液體動力研制體系數字化轉型的探索與思考

　　摘要:在數字化轉型的大趨勢下，如何優化升級液體動力研制體系，支撐液體動力技術和能力的綜合提升，成為當下亟需解決的問題。在分析了國內外航空航天企業數字化轉型的現狀與趨勢、數字化技術與液體動力融合過程的基礎上，通過研制流程再造，提出了液體動力數字化研制體系的總體框架。結合工程實踐，開展了協同研制、集成設計、知識管理、數字化制造等方面的探索，并對數字化轉型工作進行了深入思考，重點分析了數字化轉型的路徑選擇、對信息化建設的挑戰，為加速液體動力研制體系的數字化轉型提供了方向，對其他制造業的數字化轉型也有借鑒意義。

　　關鍵詞:液體動力;研制體系;數字化轉型;流程再造;數字樣機

　　0引言液體動力是運載火箭和導彈武器的核心裝置，系統組成復雜，工作環境惡劣，涉及的行業和學科多，其研制過程是一項復雜的系統工程[1]。從最初的方案設計到成熟應用需要研制系統內外大量的工作協同，經歷復雜的工程實踐和反復的技術迭代，才能成功。在這個過程中，原有研制體系發揮了重要作用，保證了以載人航天、月球探測等為代表的國家重大工程的順利實施[2]。在國家深化制造業與互聯網融合發展、實施中國制造2025戰略的大背景下，如何利用先進的數字技術重構液體動力研制體系，支撐液體動力技術和能力的綜合提升，進一步夯實航天數字化發展的基石，成為當下亟需解決的問題。

　　1國內外航空航天企業數字化轉型現狀與趨勢

　　近年來，隨著云計算、大數據、物聯網、人工智能等新興信息通信技術[3-7]與先進制造業的不斷深度融合，制造業正在邁向體系重構的新階段，加速向數字化、網絡化、智能化方向延伸拓展，萬物互聯、數據驅動、軟件定義、組織重構成為當前制造業數字化轉型的主要趨勢[8]，作為制造業重頭戲的航空航天企業明顯加快了數字化轉型的步伐。

　　1.1國外航空航天企業數字化轉型現狀與趨勢

　　在數字時代，為繼續保持國防系統的能力優勢，美國接連發布《國防部數字工程戰略》和《國防部數字現代化戰略》，指導整個國防系統數字工程轉型的規劃、開發和實施，推動從以文檔為中心的線性采辦流程向以模型為中心的數字工程生態系統的轉變，建立無縫、敏捷、彈性、透明和安全的數字基礎設施和服務，提高國防部的信息優勢，簡化與任務伙伴的信息共享，加快推動國防系統完成數字化轉型。洛克希德·馬丁公司提出了“數字織錦”計劃，將復雜的裝備系統設計、制造、運營和保障等全面地交織起來，構建覆蓋全生命周期、全業務領域、數據高度集成、各學科建模和仿真緊密耦合的新一代數字化設計制造體系，加速推進公司數字化轉型。

　　泰雷茲公司深化數字化技術應用，基本實現產品全生命周期中產品數字化價值流的連續、無縫的傳遞與貫通，在法國、加拿大、新加坡等地投資建設了多家數字工廠，加速自身及所有客戶的數字化轉型。為深化數字化轉型，歐空局開發了協同工程環境(CEE)，并在虛擬航天器環境工程(VSEE)、數據映射編輯器和空間系統數據庫等項目上應用，有效地解決了需求管理、項目管理等問題，實現了設計流程、文檔、方法、工具、架構和成果的重用，顯著提升了型號研制效率，降低了項目風險。美國航空航天局(NASA)開發了全新的工程開發環境(AEE)，通過網絡門戶和設計過程管理、設計與工程分析工具集成以及產品模型數據集成管理，支撐NASA在RLV的研制過程中可以方便、靈活地實現多構型、多方案、多技術的比較和融合，確保了優化方案的可靠性。

　　1.2國內航空航天企業數字化轉型現狀與趨勢

　　航空工業在基于模型的定義方面起步較早，當時主要解決設計和制造的協同，最典型的應用是主機廠所在飛機設計階段就采用全數字量表達飛機的幾何特征，同時將數字樣機傳遞到制造單位，在數字樣機之上開展工藝設計、工藝仿真以及部分環節自動加工指令的生成。如大型客機C919全面采用MBD技術進行產品定義，設計返工減少40%，設計周期縮短60%，制造周期縮短30%。

　　目前，正在構建以模型驅動、連續傳遞為特征的先進工程環境，面向復雜系統的生命周期流程，有效解決工具和知識碎片化的問題，加速推進航空工業研制體系數字化轉型。航天科工集團以“信息互通、資源共享、能力協同、開放合作、互利共贏”為核心理念打造我國第一個工業互聯網平臺———航天云網，并以此為基礎推進數字化轉型。開展數字化協同設計，實現了基于虛擬樣機的總體與分系統并行協同設計和試驗驗證，總體成本降低20%以上，飛行試驗減少10%，產品返修率呈現逐年下降的趨勢。開展智能制造，逐步實現設備、管理流程、企業互聯的數字化、網絡化和智能化，航天某液壓系統生產效率提升30%，一次加工合格率提升30%。

　　航天科技集團采用并行協同設計與開發理念，將數字樣機技術應用于新一代運載火箭研制全過程，并推行數據驅動的生產制造，其中CZ-7運載火箭打造成為我國第一枚“數字火箭”，樹立了“設計數字化、模裝數字化、試驗預示化、生產自動化、管理信息化”的應用標桿。目前正在重型運載火箭上深入推進基于模型的系統工程的應用，規劃了需求模型、架構模型、參數模型、系統模型、產品模型、仿真模型、工藝模型、測試性模型這八大模型，取代文檔成為信息傳遞的載體，逐漸形成全環節數字化設計、異地網絡化協同、關鍵工藝過程智能化制造的新一代運載火箭研制新模式。

　　2液體動力數字化研制體系的構建

　　目前，液體動力與數字化技術的融合還處于一邊摸索一邊試點應用的階段，其數字化應用水平與國內外先進的數字化制造業還有一定差距。為加快液體動力研制體系的數字化轉型，需要運用先進的信息技術和理念對現有研制流程進行數字化再造，在保持當前布局和管理架構不變的前提下，構建新型數字化研制體系，建成基于模型驅動的一體化研制模式，實現液體動力協同模式向流程化實時在線轉變、研發模式向數字化并行協同轉變、生產模式向透明化精益可控轉變、驗證模式向虛擬化結果預示轉變、組織模式向集成化高效運作轉變、管理模式向精細化集中管控轉變，用“數字表征、過程量化、軟件定義、智能主導”的手段不斷化解液體動力研制過程中的不確定性，支撐液體動力研制效率、產品質量、核心能力的不斷提升。

　　2.1數字化技術與液體動力融合過程分析

　　液體動力研制體系數字化轉型的核心是數字化技術與液體動力研制過程的深度融合。結合液體動力研制實際，參照國內外先進行業數字化應用的最佳實踐，數字化技術與液體動力研制的融合過程可分為單點工具應用、數字化摸索、數字化試點推廣、一體化應用等4個階段，經過加入、改造、優化、創新流程的4次融合，從傳統單純的產品研發數據創建、管理及三維建模，發展到全周期產品數據管理支持下的數字化定義、虛擬化驗證、智能化制造，從液體動力數字化向數字化液體動力不斷轉變，最終實現數字化與液體動力的一體化融合。

　　2.2基于模型的液體動力研制流程再造

　　60多年來，液體動力通過開展自主研制和工程驗證，形成了比較完善的型號研制技術迭代過程和工程階段劃分，包括方案可行性論證、模樣、初樣、試樣、定型和批生產等多個階段[9]，在建設航天大國的過程中發揮了重要作用。由于缺少數字化條件的支撐，每一個階段中各個環節之間相互協同不足。

　　圍繞階段研制目標，每一個階段都需要開展相應的實物驗證以考核產品各部組件、零件的方案可行性、匹配性和工作性能，一旦不符合要求，都需要進行方案更改和重新驗證，不斷重復設計-制造-試驗的工程化大循環，不但成本高、周期長，而且質量和可靠性保障難度大。隨著數字化技術的不斷發展和應用的不斷深入，需要對現有研制流程加以優化和改進，逐步形成液體動力數字化研制新模式。液體動力研制的每一個階段，基本都遵循一個V字形的研制架構。

　　V字圖的左邊是一個自頂向下的解耦與分解過程，右邊是一個自底向上的驗證與綜合過程。具體到每一個階段需要根據階段研制目標做適當裁剪，但核心的流程與方法是一樣的。采用MBE[10-18](基于模型的企業)系列技術，圍繞DMU[19-23](數字樣機)，從需求分析開始，基于成熟度開展并行協同研制，從設計內部協同到設計與工藝、制造及試驗的協同，將設計-制造-試驗的工程化物理大循環迭代變為大量設計-驗證-綜合的數字化小循環迭代，在產品實際生產之前盡可能多地發現問題、優化設計，縮短單次循環迭代周期，提高產品制造一次成功率，實現快速研制。

　　同時，充分發揮數字化研制在可重復、低消耗、高效率等方面的優勢，將有限的實物試驗與大量的仿真分析和虛擬驗證緊密結合，逐步減少實物驗證頻次，節約研制經費，縮短研制周期。在這種模式下，數字樣機是產品研制的單一數據源，在研制過程中不斷進化完善，并與物理樣機聯動，打通數字世界與物理世界，形成數字孿生[24-28]，打造虛實結合的新型數字化研制體系，創新研制模式，提升核心能力。

　　2.3液體動力數字化研制體系總體框架設計

　　在研制流程梳理的基礎上，結合數字化技術的發展趨勢，液體動力數字化研制體系以數字樣機為核心，分為經營管控層、工程研制層、基礎支撐層3個層次，與數字化質量保證體系、數字化標準規范體系共同組成一個完整的數字化工程研制體系。經營管控層以企業門戶為統一入口，以型號項目管理為主線，以人力、財務、資產、供應鏈管理為支撐，圍繞計劃與進度、質量與可靠性、成本與收益，開展指揮調度和決策支持，實現科研生產全過程、全要素、全周期管理。

　　工程研制層圍繞數字樣機構建，從應用、工具、系統、協同4個維度為設計、制造、試驗單位提供數字化平臺支撐，實現型號研制全生命周期高效協同和基于多BOM的技術狀態控制，是整個數字化研制體系的核心。基礎支撐層由數據中心和軟硬件基礎條件組成，其中數據中心是關鍵，存儲和管理型號研制全過程數據、經營管理數據以及全局性基礎共用數據，通過開展基于大數據的垂直集成、治理整合與挖掘分析，從數據中洞察規律，為科研生產業務運行提供指導，為領導決策提供支持。

　　數字化質量保證體系圍繞數字樣機質量評估與技術狀態控制，在產品數據管理系統的支持下，實現數字樣機相關數據質量的有效管控和可追溯。數字化標準規范體系以規范數字樣機設計、注重實踐與應用為原則，采用“臨時標準、實踐檢驗、不斷完善、正式標準”的方式逐步推進，最終形成涵蓋通用基礎、數字化設計、數字化仿真、數字化制造、數字化管理、數字化服務六大方面的數字化技術標準體系框架，指導數字化研制工作順利開展。液體動力數字化研制體系主要包含以下六個方面內容。

　　2.3.1以數據全集為依托的數字化管控以精益理論為指導，以項目管理為龍頭，以管理會計為核心，以打通物流、資金流、信息流，優化價值鏈為目標，建立基于主數據的人、財、物、計劃、質量和決策等數據全集與數據共享機制，實現科研生產和經營管理核心業務的數字化集中管控。開展大數據智能分析，從數據中洞察規律，為科研生產業務運行提供指導，為領導經營決策提供支持。

　　2.3.2以數字樣機為載體的數字化協同采用IPT(集成產品團隊)、MBD(基于模型的定義)、DMU等新技術、新方法[29-36]，建設平臺松耦合、數據緊耦合的液體動力協同體系，打通型號研制全流程協同數據流，強化多專業、多學科、跨地域的并行協同，提供多站點協同、業務組件協同、IPT協同和可視化會議協同等服務，提升液體動力研制的整體協同效率。

　　2.3.3以模型驅動為核心的數字化研發采用MBSE(基于模型的系統工程)理念與方法[37-44]，建立發動機系統多視圖、多領域統一模型，用模型表征設計過程與結果，打通需求分析-架構設計-仿真驗證的閉環鏈路，達到系統方案優選、參數整體優化、指標合理分配的目標，突破傳統經驗設計和試驗設計模式的局限，提升研發效率和創新能力。

　　2.3.4以智能互聯為基礎的數字化制造在工業控制系統與涉密信息系統安全互聯互通的基礎上，圍繞工藝與生產流程優化、質量與工藝可靠性保證，加快推進三維結構化工藝設計、生產計劃精準排產、質量評價手段提升、物流供應模式變革、生產線(單元)自動化改造、制造過程仿真、智能車間等條件建設，打通全流程制造的數字化鏈條，用數據驅動制造效率和產品質量不斷提升[45-53]。

　　2.3.5以虛實結合為手段的數字化試驗進一步優化液體動力試驗試車業務流程，深化試驗綜合管理系統建設與應用，實現試驗流程規范化、試驗數據標準化、數據入庫自動化、試驗過程可視化、數據處理智能化。推進試驗試車數據深度利用，支撐液體動力設計的快速迭代與優化。采用數字孿生技術，研究建立與物理試驗系統相匹配的虛擬試驗系統[54-56]，逐步減少實物試驗的頻次。

　　3液體動力研制體系數字化轉型的探索

　　針對液體動力研制的瓶頸與短板，圍繞業務流程并行化、管理模式精細化、產品設計關聯化、科研生產虛擬化開展數字化轉型的探索。

　　3.1開展協同研制，突破串行模式，探索設計制造一體化建立基于IPT的協同工作模式，工藝、工裝、制造、材料人員提前參與設計，減少設計反復;建立基于MBD的協同設計模式，基于骨架模型實現自頂向下設計，基于三維模型實現結構協調，實現三維標注模型下廠，取消紙質結構設計任務書和二維工程圖，打通從設計到工藝的數據流。研制模式實現從以二維工程圖為中心到以三維模型為中心、從傳統串行到協同并行的轉變，初步估算縮短研制周期30%。

　　3.2開展集成設計，探索工具、方法、流程和知識有機融合建立集成設計平臺，集成各專業、各學科的設計仿真工具，并以流程的形式驅動設計工作開展，實現設計過程高效協同。建設知識管理平臺，對研制經驗進行分類和結構化處理，形成知識條目和知識地圖，自動推送到集成設計平臺，實現知識積累與高效利用。探索了一條以模型為核心實現液體動力快速設計的實用工程化技術途徑，初步估算提高設計效率30%。

　　3.3開展數字化制造，探索透明化、無紙化、精益化制造圍繞產品質量保證和制造效率提升，基本實現從液體動力生產計劃投產、工藝設計管理、生產制造執行、質量追蹤管理到最終產品交付全過程的數據集成和傳遞應用，主要制造過程數據鏈路基本貫通，數字化制造框架體系初步建立，關鍵制造過程信息化覆蓋率達80%以上，生產線數字化應用、信息化管理能力顯著提升。

　　4液體動力研制體系數字化轉型的思考

　　4.1數字化轉型路徑選擇

　　研制體系的數字化轉型包含建立數字化認知與思維、制定數字化轉型方案、實施數字化轉型、開展數字化評估與反思四個階段:1)建立全員數字化認知與思維是數字化轉型的起點，也是統一思想、取得共識的過程。

　　2)數字化轉型方案明確轉型目標與計劃，應由業務部門與IT部門一起，圍繞企業愿景與發展戰略制定，對業務而言是數字化技術的業務應用，對IT而言是業務問題的技術解決方案。3)成立領導小組和實施團隊，采取試點與速贏項目相結合的方式開展數字化轉型實施，先快速見效，樹立信心，再推廣實施。

　　4)對每一個階段的數字化轉型實施進行及時總結和評估，推廣轉型成果，反思存在的不足，在下一階段改進。如此循環迭代，直到轉型成功。研制體系的數字化轉型是新興IT技術驅動的轉型，需要在開展數字化技術研究、掌握其本質的基礎上，圍繞“項目、流程、模型、數據、知識、數字樣機”六要素，統籌推進項目驅動的管理、流程驅動的協同、模型驅動的研發、知識驅動的設計、數據驅動的生產、樣機驅動的驗證，按照“強化規劃引領、加強方案論證，推動項目分步實施”的思路，開展液體動力數字化研制體系建設，逐步實現轉型升級。

　　科技論文投稿刊物：《國防科技》National Defense Science & Technology(雙月刊)曾用刊名：國防科技參考，1978年創刊，是國防科技大學主辦的科技軍事類綜合性學術期刊，雜志堅持軍事與科技結合，兼承國防和軍隊現代化建設法服務的宗旨。堅持科技與軍事、文化的結合，堅持前沿性、思想性、學術性的標準，堅持高品位、高檔次的學術期刊辦刊方向。讀者為科技、軍事領域教學科研人員、國家軍隊人員。

　　5結束語

　　數字化浪潮滾滾而來，未來只有兩種企業，要么是數字化原生企業，要么是數字化轉型企業。液體動力研制體系的數字化轉型是IT技術驅動研制體系不斷變革、研制體系融合IT技術不斷創新的漫長重塑過程，貫穿研制管理、產品設計、智能制造以及服務交付的全過程，包括發展戰略制定、研制模式創新、IT架構升級、流程化組織重構、數字化人才培養、數字化企業文化重塑等內容，是一項艱巨復雜的系統工程，沒有現成的模式和固定的路徑，需要結合液體動力的研制特點和管理實際開展，需要不斷地迭代方案、優化流程與投入資源，需要企業高層的全力推動、全員的充分參與、IT的賦能到位，才能取得最終的成功，為支撐液體動力核心能力提升與航天強國建設、實現“高質量、高效率、高效益”發展目標提供有力保障。

　　參考文獻:

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　　[5]包政.互聯網的本質[M].北京:機械工業出版社，2018.

　　[6]魏毅寅.工業互聯網:技術與實踐[M].北京:電子工業出版社，2017

　　作者：陳彥林，許藝峰

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