基于PDM的航天发射支持系统MRO技术研究与实践

张 燕，李 木，严 勇

基于PDM的航天发射支持系统MRO技术研究与实践

张 燕，李 木，严 勇

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

针对航天发射支持系统MRO信息平台需求的迫切性和复杂性，通过比对现阶段各类信息系统的功能特点，分析PDM系统的核心技术，提出了基于PDM的航天发射支持系统MRO中性SBOM模型，并在Teamcenter完成了MRO信息平台的建模与初步实践。该研究的内容与技术成果，对航天复杂产品的MRO信息平台及其它与产品全生命周期数据管理相关的工程信息化平台建设，具有指导和借鉴意义。

航天发射支持系统；MRO；PDM；SBOM

0 引 言

长期以来航天发射支持系统在产品售后使用维护过程中积累了大量的数据。首先，每个型号的设计产品种类多至成百上千种，包括各种自制件、通用件、借用件、外购件、外协件、标准件等；其次，型号中每种设计产品的实做产品数量又随着批产交付，在不断地成倍增加，数据量增大至上万个；之后，型号中每个批产实做产品又随着飞行试验的使用次数，数据量增大至数十万个；最后，一个企业内有几十个型号。因此企业内的产品售后使用维护数据量应能达到千万个量级。

如此海量的产品售后维护大数据，蕴含着关于产品使用特征、产品固有性能、售后维护规律、企业发展趋势等相关的宝贵信息，是企业的巨大财富。但长期以来，产品售后维护数据一直零散在各处及各主管设计手中。对产品售后维护信息进行有效地数据管理，具有重要意义，并且需求十分迫切。

1 信息平台需求特点

1.1 使用人员

通常制造企业的产品“维护、维修和大修”（Maintenance，Repair & Overhaul，MRO）工作，由专门的维修部门人员进行，但由于航天发射支持系统的复杂性、发射试验的高风险、对发射保成功的高标准要求，仅依靠维修部门人员达不到航天发射支持系统的高质量要求。航天发射支持系统实行的是设计负责制，对交付用户售后的产品实物状态也是由设计师系统技术负责。

因此，航天发射支持系统MRO信息平台的使用人员是设计师系统。

1.2 平台的复杂性

对航天发射支持系统MRO信息平台管理的信息内涵，也不仅是如通常制造企业的从售后阶段开始的台份、实做产品的运行、维护信息，而是至少要从实做产品对应研制阶段的出厂验收关键信息、大型地面试验信息、历次发射试验信息开始，直至产品交付用户售后阶段的各项MRO综合管理信息，甚至航天发射支持系统MRO信息管理的起点要从实做产品对应研制阶段的设计模型和设计文件、技术状态变化的三单信息开始，才能最终做到综合保障售后实做产品的有效维护、设备完好率，确保发射成功。

因此，航天发射支持系统MRO信息平台需要的是一个具有数字化、信息化、集成化的产品全生命周期数据管理特性的售后产品信息系统。

2 选择基于PDM系统建设

2.1 现阶段各类信息系统的功能特点

现阶段信息系统分类和具有的主要功能[1]，如表1所示。

表1 现有信息系统的主要功能比对

因此，根据上述航天发射支持系统MRO信息平台的需求，需基于数字化、信息化、集成化的PDM系统进行建设。

2.2 PDM系统的现状

产品数据管理（Product Data Management，PDM）是一门用来管理所有与产品相关信息（包括零件信息、配置、文档、CAD文件、结构、权限信息等）和所有与产品相关过程（包括过程定义和管理）的技术。

目前，PDM技术在国内外得到了广泛应用，成为企业提高设计与管理效率的有效工具，并给企业带来了非凡的成就。当前，世界上主流的商用PDM系统有德国西门子公司的Teamcenter系统、PTC公司的Winchill系统和法国达索公司的VPDM系统，这3个PDM系统是比较成熟的，几乎可以成功应用于任何企业，需注意的是其各自集成的CAD软件类型。

2.3 PDM系统的核心技术

产品结构（Product Structure），是对产品物理和逻辑组成及层次的描述。物料清单（Bill of Material，BOM）是产品结构的技术性描述文件，它表明了产品组件、部件、零件直到原材料之间的物理结构和数量关系，以及型号中系统及其组成的各分系统、子系统之间的逻辑结构和层次关系。BOM又是一种树型结构，称为产品结构树。

PDM系统是以BOM为主线组织的产品信息，贯穿于企业的整个活动。企业产品BOM信息首先产生于产品设计阶段，同时贯穿于整个产品生命周期，从产品研制一直到售后服务、报废终止为止。

a）设计工程BOM（Engineering-BOM，EBOM）。

反映产品属性和零件间设计关系的物料清单，包含按设计要求划分而成的结构和各零组件的组成关系。

b）工艺BOM（Process planning-BOM，PBOM）。

反映生产交付顺序的物料清单，包含EBOM的部分属性信息，工艺组件和零组件工艺分工和工艺路线等工艺信息。

c）制造BOM（Manufacturing-BOM，MBOM）。

在设计BOM和工艺BOM的基础上增加了制造信息，用于组织和管理在实际制造和生产管理过程中所需的零部件物料清单。

d）服务BOM（Service-BOM，SBOM）。

在设计BOM的基础上增加了售后服务产品信息，用于组织和管理产品维修属性和相关支援信息。

因此，PDM系统的核心技术之一是对产品数据的结构化BOM管理。

2.4 MRO系统基于PDM建设的益处

基于PDM建设，首先是基于BOM对产品研制阶段全链条信息的可追溯性，来满足航天发射支持系统MRO系统自身的建设需求。

同时，考虑到MRO系统今后的可扩展性。BOM是各种工程信息化系统中最重要的基础数据，也是各系统之间信息共享和集成的关键数据。MRO系统以后可以通过BOM方便地与数字化企业的企业资源计划系统（Enterprise Resource Planning，ERP）、制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）、管理信息系统（Management Ιnformation System，MΙS）、集成质量系统（Ιntegrated Quality System，ΙQS）、综合保障分析（Logistic Support Analysis，LSA）、健康管理与故障预测（Prognostics and Health Management，PHM）、电子交互式手册（Ιnteractive Electronic Technical Manual，ΙETM）等系统进行数据集成。

3 信息平台特性分析

3.1 量身创新定制航天发射支持系统MRO

产品全生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）是以PDM为核心基础上的功能外拓。

目前，PDM系统已是较成熟的产品，在各企业中已有较好的应用，但PLM系统还处于概念阶段。即便是上述世界三大PDM（PLM）系统，在MRO信息管理方面也很薄弱，特别是符合航天发射支持系统MRO信息需求的应用系统还尚未有过。

MRO是一门综合性交叉学科，涉及机械、计算机等许多领域，系统建设过程中需要有工程实践经验和创新精神。关键是必须以解决航天发射支持系统售后服务的实际问题作为唯一检验标准，量身创新定制。只有结合PDM已有优势，使MRO系统在企业真正落地，才能实现产品售后服务信息共享、提高管理效率、减少维护成本、闭环产品设计、缩短维护响应时间、保障设备完好率、确保发射成功的目标。

3.2 航天发射支持系统MRO的SBOM特性

SBOM是MRO系统中的核心，MRO系统中所有设备的售后维护状况都将通过SBOM建立逻辑上的关联关系。

3.2.1 航天发射支持系统SBOM是中性BOM

通常意义下的SBOM是产品多台实做BOM（Physical BOM）结构，即每一个SBOM对应一个实做产品。但由于航天发射支持系统MRO信息平台的使用企业是设计研究所，目前航天发射支持系统的各个配套制造厂都还不具备通过MES产生具有批次、台份产品编号的实做产品MBOM结构能力。

现阶段不具备由MBOM映射产生SBOM的条件，因此航天发射支持系统SBOM是映射自EBOM，且同EBOM一样，是中性BOM（Neutral BOM），见图1。

图1 航天发射支持系统SBOM的中性BOM结构

3.2.2 航天发射支持系统SBOM与EBOM的区别

航天发射支持系统EBOM是产生于产品设计阶段的主模型数据结构，是PDM中所有BOM结构的源头。EBOM结构必须将产品的所有层级结构展开并至底、覆盖至所有的零部件。EBOM结构示意如图2所示[2]。

图2 EBOM中的一个单根树结构示意

SBOM的构成仅与产品售后使用阶段的MRO的要求和约束信息紧密相关。SBOM的底层节点根据其管理特点，并不是结构上不可再分的零件。判断节点是否再分是根据基层级、中继级、基地级可拆卸分解、更换的备件或零件的维修性、互换性而定。底层节点可是诸如零件一样的基本单元，也可是一个部件或一个组件。该结构和EBOM相比，结构优化较简练。

航天发射支持系统的SBOM一般只到3级，如XX供气系统——XX配气台——XX阀件；XX特种车——XX控制柜——XX旋钮。SBOM结构示意见图3。

图3 SBOM某单根树结构示意

4 航天发射支持系统MRO的SBOM模型

航天发射支持系统MRO信息平台具体结合的PDM系统是Teamcenter。

昨天在鲁镇没看到“祝福”仪式的表演，今天就打算到绍兴市鲁迅故里再去看看。加上鲁迅故里的“祝福”仪式媒体多有报道，所以我今天就更想一睹究竟了。天公作美，久违的太阳出来了。虽然气温还低，但阳光让游客都兴致盎然。鲁迅故里人山人海，散客、旅游团等操着天南地北不同口音来到了这个江南古镇的旅游景区，想一睹这位大文豪生活过的地方。我问了几个工作人员，才终于找到“祝福”仪式的表演地——鲁迅祖居。“祝福”仪式在德寿堂举行。初一到初五，每天上下午各两场，每场持续15分钟。

4.1 SBOM的中性Ιtem模型

通过对航天发射支持系统的MRO业务梳理，确定了组成SBOM的Ιtem模型，如图4所示。

图4 SBOM的Ιtem模型

在Teamcenter的业务建模器集成开发环境（Business Modeler Ιntegrated Development Environment，BMΙDE）中对SBOM的Ιtem建模。BMΙDE是一个用来配置和扩展Teamcenter所安装数据模型的工具，它是基于Eclipse平台开发的，支持无代码的扩展，Eclipse支持C/C++和Java语言。BMΙDE通过商业产品供应架（Commercial off the Shelf，COTS）来从而完成其功能。数据模型对象被保存到为应用程序服务并包含数据模型对象的模板中[3]。

Eclipse基本层次结构如图5所示。图5中底层为操作系统（Platform），中间层为JAVA运行环境及其工具（JAVA Development Tools）、上层为Eclipse插件层（Plug-in Development Environment）。Eclipse的体系结构，如图6所示。

图5 Eclipse及其支持环境

图6 Eclipse体系结构

4.2 SBOM的实做产品Form模型

通过对航天发射支持系统的具体MRO需求梳理，归纳总结出管理产品售后产品信息需要的15类数据，分别是：产品实物基本数据、产品出厂验收数据、产品出厂交付数据、产品地面试验数据、产品发射试验数据、产品定期校验数据、产品定期检修数据、故障维修数据、产品使用寿命（包括里程、次数和时间）数据、技术状态变化数据、更改单数据、质疑单数据、偏离单数据、软件产品数据、产品备件数据。通过这15类、共计302个属性字段的数据梳理，基本覆盖并满足了企业对产品售后服务所有事件的管理需求。

这15类数据的建模都是通过具有关联Ιtem、继承SBOM特性的15类Form来分别实现的。某类Form模型如图7所示。

每台实做产品的每一类每一个信息，都是通过选择对应种类的Form模版来录入数据的。

图7 继承SBOM特性的某类Form模型

4.3 SBOM的实做产品可视化模型

4.3.1 SBOM的数据结构模型

SBOM的数据结构继承、引用模型，见图8。

图8 SBOM的数据结构继承、引用模型

4.3.2 SBOM的实做产品可视化建模

实物产品在发射场使用时，必须保证图、文、物状态一致性。将与该批次实物状态一致的EBOM信息关联引用到SBOM相关位置中（图9）得到了与设计状态一致的实做产品BOM可视化模型。

图9 关联引用EBOM的SBOM示例

4.4 SBOM的遍历算法

要进行SBOM汇总必须对PDM中的产品结构进行遍历。SBOM遍历是沿着某条搜索路径，对SBOM中的所有节点做1次且仅做1次访问。典型的SBOM遍历算法通常包括递归算法和分层算法[4]。

递归算法采用深度优先搜索的方式，它以产品结构树中的零、部件是否有子件为递归条件，充分展现了零、部件间的层次关系和SBOM的树结构。该算法的优点是程序简单，但由于是递归调用，涉及到堆栈的操作在进行深层次遍历时，系统消耗的资源会较大。

分层算法采用广度优先搜索方式，它首先访问层次数为0的根节点，然后访问层次数为1的所有节点，依次逐层往下遍历直到访问完最后一层的所有节点。

考虑到航天发射支持系统的子系统较多、产品结构较为分散，即型号应用中SBOM的多根树结构较多、层次较浅（一般为2层、3层）的特点，采用递归遍历的算法。

5 应用实践

5.1 两种应用方式并存的软硬件架构

根据企业需求，需在发射场异地远程浏览器使用MRO系统，因此需采用具有瘦客户端（Thin Client）功能的Teamcenter4层架构。同时考虑到基于C/S服务器的胖客户端（Rich Client）比基于B/S服务器的瘦客户端功能强大，因此MRO系统采用了胖、瘦客户端两种应用方式并存的4层架构进行建设。

MRO信息平台的4层系统架构如图10所示。

图10 MRO信息平台的4层架构

胖客户端开发实现了MRO需求的全部功能模块，包括基于TC的访问控制和项目的权限管理，SBOM数据的上传、修改、插入、删除，审签受控、更改受控，批量导入、导出；预警显示统计，复合检索、汇总。

瘦客户端开发实现的功能模块稍弱于胖客户端，上述功能中不实现新建Form的关联Ιtem以及数据的批量导入。

在应用实践中，MRO数据的建立和上传是以胖客户端为主，在瘦客户端以MRO数据的查看和检索、统计为主。

5.2 MRO数据的项目权限管理

通过TC的项目管理实现了只有该型号及其管理人员才有权查看该型号的MRO数据。

各型号在TC中建立项目，并确立项目组成员，以及项目组各类人员的读、写、删除、查看等的权限级别，如图11所示。

a）项目管理员：修改项目ΙD、项目名、项目描述、项目成员；b）项目小组管理员：选择项目成员；c）有特权的项目成员：可以往项目中添加或移除数据；d）无特权的项目成员：不可以往项目中添加或移除数据。

图11 各型号的项目管理

5.3 MRO数据的SBOM管理

5.3.1 SBOM结构的统一管理

通过结构管理器，实现对产品售后SBOM结构的统一管理，如图12所示。

图12 SBOM结构示意

5.3.2 SBOM下的Form集成各种数据集

通过15类定制的Form集成各种AutoCAD、OFFΙCE、视频、动画等二维文件，将单台实物产品的维护信息进行数据链接和展示，如图13所示。

图13 Form集成数据集示意

5.3.3 MRO数据在企业EPS目录树下的统一管理

在企业EPS目录树该型号产品的对应文件夹下，放置MRO数据。

在MRO的Ιtem“售后产品信息”伪文件夹下，分别建立15类信息的文件夹，将各个实做产品Form信息分目录管理。实做产品信息的目录树管理示意如图14所示。

图14 实做产品信息的目录树管理

5.3.4 SBOM的遍历应用

图15 SBOM的遍历应用

5.4 MRO数据的审签受控及更改管理

航天发射支持系统MRO信息的受控发布，是通过配置的“实做产品MRO信息审签流程”进行管理。

另外，当已受控的实做产品MRO信息需要更改时，可由编写者重新启动“售后产品信息审签流程”，在“编写”节点对原信息进行修改，重新走“实做产品MRO信息审签流程”将信息再次受控。

5.5 MRO数据的批量导入、导出

考虑目前企业大量使用MS Excel软件管理数据的现状和工作习惯，本系统开发了完备的产品MRO信息数据导入和汇总导出功能。

通过Excel表格模版自动批量建立SBOM（包含item及其下的15种售后产品信息文件夹），并可通过Excel表格模版自动批量导入15种Form的各个实做产品数据信息。为保证数据的一致性，在导入过程中，对导入的数据进行了一致性检查，确保数据导入成功。Excel批量导入模版如图16所示。

图16 Excel批量导入模版

批量汇总导出Excel数据如图17所示。

图17 批量汇总导出Excel

5.6 MRO数据的预警显示和统计

为了方便设计师系统及时了解售后实做产品的定期检修、定期校验，以及寿命信息，开发了预警显示和统计功能（见图18），提醒及时做出必要的处置。

图18 预警显示和统计

5.7 MRO数据的复合检索、汇总

为了方便设计师系统复合检索产品售后实物信息，分别为SBOM定制了Ιtem、Form和综合信息，共计17种复合检索模式，如图19所示。

图19 复合检索模式

设计师系统可以输入302个属性字段中的任意已知信息，快速检索、汇总售后实做产品相关的维护信息，如图20所示。

图20 检索条件及数据汇总

设计师系统将检索结果汇总导出到Excel电子数据表，进一步分析、统计生成以产品台份、实做零部件为中心的图形报表。通过报表和分析决策支持能力，辨别台份实做产品的性能和可靠性趋势，从而把MRO数据用于解决业务问题，转换为可以使用的知识。

5.8 应用效果

本航天发射支持系统MRO信息平台已实际试用，如CZ-3A系列的高密度发射和某武器型号交装设备的巡检、巡修为典型应用。现已上传数据近万条，为维护型号设备完好和保驾护航发射成功，发挥了应有的作用。

6 结束语

本文结合了最高级别的产品数据管理PDM系统的海量、元数据、信息化、集成化优势，在深入理解PDM核心的产品结构化数据BOM技术及企业产品售后维护信息需求的基础上，完成了发射支持系统MRO信息平台的建模方法研究，并经实践检验。

本研究是结合企业现有工程信息化能力和基础进行的，且该平台仍有不完善之处。希望本文提供的方法，能够对航天复杂产品的MRO信息平台及其它与产品全生命周期数据管理相关的工程信息化平台建设起到指导和借鉴作用。

[1] 安晶. 产品数据管理原理与应用-基于Teamcenter平台[M]. 北京: 电子工业出版社, 2015.

[2] 王辑添, 司书宾. 复杂装备维护BOM集成建模方法研究[J]. 中国制造业信息化, 2011(12): 50-51.

[3] 黄曙荣. 产品数据管理PDM原理与应用[M]. 镇江: 江苏大学出版社, 2014.

[4] 朱文华, 王大斌, 苏玉鹏. Teamcenter Engineering中BOM功能的二次开发[J]. 现代制造工程, 2009(2): 42-43.

Research and Application on MRO Technology of Space Launch Support System Based on PDM

Zhang Yan, Li Mu, Yan Yong
（Beijing Ιnstitute of Space Launch Technology, Beijing, 100076）

According to the requirement of Space Launch Support System (SLSS)′s MRO information platform are complicated and urgency, this paper compares the characteristics of all kinds of present information systems, analyzes the key technology of PDM, presents a kind of neutral SBOM model for SLSS′s MRO based on PDM, establishes the model of SLSS′s MRO information platform on Teamcenter and applies it. The contents and technological achievements of this research can direct MRO information platform developments for the space complicated products, and other custom engineering information platform developments about PLM.

Space launch support system; MRO; PDM; SBOM;

TJ768.2

A

1004-7182(2017)04-0095-08

DOΙ：10.7654/j.issn.1004-7182.20170422

2016-11-16；

2017-06-28

张 燕（1973-），女，高级工程师，主要研究方向为工程信息化、数字化、数值仿真