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面向復(fù)雜產(chǎn)品的精益設(shè)計平臺研究及應(yīng)用

2019-08-14 18:30李彩偉何冰梅王恩青
中國信息化 2019年7期
關(guān)鍵詞:精益產(chǎn)品設(shè)計管理系統(tǒng)

李彩偉 何冰梅 王恩青

復(fù)雜產(chǎn)品是指客戶需求復(fù)雜、產(chǎn)品組織復(fù)雜、技術(shù)原理復(fù)雜、制造過程復(fù)雜、項目管理復(fù)雜、影響因素復(fù)雜的一類產(chǎn)品,如船舶、航天器、飛機、武器系統(tǒng)等,這類產(chǎn)品包含大量的用戶定制的零部件,需要融合多種知識和技能。復(fù)雜產(chǎn)品制造業(yè)是國民經(jīng)濟和國家安全的重要基礎(chǔ),發(fā)揮著舉足輕重的作用,提高我國復(fù)雜產(chǎn)品制造業(yè)的國際競爭力,對實現(xiàn)世界制造大國、制造強國具有重大意義

21世紀制造業(yè)面臨新環(huán)境:知識、技術(shù)、產(chǎn)品更新周期越來越短;客戶對產(chǎn)品性能和質(zhì)量的要求越來越高;產(chǎn)品知識含量不斷提高;全球化的協(xié)同制造與競爭越來越激烈等。新環(huán)境對復(fù)雜產(chǎn)品制造業(yè)也提出了更強烈的挑戰(zhàn),比如,研制周期更短,質(zhì)量更高,成本更低,服務(wù)更好,知識含量更大;多學科團隊異地協(xié)同設(shè)計與加工生產(chǎn);全生命周期項目管理。另一方面,在新環(huán)境下,新一代信息技術(shù)的應(yīng)用使得生產(chǎn)流程被嚴格控制,產(chǎn)品設(shè)計決定了產(chǎn)品大部分成本,復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計階段決定了83%以上的產(chǎn)品成本,產(chǎn)品設(shè)計完成之后,其成本在之后的階段中降低的空間相當有限。目前,我國與發(fā)達國家在復(fù)雜產(chǎn)品制造業(yè)上存在很大差距。復(fù)雜產(chǎn)品成為各國繼續(xù)保持競爭優(yōu)勢的重要領(lǐng)域。如何能夠在短時間內(nèi)設(shè)計出適應(yīng)市場需求、具有良好綜合性能的復(fù)雜產(chǎn)品,對于企業(yè)的生存和發(fā)展有著重要意義。

一、復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計存在的問題

精益設(shè)計是精益生產(chǎn)的基礎(chǔ),產(chǎn)品的品質(zhì)是設(shè)計、生產(chǎn)出來的,不是靠檢驗出來的,一個產(chǎn)品質(zhì)量的好壞在設(shè)計時已經(jīng)決定了。一方面,目前一些企業(yè)雖然建立了相應(yīng)的質(zhì)量體系,但沒有有效的手段、方法和平臺將質(zhì)量深入到產(chǎn)品設(shè)計與研發(fā)過程中。另一方面,對于涉及多學科的復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計,各設(shè)計人員多是分頭并行開發(fā),耦合協(xié)同較少,設(shè)計深度較淺,大量設(shè)計不足、隱患、問題在系統(tǒng)驗證、確認階段時發(fā)現(xiàn),延長了產(chǎn)品交付時間。同時,由于歷史原因,企業(yè)存在設(shè)計人員的兩極分化,一端是老一代設(shè)計人員,一端是新一代設(shè)計人員,老一代設(shè)計人員積累了大量的產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)經(jīng)驗、方法等知識,由于缺乏必要的知識管理手段,這些知識都散落、隱藏在老一代設(shè)計人員手中、頭腦中,沒有形成有效的企業(yè)智力資產(chǎn)。

目前,我國與發(fā)達國家在復(fù)雜產(chǎn)品制造業(yè)上存在很大差距。復(fù)雜產(chǎn)品成為各國繼續(xù)保持競爭優(yōu)勢的重要領(lǐng)域。如何能夠在短時間內(nèi)設(shè)計出適應(yīng)市場需求、具有良好綜合性能的復(fù)雜產(chǎn)品,對于企業(yè)的生存和發(fā)展有著重要意義。

面向復(fù)雜產(chǎn)品,構(gòu)建集系統(tǒng)工程、知識工程、綜合設(shè)計為一體的可擴展、可開放、可定制的精益設(shè)計平臺,實現(xiàn)設(shè)計過程中知識、經(jīng)驗的提煉、管理與共享,將質(zhì)量管理體系融入到設(shè)計研發(fā)活動中,為多專業(yè)協(xié)同創(chuàng)造基礎(chǔ)條件,各專業(yè)按照設(shè)計科研流程分配任務(wù),設(shè)計、管理等不同的用戶,以不同的方式對設(shè)計研發(fā)過程進行精細的檢查、監(jiān)督和閉環(huán),基于綜合設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)數(shù)字化樣機系統(tǒng),并在線開展集成仿真驗證,根據(jù)仿真結(jié)果返回優(yōu)化修改,如此迭代,直到滿足設(shè)計需求,大大提升產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率,精益設(shè)計平臺的開發(fā)與應(yīng)用將提升制造業(yè)產(chǎn)品設(shè)計能力,促進科研模式轉(zhuǎn)型。

二、精益設(shè)計平臺

(一) 平臺總體架構(gòu)

精益設(shè)計平臺是精益設(shè)計體系的組成部分,同時也是精益設(shè)計體系的載體?;谙到y(tǒng)工程,精益設(shè)計平臺把設(shè)計流程、工具、知識、質(zhì)量、資源、數(shù)據(jù)集成在一起,以知識工程為支撐,以過程質(zhì)量為把控,形成一個完整的產(chǎn)品設(shè)計管理和技術(shù)平臺,平臺總體架構(gòu)圖如圖1所示。

平臺形成了“抱臂雙循環(huán)”模式,第一,知識工程系統(tǒng)進行知識梳理,在研發(fā)管理系統(tǒng)中與研發(fā)流程進行知識關(guān)聯(lián),在綜合設(shè)計體系中執(zhí)行設(shè)計任務(wù)時進行知識推送,并將設(shè)計仿真系統(tǒng)中產(chǎn)生的新知識沉淀到知識工程系統(tǒng)中,完成第一個循環(huán);第二,質(zhì)量管理系統(tǒng)中進行質(zhì)量策略梳理,在研發(fā)管理系統(tǒng)中形成質(zhì)量策劃,在綜合設(shè)計系統(tǒng)中執(zhí)行設(shè)計任務(wù)時進行質(zhì)量管控并將質(zhì)量問題歸零,把形成的舉一反三的質(zhì)量知識返回到質(zhì)量管理系統(tǒng)中,完成第二個循環(huán)。

平臺門戶把各種應(yīng)用系統(tǒng)資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源統(tǒng)一集成到一個平臺之下,根據(jù)每個用戶使用特點和角色的不同,形成個性化的應(yīng)用界面,并通過對事件和消息的處理和傳輸,把用戶有機地聯(lián)系在一起。

研發(fā)管理系統(tǒng)形成整個設(shè)計過程管理與控制的基礎(chǔ),進行產(chǎn)品設(shè)計策劃與WBS分解、指標及質(zhì)量策劃、知識關(guān)聯(lián),承載產(chǎn)品設(shè)計流程,支持設(shè)計策劃的規(guī)范化標準化及設(shè)計協(xié)同。

綜合設(shè)計系統(tǒng)是產(chǎn)品設(shè)計的執(zhí)行環(huán)境,將知識化和仿真化相關(guān)的工具和技術(shù)、規(guī)范與標準、人才和組織和知識化工程資源庫集成起來,形成知識和仿真驅(qū)動的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計系統(tǒng),包含設(shè)計流程管理、協(xié)同任務(wù)管理、快速設(shè)計、協(xié)同仿真、多學科集成、過程數(shù)據(jù)管理、工程資源管理等功能。

質(zhì)量管理系統(tǒng)專注于復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計過程的質(zhì)量管控,基于設(shè)計過程質(zhì)量管控要素形成質(zhì)量基礎(chǔ)庫,形成面向WBS的質(zhì)量策劃、過程預(yù)防、過程控制、指標管理、歸零改進、追溯監(jiān)控于一體的質(zhì)量信息化解決方案,促進質(zhì)量控制與研發(fā)過程緊密結(jié)合,包含質(zhì)量策劃管理、質(zhì)量監(jiān)控與分析評估、指標管理、過程質(zhì)量控制、質(zhì)量數(shù)據(jù)管理等功能。

知識工程系統(tǒng)以知識與流程、設(shè)計相融合的思想為指導(dǎo),結(jié)合知識挖掘、知識管理、知識推送、知識創(chuàng)新等技術(shù),將知識與設(shè)計流程聯(lián)系起來,建立與產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計對應(yīng)的知識體系,真正實現(xiàn)知識的積累與應(yīng)用,實現(xiàn)平臺能力建設(shè),包含知識采集、知識處理、知識搜索、知識應(yīng)用、知識維護等功能。

數(shù)據(jù)中心包括數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)協(xié)同及數(shù)據(jù)集成接口。數(shù)據(jù)管理實現(xiàn)平臺對過程數(shù)據(jù)的總體管控,形成統(tǒng)一的管理標準和內(nèi)在的數(shù)據(jù)邏輯,通過以數(shù)據(jù)總線為核心的多維數(shù)據(jù)應(yīng)用框架和譜系結(jié)構(gòu),滿足不同應(yīng)用需求對不同類別數(shù)據(jù)的存儲、共享、查詢、調(diào)用等。數(shù)據(jù)協(xié)同基于標準數(shù)據(jù)管理格式實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)全生命周期對不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)協(xié)同數(shù)據(jù)的獲取與統(tǒng)一管理,解決數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一帶來的信息集成困難,通過數(shù)據(jù)集成接口實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計、仿真、試驗與制造以及綜合管理信息化之間的信息集成與信息共享。

(二)各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)關(guān)系

精益研發(fā)平臺各子系統(tǒng)之間具有緊密的數(shù)據(jù)關(guān)系,如圖2所示。

“研發(fā)管理系統(tǒng)”與“綜合設(shè)計系統(tǒng)”:研發(fā)管理系統(tǒng)完成產(chǎn)品的頂層策劃及WBS分解,把工作包輸入到綜合設(shè)計系統(tǒng);綜合設(shè)計系統(tǒng)完成任務(wù)后,把工作包提交回研發(fā)管理系統(tǒng)。

“研發(fā)管理系統(tǒng)”與“質(zhì)量管理系統(tǒng)”:研發(fā)管理系統(tǒng)從質(zhì)量管理系統(tǒng)中獲取產(chǎn)品質(zhì)量管理策劃方案,形成質(zhì)量評審計劃及指標;質(zhì)量管理系統(tǒng)從研發(fā)管理系統(tǒng)中獲取質(zhì)量評審計劃及指標。

“研發(fā)管理系統(tǒng)”與“知識工程系統(tǒng)”:研發(fā)管理系統(tǒng)進行工作包定義時,從知識工程系統(tǒng)中獲取任務(wù)伴隨知識;工作包完成后,研發(fā)管理系統(tǒng)把完成后的工作包(包括輸入、輸出、資料、伴隨知識、產(chǎn)生的新知識等)作為一個完整的知識包提交給知識工程系統(tǒng)。

“綜合設(shè)計系統(tǒng)”與“知識工程系統(tǒng)”:知識工程系統(tǒng)把伴隨知識推送給綜合設(shè)計系統(tǒng);知識工程系統(tǒng)從綜合設(shè)計系統(tǒng)中獲取知識,完成知識的積累。

“綜合設(shè)計系統(tǒng)”與“質(zhì)量管理系統(tǒng)”:綜合設(shè)計系統(tǒng)從質(zhì)量管理系統(tǒng)中獲取到質(zhì)量管理的活動要求;質(zhì)量管理系統(tǒng)從綜合設(shè)計系統(tǒng)中收集質(zhì)量數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制與評估。

(三)平臺與其他系統(tǒng)的集成

平臺通過系統(tǒng)集成接口與其它工具及相關(guān)系統(tǒng)(如項目管理PM系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM系統(tǒng)、試驗數(shù)據(jù)管理TDM系統(tǒng))等進行交互,總體集成框架如圖3所示。

項目管理PM系統(tǒng)負責項目整體策劃與管控,按照質(zhì)量體系要求確定項目階段劃分與關(guān)鍵任務(wù)時間節(jié)點要求,精益設(shè)計平臺完成任務(wù)的分解、細化與執(zhí)行,并將任務(wù)完成情況反饋給PM系統(tǒng)。

精益設(shè)計平臺除了接受來自項目管理PM系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計工作任務(wù)書之外,還接受來自產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM系統(tǒng)發(fā)起的產(chǎn)品設(shè)計變更任務(wù),并在任務(wù)執(zhí)行過程中獲取PDM系統(tǒng)中的上下游輸入輸出數(shù)據(jù)以及歷史產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息,在任務(wù)執(zhí)行結(jié)束后將研發(fā)設(shè)計結(jié)果數(shù)據(jù)提交至PDM系統(tǒng)進行管理。

精益設(shè)計平臺將與試驗相關(guān)的任務(wù)傳遞至TDM系統(tǒng),并將與此試驗任務(wù)相關(guān)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)(來自PDM)、仿真數(shù)據(jù)(來自SDM)、其他步驟試驗數(shù)據(jù)(來自TDM)以及相關(guān)試驗流程、方法、規(guī)范等知識(來自研發(fā)平臺知識工程子系統(tǒng))推送給相關(guān)試驗人員,試驗結(jié)束后將與此試驗相關(guān)的試驗結(jié)果數(shù)據(jù)納入TDM系統(tǒng)進行管理,如有知識可以沉淀則納入知識工程子系統(tǒng)進行管理。

三、平臺應(yīng)用及效果

在實際應(yīng)用中,結(jié)合企業(yè)現(xiàn)狀和應(yīng)用需求,以精益設(shè)計平臺為基礎(chǔ),構(gòu)建企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計平臺框架體系,某特種裝備精益設(shè)計平臺應(yīng)用場景如圖4所示。

通過特種裝備精益研發(fā)平臺的實施,形成了全單位統(tǒng)一的覆蓋裝備研發(fā)全生命周期的平臺,跳出以往“規(guī)劃評估是一套,能力目標是一套,運行維護是一套,立項建設(shè)是一套”的傳統(tǒng)裝備研發(fā)模式;實現(xiàn)了裝備型號研制模式由仿制改型衍生發(fā)展到自主創(chuàng)新的轉(zhuǎn)變,應(yīng)對新一代裝備型號研制周期大幅度壓縮的要求;實現(xiàn)了研發(fā)工作模式由分散、獨立、串行向集成、協(xié)同、并行模式的轉(zhuǎn)變,解決了知識管理和能力建設(shè)不足的問題,實現(xiàn)了研發(fā)項目規(guī)范化管理和落實質(zhì)量體系要求。

精益化是企業(yè)發(fā)展過程中的必然選擇。面向復(fù)雜產(chǎn)品的精益設(shè)計平臺從設(shè)計環(huán)節(jié)開始應(yīng)用精益思想消除浪費環(huán)節(jié),在相對可控的前提下避免浪費的發(fā)生,實現(xiàn)了研發(fā)流程和質(zhì)量管理的緊密結(jié)合,避免許多企業(yè)的研發(fā)過程和質(zhì)量管理兩張皮現(xiàn)象,實時對研發(fā)設(shè)計過程中的質(zhì)量問題報警;集成了設(shè)計和仿真工具軟件,形成了標準的業(yè)務(wù)流程模板庫,實現(xiàn)了快速設(shè)計,提升了設(shè)計結(jié)果的正確性和穩(wěn)定性;實現(xiàn)了知識管理以及流程與知識、設(shè)計工具之間融合,解決了過去其他知識管理軟件存在的對研發(fā)支撐不足的問題。

面向復(fù)雜產(chǎn)品的精益設(shè)計平臺的應(yīng)用實現(xiàn)了項目導(dǎo)向型向產(chǎn)品化、平臺支撐型的轉(zhuǎn)變,實現(xiàn)了個人差異化科研向流程化、科學化轉(zhuǎn)型,實現(xiàn)了由經(jīng)驗引導(dǎo)型向知識支撐型轉(zhuǎn)變,實現(xiàn)了由結(jié)合質(zhì)量型向深度融合型轉(zhuǎn)變,實現(xiàn)了單專業(yè)攻關(guān)向多專業(yè)協(xié)同轉(zhuǎn)變。這將提升企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力,大幅度縮減產(chǎn)品設(shè)計周期,確保產(chǎn)品質(zhì)量,降低產(chǎn)品成本,解決研制隊伍年輕化帶來的能力建設(shè)和知識傳承問題。

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