安裝與試驗。

3 基于系統(tǒng)工程模型的總裝工藝流程設(shè)計方法

2015年，李思寧等[16]基于系統(tǒng)工程驗證與評估（Verification & Validation，V & V）的方法，構(gòu)建了飛機總裝數(shù)字化工藝設(shè)計的頂層模型。該模型以工藝設(shè)計端主要業(yè)務活動作為生命周期，在驗證與評估過程中集成了主要的工藝設(shè)計、流程仿真、裝配仿真活動，解決了得到產(chǎn)品設(shè)計信息后，總裝工藝流程設(shè)計內(nèi)部活動的開展問題（圖1[16]）。

上述模型完成了基于設(shè)計輸入信息的工藝設(shè)計模型的構(gòu)建，但飛機系統(tǒng)設(shè)計、總裝工藝設(shè)計、總裝生產(chǎn)活動間的關(guān)系并未納入該模型中。從系統(tǒng)工程的基本原理分析，總裝與試驗過程中的集成驗證是飛機研制需求、功能、指標驗證的一部分?？傃b工藝流程設(shè)計的本質(zhì)就是要按照“客戶需求-產(chǎn)品功能-控制邏輯-物理產(chǎn)品”的流程逐步進行技術(shù)展開，最終落實到飛機系統(tǒng)安裝與試驗工序中。在引入系統(tǒng)工程RFLP 模型架構(gòu)后，飛機系統(tǒng)設(shè)計、總裝工藝設(shè)計和總裝生產(chǎn)活動間的關(guān)系可以表達為下述統(tǒng)一模型。

RFLP 模型架構(gòu)拓展了傳統(tǒng)的“需求-部件”的產(chǎn)品架構(gòu)，成為面向多個設(shè)計活動的詳細專業(yè)域，由此提供了一種結(jié)構(gòu)化的方法來使產(chǎn)品實物集成過程更好地符合產(chǎn)品需求。在RFLP 模型中：“R-需求”將產(chǎn)品需求、客戶需求以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的方式進行描述；“F-功能”回答系統(tǒng)是做什么的；“L-邏輯”回答系統(tǒng)是什么，即系統(tǒng)是如何組成和工作的；“P-物理”集中展現(xiàn)了系統(tǒng)的三維外形。在RFLP 模型中，每一個技術(shù)域都是相互關(guān)聯(lián)的，以此來實現(xiàn)不同業(yè)務域中項目的互相追蹤。在圖2的模型中，頂部是并行工程模式下產(chǎn)品設(shè)計的生命周期與裝配生產(chǎn)線設(shè)計的生命周期，左側(cè)2 個下行箭頭分別代表了飛機系統(tǒng)設(shè)計和總裝工藝設(shè)計過程，右側(cè)的1 個上行箭頭展示了生產(chǎn)制造過程中系統(tǒng)的安裝與試驗活動。該統(tǒng)一模型按照飛機級、分系統(tǒng)級、子系統(tǒng)級、部件級來劃分上述3 種設(shè)計、工藝、生產(chǎn)過程。同時R、F、L、P分別也對應到設(shè)計與工藝過程中的不同系統(tǒng)層級。在該統(tǒng)一模型中，飛機系統(tǒng)設(shè)計的活動過程與總裝工藝設(shè)計的活動過程并行開展，同時對應了相應層級的生產(chǎn)活動過程。比如，在飛機級的驗證中，總裝生產(chǎn)線整機綜合性能試驗來自于飛機整機級的系統(tǒng)試驗工藝設(shè)計，并進一步與飛機系統(tǒng)設(shè)計的需求指標相連。這樣，利用該模型，總裝生產(chǎn)活動中某個層級的試驗可以通過對應的V&V 映射關(guān)系，逆向找到相應的設(shè)計活動以及設(shè)計要求。

圖1 總裝集成工藝設(shè)計V & V模型Fig.1 V & V model of aircraft final assembly integration planning

圖2 飛機系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計、總裝工藝設(shè)計與飛機生產(chǎn)制造活動統(tǒng)一模型Fig.2 Unified model of aircraft systems product design,assembly process design and aircraft manufacturing activities

RFLP 模型典型的應用常見于產(chǎn)品設(shè)計與性能仿真階段，主要包括：需求分解、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)行為建模仿真。圖3展示了如何將RFLP模型不同技術(shù)域的信息擴展運用到裝配工藝流程設(shè)計過程中。RFLP 各個技術(shù)域模型中通過關(guān)聯(lián)關(guān)系進行信息的追溯。在裝配工藝集成過程中，每一項試驗工序?qū)亩际窍鄳枰炞C的飛機系統(tǒng)功能，同時每一項試驗都能夠拓展出需要安裝的部件、設(shè)備。在這一原則下，通過復用“F”功能、“L”邏輯、“P”物理模型，分別實現(xiàn)了功能性試驗結(jié)構(gòu)樹、邏輯結(jié)構(gòu)樹、物理結(jié)構(gòu)樹的技術(shù)展開，進而得到初步的安裝與試驗工藝流程結(jié)構(gòu)。

RFLP 模型建立與系統(tǒng)集成順序獲取

基于RFLP 模型的總裝工藝流程設(shè)計方法，實現(xiàn)的主要功能有：

（1）設(shè)計需求、客戶需求、技術(shù)規(guī)范的分解和展開，并最終將需求分解到具體產(chǎn)品的工程信息中，實現(xiàn)需求的完整追溯。

（2）使用集成CAD 方法將RFLP 各個技術(shù)域的模型信息集成在一起，作為工程數(shù)據(jù)源以支持工藝流程設(shè)計。

（3）根據(jù)生產(chǎn)線約束條件，適配飛機系統(tǒng)功能，得到初始試驗結(jié)構(gòu)樹和關(guān)聯(lián)的安裝結(jié)構(gòu)樹。

根據(jù)上述需求，本文提出了一種結(jié)構(gòu)化的工藝流程設(shè)計方法（圖4）。該方法集成了符合RFLP 模型架構(gòu)的產(chǎn)品設(shè)計信息，并通過模型的復用、模型間關(guān)聯(lián)信息的拓展實現(xiàn)了初始安裝與試驗工藝流程的獲取。

該方法包括了3 個主要步驟，即RFLP 模型的建立、試驗結(jié)構(gòu)樹的獲取、安裝任務的結(jié)構(gòu)樹擴展。步驟1為飛機產(chǎn)品設(shè)計角色，步驟2、3 為工藝設(shè)計角色。

RFLP 模型的建模要求是后續(xù)模型數(shù)據(jù)能否支持總裝安裝與試驗流程獲取的重要支撐。由于目前航空工業(yè)主要以達索系統(tǒng)公司的CATIA系列產(chǎn)品為工具進行設(shè)計與制造，本研究選取了CATIA V6 的系統(tǒng)工程應用環(huán)境進行RFLP 模型的建立。按照飛機復雜系統(tǒng)的特點，從系統(tǒng)工程的角度對建模要求進行了約定，主要包括：

（1）邊界識別約定：按照“系統(tǒng)的系統(tǒng)”（System of Systems）原則，除了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)樹劃分系統(tǒng)、子系統(tǒng)架構(gòu)外，還將飛機系統(tǒng)功能類別定義為內(nèi)部系統(tǒng)功能、外部系統(tǒng)功能。另外，將系統(tǒng)按實施過程的特點，分類為系統(tǒng)輸入功能、系統(tǒng)處理功能、系統(tǒng)輸出功能。

（2）交聯(lián)定義約定:按照飛機系統(tǒng)間的主要交聯(lián)關(guān)系，將交聯(lián)類型定義為信息交互流、能源交互流與物理交互流。同時，根據(jù)CATIA V6 的軟件環(huán)境特點進行了類別細分。

（3）追溯定義約定：按照“雙向單線程”的模式，約定了RFLP 各技術(shù)域模型間的關(guān)聯(lián)信息定義方式，只允許按照“R-F，F(xiàn)-L，L-P”或“P-L，L-F，F(xiàn)-R”的模式進行信息追溯定義，以便于數(shù)據(jù)管理，如圖5所示。

圖3 RFLP模型的典型運用與裝配流程設(shè)計擴展Fig.3 Typical implementation of RFLP models and assembly process planning expansion

案例研究

本案例研究基于CATIA V6 和ENOVIA V6 環(huán)境的某商務飛機機頭雷達天線設(shè)備艙的系統(tǒng)設(shè)計。按照圖4中的方法進行RFLP 建模、安裝與試驗順序獲取。

1 系統(tǒng)RFLP 模型的建立

首先，在ENOVIA V6 平臺中建立了以文本信息描述的結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)需求模型，再分別按照RFLP 建模規(guī)則約定，進行該雷達天線設(shè)備艙中“F”功能、“L”邏輯、“P”物理模型的詳細建立。

圖4 基于RFLP模型的結(jié)構(gòu)化裝配集成順序獲取Fig.4 Structured assembly integration sequencing based on RFLP models

圖5 RFLP模型技術(shù)域間追溯定義約定示例Fig.5 Example of tracing definition between different domains of RFLP models

在建立“F”功能模型時，應用“邊界識別約定”和“交聯(lián)定義約定”分別建立雷達天線艙中各項功能的子模型和相互之間的交聯(lián)定義（圖6）。在建立“L”邏輯模型時，按照分系統(tǒng)、子系統(tǒng)、部件的關(guān)系構(gòu)建3 層邏輯模型，再次應用“交聯(lián)定義約定”在各個末端邏輯部件之間定義交互交聯(lián)關(guān)系（圖7（a））。最后，在圖7（b）中進行傳統(tǒng)的三維模型設(shè)計，即“P”物理模型的建立。在建立各技術(shù)域模型的過程中，同時完成了各模型間關(guān)聯(lián)信息的嵌入，如圖8所示。

2 初始安裝與試驗工藝流程獲取

按照圖4中的步驟2、3，首先對圖6（c）中的功能模型信息進行復用，按照一項功能對應一項功能性試驗的方式，結(jié)合生產(chǎn)線約束條件獲取試驗結(jié)構(gòu)樹。然后，按照RFLP模型中“F-L”間的交聯(lián)信息，對試驗結(jié)構(gòu)樹進行第一次邏輯部件信息展開。再根據(jù)第一次展開的結(jié)果，按“L-P”間的交聯(lián)信息進行二次展開，得到關(guān)聯(lián)了物理部件信息的試驗結(jié)構(gòu)樹，即初始安裝與試驗工藝流程（圖9）。根據(jù)典型機上試驗工藝所需的設(shè)備，可以進一步關(guān)聯(lián)到試驗測試工藝裝備的需求。

圖6 雷達天線艙功能模型和子模型間的交聯(lián)定義Fig.6 Interaction definitions between functional model and sub-models in radar bay

結(jié)論

本文在分析新一代飛機系統(tǒng)集成特點以及前期研究的基礎(chǔ)上，按照系統(tǒng)工程RFLP 模型架構(gòu)的方式構(gòu)建了一種新的飛機系統(tǒng)工程數(shù)據(jù)源，將飛機設(shè)計需求、功能定義、控制邏輯、物理模型進行了信息關(guān)聯(lián)和集成，用于支持飛機復雜系統(tǒng)安裝與試驗工藝流程獲取。初步案例研究表明，該方法可以從飛機系統(tǒng)集成、功能實現(xiàn)的機理上來獲取總裝生產(chǎn)所需的安裝與試驗工藝流程。由于RFLP 模型各技術(shù)域間在建模時同時定義了系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系信息，而初始工藝流程由RFLP 模型的復用及技術(shù)展開獲取而來，這樣就實現(xiàn)了RFLP數(shù)據(jù)源到裝配的模式，打通了復雜系統(tǒng)設(shè)計信息與工藝設(shè)計之間的隔閡。利用內(nèi)建的雙向關(guān)聯(lián)信息，工藝設(shè)計人員可以知道安裝的零件、設(shè)備，或者進行的某一項試驗來自于飛機設(shè)計的哪些功能、需求，避免出現(xiàn)工藝設(shè)計不當造成試驗工序設(shè)計遺漏、實物工作返工等問題。反之，產(chǎn)品設(shè)計可以更好地了解其設(shè)計的功能在生產(chǎn)線上的實現(xiàn)過程。這一方法在實際應用中，通過多次迭代，有望加強設(shè)計、制造部門的技術(shù)理解，改善產(chǎn)品設(shè)計的可制造性。由于該方法目前僅進行了初步的案例驗證，只涉及了一個艙位內(nèi)的3 個飛機子系統(tǒng)和有限的系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系定義。下一步工作將重點增加更多飛機系統(tǒng)、更多飛機艙位和交聯(lián)關(guān)系類型、數(shù)量，在模擬生產(chǎn)線環(huán)境的實物樣機上進行技術(shù)驗證。

圖7 邏輯模型及其關(guān)聯(lián)的物理模型Fig.7 Logical model and associated model

圖8 模型關(guān)聯(lián)信息追溯示意Fig.8 Example of tracing information