◎ 上海衛(wèi)星工程研究所 曹建光 姚駿 沈靖

上海衛(wèi)星工程研究所持續(xù)探索基于三維模型的跨單位異地并行協(xié)同設計與集成應用，推動實現(xiàn)面向數(shù)字化研制的衛(wèi)星領域設計制造全面協(xié)同。本文從設計環(huán)境、工作模式、研制體系等方面構建數(shù)字化解決方案，面向衛(wèi)星領域構建了跨域并行協(xié)同研制的數(shù)字化工作環(huán)境，全面實現(xiàn)衛(wèi)星領域的設計制造一體化跨域協(xié)同并行研制。

一、引言

數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化是新一輪科技革命的突出特征，也是新一代信息技術的核心。其中，MBD（Model Based Definition，基于模型的定義）技術是關鍵之一，將三維模型貫穿于產(chǎn)品的設計、工藝、制造與檢測等過程，改變傳統(tǒng)研制模式，實現(xiàn)設計制造一體化，成為了制造業(yè)信息化的發(fā)展趨勢。

上海衛(wèi)星工程研究所（下簡稱衛(wèi)星所）是上海航天技術研究院衛(wèi)星領域的總體設計單位，主要開展衛(wèi)星體系論證、任務策劃和應用研究，承擔衛(wèi)星總體設計、綜合測試、在軌管理的任務以及部分分系統(tǒng)和地面測試設備的研制任務。在推進設計制造一體化的過程中，衛(wèi)星所深入研究MBD 技術，充分發(fā)揮總體主導作用，持續(xù)探索基于三維模型的跨單位異地并行協(xié)同設計與集成應用，努力達成面向數(shù)字化研制的衛(wèi)星領域設計制造全面協(xié)同。

二、傳統(tǒng)研制模式與存在不足

衛(wèi)星系統(tǒng)組成復雜、專業(yè)覆蓋廣泛、研制單位眾多、技術狀態(tài)變更與迭代頻繁，具有小批量、多專業(yè)、高品質、短周期、多狀態(tài)的研制特點，屬于典型的跨專業(yè)、跨領域、跨單位協(xié)同開發(fā)的產(chǎn)品。

在傳統(tǒng)的衛(wèi)星研制模式中，組成衛(wèi)星的各承制單位以二維圖紙或技術文件等載體開展對口分頭協(xié)調和串行研制生產(chǎn)，設計、工藝、制造、檢測等各個研制環(huán)節(jié)需要在三維建模和二維表達之間多次轉換，設計信息的表達不充分、不規(guī)范、不完整，導致型號在低效反復的校對、制表、統(tǒng)計、確認等工作上耗費大量精力和周期，整個衛(wèi)星研制質量和效率低下，形成獨立的信息“孤島”而缺少共享，嚴重影響了衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大。

鑒于以上問題，衛(wèi)星所迫切需要開展以MBD 技術為基礎的數(shù)字化研制，推動衛(wèi)星研制的數(shù)字化轉型，促進衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的高質量、高效率、高效益發(fā)展。

三、數(shù)字化解決方案與創(chuàng)新性

面對型號傳統(tǒng)研制模式上的諸多弊端，衛(wèi)星所對癥下藥，在技術和管理兩個方面同時著手密切配合，從數(shù)字化設計環(huán)境、工作模式、研制體系等多個方面全面、系統(tǒng)地開展工作。

（一）數(shù)字化解決方案

1、覆蓋全面的數(shù)字化設計環(huán)境

針對三維研制的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，衛(wèi)星所開展基于三維模型的數(shù)字化設計與制造的頂層設計與系統(tǒng)規(guī)劃，持續(xù)建設和完善了IDS（I nterface Date Sheet，接口數(shù)據(jù)單）系統(tǒng)、PDM（Product Date Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）平臺、三維快速設計系統(tǒng)和IPT（Integrated Product Team，集成產(chǎn)品開發(fā)團隊）工作室，推動數(shù)字化從單純建設向型號應用縱深方向發(fā)展。

衛(wèi)星所以IDS 系統(tǒng)為紐帶，收集單機接口數(shù)據(jù)，主要解決了單機信息統(tǒng)一填報的問題；以PDM 為平臺，實現(xiàn)基于三維模型的跨域協(xié)同設計、技術狀態(tài)管理、數(shù)據(jù)分發(fā)控制；以快速設計系統(tǒng)為支撐，通過整星主控骨架統(tǒng)籌提取衛(wèi)星系統(tǒng)設計時的核心信息并進行頂層控制和約束，形成有序高效的分布式三維協(xié)同設計和智能優(yōu)化；以IPT室為基礎，不同單位的設計師與工藝師集同辦公，實現(xiàn)設計與制造并行協(xié)同。由此，衛(wèi)星所夯實了數(shù)字化研制基礎，為流程貫通、數(shù)據(jù)共享創(chuàng)造了條件。

2、創(chuàng)新協(xié)同的數(shù)字化工作模式

衛(wèi)星所采用AVIDM4.0 作為PDM平臺。通過PDM 平臺向衛(wèi)星研制各專業(yè)所、制造端的延伸，解決了多流程重復工作、數(shù)據(jù)管控不強、變更過程難追溯、變更確認繁瑣等問題，由單一的總體所內部協(xié)同向總體、分系統(tǒng)、裝配制造單位間的設計與制造全面協(xié)同轉變；在單機承制單位部署三維IDS 軟件，以單機模型為唯一數(shù)據(jù)源用于數(shù)字化協(xié)同設計，實現(xiàn)了模型規(guī)范性與數(shù)據(jù)齊套性檢查的自動化。

圖1 PDM部署架構

在PDM 平臺和IDS 軟件延伸部署的基礎上，通過“跨 域收集—協(xié)同設計—三維下廠”等三個層次的協(xié)同，打通基于MBD 的設計、工藝、制造、檢測等研制環(huán)節(jié)的數(shù)字化鏈路。

3、持續(xù)完善的數(shù)字化研制體系

通過型號的成功試用，衛(wèi)星所提煉形成了完善的數(shù)字化標準體系和管理制度，包括36 份院級標準、39 份所級標準和3 份規(guī)章制度，內容覆蓋衛(wèi)星三維建模和簡化標注、數(shù)據(jù)分發(fā)與技術狀態(tài)管理、三維檢驗方法應用等型號研制的多個方面，為型號數(shù)字化的全面推廣應用提供了可操作的指導性依據(jù)。

通過基于三維模型的衛(wèi)星數(shù)字化跨單位異地并行協(xié)同設計與集成應用，衛(wèi)星領域實現(xiàn)了三維建模軟件工具版本的統(tǒng)一、模型建模標準的統(tǒng)一、數(shù)據(jù)管理平臺的統(tǒng)一。

（二）數(shù)字化工作創(chuàng)新

1、數(shù)據(jù)定義與信息承載

衛(wèi)星所以設計信息表達為抓手，探索基于模型的數(shù)據(jù)定義與信息表達，完善PMI（P roduct Manufacturing Information）承載方式，實現(xiàn)了由IDS紙質到IDS 電子化、由二維IDS 填報到三維IDS 表達、由二維圖紙全面標注到三維模型簡化標注、由基于文本的信息傳遞到基于骨架的信息傳遞、由按圖生產(chǎn)到按模型生產(chǎn)的轉變。

圖2 面向數(shù)字化的衛(wèi)星設計與制造并行協(xié)同研制流程

IDS 是衛(wèi)星總體與分系統(tǒng)之間的儀器設備接口文件，傳統(tǒng)模式下以紙質的IDS 形式進行信息傳遞，無法利用該信息進行三維設計。衛(wèi)星所將單機質量特性、安裝特性、安裝要求、精度要求等機械接口數(shù)據(jù)定義到三維模型中，實現(xiàn)了型號研制中總體布局、結構設計等環(huán)節(jié)的信息提取和完整應用。

2、協(xié)同方法與工作環(huán)境

衛(wèi)星所以IDS 系統(tǒng)為紐帶，以PDM 為平臺，以快速設計系統(tǒng)為支撐，以IPT 為基礎，PDM 平臺和IDS 軟件延伸部署，構成了數(shù)字化設計制造一體化的全集成環(huán)境，從而形成了基于三維模型的衛(wèi)星數(shù)字化跨單位異地并行協(xié)同模式，實現(xiàn)了單機承制單位與總體設計單位之間、總體設計單位內部多專業(yè)之間、總體設計單位與總裝制造單位之間等三個層次的協(xié)同。

隨著型號應用范圍的擴展，PDM平臺管理的數(shù)據(jù)量急劇增長。為了提高平臺的穩(wěn)定性和可靠性，衛(wèi)星所對PDM 平臺開展性能調優(yōu)，數(shù)據(jù)庫服務器升級為RAC 集群架構，應用服務器升級為Cluster 集群架構，CAD Worker機獨立部署，實現(xiàn)PDM 應用負載均衡、數(shù)據(jù)庫雙機熱備、存儲數(shù)據(jù)同步備份，從而整體提升了平臺的響應速度、穩(wěn)定性和健壯性。當前，系統(tǒng)打開10G 大小的整星模型耗時由60 分鐘壓縮為3分鐘左右，增強了設計師的三維設計體驗。

型號在實際研制過程中，由于周期緊、各分系統(tǒng)進度不一等原因，不可避免出現(xiàn)初樣、正樣、裝備等多個階段并行研制的狀況。以往通常采用手工模型下載、轉階段、上傳，操作繁瑣效率低；模型設計參數(shù)無法自動更新，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理的內部閉環(huán)。由此，衛(wèi)星所開展基于PDM 的“一鍵式”線上轉階段，保證新階段的產(chǎn)品結構和模型樹的正確性，保證各專業(yè)、單機內部以及相互之間的模型關聯(lián)完整，實現(xiàn)統(tǒng)一變更階段標識等參數(shù)，設計師可以基于新階段模型獨立開展設計工作。

3、流程再造與模式變革

衛(wèi)星所將三維模型貫穿應用于型號研制的設計—工藝—制造—檢驗等全過程：

1）跨域收集：單機承制單位與總體設計單位之間的協(xié)同。通過PDM 平臺和IDS 軟件延伸部署，衛(wèi)星總體收集單機接口數(shù)據(jù)和三維模型；

2）協(xié)同設計：總體設計單位內部多專業(yè)之間的協(xié)同?？傮w布局設計師建立主控骨架并發(fā)布；結構、熱控、電纜網(wǎng)等多專業(yè)設計師基于主控骨架體系實現(xiàn)多專業(yè)并行設計，基于PDM 平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理及技術狀態(tài)控制；工藝師提前參與衛(wèi)星設計；

3）三維下廠：總體設計單位與總裝制造單位之間的協(xié)同。衛(wèi)星總體、結構、電纜網(wǎng)、熱控等產(chǎn)品基于三維模型進行規(guī)范化定義并進行簡化標注；向衛(wèi)星結構件制造單位發(fā)放結構三維模型，制造單位基于三維模型開展結構產(chǎn)品工藝設計、制造、測量；向衛(wèi)星總裝單位發(fā)放衛(wèi)星結構、電纜網(wǎng)、衛(wèi)星總裝三維模型，總裝廠基于三維模型開展衛(wèi)星結構裝配、電纜網(wǎng)制造與總裝、單機總裝。

衛(wèi)星所把標準規(guī)范、設計經(jīng)驗、工藝禁忌、幫助文檔等嵌入軟件中，實現(xiàn)全三維數(shù)字化研制業(yè)務規(guī)則和流程的規(guī)范化，由設計流程驅動，智能推送至設計師。參與衛(wèi)星研制的網(wǎng)絡連通單位不再需要來回奔波，可以在本單位提交單機三維模型，與總體開展異地實時的三維協(xié)同設計。

衛(wèi)星所以衛(wèi)星主要結構件（蜂窩板、桁架接頭）為研究對象，開展基 于GPS&V（Geometrical Product Specifications and Verification，幾何技術規(guī)范與驗證）的衛(wèi)星結構件精度設計控制提升技術研究，通過形位公差與尺寸公差的合理轉換，配合核心算法，實現(xiàn)了設計信息在檢測過程的快捷應用，形成一套規(guī)范有序的操作流程、信息規(guī)范和管理模式。

通過MBD 技術，衛(wèi)星研制將產(chǎn)品研發(fā)模式從串行模式轉變?yōu)椴⑿心Ｊ?，將產(chǎn)品設計制造的管理方式從基于文檔轉變?yōu)榛谀Ｐ偷男畔⒒芾?，實現(xiàn)了衛(wèi)星研制由分散斷點的模式向端到端集成的一體化模式轉變。

四、數(shù)字化工作成效

衛(wèi)星所面向衛(wèi)星領域構建了跨域并行協(xié)同研制的數(shù)字化工作環(huán)境，帶動各分系統(tǒng)單位數(shù)字化設計進展，帶動總裝制造單位共同開展設計制造一體化，全面實現(xiàn)設計-制造-測試等維度、總體-結構-電纜網(wǎng)-熱控等要素、設計-工藝-制造-檢驗等流程的數(shù)字化轉型，全面實現(xiàn)衛(wèi)星領域的設計制造一體化跨域協(xié)同并行研制。

（一）促進型號全面推廣數(shù)字化協(xié)同研制

當前，衛(wèi)星所有在研型號基于三維模型開展設計制造一體化研制，PDM平臺覆蓋10 個單位近2000 用戶、管理模型文檔超過17萬，衛(wèi)星結構、電纜網(wǎng)三維下廠率100%。

（二）提高型號研制的質量、效率和效益

衛(wèi)星結構、電纜網(wǎng)等專業(yè)設計效率提升5 倍以上，型號總體研制效率提升30%；技術狀態(tài)確定后到完成詳細設計由6 個月縮減至2 個月以內，周期壓縮至1/3；系統(tǒng)性設計質量問題全部消滅；研制中全面取消模裝星，采用成熟平臺的衛(wèi)星取消結構熱控星，節(jié)約成本上千萬元。

（三）提升總體抓總的技術和管理能力

通過基于三維模型的衛(wèi)星數(shù)字化跨單位異地并行協(xié)同設計與集成應用，衛(wèi)星所從全局層面掌握單機IDS 和三維模型，動態(tài)掌握單機設計進展和技術狀態(tài)；建立覆蓋單機、總體布局、結構、熱控、電纜網(wǎng)、推進等專業(yè)的完整三維模型，優(yōu)化型號研制流程和技術狀態(tài)。衛(wèi)星節(jié)省下的空間與重量可以用來裝載更多的有效載荷，從而增加探測手段、發(fā)揮更大效能。

由此，衛(wèi)星所為衛(wèi)星領域研制搭建了總體與分系統(tǒng)、設計與制造、產(chǎn)品與檢驗之間的并行設計協(xié)同環(huán)境，形成了基于三維模型的協(xié)同設計和知識融入的數(shù)字化設計制造方法，加強了總體對分系統(tǒng)單位的技術狀態(tài)和工作進度控制，提升總體對型號全局的系統(tǒng)設計與規(guī)范管理能力，整體統(tǒng)籌、協(xié)調推動了型號研制的數(shù)字化轉型。

五、結束語

當前，衛(wèi)星領域型號產(chǎn)品數(shù)字化定義日趨完善、協(xié)同研制模式逐步成熟，以并行設計、集同工作、數(shù)據(jù)共享、知識復用為特點的數(shù)字化研制流程初步形成。

衛(wèi)星所將繼續(xù)強化“總體主導、并行協(xié)同、深化應用”，全力以“數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化”促進衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的“高質量、高效率、高效益”發(fā)展。