基于产品数据包的设计制造一体化平台研究

王 沁 吴嘉栋 晁晓娜 景明艳 吴 晟

（上海航天设备制造总厂有限公司，上海 200245）

0 引言

航天型号产品既有国之重器、影响巨大的社会属性，也有状态复杂、批量变化的生产特性。我司作为我国唯一集运载火箭、空间飞行器和导弹武器产品总装为一体的国有综合型航天骨干企业，因产品领域跨度广、研制阶段复杂和过程质量控制难度大而远超一般批量性和流程性产品生产企业。虽然近几年航天产品的研制能力和技术水平的总体提升速度很快，但是设计制造一体化平台建设始终是整个航天产品研制过程管理要素中的薄弱项。产品数据信息的“零散”和难以追溯问题已成为影响航天产保工作开展乃至导致型号任务成败的关键因素之一。因此，以产品数据包为基础，拓展一体化平台，将助力航天制造管理能力的不断提升。

1 基于产品数据包的设计制造一体化的重要性

航天产品的设计制造过程围绕产品研制的全生命周期来开展，一个型号产品从设计、采购、生产、装配、调试、测试、试验（含大型试验）、交付一直到售后等全过程的数据信息归集存在数据来源多、跨系统、数据形式多样、数据整合难度大以及型号要求各异等特点，因此在横向、纵向都需要信息的追溯共享，从而解决“孤岛”现象。

航天型号产品的质量与可靠性数据包是指航天型号产品在设计、生产、试验和交付等研制生产环节中形成的有关质量与可靠性的各类文件、记录等信息的集合。质量与可靠性数据包既是产品质量与可靠性形成过程的客观记录，也是产品质量与可靠性水平的客观证实和上级技术抓总单位接收产品的重要依据。数据包中的各项数据为生产过程中实际测量、记录的数据，包括数据和影像。

欧美航天领域早在1991年就提出了航天数据包的定义并开始应用，国际标准化组织（ISO）参照欧空局空间产品保证中对航天数据包的定义，给出了ISO的航天项目数据包要求描述。相对来说，国内数据包管理工作起步较晚，2004年中国航天领域明确定义了质量数据包概念。随着我国航天工程的飞速发展以及各类航天器发射任务的不断增加，对产品质量管理控制及要求也在不断提高。在不断强化产品精细化质量管理、努力提高产品可靠性水平的同时，规范各类型号产品的质量数据包、深入推进各类数据包工作已经成为确保产品质量的必要条件。

2 产品数据包的管理方法

2.1 数据包的基本要求

2.1.1 数据包建立

部组件及以上（包括外包产品）产品在研制生产过程中结合产品的特点、类别以及工作阶段建立产品质量数据包。整机产品研制生产单位是建立质量数据包工作的主体，做好数据包工作的总体策划，落实工作职责，明确工作内容及相关要求，建立管理制度并纳入型号质量保证大纲的相关文件中，确保数据包的建立工作得到落实。数据包中的各个项目应有唯一标识并可追溯。数据包的载体可以是纸质文档、电子文档或影像资料，要充分利用信息化手段逐步实现数据包的电子化。

2.1.2 数据包内容

要在对产品全过程质量控制要求充分认识、理解和把握的基础上来确定数据包中所包括的项目及其内容。数据包项目及内容要满足单位制度规定，并满足产品保证大纲（质量保证大纲）、产品技术要求和用户上级单位的要求。应涵盖产品在设计、制造、组装、调试、测试、试验、检验以及返工返修等工作环节中形成的文档、记录（包括照片、录像）等各类质量信息，能充分反映产品研制生产过程的质量控制情况及其结果。数据包中各类记录必须是对产品实际状态的客观反映，记录要准确、完整[1]。

2.1.3 数据包的管理

数据包文档的保存条件和存档期限应符合一半型号产品文档的存档管理要求。向上一级技术抓总单位提交的数据包内容应提前与上一级技术抓总单位进行协调确认。数据包文档在数据包生成单位存档，随产品流转且不交付用户的文档由总成单位存档。在文档管理时，数据包文档原则上打包集中存放。数据包管理应符合保密规定。要基于数据包对产品实现过程所获得的数据进行系统分析、综合利用，不断提升产品的成熟度。

2.2 数据包的管理流程

数据包管理工作主要包括2个方面：1） 数据包管理流程的落实以及流程的各项要求的落实。2） 数据包各项项目内容的归集与落实。

数据包信息化能力建设对应数据包管理的2个方面，既包括数据包管理流程的电子化信息化，也包括各项项目内容产生流转的过程电子化和管理信息化。由于非报告类型的数据包的各项内容产生于产品生产制造的全过程，因此，其信息化的难度就内化为对企业相关业务流程的信息化改造的难度。

2.3 数据包的信息内容

从型号质量管理的角度来看，应该对以下涉及产品研制生产全过程的质量信息进行可追溯性管控，形成质量数据包，一般包括以下内容。

装备订购合同要求，研制总要求及设计方案，图样及技术资料，研制生产过程技术状态管理（包括技术状态的更改及相关审批手续），工艺评审、质量评审、元器件以及原材料等专题评审，产品关键件或者关键特性、重要件或者重要特性、关键工序以及特种工艺等质量控制文件，首件鉴定资料，研制、生产以及试验过程测试记录，研制、生产以及试验过程中出现的故障或问题的纠正预防措施，试验大纲或试验方案，例行试验、大型试验结果及结论报告，试验装备及检测设备状态记录，外协外购产品的质量合格证明文件及重要产品生产过程控制记录，产品质量证明文件等。

以武器型号为例，围绕武器型号产品数据包的相关要求，经梳理研究，从产品全生命周期过程对应需要导入的产品数据包类别主要包括设计文档、制造文档以及综合质量信息文档等类别。每个类别所对应的项目应在其所对应的平台系统中提取信息。

3 数据包信息归集

3.1 产品数据包信息的来源

产品的实现过程本质上是产品信息迭代增长的过程，企业产品的质量信息增长过程一般可以简化为如图1所示的过程。

图1 单一产品质量信息构建逻辑

经过对企业相关型号产品的数据包清单项目进行研究，最大化数据包项目清单达160多项，数据包项目经汇总分析（不包括设计类数据包项目）形成如图2所示的A1—A9模块数据的对应关系，其数据信息来源如下（简要介绍型号数据包内容与 A1—A9 模块数据的对应关系）。

图2 型号产品数据包数据源关系分析图

3.1.1 生产过程质量问题处理模块（A1）

该模块输出有关产品过程质量信息的数据包项（例如超差单（不合格品处理单）汇总、让步接收汇总表）。

3.1.2 生产过程放行管理模块（A2）

该模块输出有关产品过程产品放行管理信息的数据包项（例如紧急放行单、例外放行单汇总表等）。

3.1.3 生产过程器材信息管理模块（A3）

该模块输出有关物资相关信息的数据包项（例如器材超期复验证明汇总表、装机电子元器件登记信息卡、电子元器件二次筛选合格证明以及器材合格证明信息等）。

3.1.4 生产过程控制管理模块（A4）

该模块输出有关过程控制的相关信息（例如装配、调试、测试过程质量跟踪卡、强制检验点检查记录以及关重控制点检查记录等）。

3.1.5 投产信息管理模块（A5）

该模块输出有关投产信息的数据包项（例如工艺过程卡汇总表、转批申请单汇总）。

3.1.6 产品生产质量技术文档模块（A6）

该模块输出有关产品质量技术文档的数据包项（例如产品质量分析报告、质量问题归零报告等）。

3.1.7 现场数据采集模块（A7）

该模块输出有关过程的质量记录（例如装配过程记录、检验记录、声像记录汇总表、试验报告汇总表以及单机环境试验报告等）。

3.1.8 设计工艺数据包信息管理模块（A8）

该模块输出有关设计文件的数据包项（例如设计文件目录、研制技术要求、设计文件汇总表以及设计关键特性表等）、有关技术状态控制管理的数据包项（例如新工艺的鉴定证明书、新工艺评审报告、技术状态更改申请单、偏离/超差申请汇总表、技术状态更改分析报告、产品风险分析与控制报告、工艺技术状态检查确认报告、评审结论报告（包括设计、工艺、可靠性）以及评审结论报告等）、有关静态工艺文件的数据包项（例如关键工艺清单、关键（重要）过程（工序）明细表、工艺关键特性表以及过程控制关键特性表等）和有关动态工艺信息及状态的数据包项（例如返修工艺文件汇总表、分系统测试报告、暂时工艺脱离单汇总表以及未经飞行试验工艺汇总表）。

3.1.9 产品数据包归集管理应用模块（A9）

该模块形成所有外部输入数据包项的按主数据抓取汇总能力（按工作令、路卡号集成以及工艺目录等）以及具有独立数据包的信息交互界面；集成过程数据采集系统的相关综合信息，可关联形成产品质量证明书、产品履历书。

3.2 数据包信息的归集原理

产品数据包内的数据信息来自各级零部组件生产试验的过程中，也应当在过程中记录累积，但受归集手段的限制，目前企业只能够在交付前依靠人工从各级记录中汇总信息。

数据包数据归集的基本原理如下。

3.2.1 底层数据建设

信息化能解决落后的管理方法，但无法创造数据。数据包所需要的数据必须在相应的过程或管理活动中以结构化数据的形式呈现。

3.2.2 构建实物物料清单（Bill of Material，BOM）关系

基于配套关系，在装入件（零部组件、器材）装入环节，由操作检验人员通过扫码来构建数据包范围内产品实物的层级关系。基于工艺BOM实现向实物BOM的转换。

路卡是实现工艺BOM向构建实物BOM转换的关键桥梁。在企业中，路卡是产品生产实现过程重要的投产信息载体和记录归集载体。具有唯一性和关联性。一个图号的产品可以多批次投产，在同一投产批次中也可以分为多张路卡。具体的路卡号对应唯一确定的工作令、型号、批套、图号、产品名称、工艺文件编号以及主责车间，但一个路卡号可以向下对应多个独立产品（关重件和部组件）的流水编号。

例如通过装入时扫码的过程，最终软件系统可以通过层层装入的关系了解Y1火箭装入了哪些半成品/直属件以及装入了哪些器材。例如Y1装入了出库半成品合格证编号为16084567的贮箱（半成品/直属件），通过合格证编号能够知道贮箱的路卡编号；通过路卡编号以及贮箱的图号就能够知道领料单号为Q151000520的板材（器材）；通过领料单号可以归集到这张料单的作业计划信息，包括发料数量、器材技术条件以及检验编号等信息。

通过抓取半成品合格证编号为16084567的贮箱，可以层层向下读取所需要的数据信息。

通过装配过程对实物进行关联搭建，基于产品工艺结构构建实物BOM。通过构建完成的实物BOM层层抓取与路卡关联的各类信息，如图3所示。

图3 数据包结构自顶向下的构建过程示意图

3.2.3 数据包内容策划，使不同产品的同类信息实现信息化归集

例如，要归集某单机的通电时间，该单机分别在单机试验、单机测试、系统试验以及系统交付等4个环节有通电记录，这就要求这4个过程记录中有关通电时间记录的结构化格式必须全部统一，当按数据包进行归集时，根据构建出来的实物BOM关系，就可以对相同表格数据进行叠加归集。

4 基于数据包的设计制造一体化平台建设

狭义的产品实现过程就是指产品生产制造的过程。该小节主要对覆盖产品核心实现过程（设计、工艺和生产）的管理系统的集成进行研究。

设计工艺和生产管理平台集成的核心内容就是实现企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）系统与产品数据管理（Product Data Management，PDM）系统的集成、ERP与制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）的集成以及计算机辅助工艺设计（computer-aided process planning，CAPP ）平台与MES系统的集成 ，具体就是形成PDM/ERP/MES企业数字化三层管理集成架构，最终建成现代化、集成化以及数字化的型号产品加工生产集成管理系统[2]。

4.1 设计、工艺平台的集成

从产品的设计流程、工艺流程和控制流程角度对传统、典型的设计工艺流程进行深入分析，明确了以设计任务书、初步设计、产品设计、工艺初步设计、工艺设计、过程控制设定以及产品交付为核心的产品技术流程。

PDM管理平台与ERP系统深入集成[2]的总体目标如下：1） 通过深入集成，在PDM端自动生成符合ERP图号管理要求的图号编码，随工艺BOM自动导入ERP系统形成图号档案，取消人工生成图号编码；通过设置流程，为PDM中的物料匹配ERP系统能够识别的物资编码，取消ERP端的虚拟物资编码和正式物资编码的人工匹配，实现编码系统的集成目标。2） 集成ERP系统工艺装备信息、生产设备信息和物资存量信息，形成PDM系统工艺装备存储库和工艺设备存储库，构建系统间工艺装备、生产设备同步流程，并定期进行系统间的数据同步；使PDM系统工艺设计环节能够实时查看当前物资的存量情况，实现工艺资源的集成目标。3）通过深入集成，由ERP发出请求并主动获取PDM系统中的相应投产需求状态的工艺BOM，将其传递至ERP系统，自动构建生产BOM（包括工艺路线、材料定额以及元器件安装位号等），实现工艺生产信息与ERP系统集成的目标。4）通过PDM系统工艺编辑器与ERP系统的集成，获取与ERP系统作业计划相应状态及对应图号的PDM系统工艺文件中的工序信息，实现工序路线信息与ERP系统集成的目标。5）基于PDM系统与ERP系统的深入集成应用，形成支撑企业型号数字化工艺制造一体化的标准规范体系与管理制度。

4.2 设计、工艺平台和生产管理平台的集成

企业三维工艺协同管理平台与ERP系统深入集成建设，将需要在开发层面解决系统间的数据传递形式和规范，数据传递形式如图4所示，具体传递内容规范性应当覆盖以下内容。

图4 三维工艺协同管理平台集成示意图

在PDM系统中开发构建能够关联ERP系统图号物资编码档案的图号物资编码匹配工具，在工艺BOM构建流程中设置相应编码的获取和匹配业务环节。

在PDM系统中开发构建PDM工艺资源存储库同步工具，同步ERP工艺装备、生产设备档案，获取相应字段信息，并能实时查看ERP系统物资存量情况。

在ERP系统中开发构建工艺BOM信息主动获取入口，使PDM系统能够为ERP提供产品制造所需要的工艺、制造信息，能够将产品主数据、产品结构以及产品所需要的物料清单、工艺路线等信息传输到ERP系统中。

目前，企业已实现了全三维设计、全三维签审、设计制造协同、全三维工艺设计以及无纸化制造等完整的设计制造一体化技术路线验证，但是，由于设计、工艺尚未与物资公共数据区进行集成，PDM系统和ERP系统两者之间也未实现集成，因此，在零部件分类管理、BOM配置管理、物料编码定义以及工程更改等功能上都存在不同程度的交叉重叠，两者的相互独立导致设计信息的二次输入，企业还是不得不设立专职岗位负责将PDM系统中的工艺BOM数据以Excel文件的形式导出，对工艺BOM和物料信息进行人工处理，最终再将该Excel文件导入ERP系统中，不但增加了人工成本，而且对系统间信息传递的效率和可靠性也有较大的负面影响。

设计制造一体化的核心就是PDM与ERP的集成。PDM与ERP集成的目的就是将覆盖设计部门的产品数据管理的技术信息系统和覆盖生产制造、销售、采购和财务等部门的管理信息系统紧密地联系在一起，将从设计到制造中的各个子过程融合为一个整体，各个子过程产生的信息能够相互传递、共享，使每个参与的用户能够在正确的时间、正确的地点获得正确的信息，这也是PDM系统与ERP系统集成的核心需求。

目前，企业将工艺BOM及相关工艺的管理定义在PDM系统中。工艺BOM能够继承设计属性，十分明确地显示各种零部件间的制造关系，跟踪零部件能够了解到它们的制造过程、制造工厂、制造场地以及制造材料等信息；可以将企业ERP系统中的产品结构可看做是MBOM，它是指导生产的基础数据，不但有设计信息、工艺信息，而且还包括了生产管理信息，生产管理类信息需要由生产部门的人员来确定。

以纸质/电子工艺文件的离散管理将转变为以工艺BOM为核心的工艺数据组织管理方式将是设计工艺和生产管理平台集成的有效路线。基于PDM系统建立和固化工艺BOM的构建和更改业务过程，同步ERP系统中一系列实物资源信息，实现工艺BOM及其关联的工艺信息（工艺规程、工艺文件、物料、工艺装备、工作中心等）及时、准确向ERP的传递、实现车间无纸化现场查看及数控程序管理与传递。

通过集成，为PDM系统提供实时的企业资源应用状况，同时解决ERP系统产品数据源头问题，实现设计制造一体化，促进产品不同业务的协调，减少手工干预和二次输入。

5 结语

该文从质量管理要求的客观必要性入手，结合企业现状的整体信息化水平，围绕产品数据包归集的思路，分析了质量数据融合的逻辑和可行性。同时研究了系统架构、质量数据结构采集关系，对产品研制过程各信息化系统和质量模块的数据接口逻辑和分配关系，形成了一套可以知道实际开发并取得预期成效的设计制造管理一体化平台，为后续产品研制过程的一体化能力建设奠定了良好基础。