飞机谱系化构型管理模型研究与应用

年丽云 刘雅星 吕潇超

摘要：为了满足现代飞机谱系化发展的需求，本文提出了配置式构型管理模型，将架次有效性与设计数据分离，实现构型管理业务与工程研制业务的相对解耦。构建飞机构型库，实现支持设计成果快速重用的设计模块的管理，采用构型基线，实现特定飞机状态构型信息的定义，通过架次与构型基线的分配，确定飞机具体架次的构型状态，并生成飛机配置表，实现构型信息面向制造的发布。飞机谱系化构型管理体系与基于模块的设计体系相匹配，实现了庞大的设计数据及衍生数据的有效管控，满足了型号快速衍化对设计数据重用的需求，清晰、准确地记录了飞机构型状态，确保了设计与制造的一致性。

关键词：飞机谱系；构型管理；飞机构型库；构型基线；飞机配置表

中图分类号：V260.5文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.03.006

飞机作为典型的复杂产品，具有零组件数量大、研制周期长等特点。由于研制过程中频繁更改以及客户需求变化等原因，往往导致同一型号、不同架次飞机的构型状态不一致，要求对研制过程数据进行管控，保证飞机产品数据的一致性和完整性[1]。此外，由于客户个性化需求的不断增长[2]，一个型号难以满足市场需求，需要在已有机型的基础上，快速衍化出新的机型，实现飞机的谱系化发展，从而满足各细分市场的需求[3]。可见，如何对飞机研制过程中产生的庞大、复杂、动态的产品数据及其衍生数据进行有效管理和综合利用是航空企业提高市场竞争力的关键和难题之一。

为了解决这一难题，各航空企业都开展了构型管理技术的研究与应用。构型管理是一种面向产品全生命周期，将各阶段产品数据关联起来并对其进行管理和控制，从而保证产品数据一致性和有效性的管理技术[4]。国外先进航空企业在20世纪就应用了构型管理体系并不断改善，如波音公司从1996年开始构建构型管理系统（DCAC/MRM），在DCAC/MRM项目中，按照模块化思想，提出了针对客户配置的选项的概念[5]，该管理模式与波音公司的飞机研制模式和研制阶段相适应[6]。国内航空企业的构型管理模式正在实现从基于零件的构型管理到基于模块的构型管理的转变。将原来分布于各层零组件上的有效性上移到模块一级，飞机的构型由组成飞机的模块决定，不考虑模块内部零组件的构成。通过这种方式，减少了构型管理对象的数目，有效降低了构型控制的复杂度[7]。但是这种构型管理模式的核心与传统的构型管理方式相同，即设计模块仍然与架次有效性绑定，当进行更改时，需要对设计模块的改前有效性和改后有效性进行计算，且实际应用时，通常是对底层的零组件进行更改，从而不断对上层装配进行追溯，确定上层装配的有效性影响范围和更改方式，其控制过程异常复杂。同时，由于设计数据绑定了型号架次有效性，导致无法支持已有设计成果的快速重用，需要对设计模块的型号有效性进行扩展，这将进一步加剧更改控制的复杂性。

为此，本文提出了面向飞机谱系化发展的配置式构型管理模型，将设计数据与架次进行分离，降低构型控制的复杂性，实现工程研制业务和构型管理业务的解耦，支持已有设计模块的快速重用。

1配置式构型管理模型的构建

飞机谱系化构型管理的基本原则是：（1）设计数据与架次有效性分离；（2）工程研制过程与构型管理过程解耦。

变革传统的架次有效性管理方式，无论零件层或模块层都不标识架次有效性，实现设计数据与架次信息的分离，进而引起工程研制过程与构型管理过程相对解耦，形成基于模块的设计和基于模块的构型管理两个相对独立的业务过程[8]。

在工程研制业务中，设计人员按照模块化思想划分设计模块，开展模块设计并审签发放。设计模块发放到制造单位时不带任何架次信息。同步开展设计模块入库操作，完善飞机构型库内容，实现工程研制过程与构型管理过程的关联。

构型管理人员依据机型状态选择构型库中的内容，形成构型基线，构型基线中包含了满足飞机状态的所有设计模块，对构型基线分配合适的架次，实现飞机特定架次构型信息的确定，并生成飞机配置表，实现特定飞机架次构型信息面向制造的发布。制造单位依据设计模块数据和飞机配置表，开展特定架次飞机的生产制造，如图1所示。

飞机谱系化构型管理模型与传统构型管理模型的最大区别在于：设计模块不标注架次有效性，特定飞机的构型信息由构型基线唯一确定，利用构型库实现设计模块的快速重用，从而支持型号的谱系化发展。

2关键技术研究

2.1设计模块的定义

针对飞机的谱系化发展，将飞机产品分解为一个个具有独立特性和接口结构的设计模块，按照模块进行设计、生产和管理。

在型号研制全生命周期内，设计模块的作用不同，因此存在多种类型的设计模块。从型号研制阶段划分，可将设计模块分为方案模块、协调模块和详细设计模块；从模块的用途角度划分，可将设计模块分为产品模块、假件模块、改装件模块和试验件模块等；从设计模块的组织关系划分，可将设计模块分为结构模块、系统模块和成品模块等。

设计模块的划分是否合理直接影响到构型管理的成败。模块的划分应当遵循一定的原则，包括功能独立性、粒度适中性、设计重用性、唯一性、接口特性、数据完整性和制造方便性等原则[9]。同时，为了扁平化管理，要求设计模块内部的零组件层级数量不能太多，且每层子装配包含的零件不宜太多，同时应确保一个设计模块由一个设计师独立负责，以便降低设计模块更改的复杂性。

模块设计完成后，以模块为单位进行审签、发放和更改。

2.2构型库的定义

传统飞机研制认为构型管理的基础是产品结构树，随着设计改进或客户需求派生出许多新的型别，产品结构树扩展为一棵产品结构类树，包含了可用此产品结构类树表达的所有型别的物料清单，通过有效性的配置与过滤才能生成某型别特定架次的确定产品结构[10]。这种方法显然不能很好地满足飞机谱系化发展需求。

面向谱系化发展的配置式构型管理模型认为产品结构树的功能是组织设计模块，产品结构树不能作为构型管理的基础，构型管理的基础是构型库。构型库是定义所有可用选项和模块，以及它们的逻辑关系、相关规则的数据库。构型库由三部分组成，如图2所示。

2.2.1选项库

选项库是面向客户的、进行客户选配的基础。选项库中记录了面向客户的选项和对应的选项值。选项具有编号、名称、功能描述、选项类型等属性，其中选项类型可分为4种：（1）基本项：对于一架飞机而言，固定不变的组成部分可分解为基本项，每个基本项只有一个选项值；（2）必选项：飞机必须具备的功能，但功能的实现方式可体现客户要求或提供超过一种选项值的功能项；（3）可选项：可选项代表的功能飞机可有可无，客户根据自己的需求，从可选项中选择一个或多个或者不选，如选择了可选项，则按照规则选择具体的选项值；（4）定制项：定制项是客户提出的、超出主制造商预先定义的选项目录范围的、需主制造商为客户进行专门设计和制造的选项，如加装某种特殊设备、改变飞机某个使用要求等[11]。

2.2.2模块库

模块库为构型库的基础，模块库中存储了所有设计完成的设计模块。设计模块完成后进行“入库”操作，即进入模块库，设计模块更改后，模块库中的设计模块进行相应的更新。

2.2.3规则库

规则库中定义了构型库中相关对象的约束规则，包括互斥、依赖、关联等，这些规则存在于选项与选项间、选项与选项值间、选项值与选项值间、选项值与设计模块之间。

构型库在型号研制初期就应当进行规划，即在确定型号应具备的功能前提下开展设计工作，通过设计工作的逐步推进，维护选项库、模块库与规则库。当型号研制到一定阶段时，构型库内容稳定，支持面向客户的飞机选配。

2.3构型基线的定义

构型基线是在产品生命周期内的某一特定时刻，被正式确认，并被作为今后研制生产、使用保障活动基准的构型文件。构型基线根据相关标准定义，可分为需求基线、产品基线等，本文所阐述的构型基线为详细设计阶段的设计发放基线，代表了某系列、用途、型别飞机的设计发放状态，内容是满足飞机特定状态的所有设计模块的集合。构型基线具有版本属性，对其进行更改控制。

本文所述模型在定义构型基线时，依据型号研制特点，分为研制阶段构型基线的定义与批产阶段的构型基线的定义。

（1）研制阶段

在型号研制阶段，飞机研制总要求等文件明确规定了每个架次的功能需求。构型管理人员按照单架次建立构型基线，从构型库中选择符合单架次需求的选项和选项值，程序自动转化为设计模块信息，从而实现研制批单架次构型基线的定义。设计模块更改并更新构型库内容时，相应更改涉及的单架次构型基线。

（2）批产阶段

在型号批产阶段，特定飞机的构型状态由客户决定，市场部门依据客户需求，与客户共同选择构型库中的选项和选项值定义构型基线，如果存在超出选项范围的客户需求，则开展定制项的研制工作。在面向客户时，还可定义标准构型基线，由客户在标准构型基线的基础上开展客户需求的选择与定义。

2.4飞机架次号与架次分配

飞机的标识号包括飞机架次号（ASN）、出厂顺序号（MSN）、生产顺序号（PSN）、客户标识号（FSN）和飞机注册号（RMN）5类标识号。5类标识中，ASN是飞机全生命周期内最早赋予的编号，是飞机研制过程中普遍意义上的有效性，包含了飞机研制中研制、试飞、交付客户的所有架次，因此，本模型采用ASN作为飞机最初的标识信息进行构型基线的分配。

针对具体的飞机架次，建立架次与构型基线的分配关系，从而确定具体架次的构型状态。构型基线与飞机架次的分配关系应当遵循以下规则：（1）同一个飞机架次在同一时刻只能分配一条构型基线；（2）同一个飞机架次在不同的阶段可以分配不同的构型基线；（3）同一个飞机架次分配的构型基线内容可以修改；（4）同一条构型基线可同时分配给多个飞机架次。

通过飞机架次与构型基线的分配，形成架次分配表，如图3所示。

2.5飞机配置表

飛机配置表（airplane configuration table， ACT）是一架飞机所有选项-选项值对应的设计模块的列表。飞机配置表由飞机架次所分配的构型基线唯一确定，由计算机程序将构型基线的内容输出为标准格式的飞机配置表。飞机配置表是制造单位生产制造特定架次飞机的依据。飞机配置表具有版本属性，当构型基线更改时，飞机配置表同步更新。

在型号研制阶段，由于设计模块的频繁更改，导致构型基线不断完善修改，相应的飞机配置表也不断更新完善，如何保证设计模块更改结果与飞机配置表同步发放给制造单位，将是影响型号研制进度的关键因素。

3实例应用

传统型号研制中采用产品结构树开展构型管理，结构上的零组件标识架次。工程更改时，对架次进行截断计算，零组件不同版本或不同编号标识的架次范围不同，通过架次过滤的方式获取特定架次的构型信息。当出现衍生型号时，对重复使用的零组件，增加衍生型号的架次标识。当零组件发生更改时，需要考虑原型号和衍生型号的架次影响，从而采取不同的更改方式，其构型管理过程十分复杂。

在新一代涡桨支线飞机MA700-100型号的研制中，不再以产品结构树进行构型管理，采用了配置式构型管理模式，如图4所示。

在工程研制业务领域，针对飞机谱系规划中的型号构建产品结构树，用于数据组织，不再承担构型管理业务。开展面向制造的模块划分和设计，进行设计模块的审签和发放。工程更改时，不再考虑模块的应用架次，依据更改内容和影响范围，确定模块和零组件的更改方式。本项目共计完成了6000多个设计模块的设计、发放与更改。该业务领域的主要负责人为设计师。

模块设计完成后进行入库操作，依据飞机总体构型管理文件，基于设计模块定义选项和选项值，建立选项、选项值、设计模块的约束关系，该业务由设计师与构型管理人员共同完成。

在构型管理业务领域，针对飞机特定状态，构型管理人员定义构型基线，选择构型库中满足飞机状态的选项和选项值作为构型基线的内容，由计算机程序进一步转化为设计模块列表。建立架次与构型基线的分配关系，以架次为单位生成飞机配置表并进行发放。

通过采用配置式构型管理模式，MA700-100型号已实现了研制批6架机构型基线的定义和飞机配置表的生成，如对第一架飞行试验机，支持了包含3000多个设计模块的飞机配置表的生成与发放。

4结束语

为了实现我国飞机的产业化、系列化发展，扩大世界民机市场份额，在采用先进的设计制造技术外，需要采用新的管理方式，实现优质、准时、低成本的型号研制。构型管理面向飞机研制全生命周期，在很大程度上决定着飞机研制的成败，因此需要研究先进的、适合的构型管理技术。

本文所述的谱系化构型管理方法，深化了简化构型管理的思想，坚持飞机研制过程与构型管理过程的相对解耦、设计数据与架次信息的分离，形成了基于模块的设计和基于模块的构型管理两个相对独立的业务过程。构建构型库作为构型管理的基础，支持设计成果的重用，最大程度地满足飞机谱系化发展的需求。采用构型基线的方式表达并管理特定型号、特定架次飞机构型信息，重新定义了构型控制过程，实现了对飞机构型信息的清晰、准确记录，确保了构型信息的一致性、可追溯性。

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（责任编辑王昕）

作者简介

年丽云（1989-）女，硕士，工程师。主要研究方向：构型管理。

Tel：029-86832681

E-mail：nianliyun@163.com

刘雅星（1969-）男，学士，研究员。主要研究方向：产品全寿命周期数据管理。

吕潇超（1982-）男，硕士，高级工程师。主要研究方向：PDM工程应用。

Research and Application of Aircraft Pedigree Configuration Management Model

Nian Liyun*，Liu Yaxing，Lv Xiaochao

AVIC The First Aircraft Institute，Xian 710089，China

Abstract： In order to meet the needs of modern aircraft pedigree development， a configuration management model is proposed. The model separates the aircraft effectiveness from the design data to realize the relative decoupling between configuration management and engineering development. The aircraft configuration library is constructed to realize the management of design modules that support the rapid reuse of design results. The configuration baseline is used to define the configuration information of specific aircraft status. The configuration status of specific aircraft sorties is determined through the allocation of sorties and configuration baselines， and the airplane configuration table is generated to realize the release of configuration information for manufacturing. The aircraft pedigree configuration management system is matched with the module-based design system， and realizes the effective control of huge design data and derived data， clearly and accurately records the aircraft configuration， thus ensureing the consistency of design and manufacturing.

Key Words： aircraft pedigree； configuration management； aircraft configuration library； configuration baseline； airplane configuration table