直升機的設(shè)計發(fā)展是一個極復(fù)雜而又漫長的過程，需要多種工程和制造學(xué)科之間相互協(xié)調(diào)。直升機整個生命周期業(yè)務(wù)與協(xié)作過程中各個研制階段都是相互影響的，但現(xiàn)有技術(shù)和管理方法存在關(guān)系粗放、效率低下、風(fēng)險較大等問題。隨著直升機系統(tǒng)及產(chǎn)品研制過程的復(fù)雜度不斷上升，復(fù)雜產(chǎn)品全生命周期管理與集成技術(shù)已成為企業(yè)面向產(chǎn)品及系統(tǒng)正向研制的一個重要應(yīng)用研究問題，也是企業(yè)信息化重要的組成部分。

    產(chǎn)品全生命周期管理技術(shù)在以往理論和實踐中都側(cè)重于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的文件管理和設(shè)計協(xié)同等方面的研究。隨著系統(tǒng)工程理論相關(guān)流程和方法的引入，產(chǎn)品全生命周期管理的復(fù)雜度、內(nèi)涵和外延正在發(fā)生變化，以文件為中心的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理模式遠不能滿足直升機行業(yè)越來越復(fù)雜的產(chǎn)品實現(xiàn)過程，系統(tǒng)工程正在成為產(chǎn)品全生命周期管理（Product Lifecycle Management,PLM）的理論核心，基于模型的系統(tǒng)工程（Model Based System Engineering, MBSE）是PLM 的發(fā)展趨勢。

    直升機產(chǎn)品全生命周期管理

    1 論證與需求體系結(jié)構(gòu)

    直升機研制是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，各項工作、各個專業(yè)的工作關(guān)聯(lián)性非常密切和復(fù)雜，因此在研制流程體系中要準確表達各項工作之間、各個專業(yè)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，使工作流程、管理流程清晰受控。整個研制流程體系應(yīng)全面描述直升機產(chǎn)品全生命周期中各階段各專業(yè)的工作內(nèi)容，甚至要描述各項工作具體的輸出成果，確定所需編制的需求文件、技術(shù)文件、更改文件和圖樣文件，因此直升機產(chǎn)品研制流程應(yīng)突出產(chǎn)品全生命周期管理。

    DoDAF 描述了體系結(jié)構(gòu)的3 個視圖：作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)視圖、系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)視圖和技術(shù)體系結(jié)構(gòu)視圖。在直升機需求論證階段，基于系統(tǒng)設(shè)計標準和系統(tǒng)建模語言（SysML），以面向?qū)ο蟮姆椒�，在需求分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計作戰(zhàn)概念并做出各視圖層面的用例模型，體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法根據(jù)系統(tǒng)執(zhí)行功能和活動需要，不斷分解得到系統(tǒng)、分系統(tǒng)及子系統(tǒng)層次的結(jié)構(gòu)圖，實現(xiàn)系統(tǒng)模型驅(qū)動的論證與需求體系結(jié)構(gòu)。

    2 數(shù)字化環(huán)境下的直升機產(chǎn)品研制

    系統(tǒng)工程要考慮產(chǎn)品生命周期內(nèi)遇到的全部問題，是一個跨學(xué)科的協(xié)同工作方法。并行工程也強調(diào)綜合設(shè)計和協(xié)同工作，使用系統(tǒng)工程的方法進行多學(xué)科協(xié)同設(shè)計已逐漸成為工程領(lǐng)域及制造類企業(yè)解決已有問題的一種有效思路，根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和信息模型的轉(zhuǎn)換，根據(jù)集成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換進行集成。

    數(shù)字化技術(shù)在直升機產(chǎn)品全生命周期研制流程中各階段發(fā)揮了重大作用。以航空制造業(yè)的MBD 技術(shù)應(yīng)用為例，基于MBD 技術(shù)實現(xiàn)三維模型表達產(chǎn)品的設(shè)計制造信息，保證產(chǎn)品全生命周期中產(chǎn)品數(shù)據(jù)的完整性。協(xié)同化、集成化、虛擬化、智能化是未來直升機數(shù)字化研制的發(fā)展趨勢，在直升機系統(tǒng)生命周期的項目流程和技術(shù)流程中，信息技術(shù)應(yīng)用在包括立項論證、概念設(shè)計、詳細設(shè)計、試驗試飛、工藝裝配、生產(chǎn)制造、交付使用、保障維護、退出回收等全過程內(nèi)，通過UPDM、CAD、CAE、CAM 等工具軟件以及需求管理系統(tǒng)、PDM、SDM、TDM、CAPP、MES、ERP、PAC、SCM、CRM等數(shù)字化應(yīng)用系統(tǒng)對工程研制過程進行管控，構(gòu)建了以任務(wù)和需求定義、邏輯和功能集成、功能和邏輯架構(gòu)設(shè)計為核心的覆蓋產(chǎn)品全生命周期的MBSE 過程，從運行概念到需求到設(shè)計到生產(chǎn)，降低直升機型號研制風(fēng)險，提高直升機產(chǎn)品質(zhì)量且滿足產(chǎn)品研制各節(jié)點的要求。

    元模型建模技術(shù)

    元模型是用于描述模型的模型，是關(guān)于模型基本概念、基本關(guān)系、基本約束的語義。元模型（Meta-Model）包括類、屬性、關(guān)聯(lián)、操作以及約束等，它體現(xiàn)了產(chǎn)品信息的基本語義關(guān)系。傳統(tǒng)信息分析與表達方式無法支持產(chǎn)品全生命周期中信息的管理和集成需要，企業(yè)需要統(tǒng)一模型、應(yīng)用集成、全面協(xié)同的產(chǎn)品全生命周期元模型，即在基于模型的系統(tǒng)工程理論基礎(chǔ)上，建立可重構(gòu)、可擴展、高度集成的關(guān)聯(lián)信息模型，實現(xiàn)覆蓋直升機系統(tǒng)工程各流程活動（包含項目流程和技術(shù)流程）語義級的互操作。

    對于系統(tǒng)建模語言而言，OMG 組織陸續(xù)提出了UML 語言和SysML 語言，支持了基于模型的系統(tǒng)工程理論在實際工程中的應(yīng)用。元模型技術(shù)是企業(yè)建模實施的有效方法，它具有豐富的模型分析和設(shè)計功能，通過擴展可滿足不同領(lǐng)域的建模需要。作為一種抽象模型，元模型不局限于具體某一領(lǐng)域，被不同的目標模型所共享，可表達領(lǐng)域模型，也可表達三維實體模型的結(jié)構(gòu)信息模型、仿真信息模型、性能信息模型、管理信息模型等。OMG 標準中描述了4 個建模層次，分別是信息層（Information Layer）、模型層（Model Layer）、元模型層（Meta-Model Layer）、元- 元模型層（Meta-Meta-Model Layer），這些建模層次由不同實例構(gòu)成，定義了對應(yīng)不同抽象層面的業(yè)務(wù)對象或數(shù)據(jù)對象的描述元素。

    產(chǎn)品全生命周期信息元模型分析與表達

    1 產(chǎn)品全生命周期的信息模型

    產(chǎn)品的信息模型是對產(chǎn)品的形狀、功能、技術(shù)、制造和管理等信息的抽象理解和表示。在并行工程中，統(tǒng)一的產(chǎn)品信息表達和交換式是并行設(shè)計的基礎(chǔ)。產(chǎn)品全生命周期的信息模型是對產(chǎn)品全生命周期研制過程中的信息進行形式化的描述，定義除了包含幾何形狀及拓撲信息、非幾何信息等設(shè)計制造信息之外，還包括描述產(chǎn)品功能、邏輯、機電液壓、仿真、結(jié)構(gòu)、技術(shù)規(guī)范等更高層次的總體信息等。直升機全生命周期信息模型包括：客戶需求模型、需求與論證模型、產(chǎn)品概念模型、產(chǎn)品功能模型、產(chǎn)品仿真模型、產(chǎn)品設(shè)計模型、產(chǎn)品試驗?zāi)Ｐ�、產(chǎn)品制造模型、產(chǎn)品工藝裝配模型、產(chǎn)品驗證模型、產(chǎn)品交付與確認模型、產(chǎn)品采購模型、產(chǎn)品運行模型、產(chǎn)品維護模型以及產(chǎn)品退役模型等，圖1為按系統(tǒng)工程定義的產(chǎn)品全生命周期各階段模型化的過程。

    圖1　系統(tǒng)工程定義下的直升機全生命周期信息模型

    統(tǒng)一產(chǎn)品模型連接產(chǎn)品不同生命周期階段的數(shù)據(jù)、過程等企業(yè)資源，由于SysML、AADL、Modeica、ReF、OSC、SPICE等信息建模、數(shù)據(jù)建模、系統(tǒng)建模、系統(tǒng)仿真標準語言的出現(xiàn)，系統(tǒng)工程定義下的信息模型正逐步取代文檔成為直升機研制溝通的主要手段，建立功能、邏輯模型后仿真再驗證，模型本身成為過程管理的對象，進而實現(xiàn)全生命周期所管理的各專業(yè)領(lǐng)域模型的一致性、可追蹤性、可驗證性和關(guān)聯(lián)性。

    BOM是研究產(chǎn)品數(shù)字化數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、加工、拓延、控制和管理的重要組成部分。BOM中記錄了用來描述產(chǎn)品研制信息及研制流程之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，不同BOM 記錄的不盡一致，但是它們都體現(xiàn)了產(chǎn)品全生命周期各階段信息模型的重要特征，而這些特征都是關(guān)聯(lián)的，如圖2所示，制造BOM 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中零部件對象與工程BOM（EBOM）相對應(yīng)，由于裝配關(guān)系描述不統(tǒng)一，需要根據(jù)EBOM 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹重構(gòu)MBOM產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。實際上，EBOM到MBOM 重構(gòu)的過程中，產(chǎn)品設(shè)計模型與制造模型發(fā)生關(guān)聯(lián)，設(shè)計制造的業(yè)務(wù)流程也發(fā)生了重構(gòu)。同理，需求BOM（RBOM）、仿真BOM、試驗BOM、工藝BOM（PBOM）、維護BOM（SBOM）與工程BOM 的相應(yīng)對象具有一致性，基于BOM 重構(gòu)的直升機產(chǎn)品全生命周期信息模型成為“基于模型”的研制范式能否從系統(tǒng)工程領(lǐng)域拓展到直升機產(chǎn)品全生命周期的重要轉(zhuǎn)變。

    圖2 基于BOM重構(gòu)的直升機產(chǎn)品全生命周期信息模型

    2 產(chǎn)品全生命周期信息元模型的表達

    為實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期中元數(shù)據(jù)級的信息集成，對產(chǎn)品全生命周期信息模型進行有效管理，需建立產(chǎn)品全生命周期信息元模型統(tǒng)一表達產(chǎn)品全生命周期信息模型，細化產(chǎn)品全生命周期各階段數(shù)據(jù)之間的語義關(guān)系，避免信息冗余且保持信息模型的一致性。為滿足產(chǎn)品全生命周期信息元模型的表達要求，用五元組表示產(chǎn)品全生命周期信息元模型（Product Lifecycle InformationMeta-Model, PLIMM），將PLIMM 描述為類別、實體、集合、視圖、關(guān)系這5 種元素, 其形式化定義如下所示：PLIMM={<Type><Entity><Version><Relationship><View>}。

    定義1—— Type 為產(chǎn)品全生命周期信息元模型類別PType，產(chǎn)品全生命周期管理過程中不同數(shù)據(jù)信息按種類進行細分，以建模化的思想按照屬性、描述等信息差異，將隸屬于不同領(lǐng)域的信息模型以類別ID號（PtID）和類別名稱（Ptname）進行區(qū)別并歸納分類，例如文檔類模型可作為一個類別進行劃分，文檔集合中可按聚合形式不同再劃分出技術(shù)文檔、說明性文檔等子類別，同理圖樣文件模型作為另一個類別進行劃分及再劃分。

    定義2—— Entity 為產(chǎn)品全生命周期信息元模型實體PEntity，五元組方式表達PEntity={<PeID><PtID><Pename><Pecomment><PeAttr>}，信息元模型中實體對象的確定是產(chǎn)品全生命周期信息元模型建立過程中最為關(guān)鍵且困難的一個步驟，一個實體可由若干屬性來描述，實體對象可被描述和實例化，且實例之間可進行區(qū)分與標識。

    定義3—— Version 為產(chǎn)品全生命周期信息元模型版本狀態(tài)PVersion，信息元模型版本狀態(tài)PVersion={<PeID><PvID><PvStatus><PView><PVesionlist>}，PvID 為模型對象版本的版本號，PvStatus 標識信息模型的狀態(tài)，版本PView 用于標識模型的視圖信息，PVesionlist 用于維護模型對象的版本信息。

    定義4—— Relationship 為產(chǎn)品全生命周期信息元模型關(guān)系PRelationship，元模型關(guān)系PRelationship 是兩個或多個實體之間的邏輯聯(lián)系，即包含兩種最基本的聯(lián)系：依存聯(lián)系和分類聯(lián)系。PRelationship={<PrID><Prname><PrType><PeID><PVersion>}。

    定義5——View 為產(chǎn)品全生命周期信息元模型視圖PView，PView=f（PType，PEntity，PVersion，PRelationship），元模型視圖PView按照不同元模型表達目的的不同進行組合。

    3 產(chǎn)品全生命周期信息元模型分析

    采用層次分析法分析直升機產(chǎn)品全生命周期信息元模型，可將直升機產(chǎn)品全生命周期信息模型分為設(shè)計級、協(xié)同級、系統(tǒng)級這3 個層次。其中設(shè)計級是產(chǎn)品全生命周期信息元模型的最原始單元，包括產(chǎn)品需求論證、概要設(shè)計、仿真分析、詳細設(shè)計等直升機產(chǎn)品全生命周期過程在內(nèi)，以一定組織形式形成產(chǎn)品仿真與設(shè)計數(shù)據(jù)的視圖管理；協(xié)同級在生命周期維度中增加了工藝制造、銷售交付、運行服務(wù)、退役回收等階段，按照系統(tǒng)工程及系統(tǒng)生命周期流程管理產(chǎn)品數(shù)據(jù)；系統(tǒng)級是協(xié)同級信息模型按照產(chǎn)品研制要求，在PLM 系統(tǒng)內(nèi)完成數(shù)據(jù)信息的共享和傳遞。系統(tǒng)級層次模型是直升機產(chǎn)品生命周期維、SE 方法體系維和視圖結(jié)構(gòu)維3 個維度信息所構(gòu)成的空間信息結(jié)構(gòu)。應(yīng)用矩陣形式描述直升機產(chǎn)品全生命周期系統(tǒng)級信息結(jié)構(gòu)，獲得矩陣A=〔L×V〕⊕ SE，式中：SE 為系統(tǒng)工程及系統(tǒng)全生命周期流程管理信息維中各種項目流程、技術(shù)流程等信息的集合，L 為全生命周期維，V 為組合視圖維，則系統(tǒng)級模型A 上任一點的結(jié)構(gòu)信息a 描述為PLM 系統(tǒng)某階段內(nèi)不同視圖結(jié)構(gòu)信息的聚合。

    產(chǎn)品全生命周期信息元模型采用形式化語言定義和描述數(shù)據(jù)元模型克服了傳統(tǒng)產(chǎn)品模型的不足，在產(chǎn)品協(xié)同研制的模型信息交互過程中，對傳統(tǒng)的產(chǎn)品模型進行了功能抽象及再抽象，形成元模型及模型的描述文件（如*.xml 等）。元模型信息（如文本、結(jié)構(gòu)、電磁、流體等）結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化的描述文件不需要參與需求分析、聯(lián)合仿真、協(xié)同設(shè)計、工藝制造等全生命周期過程中，支持對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能和在特定環(huán)境下的行為描述。

    直升機產(chǎn)品全生命周期管理技術(shù)與系統(tǒng)集成

    關(guān)于全生命周期管理的OMG標準有AP203（針對通用機械設(shè)計的標準）、AP209（關(guān)于有限元分析的應(yīng)用協(xié)議）、AP214（基于特征的面向汽車設(shè)計全過程的設(shè)計協(xié)議）、AP224（用于CAPP 支持特征的機械設(shè)計應(yīng)用協(xié)議）、AP239（PLCS,構(gòu)建產(chǎn)品生命周期支持系統(tǒng)的標準）、AP233（計算機可識別表達和系統(tǒng)工程數(shù)據(jù)交換的標準）、AP242（管理基于模型的三維工程）、PDMSchema以及PLM Services，這些標準都是基于全生命周期管理的產(chǎn)品數(shù)據(jù)對產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)庫進行擴展的，主要管理不同生命周期階段產(chǎn)品數(shù)據(jù)的關(guān)系及其有效性。集成技術(shù)用于實現(xiàn)產(chǎn)品研制的全生命周期過程中所涉及的各類軟件工具的集成與封裝，并通過流程與方法實現(xiàn)軟件工具間的數(shù)據(jù)傳遞，支持不同軟件工具的模型抽取、腳本及參數(shù)驅(qū)動等功能。集成技術(shù)根據(jù)集成的松散耦合程度不同而不一樣：一類是基于API 接口和第三方工具（如Portal 等）完成系統(tǒng)集成，這類集成對結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和信息處理較少，主要做數(shù)據(jù)查詢、信息處理、數(shù)據(jù)整理等產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息發(fā)布對接的松散集成；另一類是基于OMG 標準的緊密集成，即基于標準模型實現(xiàn)多種CAx 協(xié)同和集成，利用中間件或中性文件（如XML 等）獲取處理相關(guān)信息。

    直升機全生命周期管理通過不同信息應(yīng)用系統(tǒng)之間的集成，從而實現(xiàn)直升機產(chǎn)品的全生命周期數(shù)據(jù)綜合集成和協(xié)同創(chuàng)新，這就要求在統(tǒng)一的直升機產(chǎn)品全生命周期管理業(yè)務(wù)邏輯結(jié)構(gòu)下實現(xiàn)。按照系統(tǒng)工程V&V 流程和系統(tǒng)生命周期流程概覽（ISO/IEC 15288： 2008）內(nèi)容要求，結(jié)合直升機系統(tǒng)與產(chǎn)品研制的特點，如圖3所示，直升機產(chǎn)品全生命周期管理集成架構(gòu)（HelicopterLifecycle Integration Architecture，HLIA）是在通過對直升機研制過程中產(chǎn)生的信息和數(shù)據(jù)進行歸納，發(fā)現(xiàn)在基于模型的系統(tǒng)工程理論基礎(chǔ)上，不同工具、不同系統(tǒng)所產(chǎn)生的不同類型數(shù)據(jù)在直升機產(chǎn)品全生命周期管理過程中流轉(zhuǎn)規(guī)律。

    圖3 直升機產(chǎn)品全生命周期管理集成架構(gòu)

    HLIA 在整個直升機復(fù)雜系統(tǒng)全生命周期管理過程中一般采用多層體系結(jié)構(gòu)，即在元模型驅(qū)動下完成由直升機全生命周期管理業(yè)務(wù)邏輯結(jié)構(gòu)向直升機產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)集成的轉(zhuǎn)換。元模型驅(qū)動的直升機產(chǎn)品全生命周期管理集成架構(gòu)以元模型為核心，整個集成平臺具備更好的開放性和集成性，DB Server 和File Server 為底層資源層，由PLM UI 完成信息的輸入和輸出。元模型支持以UML 和SysML 為建模語言，使用UML ModelTool 和SysML Model Tool 建立信息模型，以XML Builder、XML Mapper等實現(xiàn)信息模型的轉(zhuǎn)變，基于PLMXML、Multi-sites、JDBC 等方式提供PLM 系統(tǒng)內(nèi)部級數(shù)據(jù)交換，通過XML、STEP、XLS、PLM Services、PDM Schema、PDM Enablers 等數(shù)據(jù)交換方式與直升機產(chǎn)品全生命周期過程中的其他應(yīng)用系統(tǒng)（CAx、CRM、SRM、ERP、xDM 等）進行集成。

    結(jié)束語

    按系統(tǒng)工程方法定義下的直升機產(chǎn)品全生命周期的主要工作內(nèi)容已發(fā)生包含平臺、架構(gòu)、體系及過程等在內(nèi)的質(zhì)的變化。元模型驅(qū)動解決了直升機產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)單一源與系統(tǒng)集成性的問題，通過元模型的構(gòu)建與轉(zhuǎn)換表達，形成了直升機產(chǎn)品全生命周期管理業(yè)務(wù)邏輯和集成技術(shù)架構(gòu)，結(jié)合相應(yīng)數(shù)據(jù)交換標準總結(jié)了直升機產(chǎn)品全生命周期的系統(tǒng)集成技術(shù)。目前，隨著系統(tǒng)工程理論和計算機信息系統(tǒng)有關(guān)工具的不斷發(fā)展，基于元模型構(gòu)建的直升機產(chǎn)品全生命周期管理和集成技術(shù)也將隨之日趨成熟和完善。

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本文標題：直升機產(chǎn)品信息全生命周期管理與集成技術(shù)研究

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