液體動力研制體系數(shù)字化轉型的探索與思考

　　摘要:在數(shù)字化轉型的大趨勢下，如何優(yōu)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(nèi)外航空航天企業(yè)數(shù)字化轉型的現(xiàn)狀與趨勢、數(shù)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(shù)字化研制體系的總體框架。結合工程實踐，開展了協(xié)同研制、集成設計、知識管理、數(shù)字化制造等方面的探索，并對數(shù)字化轉型工作進行了深入思考，重點分析了數(shù)字化轉型的路徑選擇、對信息化建設的挑戰(zhàn)，為加速液體動力研制體系的數(shù)字化轉型提供了方向，對其他制造業(yè)的數(shù)字化轉型也有借鑒意義。

　　關鍵詞:液體動力;研制體系;數(shù)字化轉型;流程再造;數(shù)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(tǒng)組成復雜，工作環(huán)境惡劣，涉及的行業(yè)和學科多，其研制過程是一項復雜的系統(tǒng)工程[1]。從最初的方案設計到成熟應用需要研制系統(tǒng)內(nèi)外大量的工作協(xié)同，經(jīng)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(fā)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(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展、實施中國制造2025戰(zhàn)略的大背景下，如何利用先進的數(shù)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(shù)字化發(fā)展的基石，成為當下亟需解決的問題。

　　1國內(nèi)外航空航天企業(yè)數(shù)字化轉型現(xiàn)狀與趨勢

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

　　1.1國外航空航天企業(yè)數(shù)字化轉型現(xiàn)狀與趨勢

　　在數(shù)字時代，為繼續(xù)保持國防系統(tǒng)的能力優(yōu)勢，美國接連發(fā)布《國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略》和《國防部數(shù)字現(xiàn)代化戰(zhàn)略》，指導整個國防系統(tǒng)數(shù)字工程轉型的規(guī)劃、開發(fā)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(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)的轉變，建立無縫、敏捷、彈性、透明和安全的數(shù)字基礎設施和服務，提高國防部的信息優(yōu)勢，簡化與任務伙伴的信息共享，加快推動國防系統(tǒng)完成數(shù)字化轉型。洛克希德·馬丁公司提出了“數(shù)字織錦”計劃，將復雜的裝備系統(tǒng)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(yè)務領域、數(shù)據(jù)高度集成、各學科建模和仿真緊密耦合的新一代數(shù)字化設計制造體系，加速推進公司數(shù)字化轉型。

　　泰雷茲公司深化數(shù)字化技術應用，基本實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期中產(chǎn)品數(shù)字化價值流的連續(xù)、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(shù)字工廠，加速自身及所有客戶的數(shù)字化轉型。為深化數(shù)字化轉型，歐空局開發(fā)了協(xié)同工程環(huán)境(CEE)，并在虛擬航天器環(huán)境工程(VSEE)、數(shù)據(jù)映射編輯器和空間系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(xiàn)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(fā)了全新的工程開發(fā)環(huán)境(AEE)，通過網(wǎng)絡門戶和設計過程管理、設計與工程分析工具集成以及產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)集成管理，支撐NASA在RLV的研制過程中可以方便、靈活地實現(xiàn)多構型、多方案、多技術的比較和融合，確保了優(yōu)化方案的可靠性。

　　1.2國內(nèi)航空航天企業(yè)數(shù)字化轉型現(xiàn)狀與趨勢

　　航空工業(yè)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(xié)同，最典型的應用是主機廠所在飛機設計階段就采用全數(shù)字量表達飛機的幾何特征，同時將數(shù)字樣機傳遞到制造單位，在數(shù)字樣機之上開展工藝設計、工藝仿真以及部分環(huán)節(jié)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(chǎn)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(xù)傳遞為特征的先進工程環(huán)境，面向復雜系統(tǒng)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(yè)研制體系數(shù)字化轉型。航天科工集團以“信息互通、資源共享、能力協(xié)同、開放合作、互利共贏”為核心理念打造我國第一個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺———航天云網(wǎng)，并以此為基礎推進數(shù)字化轉型。開展數(shù)字化協(xié)同設計，實現(xiàn)了基于虛擬樣機的總體與分系統(tǒng)并行協(xié)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(chǎn)品返修率呈現(xiàn)逐年下降的趨勢。開展智能制造，逐步實現(xiàn)設備、管理流程、企業(yè)互聯(lián)的數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化，航天某液壓系統(tǒng)生產(chǎn)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(xié)同設計與開發(fā)理念，將數(shù)字樣機技術應用于新一代運載火箭研制全過程，并推行數(shù)據(jù)驅動的生產(chǎn)制造，其中CZ-7運載火箭打造成為我國第一枚“數(shù)字火箭”，樹立了“設計數(shù)字化、模裝數(shù)字化、試驗預示化、生產(chǎn)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(tǒng)工程的應用，規(guī)劃了需求模型、架構模型、參數(shù)模型、系統(tǒng)模型、產(chǎn)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(huán)節(jié)數(shù)字化設計、異地網(wǎng)絡化協(xié)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(shù)字化研制體系的構建

　　目前，液體動力與數(shù)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(shù)字化應用水平與國內(nèi)外先進的數(shù)字化制造業(yè)還有一定差距。為加快液體動力研制體系的數(shù)字化轉型，需要運用先進的信息技術和理念對現(xiàn)有研制流程進行數(shù)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(shù)字化研制體系，建成基于模型驅動的一體化研制模式，實現(xiàn)液體動力協(xié)同模式向流程化實時在線轉變、研發(fā)模式向數(shù)字化并行協(xié)同轉變、生產(chǎn)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(shù)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(chǎn)品質量、核心能力的不斷提升。

　　2.1數(shù)字化技術與液體動力融合過程分析

　　液體動力研制體系數(shù)字化轉型的核心是數(shù)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(nèi)外先進行業(yè)數(shù)字化應用的最佳實踐，數(shù)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(shù)字化摸索、數(shù)字化試點推廣、一體化應用等4個階段，經(jīng)過加入、改造、優(yōu)化、創(chuàng)新流程的4次融合，從傳統(tǒng)單純的產(chǎn)品研發(fā)數(shù)據(jù)創(chuàng)建、管理及三維建模，發(fā)展到全周期產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理支持下的數(shù)字化定義、虛擬化驗證、智能化制造，從液體動力數(shù)字化向數(shù)字化液體動力不斷轉變，最終實現(xiàn)數(shù)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(chǎn)等多個階段[9]，在建設航天大國的過程中發(fā)揮了重要作用。由于缺少數(shù)字化條件的支撐，每一個階段中各個環(huán)節(jié)之間相互協(xié)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(chǎn)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(huán)，不但成本高、周期長，而且質量和可靠性保障難度大。隨著數(shù)字化技術的不斷發(fā)展和應用的不斷深入，需要對現(xiàn)有研制流程加以優(yōu)化和改進，逐步形成液體動力數(shù)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(jù)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(yè))系列技術，圍繞DMU[19-23](數(shù)字樣機)，從需求分析開始，基于成熟度開展并行協(xié)同研制，從設計內(nèi)部協(xié)同到設計與工藝、制造及試驗的協(xié)同，將設計-制造-試驗的工程化物理大循環(huán)迭代變?yōu)榇罅吭O計-驗證-綜合的數(shù)字化小循環(huán)迭代，在產(chǎn)品實際生產(chǎn)之前盡可能多地發(fā)現(xiàn)問題、優(yōu)化設計，縮短單次循環(huán)迭代周期，提高產(chǎn)品制造一次成功率，實現(xiàn)快速研制。

　　同時，充分發(fā)揮數(shù)字化研制在可重復、低消耗、高效率等方面的優(yōu)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(jié)約研制經(jīng)費，縮短研制周期。在這種模式下，數(shù)字樣機是產(chǎn)品研制的單一數(shù)據(jù)源，在研制過程中不斷進化完善，并與物理樣機聯(lián)動，打通數(shù)字世界與物理世界，形成數(shù)字孿生[24-28]，打造虛實結合的新型數(shù)字化研制體系，創(chuàng)新研制模式，提升核心能力。

　　2.3液體動力數(shù)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(shù)字化技術的發(fā)展趨勢，液體動力數(shù)字化研制體系以數(shù)字樣機為核心，分為經(jīng)營管控層、工程研制層、基礎支撐層3個層次，與數(shù)字化質量保證體系、數(shù)字化標準規(guī)范體系共同組成一個完整的數(shù)字化工程研制體系。經(jīng)營管控層以企業(yè)門戶為統(tǒng)一入口，以型號項目管理為主線，以人力、財務、資產(chǎn)、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(diào)度和決策支持，實現(xiàn)科研生產(chǎn)全過程、全要素、全周期管理。

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

　　數(shù)字化質量保證體系圍繞數(shù)字樣機質量評估與技術狀態(tài)控制，在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的支持下，實現(xiàn)數(shù)字樣機相關數(shù)據(jù)質量的有效管控和可追溯。數(shù)字化標準規(guī)范體系以規(guī)范數(shù)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(shù)字化設計、數(shù)字化仿真、數(shù)字化制造、數(shù)字化管理、數(shù)字化服務六大方面的數(shù)字化技術標準體系框架，指導數(shù)字化研制工作順利開展。液體動力數(shù)字化研制體系主要包含以下六個方面內(nèi)容。

　　2.3.1以數(shù)據(jù)全集為依托的數(shù)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(yōu)化價值鏈為目標，建立基于主數(shù)據(jù)的人、財、物、計劃、質量和決策等數(shù)據(jù)全集與數(shù)據(jù)共享機制，實現(xiàn)科研生產(chǎn)和經(jīng)營管理核心業(yè)務的數(shù)字化集中管控。開展大數(shù)據(jù)智能分析，從數(shù)據(jù)中洞察規(guī)律，為科研生產(chǎn)業(yè)務運行提供指導，為領導經(jīng)營決策提供支持。

　　2.3.2以數(shù)字樣機為載體的數(shù)字化協(xié)同采用IPT(集成產(chǎn)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(shù)據(jù)緊耦合的液體動力協(xié)同體系，打通型號研制全流程協(xié)同數(shù)據(jù)流，強化多專業(yè)、多學科、跨地域的并行協(xié)同，提供多站點協(xié)同、業(yè)務組件協(xié)同、IPT協(xié)同和可視化會議協(xié)同等服務，提升液體動力研制的整體協(xié)同效率。

　　2.3.3以模型驅動為核心的數(shù)字化研發(fā)采用MBSE(基于模型的系統(tǒng)工程)理念與方法[37-44]，建立發(fā)動機系統(tǒng)多視圖、多領域統(tǒng)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(huán)鏈路，達到系統(tǒng)方案優(yōu)選、參數(shù)整體優(yōu)化、指標合理分配的目標，突破傳統(tǒng)經(jīng)驗設計和試驗設計模式的局限，提升研發(fā)效率和創(chuàng)新能力。

　　2.3.4以智能互聯(lián)為基礎的數(shù)字化制造在工業(yè)控制系統(tǒng)與涉密信息系統(tǒng)安全互聯(lián)互通的基礎上，圍繞工藝與生產(chǎn)流程優(yōu)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(chǎn)計劃精準排產(chǎn)、質量評價手段提升、物流供應模式變革、生產(chǎn)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(shù)字化鏈條，用數(shù)據(jù)驅動制造效率和產(chǎn)品質量不斷提升[45-53]。

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

　　3液體動力研制體系數(shù)字化轉型的探索

　　針對液體動力研制的瓶頸與短板，圍繞業(yè)務流程并行化、管理模式精細化、產(chǎn)品設計關聯(lián)化、科研生產(chǎn)虛擬化開展數(shù)字化轉型的探索。

　　3.1開展協(xié)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(xié)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(xié)同設計模式，基于骨架模型實現(xiàn)自頂向下設計，基于三維模型實現(xiàn)結構協(xié)調(diào)，實現(xiàn)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(shù)據(jù)流。研制模式實現(xiàn)從以二維工程圖為中心到以三維模型為中心、從傳統(tǒng)串行到協(xié)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(yè)、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(xiàn)設計過程高效協(xié)同。建設知識管理平臺，對研制經(jīng)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(xiàn)知識積累與高效利用。探索了一條以模型為核心實現(xiàn)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(shù)字化制造，探索透明化、無紙化、精益化制造圍繞產(chǎn)品質量保證和制造效率提升，基本實現(xiàn)從液體動力生產(chǎn)計劃投產(chǎn)、工藝設計管理、生產(chǎn)制造執(zhí)行、質量追蹤管理到最終產(chǎn)品交付全過程的數(shù)據(jù)集成和傳遞應用，主要制造過程數(shù)據(jù)鏈路基本貫通，數(shù)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(chǎn)線數(shù)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(shù)字化轉型的思考

　　4.1數(shù)字化轉型路徑選擇

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

　　2)數(shù)字化轉型方案明確轉型目標與計劃，應由業(yè)務部門與IT部門一起，圍繞企業(yè)愿景與發(fā)展戰(zhàn)略制定，對業(yè)務而言是數(shù)字化技術的業(yè)務應用，對IT而言是業(yè)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(shù)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(shù)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(huán)迭代，直到轉型成功。研制體系的數(shù)字化轉型是新興IT技術驅動的轉型，需要在開展數(shù)字化技術研究、掌握其本質的基礎上，圍繞“項目、流程、模型、數(shù)據(jù)、知識、數(shù)字樣機”六要素，統(tǒng)籌推進項目驅動的管理、流程驅動的協(xié)同、模型驅動的研發(fā)、知識驅動的設計、數(shù)據(jù)驅動的生產(chǎn)、樣機驅動的驗證，按照“強化規(guī)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(shù)字化研制體系建設，逐步實現(xiàn)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(chuàng)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(xiàn)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(shù)字化浪潮滾滾而來，未來只有兩種企業(yè)，要么是數(shù)字化原生企業(yè)，要么是數(shù)字化轉型企業(yè)。液體動力研制體系的數(shù)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(chuàng)新的漫長重塑過程，貫穿研制管理、產(chǎn)品設計、智能制造以及服務交付的全過程，包括發(fā)展戰(zhàn)略制定、研制模式創(chuàng)新、IT架構升級、流程化組織重構、數(shù)字化人才培養(yǎng)、數(shù)字化企業(yè)文化重塑等內(nèi)容，是一項艱巨復雜的系統(tǒng)工程，沒有現(xiàn)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(yōu)化流程與投入資源，需要企業(yè)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(xiàn)“高質量、高效率、高效益”發(fā)展目標提供有力保障。

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　　作者：陳彥林，許藝峰

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