數字轉型必讀:基於模型的企業——從MBD到MBE的戰略路徑

曉軍視點2018-10-17 18:49:32

摘要:企業的不斷成功,源於在每個關鍵機遇期做出正確的抉擇。對於在國民經濟中發揮重要作用的中國業企業來說,如何面向未來,迎接信息時代的到來,是對每個製造業企業的一個挑戰。正確作出選擇的企業,將在新一輪的競爭中搶佔先機。從MBD到MBE,構建一個基於模型的企業是一條漫長之路,需要在許多方面做出突破和改善。企業在擺脫傳統的基於二維圖紙的研發生產模式向基於三維模型的全面數字化企業邁進的過程中,必須從根本上樹立起數字化思維和生產經營管理模式,建立科學的戰略轉型路徑。

關鍵字:定義,數字化,MBD,MBE,轉型,戰略,3D,單一數據源,PLM

一、工程師的新語言

1、工程師的語言

語言、文字和圖形是人們進行交流的主要方式。在工程界,準確表達一個物體的形狀的主要工具就是圖形,在工程技術中為了正確表示出機器、設備的形狀、大小、規格和材料等內容,通常將物體按一定的投影方法和技術規定表達在圖紙上,這種根據正投影原理、標準或有關規定,表示工程對象,並有必要的技術說明的圖就稱圖樣。工程圖樣是人們表達設計的對象,生產者依據圖樣瞭解設計要求並組織、製造產品。這種採用類似工程圖樣的產品定義方式常被稱為工程師的語言。

2、工程語言的歷史演進

2.1 第一代工程語言

工程定義需要明白和無歧義的表達。中國古代工匠就有采用物理實體模型(如:故宮“樣式張”)和二維繪圖法表達工程思想的歷史。1795年法國科學家加斯帕爾·蒙日(Gaspard

 Monge,1746~1818)系統地提出了以投影幾何為主線的畫法幾何,把工程圖的表達與繪製高度規範化、唯一化,工程圖便成為工程界常用的定義產品的語言——第一代工程語言。

這種工程設計語言的缺陷是顯而易見的,設計師在設計新產品時,首先湧現在腦海裡的是三維的實體形象而不是平面視圖。但為了向製造它的人傳遞產品的信息,必須將這個活生生的實體通過嚴格的標準和投影關係變成為複雜的、但為工程界所共識的標準工程圖。這當中的浪費不僅是投影圖的繪製,還包括了從實體形象向抽象的視圖表達方式轉換的思維,以及在轉換過程中不可避免出現的表達不清和存在歧義。製造工程師、工人在使用這種平面圖紙時,又要通過想象恢復它的立體形狀,以理解設計意圖。這又是一番思維、腦力和時間的浪費。平面圖紙的再利用能力幾乎沒有,定義的質量完全依賴設計人員的個人能力。有時不是創意而是對平面圖形的理解程度,製圖技術的好壞往往是能否設計、製造出好的產品的關鍵。對二維圖樣的繪製和理解是需要嚴格的專門訓練,要求工程人員有良好的空間想象能力。直到今日畫法幾何和工程製圖仍然是工科大學最重要的必修課之一。二百年來,製造業為這種平面圖形的轉換付出了巨大的代價。

2.2 第二代工程語言

20世紀50年代後期,隨著計算機軟硬件技術的發展,在計算機屏幕上繪圖變為可能,CAD技術越來越成為工程表達的標準方式,逐漸成為第二代工程語言。

二維CAD將手工二維繪圖計算機化,人們藉助此項技術來擺脫煩瑣、費時、精度低的傳統手工繪圖,從而甩掉了沿用200多年的圖板。

60年代初期出現了三維CAD系統,起初是極為簡單的,只能表達基本幾何信息線框系統,不能有效表達幾何數據間的拓撲關係,缺乏形體的表面信息。進入70年代,由於飛機和汽車工業的蓬勃發展,飛機及汽車製造過程中遇到大量自由曲面問題,此時,基於三視圖方法的多截面視圖、特徵緯線近似表達所設計自由曲面產生的不完整性,已經不能滿足工程要求,大大拖延了產品研發時間。由於貝塞爾算法的提出,使得用計算機處理曲線及曲面問題變得可行,從而結束了計算機輔助設計技術單純模仿工程圖紙的三視圖模式,首次實現了計算機完整描述產品零件的主要信息,同時也使得CAD技術的開發有了現實的基礎。曲面造型系統為人類帶來了第一次CAD技術革命,改變了以往只能藉助油泥模型來近似表達曲面的落後的工作方式。

由於曲面造型技術只能表達形體的表面信息,難以準確表達零件的其他特徵,如質量、重心、慣性矩等,從而提出了對實體造型技術的需求。實體造型技術能夠精確表達零件的全部屬性,在理論上有助於統一CAD/CAE/CAM的模型表達,給設計帶來了驚人的方便性。可以說,實體造型技術的普及應用標誌著CAD發展史上的第二次技術革命。

2.3 第三代工程語言

80年代中期,一種比無約束自由造型更新穎、更好的算法———參數化特徵造型方法開始出現。它具有基於特徵、全尺寸約束、全數據相關、尺寸驅動設計修改的特徵。可以認為,參數化技術的應用主導了CAD發展史上的第三次革命。此時眾多CAD/CAM/CAE軟件開發公司群雄逐鹿。80年代後期到90年代,CAD向系統集成化方向發展,引起了CAD發展史上的第四次革命。特別是波音777實現了全數字樣機,進一步發展了數字化設計製造技術,此後,

波音公司在以波音787為代表的新型客機研製過程中,全面採用了MBD技術,將三維產品製造信息與三維設計信息共同定義到產品的三維模型中,摒棄二維圖樣,將MBD 模型作為製造的唯一依據。至此,基於三維模型定義技術的MBD已經成為第三代工程語言。

二、基於模型的定義(Model-Based Definition-MBD)

傳統的產品定義技術主要以工程圖為主,通過專業的繪圖反映出產品的幾何結構以及製造要求,實現設計和製造信息的共享與傳遞。基於模型的定義(MBD)以全新的方式定義產品,改變了傳統的信息授權模式。它以三維產品模型為核心,將產品設計信息、製造要求共同定義到該數字化模型中,通過對三維產品製造信息和非幾何管理信息的定義,實現更高層次的設計製造一體化。

MBD是一種超越二維工程圖實現產品數字化定義的全新方法,使工程人員擺脫了對二維圖樣的依賴。MBD是一個管理和技術的體系,並不僅僅是一個帶有三維標註的數據模型。MBD使製造信息和設計信息共同定義到三維數字化模型中,使其成為生產製造過程的唯一依據,實現CAD和CAM(加工、裝配、測量、檢驗)的高度集成。ASMEY14.41、BDS600系列等標準是MBD的重要基礎,這些標準的制定促進了CAD軟件公司參照其開發軟件新功能,使MBD的思想得以實現,並很快應用到以波音787為代表的生產實踐中。

1、數字化產品定義技術

200對年前,蒙日在《畫法幾何學》的開篇稱畫法幾何學有兩個主要目的,第一個目的是在只有長、寬兩種尺度的圖紙上,為表達一切具有長、寬、高三種尺寸的自然物體提供方法,而這些物體應是嚴格確定的,這種圖與使用何種語言表達無關。第二個目的則是根據準確的圖形,推導出物體的形狀和物體各個組成部分的相互位置。以畫法幾何為基礎的二維工程圖表達,奠定了以二維準確定義三維,用平面表達空間乃至加工製造需求的思維模式和工程管理規範,統治工程設計與製造長達200多年,並依舊發揮作用。

計算機的出現,使表達的通用介質突破了“只有長、寬兩種尺度的圖紙”。人們逐步把三維模型引入到工程定義中,三維模型在工程定義中的地位從參考、輔助過度到主導地位。隨著三維技術的日趨成熟,使得以數字化完整準確定義三維產品成為可能。基於模型的數字化定義技術是具有三維模型主要元素的完整產品定義,它不再使用或依賴於二維圖樣或正投影視圖為主要製造依據,是數字化定義的最新階段。由於其無可比擬的直觀性和與其他計算機輔助設計的集成,漸漸成為新的工程定義的標準,最終必然得到推廣並取代圖紙文化。

新的東西常常帶來大量的特殊問題。在通常的CAD系統中,工程技術人員所建立的產品數字化模型僅僅是三維幾何模型,而製造工藝信息還在二維圖樣上。這樣僅依據三維幾何模型往往難以進行產品的生產和檢驗。也就是說,三維模型中沒有讓技術人員以清晰確定的方式,將工藝、模具設計與生產、部件裝配、部件與產品檢驗等工序所必需的設計意圖添加進來。三維模型雖然包含了二維圖樣所不具備的詳細幾何形狀信息,但三維模型中卻不包括尺寸及公差的標註、表面粗糙度、表面處理方法、熱處理方法、材質、結合方式、間隙的設置、連接範圍、潤滑油塗刷範圍、顏色、要求符合的規格與標準等僅靠幾何形狀無法表達的(非幾何)信息。另外,在三維建模中,基於形狀的註釋提示、關鍵部位的放大圖和剖面圖等能夠更為靈活而合理地傳達設計意圖的手段也存在不足。這在實際工程中就會產生既使用三維模型,又離不開二維圖樣的矛盾狀態。這些在實際生產中遇到的問題是ASME關於MBD技術標準研製的根本動力,並推動了ASME Y14.41-2003標準的頒佈,與此同時,以波音公司為代表的世界頂級製造企業和軟件廠商也在加緊在此標準基礎上開發與應用,進一步發展基於模型的定義技術。目前MBD技術及其相關標準仍在不斷髮展之中。

在MBD技術發展應用過程中,航空工業始終走在前列。飛機產品作為複雜、製造難度最大的工業產品,迫切需要數字化技術尤其是數字化定義技術來提高設計質量以及設計效率。單項數字技術,如CAD技術、數字化仿真分析技術、數字化加工檢驗技術等已經取得了明顯的進步。但缺乏整體的軟硬件體系建設,以綜合發揮整體數字化技術帶來的優勢。目前航空企業已經使用CAD軟件建立產品的三維實體模型,但在數據傳遞過程中不得不經常將三維模型轉換成二維圖樣進行傳遞。同時,基於圖樣的信息傳遞,無法有效地實現數據共享,無法大規模推廣協同設計。因此,需要通過對基於模型的定義技術進行研究,來充分繼承並行工程數字化定義的要求,同時,需要通過更高集成度的數據集成技術,來實現信息傳遞過程的無紙化,實現更高應用水平的數據共享技術。

在此過程中,其主導思想不能只是簡單地將二維圖樣的信息反映到三維模型中,而要充分利用三維模型所具備的表現力,去探索便於用戶理解且效率更高的設計信息表達方式。其中最為艱難的是,“要從二維圖紙文化這種現有概念中跳出來,從零開始研究新的信息表達方式”。為此,首先應針對概念設計、初步設計、詳細設計、生產準備、評估與檢驗等每個階段,弄清楚“哪些是產品製造中所必需的信息”,哪些是囿於二維圖紙時代技術條件限制而提出的,在當前情況下已非必需或者可以從根本上改變形式的信息。

隨著計算機的出現和數字技術的發展,那種以投影法為基礎的“只有長、寬兩種尺寸的”傳統產品定義的方法逐漸受到顛覆,信息技術將以往的“靜態”的思維範式和工作方式引領到“液態”的模式,製造企業的生產活動將不再以傳統的“靜態”的工程語言和工程文件進行開展,一種跨時代的革命性的數字化定義工程技術應用的序幕正在拉開。MBD技術使倡導多年的並行工程、協同設計乃至數字化企業成為可能。

2、數字化產品定義規範

美國機械工程師協會頒佈的數字化產品定義規範(ASME Y14.41-2003 DIGITAL PRODUCT DEFINITION DATA PRACTICES)是基於模型定義的基本規範要求的基礎。這一標準是數字化技術發展時期順應工業領域的應用需求而提出的,規範制定始於業界頂端航空製造業。1997年1月,在波音公司主持的會議上確定了對這一規範的需求,以波音公司多年數字化製造經驗為基礎,經過幾年的修訂,規範於2003年7月7日被批准為美國國家標準,這期間三維設計系統的發展也使得標準的內容不斷擴充。

ASME Y14.41-2003標準建立了應用於數字化產品定義的數據——數據集的要求及參考文檔。這一標準和其他現行ASME標準(如ASME Y14.5M-1994(R1999),尺寸和公差標註)配套使用。它支持兩種應用方法,僅使用模型(三維),及模型和數字化格式的圖樣(2D Drawing)相結合。標準規定從對這兩個方法的公共要求開始,然後分別敘述其他各部分對這兩種方法的各自要求。

標準還對三維CAD軟件提出了建模和標註功能的要求,直接促進了CAD軟件三維標註功能的發展,CAD軟件公司已把此標準設計到軟件中。波音公司在此標準基礎上根據公司具體實踐制定了BDS600系列標準,並在2004年開始的波音787客機設計中,全面採用基於模型定義的新技術。這使得三維產品製造信息(Product Manufacturing Information,PMI)與三維設計信息共同定義到產品的數字化模型中,使CAD和CAM(加工、裝配、測量、檢驗等)實現真正的高度集成,可不再使用二維圖紙。2006年,ISO頒佈了ISO 16792,規定了全面的三維模型標註規範,數字化技術的應用有了新的跨越式發展。

3、MBD數據集

根據ASME Y14.41-2003標準規定,數字化產品定義(Digital Product Definition,DPD)數據集可以以下面四種格式之一存在:

(1)DPD數據集包括三維CAD模型和全尺寸標註的二維圖樣;

(2)DPD數據集包括三維CAD模型和標註了工程要求但未標註全尺寸的二維工程圖;

(3)DPD數據集三維模型,工程要求在三維模型裡以文本顯示;

(4)DPD數據集僅包括模型和工程要求。

這四種方式都可以認為是DPD方式,第二種有時稱為減少尺寸工程圖樣(Reduced Dimension Drawing,RDD)或簡化圖樣(Simplified Drawing,SD),第三種和第四種方式稱為基於模型的定義方法。

3.1 MBD數據集的基本內容

MBD數據集提供完整的產品信息,集成了以前分散在三維模型與二維工程圖樣中的所有設計與製造信息。零件的MBD數據集包括實體幾何模型、零件座標系統、尺寸、公差和標註、工程說明、材料需求及其他相關定義數據。裝配件的數據集包括裝配狀態的實體幾何模型、尺寸、公差和標註、工程說明、零件表或相關數據、關聯的幾何文件和材料要求。其中,工程說明由標註註釋、零件註釋、標註說明(與特殊工程需求有關的說明)組成,其基本內容見下圖。圖中所示數據由分析數據、零部件表、試驗要求、材料規範、工藝過程和最終要求等組成,但不限於這些數據。相關數據將在數據集中引用。

全三維基於特徵的表述方法,基於三維主模型的過程驅動,融入知識工程和產品標準規範是MBD技術的核心思想。它用一個集成的三維實體模型來完整地表達產品定義信息,將製造信息和設計信息(三維尺寸標註及各種製造信息和產品結構信息)共同定義到產品的三維數字化模型中,從而取消二維工程圖紙,保證設計和製造流程中數據的唯一性。MBD技術不是簡單地在三維模型上進行三維標註,它不僅描述設計幾何信息而且定義了三維產品製造信息和非幾何的管理信息(產品結構、PMI、BOM等),它通過一系列規範的方法能夠更好地表達設計思想,具有更強的表現力,同時打破了設計製造的壁壘,其設計、製造特徵能夠方便地被計算機和工程人員解讀,有效地解決了設計、製造一體化的問題。

MBD模型的建立,不僅僅是設計部門的任務,工藝、檢驗都要參與到設計的過程中,最後形成的MBD模型才能用於指導工藝製造與檢驗。MBD技術融入知識工程、過程模擬和產品標準規範等,將抽象、分散的知識集中在易於管理的三維模型中,設計、製造過程能有效地進行知識積累和技術創新,將成為企業知識固化和優化的最佳載體。

四個關鍵點

MBD模型數據的完整表現。MBD模型數據包括:設計模型、註釋、屬性,其中註釋是不需要進行查詢等操作即可見的各種尺寸、公差、文本、符號等;而屬性則是為了完整地定義產品模型所需的尺寸、公差、文本等,這些內容圖形上是不可見的,但可通過查詢模型獲取。為了在模型三維空間很好地表達MBD模型數據,需要有效的工具來進行描述,並按照一定的標準規範組織和管理這些數據,以便於MBD模型數據的應用。

面向製造的設計。由於MBD模型是設計製造過程中的唯一依據,需要確保MBD模型數據的正確性。MBD模型數據的正確性反映在兩個方面,一是MBD模型反映了產品的物理和功能需求,即客戶需求的滿足,二是可製造性,即創建的MBD模型能滿足製造應用的需求,該MBD模型在後續的應用中可直接應用。

·數字化協同設計與工藝製造的協同。MBD的重要特點之一是設計信息和工藝信息的融合和一體化,這就需要在產品設計和工藝設計之間進行及時的交流和溝通,構建協同的環境及相應的機制。

·MBD模型的共享。通過MBD模型一次定義,多次多點應用,實現數據重用的最大化。

3.2 數據管理

在二維圖中大部分置於標題欄中的管理數據,在MBD中可置於模型上或者與模型分離的數據集中,可包括應用數據、審籤信息、數據集標識、設計傳遞記錄、數據集的修訂的版歷史等內容。置於模型上的管理數據將放在管理數據標註平面上或用等效的方法。標準平面可與模型一起顯示,但管理數據標註平面將不與模型一起旋轉。置於模型上的管理數據將包括但不僅限於ASME Y14.41M註解、CAD維護標記、設計活動標識、複製原件標記、分項標識、米制標記、導航數據等內容。

數據管理系統將提供控制和跟蹤數據集信息的能力。這一系統可包含工作中狀態(work in process)、數據評審狀態、模型檢查狀態、發放狀態、設計工具和版本以及各種數據庫等。二維圖上的第一和第三角標記在MBD模型中不要求標註。

數據集依據工程圖標註(ASME Y14.100)來審批。數據集將在產品全生命週期裡被控制和利用。修訂版歷史信息將依據工程圖樣和相關文檔的修訂標準(ASME Y14.35)的規定保留在數據集中。

3.3 MBD與傳統工程圖樣的比較

傳統工程圖樣以投影法為基礎來表達一個產品的設計模型,在圖紙上用線條定義出產品的結構形狀、尺寸,用標註、符號和文字來說明工藝指令信息。

在數字化時代,隨著產品結構日益複雜和構型更改的頻繁,工程技術人員將越來越深地體會到傳統工程圖樣的缺點和不便。

①    對於任何結構形狀和尺寸的變化,都必須重新繪製,給二維工程圖樣的生成、更改與維護帶來了極大的不便;

②    只提供產品結構在不同視圖中的平面投影,無法直觀反映產品的立體結構,導致生產人員無法快速、正確地理解設計意圖;

③    二維CAD技術是對工程圖樣的一種硬複製,對曲面造型和生產過程中的新型製造和加工技術(如NC技術)缺少有效的支持;

④    在三維建模技術出現以後,由於設計過程中缺乏必要的工藝信息,製造人員仍然要依靠工程圖樣來建立製造準則,出現了同時依賴三維模型和二維工程圖樣的局面。

MBD方法是以產品的幾何模型為核心,將所有相關的工藝描述、屬性、管理等信息都附著在產品的三維模型中的先進的數字化定義方法。MBD方法將需要定義的信息按照模型的方式組織,是具有三維模型的完整產品定義,包含了對產品幾何形狀信息和非幾何形狀信息的定義。它不再使用或依賴於二維圖樣或正投影視圖為主要製造依據,是數字化定義的最新階段。MBD方法具有以下明顯優勢:

①    MBD方法以三維模型為核心,集成了完整的數字化產品定義信息,使加工、裝配、測量、檢驗等過程實現高度的集成,解決了二維工程圖的不足,直接解決了二維工程圖樣管理、維護和保持一致性等問題;

②    三維模型可以很好地表達曲面造型,實現了對新型製造和加工技術(如NC技術)的有效支持;

③    三維模型可以使各職能人員準確、直接地明白並理解設計意圖,減少了讀圖工作量以及由此可能帶來的理解偏差。

三、基於模型的企業(Model-Based Enterprise-MBE)

基於模型的企業(Model-Based Enterprise,MBE)是一種製造實體,它採用建模與仿真技術對其設計、製造、產品支持的全部技術的和業務的流程進行徹底的改進、無縫的集成以及戰略的管理;利用產品和過程模型來定義、執行、控制和管理企業的全部過程;並採用科學的模擬與分析工具,在產品生命週期(PLM)的每一步做出最佳決策,從根本上減少產品創新、開發、製造和支持的時間和成本。術語“基於模型的企業”已成為這種先進製造方法的具體體現,它的進展代表了數字化製造的未來。

1、概述

在經濟全球化的大趨勢中,幾乎每一個國家都處於全球化競爭的市場中,而經濟競爭歸根結底是製造技術和製造能力的競爭。誰掌握了先進的製造技術,誰就能製造出高水平的產品,誰就掌握了市場,誰就能在競爭中立於不敗之地。

在經濟全球化和信息技術的推動下,國際製造業的生產方式正在發生著重大變革。近年來,主要工業國紛紛制定各自的發展計劃,促進傳統制造業向先進製造業轉變。加快發展先進製造業,已經成為世界製造業發展的新潮流。

20世紀90年代以來,世界各發達國家先後制定了一系列高技術發展戰略與規劃,以此來推動高技術產業化的進程,提升國家的經濟競爭力與綜合國力。

2005年美國推出“下一代製造技術計劃(The Next Generation Manufacturing Technologies Initiative,簡稱NGMTI)”,旨在加速製造技術突破性發展,加強國防工業的基礎和改善美國製造企業在全球經濟競爭中的地位。NGMTI計劃提出的美國下一代製造技術有6個目標,其中第一個就是“基於模型的企業(Model-Based Enterprise,簡稱MBE)”。

從技術上講,基於模型的企業(MBE)就是要基於 MBD 在整個企業和供應鏈範圍內建立一個集成和協同化的環境,各業務環節充分利用已有的 MBD 單一數據源開展工作,使產品信息在整個企業內共享,快捷、無縫和低成本地完成產品從概念設計到廢棄的部署,有效縮短整個產品的研製週期,改善生產現場工作環境,提高產品質量和生產效率。

基於模型的企業(MBE)已成為當代先進製造體系的具體體現,代表了數字化製造的未來。美國陸軍研究院指出“如果恰當的構建企業MBE的能力體系,能夠減少50%~70%的非重複成本,能夠縮短達50%的上市時間”。基於此美國國防部辦公廳明確指出,將在其所有供應鏈中各企業推行MBE體系,開展MBE的能力等級認證。全世界眾多裝備製造企業也逐步加入到MBE企業能力建設的大軍中。由此可見,MBE已不再單純是一項新技術新方法的應用和推廣,而是上升到了國家戰略和未來先進製造技術的高度,它的研究應用成功與否將關係到未來製造業的新格局。

2、基於模型的系統工程(MBSE)

系統工程是基於模型的企業(MBE)的重要指導思想。

隨著產品系統的規模和複雜程度的不斷提高, 基於文檔的系統工程面臨的困難越來越突出,如信息表示不準確,容易產生歧義、難以從海量文檔中查找所需信息、無法與其他工程領域的設計相銜接(如軟件、機械、電子等)。而基於模型的系統工程MBSE(Model Based Systems Engineering) 則以它直觀、無歧義、模塊化、可重用等優點迅速覆蓋了軟件、電子等工程領域。它為基於模型的工程、基於模型的製造、基於模型的維護等MBE企業的關鍵活動提供了統一的協調接口,成為MBE企業研究和應用實踐中的重要組成部分。

3、基於模型的企業(MBE)架構

作為一種數字化製造的實體,基於模型的企業(MBE)在統一的基於模型的系統工程(MBSE)指導下,通過創建貫穿企業產品整個生命週期的產品模型、流程管理模型、企業(或協作企業間的)產品管理標準規範與決策模型,並在此基礎上開展與之相對應的基於模型的工程(MBe)、基於模型的製造(MBm)和基於模型的維護(MBs)的實施部署。


基於模型的工程(MBe)、基於模型的製造(MBm)和基於模型的維護(MBs)作為單一數據源的數字化企業系統模型中的三個主要組成部分,涵蓋了從產品設計、製造到服務的完整的產品全生命週期業務,以MBD主模型為核心在企業各業務環節順暢流通和直接使用,從虛擬的工程設計到現實的製造工廠直至產品的上市流通,基於MBD的產品模型始終服務於產品生命週期的每個階段。

MBE企業的能力在強調MBD模型數據、技術數據包、更改與配置管理、企業內外的製造數據交互、質量需求規劃與檢測數據、擴展企業的協同與數據交換等六個方面的同時,更加強調擴展企業跨供應鏈的產品全生命週期的MBD業務模型和相關數據在企業內外順暢流通和直接重用。

構建完整的企業MBE能力體系是企業的一項長期戰略,在充分評估企業能力條件的基礎上,統一行動,以MBD模型為統一的“工程語言”,在基於模型的系統工程方法論指導下,全面梳理企業內外、產品全生命週期業務流程、標準規範,採用先進的信息技術,形成一套嶄新的完整的產品研製能力體系。

4、基於模型的產品生命週期管理(Model-Based PLM)

在以往的PLM技術應用過程中,我們往往以整個生命週期過程為主線,側重於對產品生命週期中不同研發階段和不同應用領域的研究,其面向數據管理的數字化定義技術提供了對產品定義的集成框架,解決了面向不同應用領域產品數據管理的支持體系問題,為產品生命週期管理系統的實施應用提供了基礎。但是,面向產品數據管理的數字化定義技術並沒有完全解決以下問題:

(1)數字化應用技術的條件下研製人員應該遵循什麼樣的研發模式?

(2)在數字化系統中,產品模型應該具有哪些內容?

(3)採用什麼表達描述方式以及信息組織方法?

在當前製造業的研製過程中,工程設計製造人員由於缺乏對數字化產品工程定義的統一形式化方法,沒有標準可循,仍然要遵循傳統的工程製圖標準,回到二維圖紙的方式來傳達設計意圖。這種方式顯然不能完全發揮數字化技術在設計製造中的優勢。

隨著信息技術的發展,MBD技術將傳統的PLM技術進一步引向深入,它在基於模型定義技術基礎上實現由單一數據源驅動的全面數字化研發體系。使PLM系統具有更好的開放性和集成性,為數字化環境下工程產品定義的內容、組織模式以及定義方法提供法定授權的依據。

這種基於模型的產品生命週期管理方法在提高用戶構造大規模應用系統的能力的同時,還減少了業務模型在發生更改時,對組件內部邏輯和外部接口進行修改的工作量,並方便地實現應用開發從一種平臺到另外一種平臺的切換,這種基於模型驅動的開發和集成方法正在引起生產製造模式的變革和業界廣泛關注。

3.1 基於模型的驅動支持產品生命週期的每個階段

任何一家企業從誕生之日起就不可避免地要走向複雜,並在一定時期之後成為一個複雜系統,而產品作為企業的核心更是如此。產品開發是一個涉及到許多難以理解的變量、關係和概念的複雜過程。產品開發針對廣泛的問題,需要多樣的人才,運用不同的經驗、方法和系統,工作於分佈的環境。在這樣的條件下,要將一個抽象的概念轉化為一個複雜的包括多種技術的物理產品需要付出許多的努力,如定義、分析、調研、確認、權衡調整以及其他決策。產品開發是一項重要和複雜的活動,基於模型的產品生命週期管理實現了單一數據源的協同研發管理模式,消除了不同階段和環境的偏差和歧義,確保支持產品生命週期的每個階段。

3.2 產品模型支持貫穿生命週期的每個階段的每一個功能

我們在關注產品生命週期階段過程的同時,優化產品生命週期中的每個階段中的具體要素同樣重要,如產品功能、可靠性、製造過程、維護維修、能源消耗、備件供應、乃至培訓等其它下游功能。我們需要追溯在產品生命週期中的每個要素模型信息的完整性能力,以保證信息的一致性。

3.3 知識管理和知識工程

在知識管理和知識工程(Knowledge Based Engineering,KBE)方面,由於企業各團隊在業務過程中共享單一數據源、共用相同的知識積累和進化,使得基於企業知識、協同產品設計製造變成了現實。企業的各項業務過程從設計、管理到執行、歸檔、分析等全過程涉及到的建議、操作、經驗、知識可以在其後的工作中得以進化、沉澱和重用,從而使企業創新真正站在了前人工作的基礎之上,使以往那種知識經驗隨著人員的流失而消失的現象得以消除。

四、從MBD到MBE的戰略路徑

企業的不斷成功,源於在每個關鍵機遇期做出正確的抉擇。對於在國民經濟中發揮重要作用的中國製造業企業來說,如何面向未來,迎接信息時代的到來,是對每個製造業企業的一個挑戰。正確作出選擇的企業,將在新一輪的競爭中搶佔先機。

從MBD到MBE,構建一個基於模型的企業是一條漫長之路,需要在許多方面做出突破和改善。企業在擺脫傳統的基於二維圖紙的設計研發生產模式向基於三維模型的全面數字化企業邁進的過程中,必須從根本上樹立起數字化思維和生產經營管理模式,建立科學的戰略轉型路徑。

路徑一:樹立數字化企業意識,實現傳統思維向數字化思維的轉變

數字化技術引發人類思維方式的巨大變化。在企業向數字化邁進的過程中,思維方式的滯後將會使這場變革增加許多無謂的成本,思想的狹隘、保守乃至固步自封將是企業實現基於模型的企業的最大障礙。MBD技術在改變企業生產方式的同時首先要改變企業意識,也就是跳出二維的思維模式,建立三維的數字化模式。在企業管理和生產活動過程中樹立數字化企業的思想,實現數字化思維。在基於模型的系統工程思想指導下,全面部署企業的數字化戰略,是企業邁向數字化的關鍵所在。

路徑二:從基礎做起,構建MBD基礎環境

MBD的實施是一項長期、複雜而有艱鉅的工作。不僅僅要解決技術問題,更主要的是要有效解決由此帶來的對企業文化、管理體制、生產方式的衝突,建立相應的標準規範。

路徑三:在典型應用的基礎上,進一步實現MBD技術在整個企業的擴展應用

MBD技術將設計、製造、檢驗、管理信息融為一體,是產品定義方式的革命和未來設計製造技術的發展方向。企業在推動MBD技術應用時一定要在典型應用成功的基礎上,逐步實現整個企業的擴展應用。

路徑四:整合已經擁有的MBD成果,實現基於模型的企業

領先的製造業企業採取積極推行基於模型的企業戰略,以加速產品開發。他們的目標相對清晰簡單,擁有相對成熟的MBD成果,可以在整個產品生命週期中的每個階段中的每個功能上實現基於模型的設計、製造、檢測和維護,成為基於模型的數字化企業。

路徑五:正確選擇合作伙伴,吸收專業諮詢公司的技術優勢和實施經驗

隨著信息技術發展,企業信息化必將從簡單走向複雜,技術與業務融合成為企業信息化走向成功的關鍵。企業天然地佔據著業務管理的優勢,企業管理者和各層級的業務執行人員長期工作在生產的第一線,由於擁有多年的業務經驗和高超的技能,使得企業源源不斷地為市場提供高性能、高質量的產品。但是對於傳統的製造企業來說,面對信息技術和構建數字化企業的局面,卻仍然感到陌生和力不從心,他們需要選擇專業化的信息化諮詢服務公司作為合作伙伴,共同組建項目團隊,藉助專業諮詢公司的技術優勢和實施經驗,向基於模型的企業邁進。



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