航天产品的研制体系是一个极其复杂的系统，它是由相互联系、相互依赖的各个部分组成的具有特定功能的有机整体，而每个系统本身又是某个更大系统的组成部分。系统工程正是为研究这类复杂系统而产生的学科。系统工程是一个多学科交叉的过程，它的目的是保证用户的需求在系统的整个生命周期中均得到满足。它从系统层对问题进行整体分析，将问题划分为子问题或子系统，识别子系统之间的关系，开展总体设计；之后，再对各个子系统进行具体设计。
传统的系统设计方法依赖文档形式的需求管理，随着任务越来越复杂，系统规模不断扩大，涉及学科不断增多，产品模型的类型和数量越来越多，信息管理的难度大大增加，而且不同文档中系统参数状态不一致的问题时常出现，导致很多安全隐患，因此亟需一种新的方法和手段来改变这一现状。
基于模型的系统设计方法（model-based system engineering， MBSE）是复杂系统开发领域企业和研究机构目前正在广泛应用和推广的现代系统开发流程，见图5-5。在MBSE方法中，利用图形化、结构化的方式将系统需求、功能、组成等描述为需求模型、功能模型、物理架构模型等，将这些模型作为主要方式描述系统的组成，并且对其演化过程进行控制，以便于实现系统工程项目的设计与管理过程。MBSE方法可有效地解决基于文档方法在参数获取及技术状态管理方面面临的问题。
图5-5 MBSE示意图
系统工程活动及其流程是系统工程体系的核心。根据当前航天航空产品研制需求，明确系统工程各阶段任务划分和实施要求，对关键技术活动开展集中攻关，不断开展系统工程流程的梳理和优化。面向产品的全生命周期，建立覆盖型号需求模型、功能模型、产品模型、工程模型、制造模型、实物模型等全阶段的型号模型体系和研制流程体系。同时，针对复杂产品总体、分系统设计协同的需求，基于协同设计和并行工程的理念，利用信息化技术和手段，建立起适用于产品各研制阶段，支持多学科、多专业综合集成的设计流程和环境，实现高效的信息表达、数据管理、数据传递，为产品研制流程的上下贯穿提供根本性保障。
5.2.2.2 基于MBD的三维标注模型设计
三维标注主要针对尺寸、公差、粗糙度、技术要求等内容如何在模型进行组织和表达进行定义。实现三维标注首先要解决的是三维标注标准问题。建立基于MBD的三维模型应该从基于MBD的三维标注入手。基于ISO 16792—2006和GB/T 24734等标准，或根据企业、行业特点建立自己的标注标准。
其次是三维标注的详细程度问题，如果是数控零件，只需要最少的标注即可；如果该零件在企业内部加工，只需要典型标注即可；如果该零件需要供应商加工，可能需要完全标注。
①最少标注：一般包括外形轮廓、技术要求、材料信息、零件信息；
②典型标注：一般包括外形轮廓、技术要求、材料信息、零件信息、典型尺寸、尺寸公差、形位公差信息；
③全部标注：一般包括外形轮廓、技术要求、材料信息、零件信息、所有尺寸、尺寸公差、形位公差信息。
同时，针对典型零部件进行详细的方案定义，以运载火箭为例，包括运载火箭总装、典型结构件、典型铆接件、管路、电缆等类型；标注内容参考了二维图的标注内容，但是没有照搬二维图，而是从三维可视性好的优点出发，尽量简化设计师的标注内容，例如以前的火箭总装图（二维）需要进行展开才能表达清楚仪器设备的安装位置，而三维就不用进行展开也可以清楚地表达仪器设备的安装位置，极大地减轻了工程师的工作量，同时提升了可读性。
最后是效率问题，基于标注标准结合产品开发的特点，在CAD系统上进行三维快速标注工具模块的开发。
5.2.2.3 知识工程驱动的航天航空产品创新设计方法
航天航空产品设计是一个继承与重用设计知识的过程，通常需要借鉴已研制产品典型结构件的设计过程中所形成的设计知识与经验。并且，由于其设计的复杂性和多学科性，每一个设计者不可能掌握相关所有领域的知识。在方案设计和研制过程中，很大程度上需要设计者根据已有产品的设计成果及多年积累的经验并借鉴其他设计者的成果及经验来解决设计中遇到的多领域的大量问题。图5-6所示为知识工程驱动的航天航空产品创新设计方法，重点研究以下几点。
图5-6 知识驱动的产品创新设计方法
1）基于知识工程的产品研制模式和流程
在产品的协同设计中，传统模式下设计人员往往只能凭借个人经验或者设计组小范围内的知识积累来制定设计方案和开展设计工作。通过梳理产品研制流程，以及每个流程节点中所需要和应用的知识点内容，形成航天型号研制知识应用地图。并且利用信息化手段和工具，将知识和型号研制的工具系统进行集成和融合，构建知识驱动的型号创新研制环境，针对研制流程中不同阶段、不同问题的知识需求，基于型号研制知识库进行问题的匹配，进行型号研制知识、问题求解方法，以及知识工具的主动推送，实现知识驱动的航天型号研制。
2）基于本体的知识表达和关联方法
航天航空产品研制涉及专业领域众多，对产品知识的分类、表达是知识应用的基础。基于本体论的方法，构建产品研制知识建模框架，形成涵盖顶层、领域、应用不同层级的领域产品本体体系，实现对产品研制知识的分类表达，然后梳理本体顶层框架以及相关术语的上下位继承关系，以及属性/功能/科学原理等各种本体关系的内在联系，总结归纳术语本体之间的关系，构建不同知识之间的关系和影响规则，为知识的检索和应用奠定基础。
3）基于参数化模板的知识应用方法
知识的深化应用一直是知识工程的瓶颈。通过对产品研制中一些具有趋同性的研制问题、经典的分析和计算问题等，引入参数化技术，利用多种信息化工具和手段，将典型结构模板化、将经典计算方法模板化、将典型设计和工艺案例结构化和模板化；实现对相似对象的所有共同特征抽象而形成的知识模板，形成集成多种知识、供产品研制时进行知识重用的结构化模板，避免大量的知识搜索与重复设计，大大提高型号研制效率。
5.2.2.4 多学科协同设计仿真
航天航空产品作为大型复杂产品，产品及其分系统的功能、性能的分析和验证是非常重要的工作。如果全部通过物理实验的方式来验证，则成本巨大。同时，航天航空产品是涉及机械、电子、电气、软件等多学科的复杂系统工程，其系统结构及与外部系统和环境的相互作用复杂，涉及可靠性、维护性、保障性、价值工程等多个工程专业的综合，仅考虑单专业，或串行设计，无法实现对系统的真实模拟，并影响设计效率。在产品的研制中运用仿真技术，将能够很好地解决上述问题。
对数字化协同设计仿真、优化应用技术是通过各学科间的协同，构建研发多学科的数字化表达模型，满足对包括静力学、动力学、热力学、流体力学等多学科的复杂的动态设计优化的要求，打通专业之间、软件工具之间的业务流与数据流，保证多学科设计仿真数据的统筹管理和使用，搭建专业集成设计仿真环境，实现多专业、多学科之间的协同研发，实现学科间的设计仿真任务传递、结果反馈、数据迭代和多目标优化等功能，实现设计过程可追溯和设计快速迭代与综合优化。
以火箭为例，其设计仿真包括流体力学仿真、结构动力学仿真、力学环境仿真、静力学仿真、热环境仿真、人机工程仿真、控制系统仿真；同时还包括性能仿真，如上面级飞行任务仿真、卫星的全生命周期任务仿真等。协同仿真技术研究主要包括：多学科协同设计仿真平台技术、多学科协同技术、多学科优化技术、数据流、工作流技术、平台接口的一致性与兼容性等。
5.2.2.5 产品结构及三维模型数据管理平台
对于复杂产品相互协调需要对其设计产生的数据、模型、结构提供管理平台以及管理其协同流程，通常采用PDM平台完成产品的数据和流程管理，一般包括：结构管理、版本管理、存储位置管理、文件分类管理、借阅管理、数据可视化、电子化审签、模板管理等功能，支持产品数字化体系框架、设计流程、虚拟样机、数据接口等、能力单元等。为数字化研制活动提供统一的运行、操作与管理环境，且具有可扩展性、灵活性与易操作性。
航天航空基于MBD的产品数据管理系统的重点实施内容主要包括：集成产品数据管理、BOM管理、构型管理、数字样机管理、基础资源库管理、系统工程管理、客户服务支持及系统集成等方面。主要建设内容由中国商飞信息中心统一规划，分模块协助开发完成。基于IDEAL平台的产品数据管理系统框架如图5-7所示。
图5-7 产品数据管理平台
1）集成产品数据管理
产品定义数据管理是产品数据管理系统的基础功能，通过这部分功能的实施，为大型客机全生命周期过程中，设计、工艺、制造、质量、检验、适航、客户服务等部门产生的各种类型产品数据，包括三维模型、二维图样、技术文档、工艺规程、质量规范等数据，进行统一的存放和管理，并将实现产品数据管理系统和MCAD、 ECAD、机载软件配置等工具软件的集成，确保数据的方便传递和有效组织，并通过对产品的严格控制保障数据的一致性、有效性、完整性、可追溯性和安全性。
2）基于MBD的制造跟踪的构型管理系统
基于大型客机产品数据管理系统全面支撑大型客机构型管理中涉及的构型标识、构型控制、构型审核及构型状况等相关的各项业务流程，实现大型客机在生命周期各阶段、各架次中的构型变化过程的严格控制和准确记录，并确保过程信息的可追溯性。具体包括：有效性管理，试验构型管理，构型基线管理，工程更改管理。
3）基于MBD的资源库
在产品研制过程中，相关业务部门将产生和应用大量的标准件、通用件、材料及电子元器件等基础信息。为了更好地对飞机研制过程中的生成的这些信息进行重新利用，需要应用成组技术对数据进行分类和整理，并建立对应的零部件分类索引目录及标准件、通用件及元器件等基础资源库，提供便捷的信息检索和重新利用手段。大客产品数据管理系统将建立的基础资源库，包括飞机结构标准件库、飞机管路标准件库、飞机电气标准件库、工装标准件库、材料库、成品件库、通用件库等。图5-8所示为报表生成示意图。
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图5-8 报表生成示意图
4）三维设计数据的版本管理
定义用小版本管理设计过程和审签过程的修改记录，用大版本管理工程更改过程记录，从而实现数据可追踪性。图5-9所示为版本演进示意图。
图5-9 版本演进示意图
5）实现产品结构树管理
建立完整的图形化产品结构树，将三维模型和图档同结构树相应节点进行关联，实现以产品结构为核心的产品数据管理。图5-10所示为图形化关联的产品结构树模型。
图5-10 图形化关联的产品结构树模型
①针对零部件增加业务需要的各种属性信息，实现零部件和三维模型属性管理。针对三维模型参数要求，为三维模型对象扩充必要属性，并在三维模型数据集成到PDM过程中将这些属性传递给产品结构，形成完整的技术状态信息。
②建立三维数据的分类管理机制，定义具体分类信息，实现各类信息的分类存储、显示和管理。
③依据型号、专业、分类建立零部件和三维模型的存储机制。按数据类型、状态、存储位置和人员、角色分配访问控制权限，在审签流程中分配临时动态访问控制权限。
6）技术通知单管理
①定义技术通知单文档类型、属性、审签流程以及流程各环节参与人员的职责。
②定义技术通知单的存储规则及访问控制权限规则。
③实现技术通知单和对应模型或装配的关联。
④实现针对技术通知单的汇总统计能力。
7）多专业的一体化集成环境
全型号技术状态管理的一个基础是需要一个多专业集成的单一数据源。型号协同研制平台必须在技术状态管理方面提供对型号描述信息的单一数据源管理，这些数据源，不仅包括不同设计部门和供应商提供的不同应用软件格式的结构设计信息，还包括像管路设计、电缆设计的其他信息；同时，包括不同专业的应用数据，如电子设计专业、软件设计专业等和光学设计专业等。
图5-11所示为机械、电子、软件设计的集成化管理。
图5-11 机械、电子、软件设计的集成化管理
（1）机械结构设计的集成：机械结构设计师能够在CAD的工具中进行产品设计或者从服务器上下载数据进行修改，并通过CAD集成接口，将设计结果提交到服务器进行数据保存和与其他用户进行协同设计。平台所提供了包括Pro/E等软件的商业化接口，利用该接口，用户可以直接在MCAD应用工具中检入/检出CAD模型文件，建立产品结构树，并将产品结构和模型文件、图纸等进行关联，见图5-12。在系统和应用工具之间实现属性的双向传递。
图5-12 直接集成管理MCAD工具
（2）电子设计的集成：电子设计工程师在完成ECAD原理图或PCB设计后，设计师可以通过ECAD集成模块，将设计的结果以及BOM表上载到企业的PDM服务器中进行管理和后续的签审工作。
图5-13所示为直接集成管理ECAD工具。ECAD集成接口模块主要提供以下方面的功能。
图5-13 直接集成管理ECAD工具
①电子设计工程师能够在ECAD的工具中，直接启动集成界面进行包括文档控制、BOM集成、可视化文档生成等各种集成操作。
②设计文档上载及版本控制：系统能够自动将ECAD设计文档打包成一个压缩文档，上载到服务器上进行版本控制。
③设计BOM自动上载：系统能够自动将原理图或者PCB中所对应的元器件编号/规格/厂商信息等上载到PDM系统中，建立与原理图相一致的产品结构。
④自动生成中性格式可批注文档：系统自动将原始文档格式在后台转化为中性格式的文档，以便后续的标准化/工艺部门进行电子化签审和批注。
（3）软件配置的集成：对于软件设计过程的管理，建议采用以下的原则对软件文档进行管理。
①所有的软件技术文件，例如概要设计、测试计划、详细设计等文档将直接纳入PDM进行管理。
②所有源程序以及编译程序将纳入软件配置管理系统进行管理，但当阶段评审或者冻结后，将对应的源程序/可执行程序打包后，纳入PDM系统进行管理，并于对应的软件整件编号进行关联。
8）设计规范检查工具
设计流程的规范化是保证设计质量和提高设计效率的重要工具。建立一套完整的适合产品设计特点的流程，并通过制定相应的规章制度加以保证，对规范的执行情况通过设计规范检查工具加以实现。具体的检测内容可以根据产品特点，在CAD自带的规范检查基础上加以细化和开发。根据相关标准和企业要求进行标准检查，并可以统计三维标注所使用到的相关标注生成报告。
9）设计特征管理工具
设计特征管理工具是一个面向功能的特征库管理模块，用于提高对单个零件的设计效率。与几何特征相比，设计特征管理工具特征库中的特征主要是面向功能的特征，这种基于功能的特征库设计模块为产品快速设计提供了前期准备和设计数据库，是产品进行快速设计的前提和基础。设计特征管理工具将允许设计者以功能特征的方式进行三维设计。每一个典型特征都有独立的对话框建立和修改参数。每个创建的功能特征将在NX零件浏览器里面显示与普通特征一样，每个功能特征都有相应的对话框用于特征的创建和编辑，并被赋予唯一的名称。工艺信息将被嵌入到功能特征里面。工艺信息包括：尺寸公差、形位公差，表面光洁度，检测要求，这些工艺信息将为后期基于MBD的加工工艺的制定提供依据。
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