当前国内航空制造业研制手段从二维向全三维过渡，试验和验证从实物发展到虚拟仿真，研制技术由串行、同地域的应用向跨地域/跨企业、多系统的全生命周期集成应用转变，研制业务范围也拓展到详细设计之前和生产制造之后，主要包括：横向覆盖从市场规划、研发阶段、生产制造、试飞鉴定和产品支援，纵向上贯穿管理、设计、制造、供应链、试验和维护的业务过程。因此，本文依据数字化协同研制模式的思想，从点、线和面三个层次阐述了业务过程和软件工具间的关系，并对使用“补点、连线、构面”技术来构建全生命周期的航空产品制造业务数字链，持续推动航空制造业务模式的创新和决策水平的提升进行了深入的研究。
1 数字化的点技术
上世纪90年代以来，信息技术的发展以及大规模定制的生产需求，使得跨地域/多企业联合工作成为航空制造业的主要趋势。在数字化协同研制模式下的点技术不再是传统的由单一专业技术人员独自实现的单点技术，而是在协同研制业务过程下由多专业的管理和技术人员共同完成的局部多个单点技术的集成，这就要求对航空制造业务过程中传统的单点软件技术进行补充和完善，以促进研制业务过程和软件系统的协同与集成，如在可行性和概念设计阶段解决总体、系统、结构等所有专业的需求与功能，逻辑样机和几何样机的关联问题的系统工程技术，在数据发放过程中解决设计与制造间协同工作内容的基于成熟度的工艺审查以及通过使用电子样机（包括结构、功能与性能样机等），支持全三维研制设计、仿真优化和迭代的业务的全生命周期仿真技术等。如图1所示，在产品总体方案设计阶段的系统工程就是以需求管理中产品的技术指标为依据，在实现技术指标、对应的产品（系统、零部件等）以及与之相关的专业技术和软件系统三者进行关联，开展多轮迭代的多学科优化设计，最终得到能与技术指标匹配的最优解（方案）的业务过程。
图1 系统工程示意图
2 研制过程的线技术
数字化协同研制的核心是利用先进业务过程和完整软件支撑体系，支持研制中相关过程、技术和软件工具的无缝集成，贯通研制全生命周期的业务线和管理线，打造航空制造业务的数字链，实现对业务发展和管理决策的全面支撑。
2.1 业务连线
数字化协同研制模式下的全生命周期的业务线是从总体上对研制业务过程和软件支撑体系进行规划，将产品的设计、制造和检测等离散的信息进行“数字化”处理，实现产品由虚拟设计向现实生产无缝转化的全业务过程，如图2所示。
图2 数字化协同研制业务线示意图
在这个过程中核心是产品三维数字化模型，它实现的是全生命周期研制过程的单一数据源功能，即在CAD/CAE/CAM、PDM、MES、ERP等软件工具的支持下，能够对设计阶段定义的产品信息能够在下游工艺、制造和仿真等业务过程中共享、传递、重用与延拓。而为了保证业务连线中产品信息的唯一性及其在业务过程中的有效性和可交互性，选择相同厂商的软件工具并形成统一架构的支撑体系是最优方案，但是国内航空制造企业业务过程的多样性和信息化建设的现状，导致支撑航空制造业务线的软件体系基本上是由不同厂商的软件所构成，而这种采用异构软件导致工程、工艺、制造等数据不能共享、传递、使用以及多个软件不能无缝的集成等诸多问题是研制业务线不能完全贯通的主要原因。
2.2 管理连线
数字化协同研制业务模式下的全生命周期的管理线是运用项目、需求、构型及数据的管理思想与方法，实现航空制造业务全过程中客户需求、数据结构、配置功能和逻辑关系的全面结合。其核心是将最初以设计制造为主的业务管理体系，扩展到项目管理、需求管理、产品数据管理、综合保障等全生命周期的协同管理，它涉及到业务流程、标准规范、软件平台、数据信息的各个层面，如图3所示，其目标就是要实现全生命周期的数字化设计、制造、维护一体化管理，提高产品研制过程中跨地域/跨单位/跨专业的并行协作效率，缩短研发周期，降低成本。
管理连线是在业务连线（单一数据源）的基础上，利用网络化和数字化技术，对分布在不同地域/不同企业的串行业务流程、孤立信息系统和离散研制数据进行综合管理，以提高业务流程的连续性、软件工具的集成性和数据信息的有效性，以适应国内航空制造业由一厂一所的传统研制模式向着多厂所/跨地域，甚至整个航空工业层面的数字化协同模式转变，因此，能否贯穿全生命周期的管理连线，不仅要实现管理思想与软件功能的深度融合，还需要系统的考虑二者与航空制造企业自身的组织结构，技术能力、信息化基础条件等方面的一致符合性。
图3 数字化协同研制管理线示意图
3 基础共性的面技术
与传统业务模式相比较，数字化协同研制覆盖的业务范围更全，对单点技术的应用要求更高，并要实现全生命周期业务线和管理线的贯通，这些都需要以系统工程的思想来对产品研制各环节的一系列技术、标准、资源以及经验和成果进行全面的归纳总结，结合协同研制条件下的管理思想与软件工具的实际功能，完善包括基础资源、标准规范及知识库在内的各项共性技术，使它们成为支撑跨地域/多企业数字化协同研制中单一数据源、流程协同管理和并行工作的基础性保障。
3.1 基础资源及知识库
随着数字化协同研制模式的深入应用，基础资源不再集中在业务过程的某个点而是整个网络化管理，也不再是仅为单点技术服务而是为所有软件系统提供全面服务；各软件之间的信息集成越来越重要，各软件之间的资源共享的需求也愈来愈紧迫。因此，必须通过编制建库标准，规范各类设计制造资源的描述，实现相关基础数据和知识收集整理与规范入库和动态维护，构建支持航空制造企业产品研制业务过程和软件系统集成所需的基础资源库，如图4所示，提高航空产品协同研制中基础数据应用的标准化、规范化水平。
图4 基础资源库的构建
基础资源库除信息代码库、标准规范库最根本的管理库外，还有其它与协同研制相关的要素可分为基础类资源库：包括标准件库、材料库、失效分析库等；设计类资源库：包括总体参数库、翼型库、重量库等；制造类资源库：包括设备库、工装/夹具库、工艺规范库等。基础资源库的构建必须基于统一管理、统一架构、统一部署、统一平台的业务和管理思想，梳理各类库之间的关联关系，构建数据源头唯一、结构合理、高度共享的基础资源库体系，然后在此基础上，通过通用数据接口实现研制环境（CAX/PDM/ERP/MES）中的标准规范、工程数据、制造数据、测试数据、维护数据与知识库相互关联，如图5所示，即将一个覆盖航空产品设计、制造、试验、使用和保障维修等方面的经验数据、故障数据、典型案例以及研制规范等的知识库集成到协同研制环境，使各类技术人员能在设计、制造、试验和维修的过程中把所需数据提炼成知识，同时也可根据技术人员的需要自动推荐已有知识，并为决策者提供决策支持和智能分析工具。
图5 基于研制环境的知识库
3.2 信息化标准体系
数字化协同研制作为一个业务过程与软件技术深度融合的业务模式，需要完善的、高质量的信息化技术标准与规范来支撑，构建信息化标准体系的目标就在于规范工程数字化和管理信息化条件下的航空产品研制的要求，推进数字化、信息技术在研制过程中全面和规范的应用，解决传统的标准研发和管理方法无法同步于技术发展、或滞后于航空产品研制的需求。
信息化标准体系可从两个维度进行构建，一方面从宏观角度，如图6所示，对涉及研制全生命周期的IT服务管理、资源库、各种管理方法以及公共软件资源等的共性面技术，研制过程的管理连线技术给出顶层的标准化要求。对于通用性较强的技术内容，一般使用直接采用标准的策略，对于能够反映软件具体特点的技术内容，采取制定专用标准的策略。其中，适用的现行标准主要包括国家军用标准、航空行业标准、集团标准、专项标准和其他标准。
图6 宏观的标准规范示意图
另一方面，从航空产品研制过程中各业务环节的微观角度出发，对涉及到大量的学科和专业，以及各个学科和专业横跨研制的各个阶段，所呈现出特有的流程方法、软件技术和业务方式，主要包括工程仿真、数字化定义、数字化工艺设计与管理、数字化工装管理、试验验证以及相关管理过程性活动。因此将这些共性的要求总结和提炼，进行统一的规范和定义，形成较完整的标准规范支持体系。如图7所示，为飞机研制过程中与微观活动相关的标准体系示意图。
图7 微观的标准规范示意图
综上所知，信息化标准体系主要包括信息化基础标准、信息技术标准（IT标准）、信息技术应用标准（IT应用标准）、信息化管理标准等。信息化标准体系建设使过去不可能实现的在线协同设计、关联设计、基于成熟度的多厂所研制协同成为可能。据不完全统计，目前航空工业形成的数字化航标已有上千份，企标超过两千份。
4 主流工程软件分析
在航空制造业发展的过程中，一方面计算机软、硬及网络技术的发展，尤其是软件技术的提升，为航空制造业务模式创新提供了有力支撑，另一方面工程软件以先进业务模式为标杆，不断完善自身功能，以满足业务模式创新对软件功能的要求。当前国内主流工程软件都是国外软件公司的产品（达索、西门子、PTC），它们都起源于航空制造业，并随着航空制造业务模式的不断演变，经历了从数字化单点技术向研制过程线技术、现代基础共性的面技术发展的三个阶段。目前主要的工程软件谱系对比如表1所示。
表1 三家主流工程软件谱系对比
第一阶段从上世纪60～90年代，由于受到传统业务模式影响和计算机软、硬件限制，各软件公司仅关注于单个业务环节效率的提升，工程软件以CATIA、UG、Pro/ENGINEER等单机版CAD研发为主，辅助以CAE/CAM功能。
第二阶段从上世纪90年代到本世纪初，全球化经济的兴起，“数字样机”、“并行工程”、“精益生产”等技术与思想被航空制造企业所使用，各软件公司一方面采用自主开发与并购相结合的方法，补充和完善现有软件产品谱系（Solidworks、Delmia、3Dvia、Teamcenter Manufacturing、Solid Edge、Windchill ProjectLink、Arbortext、ProductView等）来支撑数字化协同研制的业务线，另一方面将软件功能由点向线进行拓展，通过PLM软件（Teamcenter EntERPrice/Engineering、 ENOVIA VPM、Windchill PDMLink等）实现数字化研制数据链（包括业务线和管理线）的贯通。
与前两个阶段软件系统的简单整合不同，第三阶段由于“全三维（MBD）数字化设计”、“网络化协同研制”与“大规模系统集成”等技术的成熟应用，各软件公司开始关注支持网络技术发展的软件架构，以及原有业务模式下软件系统的异构问题（ENOVIA Matrixone，SIMULIA，Teamcenter等），并将航空产品研制的应用技术、业务知识、管理方法与工程软件体系深度融合，打造同构的、能满足现代航空产品全生命周期数字化协同研制各种需求的全面解决方案，以此来促进航空制造业务模式的创新。
5 总结
国内航空制造业的业务特点（设计、制造分离等）以及主流软件公司的商业竞争，使得目前航空制造业务过程与软件工具之间无法形成良性互动，甚至阻碍了相互发展，因此，合理的选择对业务过程和软件工具进行“补点、连线、构面”，大力提升两者的一致符合性，构建起全生命周期的航空制造业务数字链，对于提高我国航空制造业数字化研制和管理水平与质量，促进航空制造业由大变强具有重要的战略意义。
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本文标题：航空制造业务数字链的构建研究
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