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航空制造业数字化协同技术综述

2019-06-10 09:59 出处:未知 人气: 评论(

  作为高端装备制造业的典型代表,航空制造业具有集成与综合化程度高、多元化广域协同范围广等显著特征,需要充分利用先进的数字化协同技术,构建多层次、多方位的全价值链协同业务体系和应用体系。我国航空制造业在全球产业竞争格局大调整、大变革和大发展的历史时期,迫切需要优化产业结构,突出核心能力,以抢占价值链高端。在此背景下,有必要面向企业业务转型升级的总体目标,从全生命周期产业链、端到端价值链等多个角度,重新梳理飞机工程研制与服务保障的协同业务模型体系,并引入新的信息化技术和先进管理思想,构建数字化协同的先进协同应用体系,推动飞机研发、制造、服务保障的业务模式变革,提升核心竞争力。

  国内外现状

  1 国外情况

  计算机支持的协同工作(Computer Supported Cooperative Work,简称CSCW)的思想是1984 年由Grief 和Cashman提出的,其目的是构建一个计算机支撑下的虚拟共享环境,使分布在异地的人员能够基于该环境进行快速、高效的协同工作[1]。欧美等发达国家对CSCW 的研究和应用高度重视,并且通过政府、机构和大公司的资助, 支持科研院校进行了大量面向工程实际的协同技术研究工作。如欧洲的Esprit II 计划中的Euro-CoOp 项目[2] 就是为了开发能支持分布式协同的系统,并将其应用于大型的工程项目。Stanford 大学联合Lockheed、EIT 及HP 进行的PACT 项目[3] 用于研究大规模、分布式并行工程系统,重点研究分布式协同设计的问题。由APAR SISTO 资助Stanford 大学CDR、EIT 及SIMA 合作开发的SHARE 项目[4] 支持Internet 网上的设计小组进行同步的产品设计。

  随着欧美高端制造业企业纷纷采用全球化战略,不断优化产业结构,并通过产业链的分散化协同实现优势互补,从工业化需求层面大大推动了协同技术的发展和工程化应用,形成了大量数字化协同的成功案例和最佳实践。如Airbus 的ENHANCE、VIVACE 项目[5],以及Airbus 集团(原EADS 集团)发起的PHENIX 项目[6],并基于这些项目构建了A380/A350/A400M 等型号的PLM 协同平台。Boeing、Lockheed Martin、Raytheon、NASA、Thales 等公司也通过实施PLM 协同平台推进了其业务变革和转型工作。下文以Airbus 集团为例进行说明。

  在全球化战略指引下,Airbus 集团的业务模式由Build to Print(来图加工模式)向Integrators(集成商模式)转换,即只关注顶层设计及集成、客户服务、适航等核心业务,剥离非核心业务,将70% 以上的零部件分包给RSP(风险共担供应商)和二级、三级供应商。为了适应该业务模式,Airbus 集团在2007 年实施了PHENIX 等项目,以推进PLM 等信息化平台在三大子公司和扩展企业(EE)范围内的应用、工具及流程的统一。基于该项目,Airbus 集团面向产品全生命周期构建了市场营销、研发、生产、客户服务的一体化应用体系。该应用体系通过xBOM 实现单一数据源管理和全生命周期构型管理,通过构建面向全球的协同环境实现EE(ExtendedEnterprise)的广域协同,以支撑空客内部以及17000 多名供应商之间的协同研发,保证了A380/A350 XWB等型号研制的成功。

  在Airbus集团的业务转型过程中,其90 年代专门成立的ACE (Airbus Concurrent Engineering)部门强调将业务与新的管理理念和PLM 等信息化工具紧密结合,不断优化组织结构、业务流程、标准体系及应用工具,将传统的串行研制模式转变为并行工程研制模式,并在A380、C295、A400M 和A350 等型号的研制中成功地进行了应用,大大提高了协同效率,缩短了研制周期。在A320neo新型号研制中,ACE 又提出了协同工程[7](CollaborativeEngineering)的新研制模式。在并行工程模式中,功能设计(Functional Design)与生产工艺设计(Industrial Design)虽然存在并行,但是仍然是两个不同团队、不同业务流程,设计交付DMU 之后,工艺仍然需要进行转换工作。在协同工程模式中,功能设计与生产工艺设计的业务和组织完全融合,采用统一的设计流程,并将一个统一的iDMU(Industrial DMU)交付给生产执行环节(MES/ ERP)。生产执行环节的超差偏离将反馈至iDMU,形成As-Built(单架次实例化DMU)。传统模式、并行工程及协同工程的差异性比较见表1[7]。

  

  2 国内情况

  国内制造业从20 世纪70 年代开始应用数字化技术,经过近30 年的努力取得了显著成效,在产品设计、制造、管理的各个环节已广泛应用数字化技术,各种诸如CAD、CAPP、CAM、PDM 和ERP 等单项技术与系统的应用比较普及,产品研制周期明显缩短,设计制造质量显著提高。面对市场与研制的全球一体化趋势,我国的航空制造业从原来一厂一所的独立研制模式向多厂所联合研制甚至国际合作研制的模式转变。借助大飞机等重大工程项目,中航工业第一飞机设计研究院、中国商飞等单位纷纷开展了分布式数字化协同研制平台的建设[8],型号研制中的多家参研单位可以基于该协同虚拟工作环境开展协同工作、数据共享、构型状态管理和控制等,以消除多家参研单位的地域障碍,提高协同效率,确保了型号研制的成功。

  与国外高端制造业企业的数字化工程协同能力建设情况相比,国内航空制造企业虽然构建了相应的数字化协同应用体系,但是传统的业务模式仍然没有发生大的改变,工程协同的建设内容主要限于数据的发送与接收、现场单据协调等,缺少与业务的紧密融合和相互促进,数字化协同技术的效能和价值远未发挥。针对这些问题,下文将从数字化协同技术架构和关键技术两个方面分别进行详细论述。

  数字化协同技术架构

  为了提高市场竞争力,航空制造业未来将持续推进业务转型升级,通过调整和优化产业结构,进一步开放价值链体系,以实现优势互补和降低成本。未来航空制造业全球化开放式价值链体系如图1 所示。在该体系中,大部分的产品设计、原型制造、零部件生产、系统集成都将外包给多级供应商,主制造单位主要负责顶层架构设计、标准工艺过程开发、关键系统及整机总装集成、销售服务、项目管理、质量管理、商业模式开发等。主制造商通过供应链管理SCM、产品全生命周期管理PLM 等软件实现与供应商的协同和管理。

  基于上述价值链模式,引入先进的研制管理模式,结合航空制造业的业务特点,给出了如图2 所示的数字化协同技术架构。该架构包括3 个层次:业界先进的管理思想、4 个维度的数字化协同技术和标准化工程中间件技术。

  其中,业界先进的管理思想包括基于模型的系统工程、并行工程/ 协同工程、精益化管理、全球产业链分散化管理等。数字化协同技术包括以模型为核心的多专业/ 多学科协同技术(Model Centric)、以模块化为核心的全生命周期价值链端到端一体化协同技术(ModuleCentric)、以规划和计划为核心的工程管理协同技术(Plan Centric)、以合同协议为核心的全球供应链协同技术(Contract Centric)。该协同技术体系涵盖了全寿期、多层次、多要素、多维度的协同业务。其中,全寿期包括立项论证至售后保障的全生命周期各个阶段,多层次包括专业内、多专业、企业间等,多要素包括进度、质量、技术状态等,多维度包括管理、工程、多级供应商、用户方等。标准化工程中间件主要为不同层次的协同提供通用技术支持,以实现信息集成、流程协同和数据共享。下文将分别对上述技术进行详细论述。

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