基于动态联邦的军用特种车辆数字化协同研制模式研究

杨建新，刘文军，李翠霞

(中国兵器工业信息中心，北京 100089)

以坦克、步兵战车为代表的军用特种车辆是陆军地面作战的主战装备[1]，也是攻城略地、夺取战争最后胜利的重要力量，其研制能力直接反映了国防军工行业的科技水平。军用特种车辆研制是一项跨地域、跨企业、跨专业高度协同的复杂系统工程，具有参研单位众多、协作配套关系复杂、设计制造分离、多学科交叉等特点，面临战技指标、质量可靠性、成本控制、交付周期等客户需求日趋严格的巨大压力，迫切需要构建“智能制造+网络协同”的数字化协同模式，实现总体单位、参研单位、总装厂、协作配套单位之间协同研制。

放眼全球，制造业正面临着“以数字化为核心特征”的第三次产业革命[2]，国内外大型制造企业通过构建网络化协同环境，形成了全球协同研制模式。波音公司基于网络建立了基于单一数据源的核心流程和系统框架[3]，在B787项目研制中实现了25个国家、135个工作地点、180个供应商的全球协同研制，实现了飞机研制的全生命周期管理；洛克希德·马丁公司在JSF项目[4]中通过构建全球性的数字化协同研发平台，实现了全球5万多名工作人员协同研发，F-35战机研制周期从42个月缩短至24个月，成为协同研制的最高典范；国内中航工业在ARJ21项目[5-6]中建立了协同飞机设计制造平台，实现了以数字样机为核心的多厂所联合协同研制；我国商飞在C919项目[7]中建立了面向飞机全生命周期集成数字化环境IDEAL平台，实现了国内22个省市、200多家企业、36所高校、数十万产业人员的共同参与；航天科技以AVIDM为基础，构建了航天全生命周期数字化研制综合能力平台[8]，采用基于数字化的IPT工作模式，建立了三维关联设计、IPT协同团队、成熟度的研制协同模式，实现了多种火箭、卫星产品的全三维协同研制。

随着当前数字经济的快速发展，推动互联网与制造业融合[9]已成为当前制造业的主要工作。鉴于此，军用特种车辆面对产业结构调整、资源环境挑战、数字技术发展创新带来的行业颠覆与机遇，加快前瞻部署数字转型和智能升级的发展战略，构建数字化协同研制平台，增强总体单位在研制过程中的龙头作用和协调能力，充分发挥各专业所和制造厂的专业化协作能力与配套能力，形成“数字研制”新形态。

1 数字化协同研制需求分析

多年来，兵器集团各单位通过数字化建设，建立了各类数字化应用系统，支撑企业数字化研发生产与经营管理。但是，各单位数字化发展水平参差不齐，CAD、PDM等软件存在品牌、版本不统一等问题，缺乏统一的协同工作平台支撑，严重地制约了总体单位和协作配套之间数字化研制工作的开展。随着军用特种车辆由单一作战单元向模块化、通用化、系列化的技术方向发展，为保证按期高质量完成军用特种车辆研制任务，迫切需要建立基于数字样机的数字化协同研发流程，支撑多专业学科、多部门进行数字样机交互式协同设计、分析与试验验证，实现研制流程的并行化和协同化，推动军用特种车辆研制从串行模式向并行模式转变，提升装备研发能力。

军用特种车辆全生命周期研制涉及三个层面的数字化协同研制业务：一是设计与设计协同，主要是在方案设计阶段和工程设计阶段，总体和分系统、分系统和子系统之间的设计协同，采用基于三维模型的自顶向下协同设计方法，通过基于三维骨架的数字化协调卡片实现设计意图的表达，协作配套单位之间开展协同设计，构建完整、正确、全尺寸的数字样机，通过数字样机完成总体布置、预装配、运动间隙控制与协调、可达性分析、人机交互、关键部件刚强度分析等，提高设计质量与效率，缩短研制周期；二是设计-工艺-制造协同，主要是在工程设计、工艺设计和样机试制阶段，设计和工艺之间针对关重件进行工艺审查，特别是当关重件设计达到一定成熟度时，通过预发放数据，制造企业可以提前开展工艺准备，从而缩短制造周期；三是制造-制造协同，主要是样机研制阶段的迭代改进，制造企业之间以数字样机为依据，实现总装厂与零组件承制厂、供应商异地制造过程，基于产品结构的数字化传递、分布式数据管理、产品数据共享与协同流程控制。

2 数字化协同研制平台建设

2.1 建设目标

通过对军用特种车辆研制流程的梳理，结合各单位数字化能力建设现状和发展目标，构建一个跨厂所(从总体到分系统、分系统单位之间、分系统到单机)、跨专业(设计、工艺、制造)、跨系统(支撑产品研制的各类应用系统)的数字化协同研制环境，将总体、分系统、制造厂联系在一起，实现基于实物样机的传统串行研制模式向基于数字样机的并行协同数字化研制模式转变。

1)研制业务融合：产品设计、工艺、制造并行，由传统串行模式向并行模式转变。

2)研制进度协同：形成自上而下的项目纵向管理环境，实现跨地域、跨单位的项目综合管控，有效提升产品研制质量，控制研制成本，保证研制进度，提高项目管理水平。

3)研制流程协同：产品研发生命周期内的所有业务流程在总体到分系统、分系统与分系统之间双向协同贯通，实现骨架模型发放、产品数据预发放、跨厂所的工艺会签、数据正式发放和跨厂所的工程变更。

4)研制数据协同：产品研制过程中所有数据均以设计BOM(物料清单)为源头，实现以BOM为核心的全生命周期技术状态管理。

2.2 协同研制平台的构成

由于军用特种车辆产品经常是众多产品同时并行研制，同一单位、同一个人经常分别隶属于不同的研发团队，负责产品的研发工作。为此，借鉴联邦[10]的思想，提出了基于动态联邦的军用特种车辆协同研制方法(见图1)。动态联盟非常突出的一个特点就是其组织形态上的多态性[11]，根据产品研制任务分工，以参研单位为粒度，根据项目的组织机构、配套关系，采用动态联邦的组织模式通过协同服务平台组建研制团队[12]，实现不同项目研制团队的灵活、快速组织，构建连接总体单位、分系统及研制单位的一体化集成环境，实现跨地域、跨单位、跨系统数据共享与交换、流程衔接、技术状态控制。

图1 基于动态联邦的数字化协同研制平台

基于动态联邦的数字化协同研制平台组成包括1个数字化协同服务平台和N个参研单位的产品数据管理平台(PDM)，其中协同服务平台是数字化协同研制平台的核心，主要负责协同服务的管理与调度，包括联邦成员管理、联邦构建管理、协同服务管理、协同中间件管理、协同运行监控、平台系统管理等功能。通过协同服务平台与各单位PDM系统集成，各单位以联邦成员形式加入数字化协同研制平台参与协同研制业务。协同服务平台主要包括如下功能。

1)协同联邦进行管理：对数字化协同研制平台中所有项目的协同联邦进行管理，包括项目状态、项目阶段、各阶段研制联邦组成等，各单位只有接入数字化协同研制平台成为联邦成员后，才能加入项目联邦团队，参与该项目的协同研制业务。

2)服务管理：对各联邦成员参与协同研制业务所需的各项服务进行注册与管理、调度，包括服务的注册、发布、查询、变更、调用、编排、路由、监控及信息聚合等内容，协同服务是参与协同业务的各联邦成员间进行数据与流程交互的支撑服务，是协同业务正常开展的基础。

3)综合监控功能：对型号项目研制过程中协同业务的开展情况、协同服务执行情况等进行监控和统计，并提供对协同历史和系统数据的追溯。

4)数据与消息交互服务：对协同业务过程中的数据、流程、消息通知等进行传递与交换，产品研制协同过程中各联邦成员间交换的产品数据、流程审批记录、协同流程执行状态等都通过数据与消息交互服务实现。

5)协同服务中间件：协同服务平台通过协同服务中间件模块对骨架模型发放、产品数据预发放等研制协同业务过程提供支持；与此同时，对研制任务下发与接收、研制进度反馈与接收、关键节点交付物提交与接收、进度执行异常信息的传递与接收等研制进度同步业务提供支持。

3 协同研制动态联邦构建

复杂产品协同研制动态联邦的构建过程如图2所示，主要分为如下5个步骤。

图2 复杂产品协同研制动态联邦构建过程

1)动态联邦初始定义。

当复杂产品研制项目的组织机构和任务分工确定后，首先进行动态联邦初始定义，确定动态联邦构成和协同机制；其次，定义联邦成员之间的协同关系(包括协同设计、协同设计制造和协同制造)、协同数据交互方式(包括选择CAD工具和数据交互标准)以及协同流程；然后，根据相关安全保密规范，定义动态联邦协同研制安全访问机制和数据交互策略；最后，编制《复杂产品协同研制动态联邦章程》，为动态联邦协同研制运行以及动态联邦协同研制环境构建提供依据。

2)动态联邦总体协同平台构建。

首先，根据联邦总体及联邦成员现有的PDM基础平台，选型并配置总体协同平台基础环境；其次，根据项目组织机构、任务分工、产品结构定义动态联邦总体协同平台的用户及其权限；第三，根据协同研制的标准件优选目录，在总体协同平台中定义标准件、元器件、通用件等，同时定义统一的信息编码规则；第四，由联邦总体统一构建复杂产品的产品结构树，形成初步产品结构(EBOM)；最后，由联邦总体和联邦成员共同定义数字化协同研制平台的数据存储规则和版本控制规则。

3)动态联邦协同研制环境集成。

采用系统集成技术，将联邦成员的内部协同研制平台和动态联邦总体协同研制平台进行集成，实现协同数据交互和协同流程互通。首先，对联邦成员内部协同平台和动态联邦总体协同平台的协同服务组件进行配置，形成互联互通的协同研制环境；其次，联邦成员根据协同需求向联邦总体协同平台申请并同步信息代码；第三，采用数据同步机制，将优选的基础数据同步到联邦成员；第四，联邦总体与联邦成员之间、联邦成员之间根据研制任务通过动态联邦协同研制平台交互产品数据；最后，根据联邦成员之间的协同关系，配置跨域协同流程。通过动态联邦协同研制环境集成，最终形成满足复杂产品动态联邦协同研制的协同平台。

4)动态联邦运行。

建立动态联邦业务运行和协同平台维护机制，并不断收集协同研制新需求，及时解决新问题，有效保证复杂产品动态联邦协同业务运行。

5)动态联邦解体。

在研制项目完成后，将解散动态联邦、归档产品研制数据、冻结技术状态、重新定义动态联邦总体协同研制平台用户权限。

4 基于动态联邦的协同数据集成技术

在军用特种车辆数字化协同研制过程中，数据的转换与映射是协同中的关键问题，但由于各单位CAD、PDM等软件由不同的实施方进行建设，导致各类数据模型的定义不统一等问题，对跨厂所的数字化协同研制数据交换造成了较大的障碍。

4.1 异构PDM系统数据交换

为了解决不同PDM系统(如Windchill平台和Teamcenter平台)之间数据交换与信息共享问题，简化数据交换的复杂性，采用中间格式的方法进行异构数据交换(见表1)。中间格式包含数据中间模型、关系中间模型和映射规则。其中，数据中间模型是一组协同业务所需的PDM对象的中间模型，关系中间模型是一组数据间的关系模型，映射规则是一种符合映射对象模型的XML文档，提供了本地PDM与中间模型的对应关系。中间格式的主要内容所示。

表1 中间格式交换方式

4.2 异构CAD模型数据交换

异构CAD模型数据交换是指不同三维设计CAD工具之间(如Creo和NX)的数据集成。目前，异构CAD软件之间数据交换主要是通过中性格式模型[13](如STEP)进行。然而，由于CAD源模型向中性格式模型转换时只能对三维模型的几何拓扑数据转换，模型的非几何信息(材质、技术要求等属性信息)往往无法转换。因此，异构CAD模型数据交换时不仅要求考虑模型的几何拓扑信息，还需要考虑非几何信息。基于动态联邦的数字化协同研制平台异构CAD模型数据交换如图3所示。三维CAD设计工具将源模型存储于PMD系统中，通过数字化协同研制平台进行跨平台数据交换时，通过调用特定的模型转换工具将源模型转换成中性模型，与此同时，将CAD模型中包含的非几何信息、装配约束信息进行解析，实现中性模型与对象和关系的映射关联。

图3 异构CAD模型交换技术

5 结语

根据上述研究成果，开展军用特种车辆数字化协同研制平台构建工作，研发基于动态联邦的数字化协同研制平台，实现军用特种车辆总体到分系统、分系统与分系统之间基于骨架模型的自顶向下设计、基于成熟度的数据预发放、跨厂所的工艺会签、数据正式发放、跨厂所的工程变更以及标准件、电子元器件等共性基础资源的数据共享，极大地提高了研制效率，缩短了研制周期，提高了数据一致性和有效性，对军用特种车辆的数字化研制模式变革发挥了重大作用。