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内燃机数字化的技术状态管理 |
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作者： |
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摘要：本文阐述了在内燃机设计过程中应用产品数据管理(PDM)系统进行的技术状态项目的管理、标志方法，为内燃机行业改变传统的设计理念，有效开展数字化技术状态管理提供借鉴。
关键字：内燃机数字化 技术状态管理 PDM
随着数字化技术在大功率内燃机行业应用不断深入，内燃机企业在缩短产品开发周期、降低产品研制费用、提高企业市场竞争力等方面得到了飞速发展，同时产品数字化技术应用标准也得到了迅速发展，例如三维建模系列标准、产品数据管理标准、数字化装配标准、数字样机系列标准、数字化工艺标准、数字化工作流标准、数字化制造标准以及数字化基础标准。伴随着内燃机产品研制的复杂化、多元化和系列化要求日益提高，数字化设计与制造技术已经应用于内燃机产品的研制中。如何有效保证数字化设计与制造过程中产品数据的一致性、完整性和可追溯性，需要做好技术状态的管理和标志工作非常重要。要一改过去传统的设计理念和管理模式，基于产品数据管理(PDM)系统开展高效率的技术状态管理。
1 产品分层次进行管理，合理规划技术状态项目
在产品数字化设计、生产过程中，针对技术状态项目和产品零部件的不同特征，采用不同的管理方式，并在PDM系统中分别定制技术状态项目规划环境和零部件设计环境，充分体现技术状态管理的层次性。通过对产品分层次进行管理，将产品的技术状态项目规划活动和零部件设计活动界定清晰，使开展活动的相应人员有明确的业务协调要求和责任分工。在技术状态项目规划环境中，技术状态管理人员依据系统规范和研制方案规划技术状态项目结构树，定义技术状态项目有效性和配置条件，通过配置产生相应的技术状态项目结构树反映各类技术状态基线，并将结构树的叶节点技术状态项目传递至零部件设计环境；在零部件设计环境中，设计人员在传递的技术状态项目下开展相应设计活动，组织零部件数据及相关技术文档。产品数字化研制的其他科研活动，也可按照此规则进行，如构建数字样机、协调技术方案和保障性空间分析等。
以技术状态项目为基本单元的技术状态管理，使产品结构树发生了变化，改变了传统数据结构树的单一性，结构关系难以灵活处理，不利于技术状态更改的控制。现在产品结构树分两个层次：顶层是技术状态项目层，由技术状态项目项构成技术状态项目树，枝节点是不可变配置项，叶节点是可变配置项，下层（在叶节点下）是数据层，由零部件装配等数字化定义结果组成，是针对每一工作单元的产品定义集，从叶节点往下延伸出零部件装配等结构树的分支。
技术状态项目规划是将复杂而深层次的产品装配关系，演变为技术状态项目间的配置关系，即将传统产品结构划分为两个层次，具体为配置管理功能的技术状态项目结构，以及技术状态项目下属的零部件装配结构；并伴随着产品研制的进程不断地循环迭代，趋于完善合理；其确定和规划所要考虑的主要因素有产品结构及工作分解结构；设计/制造分离面协调；通过合同确定，能够单独交付项目；互换性要求等。
技术状态项目规划是技术状态标志活动中极其重要的环节，技术状态管理人员是根据型号和各级系统规范及技术方案与设计人员一起开展此项工作。在型号的研制中，从方案阶段，技术状态管理人员就与设计人员一起确定和规划技术状态项目，有效保证了产品详细设计的开展。
2 配置技术状态项目有效性，面向客户确定技术状态基线
在技术状态项目管理层，技术状态项目是技术状态管理中配置有效性的对象，体现了“面向研制活动”的思想，是产品研制中科研业务的逻辑组合。通过技术状态项目有效配置管理，准确高效组织产品研制各项活动中产生的数据，建立它们之间复杂的逻辑关系，如总体及各系统方案、接口控制、技术验证项目、试验项目、生产制造过程偏离超差和技术返修等数据。
定义技术状态项目有效性的方式一般有3种：选项有效性（指根据技术状态项目所对应的某些选项的有效性，来确定在具体产品结构中是否选择该技术状态项目）、批次有效性（指根据技术状态项目在某批次中的有效范围来确定在具体产品结构中是否选择该技术状态项目）和时间有效性（指根据技术状态项目版本的有效时间来确定在具体产品结构中是否选择该技术状态项目）。
随着型号系列化规划和改型研制，将所规划技术状态项目树和选项目形成产品研制和技术状态管理的知识库，为新型号研制提供有效的重用资源。一方面提高了研制方自身开发效率，解决了产品模块化、系列化和通用化设计问题，另一方面便捷了客户选型，解决了面向客户确定技术状态基线的问题。面向客户的技术状态是通过建立和提供客户选项目录，满足了客户的多样化需求，是一个典型高效的精简技术状态管理策略。通过技术状态项目与客户选项的关联，使技术状态项目成为客户选项与产品设计制造之间的联系纽带，客户化定制则作为新增技术状态项目和选项不断充实丰富知识库和客户选项目录。通过这种策略，既提高客户的满意度，又符合产品系列化设计要求，降低了成本、风险，缩短了研制周期，是精益企业的开端。
3 内燃机数字化的产品设计过程中的技术状态管理
内燃机数字化的产品设计过程中的技术状态管理包括项目管理（产品数字化设计中，从项目启动到任务分发过程中，利用项目管理软件，对项目研发过程中管理）、过程管理（产品数字化设计，从任务接受到数据提交过程中，利用相关软件，对产品设计、仿真、试验等研究技术工作过程中发生的技术协调、分析计算、流程设置、更改方式、权限设定等工作事项进行的控制和记录。过程控制的目的是使项目的执行过程更加合理和规范）和数据管理（产品数字化设计，从数据提交到数据入库、管理和使用过程中，利用数据管理系统，对产品设计、仿真、试验等工作结果对象的审批、归档、管理和使用等工作事项进行的控制和记录）。
内燃机数字化的产品设计过程中的技术状态管理范围包括技术管理范围（采用数字化技术开展的发动机产品设计，其技术管理范围为项目管理、过程管理和数据管理）、项目管理范围（项目管理一般包括团队组织管理、计划管理和任务管理）。
内燃机数字化的产品设计团队组织管理要求包括柴油机数字样机研制任务下达后，项目总工程师组根据研制任务确定设计团队组织结构，包含设计团队岗位类别、各级别岗位人数，各岗位人员技术级别等。在项目开展过程中，总工程师组可以根据项目进展情况提出组织结构变更建议。科研调度根据总工程师组提出的设计团队组织结构，与各研究室负责人，协商对项目团队进行管理和调度，包括各岗位人员名单的确定、人员变更等。
科研调度应按照如下要求开展团队组织管理：
(1)按照协同设计实施规范Q/CNG33-2006的要求，建立数字化柴油机研制团队人员及组织体系，明确团队各级成员工作职责；
(2)数字化柴油机团队中各专业（结构、系统）设计人员对本专业的数字样机负责，同时应保证本专业数字样机可以应用于高一级结构或系统；
(3)团队中高一级成员负责对低一级成员负责样机的设计过程进行监控；标准化对数字化样机进行全过程规范化监控。
内燃机数字化的产品计划管理要求包括内燃机数字化样机项目策划和项目计划初稿由项目工程师组编制，内容包含项目研制周期、主要任务、任务目标、任务完成形式、任务开始时间和完成时间。项目团队组建完成后，科研处组织团队主要岗位成员讨论并分解项目策划和项目计划，制定年度和季度计划。在计划下发或发布后，各研究室、项目组成员应当进行计划的2级（或3级）分解。计划的下达和分解应当在统一的软件系统下进行。
项目计划应主要包括以下内容：
(1)整机研制周期、主要任务、任务的责任人、任务目标、任务完成形式和任务产出物、开始时间和完成时间；
(2)各系统、部件、零件设计任务的明细、开始时间、完成时间；
(3)各系统、部件、零件仿真任务的明细、开始时间、完成时间；
(4)各系统、部件、零件试验任务的明细、开始时间、完成时间；
(5)各系统、部件、零件试制任务的明细、开始时间、完成时间；
(6)发动机装配任务的明细、开始时间、完成时间。
内燃机数字化的产品任务管理要求包括内燃机数字样机任务分解在计划编制完成后进行，任务分解由科研处与主管设计人员协商完成，分解依据为项目计划。任务分解时应列出需要开展仿真计算和试验验证的零件明细，在综合考虑零部件设计周期、仿真周期、试验周期和加工周期的基础上分配零件设计任务。任务分配应该包含设计者、设计开始时间、设计节点等。任务书编制完成后形成任务管理文件签入产品数据管理系统，完成相应的审批流程后存档。
内燃机数字化的产品过程管理要求包括过程管理范围（数字化柴油机过程管理包括设计协调管理、仿真分析管理、试验验证管理、流程管理和更改管理等）。
内燃机数字化的产品技术协调管理要求包括数字化柴油机技术协调管理指对数字化柴油机研制过程中总体结构协调的管理。技术协调管理应遵循以下原则：
(1)柴油机数字化研制为自顶向下设计，应保证顶层骨架线唯一。
(2)在《数字化柴油机设计状态划分》中所规定的各个设计阶段开始时，总体应绘制总体结构方案骨架线，向相关设计人员发布。
(3)总体用电子协调卡片进行数字化柴油机结构变更协调。电子协调卡片在与所有相关结构、系统设计人员协商并同意后生效。
内燃机数字化的产品仿真分析管理要求包括在数字化柴油机研制过程中，零部件根据任务分解需要开展仿真分析时，需要对仿真分析过程进行管理。仿真分析应遵循以下原则：
(1)由设计人员编制仿真分析任务书，任务书中应规定仿真目的、仿真工况及仿真结果需求，明确设计可提供模型名称及数据类型。
(2)仿真分析人员根据仿真分析任务书开展仿真分析工作，仿真过程中与设计人员讨论并修正仿真计算模型，双方对仿真结果都认可后由分析人员编制仿真分析报告。仿真分析报告通过审批流程后存档并发放。
(3)仿真分析过程数据不作为设计数据管理，但仿真分析人员需保存仿真分析数据至该设计阶段结束或产品定型。
内燃机数字化的产品试验验证管理要求包括在数字化柴油机研制过程中，零部件根据任务分解内容开展试验验证时，需要对试验验证过程进行管理。试验验证应遵循以下原则：
(1)由设计人员编制试验任务书，任务书中应规定试验目的、试验工况及试验结果需求，明确设计可提供试验件名称及数量。
(2)试验人员根据试验任务书编制试验大纲，试验大纲中应明确试验方案、试验过程和试验结果记录方式。试验大纲通过审签流程后存档。经设计人员与试验人员协商，试验任务书和试验大纲可以合并为一份文档，经审签后存档。
(3)试验人员根据试验大纲设计试验装置，开展试验验证工作，试验过程和结果经设计人员确认后由试验人员编制试验报告。试验报告通过审批流程后存档。
(4)试验结束后，被试件应标志后保存至该设计阶段结束或产品定型。
内燃机数字化的产品流程管理要求应该包括以下内容：
(1)根据柴油机数字化产品数据的特点和管理要求，对不同的数据类型定制不同的审批流程，每类审批流程都应指定流程参与者、流程用户等。
(2)当数据进入审批程序时，应保证每个参与人员可以从个人工作任务列表中获取任务。
(3)在数据审批流程运行过程中，允许任何授权用户查看流程执行情况、流程中文档的确切位置、浏览历史以及参与者批注。
内燃机数字化的产品更改管理要求是根据柴油机数字化产品数据的特点和管理要求，对不同的数据类型制定不同的更改流程。更改管理功能应包括：
(1)更改的执行，包括更改请求、更改审批和更改实施；
(2)更改的传播，根据产品数据的相互关系，建立影响传播机制，对相关人员发布变更通知，并封锁受影响的数据对象；
(3)更改的跟踪与记录，包括跟踪更改过程，记录更改原因、结果和历史数据，控制版本变化。
内燃机数字化的产品权限管理要求包括内燃机数字样机研制过程中所使用的各类软件都应该对所产生的数据设定知悉范围和权限，各应用软件应提供以下权限管理功能：
(1)不同角色或用户的操作权限设定与控制；
(2)具体项目（或产品）的具体对象的访问权限设定与控制；
(3)产品数据各个工作状态的操作类型设定与控制。
内燃机数字化的产品数据管理要求包括数据类型、数据管理系统、数据管理要求，具体要求如下：
(1)数据类型
内燃机数字化研制过程中产生的数据有以下3类：
A类数据，包括以下几种数据：
①内燃机零件、部件和组件及其编号、材料、总重、加工方式等属性；
②表达内燃机零件、部件和组件间装配关系及数量的产品结构；
③描述零件的CAD图纸和三维模型；
④规定内燃机零件、部件和组件制造、装配等的验收（装配）技术规范。
B类数据，包括以下几种数据：
①内燃机零件、部件和组件仿真分析任务书及报告；
②内燃机零件、部件和组件试验任务书及报告；
③内燃机零件、部件和组件计算书；
④内燃机零件、部件和组件技术说明书。
C类数据，包括各种柴油机产品、零部件结构/性能参数
D类数据，除A、B、C类数据外所有其他数据
(2)数据管理系统
根据内燃机数字化产品研制工程中产生数据类型的不同，实行数据分类管理，数据管理系统分以下几种：
①项目管理系统，用于管理项目策划、项目立项报告、项目计划和项目任务书等；
②产品数据管理系统，用于管理数据类型中A类数据和B类数据；
③仿真管理平台，用于管理仿真过程和仿真结果数据；
④基础数据管理系统，用于管理C类数据。
(3)数据管理要求
数据管理功能应包括：
①数据的浏览与导航：根据数据的类型、名称、状态、所属的项目、文档所有者等属性进行查询，以及根据数据间的关联指针，查询该数据描述的零部件情况；
②数据的分类管理：按照不同类型的文档进行分类查询、分类归档，对各类文档在系统中按类型进行有序管理；
③数据版本管理：将文档的每一次变化设置为不同的版本（或版次），建立不同版本（或版次）间的对应关系，保证在特定的时间阶段对应特定的有效数据；
④数据有效性管理：数字化柴油机设计过程所生成的数据在全生命周期内应当为统一的数据源，具有全局有效性和唯一有效性；当数据进入更改流程时，应对其有效性进行封闭；
⑤数据的安全控制：将文档交给电子仓库统一管理，对不同的用户赋予不同的操作权限，保证文档的安全性。
4 内燃机数字化的PDM产品数据库技术状态管理
内燃机数字化的技术状态管理包括产品数据管理、产品全生命周期管理、企业资源计划、供应链管理、客户关系管理、制造执行系统、电子商务类、电子政务类等。重点反映数字化生产管理、资源管理、项目管理以及质量控制管理等方面需求。
PDM产品数据库管理是实现内燃机数字化管理的基础。其主要目标是管理内燃机产品研制过程中生成的所有信息，管理产品的构型和配置、管理研制过程、集成产品研制过程中使用的各种软件工具等。PDM产品数据库管理标准体系见图1。企业对PDM产品数据库应用标准化需求主要体现在以下方面：
图1 PDM产品数据库管理标准体系
(1)基础
PDM产品数据库基础主要包括术语和符号标准（制造业信息化技术术语、内燃机数字化设计术语标准）、信息编码标准（质量与可靠性信息库命名方法与代码、发动机产品结构编码、发动机产品零件编码、发动机产品专用工艺装备分类编码、代码与标志、产品质量与可靠性信息分类编码等）、源数据定义（数据源标准等）。
(2)文档管理
PDM的文档管理功能一般包括文档对象的浏览与导航、文档的分类管理、版本管理和安全控制等。管理的主要文件类型有图形文件、文本文件、数据文件、表格文件、多媒体文件等。对不同的文件类型均应建立相应的标准，如图形文件是由不同的CAD软件产生的描述几何图形的的文件，它存储了产品模型的设计信息和基本属性，构成对一个零部件的完整描述。PDM的文档管理必须能对产品的属性进行有效的管理，各企业根据实际情况针对不同软件产生的图形文件建立标准规定，如种子文件或文件模板、三维建模的环境设置、建模要求、二维工程图的环境设置、绘图要求、三维转二维的基本规定、零部件命名、图形基本属性等。文本文件是描述产品或零部件性能的文件，由文字处理软件生成。它存储了一般说明性文字，应按整体文件进行管理，并对其编写要求、文件模板、构成和条文编排格式等建立标准规定。其他类型的文件也应建立相应标准，以利于管理和检索。
(3)工作流管理
PDM的工作流管理保留和跟踪产品从概念设计、产品开发、生产制造直到停止生产的整个过程中的所有历史纪录，以及定义产品从一个状态转移到另一个状态时必须经过的处理流程。主要包括流程管理（产品数字化设计流程定义与控制、典型工序流程、工艺流程定义规范）、权限定义（PDM数据库系统设计审批权限要求）、管理要求（基于PDM系统的产品数据管理规范、基于PDM系统零件库管理要求、基于PDM系统构型管理要求）、数据的校对（数据提交规定）、审批审核（技术状态管理要求）、版本控制要求（设计更改控制、版本控制规则、文档有效性控制要求、数据更改要求）、数据的发放与传递要求（内燃机数字样机三维模型的数据转换与数据导出规定、内燃机数字样机三维模型的数据导出、发放与传递要求、内燃机数字样机二维工程图数据导出、发放与传递要求）、过程的协同并行控制机制（异地协同数据制造电子数据的传递与发放管理规范）、工程更改要求（内燃机数字样机工程更改要求）。
(4)产品结构与配置管理
产品结构与配置管理是PDM的核心功能之一，利用此功能可以实现对产品结构与配置信息和物料清单BOM的管理。其主要功能包括BOM的创建与修改、产品结构关系查询、BOM的多视图管理、与ERP集成的支持等。因此，实现该功能首先应对BOM的定义与转换、构型管理（构型标志、构型控制、构型纪实、构型审核）、产品结构分解与工作分解结构等方面做出规范。
(5)零件分类管理
零件分类管理是实现设计重用，提高企业创新设计的重要手段。其主要功能包括零件库建立及管理、零件和文档对象的检索功能、定义和维护分类模式的机制等。一’因此，其对标准的要求为标准件库、常用件库的构建要求，零部件分类码、分类结构和标准接口的要求以及用户自定义属性的要求等。
(6)应用封装与集成
PDM的应用封装与集成功能是实现PDM与CAD、CAE、CAM、CAPP、Office工具等应用工具的集成，以建立企业的集成化产品数据管理平台。应根据企业的实际情况，对PDM系统的接口要求、PDM系统的集成框架、PDM系统的二次开发等制定相应的规范。
(7)系统运行维护
系统运行维护功能是实现PDM系统运行维护，应根据企业的实际情况，对PDM系统制定信息安全规范、PDM系统的信息保密规范。
(8)以零件为中心组织产品设计数据，基于技术状态项目进行产品数据管理
在技术状态标志活动中，面临着在数字化环境下，如何实现高效组织产品设计数据和产品单一数据源的管理。在组织产品设计数据方面，将以图样为中心的传统管理模式，改变成以零件为中心的管理模式，避免了图样变化后零件更改不到位，或者零件更改后而图样状态描述不清的局面。根据PDM系统中产品数据组织和表达的高效性要求，采用以零件为中心的数据集组织方法，将传统图样管理中的明细表、零件三维模型和图样集成为一个数据集，直接以零件号标志这个数据集；零部件之间严格按照装配隶属建立关系，形成产品结构，准确表达物料清单(BOM)。通过这种方法有效地满足了数字样机构建、管理和应用要求，同时也保证工程物料清单向制造物料清单的演变。
现代数字化技术状态管理要解决多方合作中产品研制的单一数据源问题。有效手段就是基于技术状态项目进行产品数据的发放和交换。具体而言，以技术状态项目为单元形成发放和交换的数据包，并以技术状态项目的状态和版本变化控制数据发放和交换的实施；在技术状态项目下则是被交换的产品设计数据，通过物料清单(BOM)反映设计结构，数据交换后，各方形成一致的BOM；在各方的产品数据管理系统中，技术状态项目的构造、转换、使用及管理应基于一致的功能技术状态项目树，根据需求通过技术状态项目枝节点配置形成不同技术状态项目视图（如制造技术状态项目树）。通过上述手段确保了各合作方产品数据的一致性、完整性、实时性、可靠性。
(9)用基于知识库的编码体系，合理进行零件变更标志
各类零部件和文档的编码是技术状态标志活动中的重要一环，也是体现数字化程度高低的标志。传统零部件和文档的编码主要由人来确定和规划，不仅不能发挥计算机管理的优势，而且也不能满足先进管理思想的运用。针对传统编码体系的缺点，数字化技术状态管理采用基于知识库的编码体系及相应自动编码模块。该编码体系能够表达产品全寿命周期、知识工程、更改追溯和技术状态变化等多种信息，具体是纳入支持产品保障的编码；增加技术状态变化规则编码；指定编码位数进行字段信息赋予；使用计算机顺序编码，进行版本标志等。自动编码模块集成在PDM系统中，按照编码体系规则自动生成编码，使整个产品研制的各项数据编码相同，信息检索、统计高效准确，极大地提高设计确定编码的效率，发挥了数字化技术状态管理高效能的特点。
基于知识库的编码体系除了解决高效编码和信息表达等问题之外，还合理解决了更改标志活动中状态可追溯性问题。通过技术状态控制，就零部件进行更改，更改标志分为升版与变号两种方式。为达到状态可追溯性和明晰技术状态的目的，严格界定和规范两种方式的使用原则。其中变号将影响产品的技术状态，并通过下层技术状态项目产生来实现这一更改，而版本的变化遵守线型的最新版本有效的规则。
在具体应用中，按照更改应用，按照更改的重要程度，通常将更改分为重要更改即在经重新设计或更改后，零部件的形状、配合、功能和互换性等发生了改变；次要更改即在经重新设计或更改后，零部件的形状、配合、功能和互换性等未发生改变。当发生重要更改时，需要给叶节点技术状态项目及零部件重新指定编号；当发生次要更改时，则只需对零部件版本进行升级。
5 结束语
现代数字化技术状态管理是伴随着产品数字化研制不断发展的一项综合性技术，是企业技术科研技术体系的重要组成部分。实施技术状态管理的目的，就是全面反映出产品当前的技术状态及其满足物理特性和功能特性要求的状况，并形成文件。同时也要求确保参与项目工作的所有人员，在项目寿命周期内的任何阶段，都能够保持并使用正确的文件。从而确保产品技术状态的确立和更改正确无误，以最优的质量、最短的周期和最经济的手段，研制并生产出顾客满意的产品。
随着我国内燃机市场的日益繁荣，内燃机设计、试验、制造、管理数字化集成平台的逐步稳固，现代数字化技术状态管理技术显得极其重要。它是确保型号研制中各类数据的完整性、正确性、可追溯性，准确表达产品功能基线、分配基线和产品基线的重要手段。它突破了传统的技术状态管理思维，促进了数字化技术在内燃机研制中的应用与发展，为内燃机研制技术的进步起到了重要作用。(end)
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(7/23/2012) |
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