關注 | 兩化融合管理體系貫標成果展特輯020：高效協同數字化研發能力助推上海宇航“三高”發展

摘要： 上海宇航系統工程研究所是我國運載火箭總體設計單位之一，也是上海航天基地載人航天工程、探月工程等領域的抓總研制單位。為應對科研生產任務高密度交付與發射新態勢，以“流程驅動、數據驅動、知識驅動”為抓手建設數字航天，進一步強化新一代信息技術與航天科技工業體系的深度融合，打造了高效協同數字化研發這一新型能力，從基于模型的系統設計、基于知識的全三維設計、基于EBOM的數據管理、基于三流程融合的協同、產品數據包電子交付以及基于大數據的遠程測發六方面打造數字化設計、數字化測試、數字化交付等新模式，助力實現“高質量保證成功、高效率完成任務、高效益推動航天強國和國防建設”（以下簡稱“三高”）的發展目標。

圖1  上海宇航系統工程研究所兩化融合管理體系貫標實踐

一、企業推進數字化轉型的需求分析

第四次工業革命對傳統行業帶來沖擊甚至顛覆，人工智能、5G、數字孿生等數字技術與工業融合將會給全球經濟增長帶來新的動能。“中國制造2025”和“創新驅動發展”戰略為航天轉型發展和技術升級營造了良好的外部發展環境。對照國資委關于世界一流示范企業建設要求，航天企業必須抓住全球數字化發展新趨勢，增強核心競爭力和價值創造力，推動實現數字化轉型。

當前航天產業競爭環境更加激烈，高價值發射市場更加開放，傳統任務分配和運行管理模式已經松動；面對不同的用戶需求和業務形態等現狀，需要提供高質量、高效率、以及高度定制化的解決方案，以適應日益激烈的市場競爭。

航天科技集團明確數字化轉型是實現航天“三高”發展的內在需要。航天科技集團型號研制任務重、周期短、質量要求高，需要新一代信息技術與航天科研生產任務緊密融合，需要管理和商業模式深度變革重構，通過科研生產和經營管理數字化轉型，構建以數據為核心的數字航天工業新體系。數字化轉型將是改造提升傳統動能、培育發展新動能的重要手段。在開展航天數字化轉型的過程中，需要緊密圍繞兩化融合管理體系的科學方法，將新一代信息技術與上海宇航系統工程研究所科研生產任務緊密融合，堅持“統籌規劃、互聯集成、數字管理、智慧航天”的兩化融合方針，打造高效協同數字化研發能力，構建以數據為核心的數字航天工業新體系，實現“高質量、高效率、高效益”發展。

二、企業新型能力識別和打造的方法和路徑

（一）新型能力識別的方法與路徑

在建成數字航天企業的總體戰略基礎上，基于波特五力模型、PEST以及SWOT分析，明確了優勢、劣勢、風險和機會，識別出了構建全流程數字化科研模式的優勢需求、精益卓越的經營管控的優勢需求、人才儲備和人才高地建設的優勢需求以及以大數據為核心的協同共享的優勢需求，進而確定上海宇航系統工程研究所需要打造的新型能力體系，主要包括四方面：高效數字化協同研發能力、精益化經營管控能力、融合全產業鏈的大數據運營和管理能力以及數字化智慧研究所構建能力。

圖2  識別新型能力

作為航天總體研制單位，面臨多型號并行、多任務并舉、研制與批產并重、高密度發射等多重挑戰。研發能力是總體所發展的重要因素之一。傳統研制模式下，協同研發能力總體偏弱，尚未形成基于模型的正向設計模式。設計過程中需求變更響應不及時，方案論證和設計不夠充分，多專業間協同設計困難，設計和制造環節信息協同困難，信息孤島現象仍然嚴重，難以支撐型號的高效設計、敏捷迭代、快速響應和持續創新。通過對這一薄弱環節的識別，明確了當前重點建設的新型能力為“高效數字化協同研發能力”。

高效數字化協同研發能力將針對目前的不足構建一套能夠持續發展的基于模型的一體化協同研制環境，覆蓋需求論證和分析、總體方案快速設計與驗證、多專業（機械、電氣、軟件、熱、控制）協同設計和數字化試驗測試驗證等環節。

“高效數字化協同研發能力”明確了4項量化指標：典型產品設計周期、產品協同研制效率、數據入庫率、仿真覆蓋率等。指標具體含義和目標見表1。

表1  高效數字化協同研發能力量化指標

（二）新型能力打造過程的方法和路徑

1. 實施方案策劃

為打造面向高效數字化協同研發能力，實現預期的兩化融合目標，根據戰略規劃和信息化發展規劃，依照兩化融合管理體系的基本框架，本著實現“三高”的目標，對新型能力的建設過程進行策劃，涵蓋業務流程與組織結構優化、技術實現、數據開發利用等方面。

在系統梳理型號研制工作和流程的基礎上，構建基于模型的系統設計、基于知識的三維設計、基于EBOM的數據管理、基于大數據的遠程測發、基于三流程融合的協同以及產品數據包電子交付六大數字化版塊，支撐航天產品從“總體設計-專業設計-設計生產一體化-產品交付-數字化測試”完整鏈路的數字化研制過程。

2. 業務流程優化

在打造協同研發能力過程中，業務流程優化是新型能力打造的重要環節。航天型號存在項目管控、產品保證和技術研制三流程。當前存在三流程未緊密融合現象。通過流程優化實現三流程合一，將計劃、技術、產保三大流程相互融合和約束，確保型號研制過程信息一致、有效協同。

基于流程優化的協同對接項目初始信息進行型號研制流程的分解并明確工作的范圍，通過任務節點觸發對應的設計、仿真等研制技術工作，并在其運行過程中穿插必要的產保控制工作流程，驅動型號研制過程有序推進，同時基于各任務活動組織技術與管理要素的融入，輔助和約束工作的開展，形成相關計劃任務的交付閉環，最終形成計劃、技術、產品保證三流程融合并舉的協同研發模式。

圖3  流程驅動的研制模式

3. 組織結構變革

組織結構方面從數字化轉型整體組織變革和業務流程驅動的組織變革兩方面開展探索。

企業成立了信息化項目辦專項推動數字化轉型。信息化項目辦包括信息化指揮、首席信息官、信息化總師、項目辦主任、項目辦專業技術人員，研究當前政策發展、技術發展，制定數字化轉型目標和發展規劃，推動落實年度數字化具體工作。

業務數字化變革中同樣涉及到組織機構的變化。基于模型的系統工程實踐中發現和現有型號的業務劃分不完全一致，因此成立基于模型的系統工程（MBSE）團隊，明確基于新組織架構的各方職責，建立業務管理特區。基于MBSE的新模式組織架構如圖4。

圖4  基于模型的系統工程組織架構

4. 技術實現

高效協同數字化研發能力的實現包括數字化研發能力革新、研制流程再造、研制狀態管控等多個方面，以五個具體技術實現為能力建設實現的抓手，推動研制模式轉型。

（1）基于模型的系統工程實施

基于模型的系統工程，應用技術難度大，理念變化大，采取總體策劃，分布實施的模式推動。目前主要實現了系統模型框架定義，在統一方法論后開展各層級模型的建模和關聯設計。

經過研究形成航天型號MBSE模型管理模板，將建模過程分成兩個維度：橫向按對象抽象層級分成Operation（業務）、Function（功能）、Logical（邏輯）與Physical（物理）四個階段；縱向表示每個階段都需要執行的建模任務，包括Requirement（需求定義）、Decomposition（分解）、Interaction（交互描述）等。  

圖5  MBSE建模流程框架

建立可追溯可跟蹤的系統到分系統的需求網絡建模模型，實現需求管理和集成驗證、需求變更和分析，完成系統的運行剖面及場景分析，提取相關涉眾（外部相關系統、約束和用戶等），定義系統和分系統的邊界。

開展航天器系統功能架構設計和功能架構驗證，形成一套可復用的模塊化航天器型號系統級功能架構模型；開展系統邏輯架構設計，明確各個分系統技術指標要求、參數約束，開展分系統邏輯架構驗證，形成一套可復用的模塊化航天器型號分系統邏輯架構模型、分系統技術指標、分系統參數約束以及各類分系統設計任務書；針對系統和分系統邏輯架構模型構建系統和分系統邏輯架構性能驗證模型，檢驗系統邏輯架構模型的設計。

（2）基于EBOM的數據管理

構建統一的產品數據管理平臺，以BOM為主線實現研發數據統一管理，包括多類型BOM管理、基于BOM的機電軟協同管理、BOM審簽流程優化管理、基于BOM的設計制造協同管理、基于BOM的閉環變更管理等。

實現多類型BOM管理。按照產品研發過程將BOM分成不同的類型，如設計BOM、工藝BOM等。梳理BOM管理規則，不同類型BOM管理不同類型研發數據，研發數據包括設計輸入數據、詳細設計數據、外購外協數據、仿真數據、試驗數據等。按照業務要求，構建不同類型BOM間的關聯關系，追溯產品的演變過程。

實現基于BOM的機電協同管理。完整的BOM包含機械、電氣等專業產品結構，建立總體與各專業協同管理BOM的業務模式，總體負責產品結構策劃并明確跟各專業的分工，各專業負責細化各自專業負責的產品結構。支持Creo集成生成機械產品結構，基于BOM管理三維模型；支持Altium等電氣設計工具集成生成電氣產品結構，基于BOM開展元器件應用統計分析。基于BOM開展不同專業間的設計變更影響分析，提升技術狀態管理效率。

實現BOM審簽流程優化管理。按照結構、電氣專業的BOM審簽要求，將BOM審簽要素結構化，BOM審簽要素的自動檢查和人工檢查相結合提升BOM規范性和準確性。

實現基于BOM的設計制造協同管理。實現基于BOM的三維模型及技術文件的跨單位工藝會簽和跨單位數據發放，通過協同流程實現設計更改的及時發放，提升設計制造協同效率。

實現基于BOM的閉環變更管理。支持跨專業、跨單位的設計更改閉環管理，工藝基于設計更改發起工藝更改并反饋工藝更新信息給設計，制造基于工藝更改落實更改措施并反饋落實情況給工藝，設計師基于BOM統計設計更改落實情況。

（3）基于流程驅動的協同

從項目管控、產品保證、研制方法、技術狀態四個角度入手，建立面向型號研發過程管控的統一工作和管理平臺，實現計劃、技術、產保，三大流程相互融合和約束，確保型號研制過程信息一致、有效協同，同時建立基于輸入輸出、工具、質量的多要素向導式工作環境，提供有序、規范的工作模式，過程中結合關鍵點評審、問題閉環管理、以及質量要求檢查等手段，提高研制過程質量控制能力，協助產品保證工作開展，以流程為主線，工作項為核心，組織型號的數據網絡，為各層級人員提供準確的信息查閱和追溯手段。

（4）產品質量數據包電子交付

通過“數據包策劃→數據采集→數據管理→數據應用”的業務流程，實現了對產品全生命周期數據的采集、存儲、管理、監控和利用，采用信息化手段實現產品研制質量信息結構化在線提交確認，通過示范產品和示范型號的應用驗證，支撐了型號在線產品保證的實現，提升了總體對型號產品各級供應鏈質量的管控能力。

（5）基于大數據的遠程測發

遠程測發中心通過與分系統單位、各大發射場的網絡連通，實現分系統測試、總裝總測以及發射場數據的采集、存儲，與分析應用，初步探索了基于大數據的后方遠程判讀、故障分析、遠程監控等應用場景。通過大數據技術，實現不同發次間數據的橫向對比，以及不同研制階段間數據的縱向對比，具備包絡分析、質量問題追溯能力，提升運載火箭測試發射的信息化支撐、保障能力，形成遠程測發能力。

5. 數據開發利用

在數據利用方面，上海宇航系統工程研究所從數據定義、數據采集、數據分析三方面開展建設，實現產品設計、制造、檢驗、交付全生命周期技術活動客觀記錄和評價；確保質量數據的系統性、完整性、一致性、實時性、可追溯性。

數據定義方面依據型號產保要求，完成產品數據包內容和數據格式的定義，形成“一品一冊”的數據管理模式，實現數據由非結構化文檔向結構化數據轉變，為數據分析應用奠定基礎。定義數據包數據模板，其中單機級產品數據包103個清單項、分系統產品數據包52個清單項、系統級產品數據包54個清單項、軟件產品數據包48個清單項、明確了65個表單模板。

數據采集方面實現“總體單位-分系統單位-產品配套單位”之間互聯互通、線上線下互聯互通（在線、離線），實現跨廠所、跨地域的產品數據包信息交互與傳遞。目前大數據中心采集數據已實現百發火箭飛行數據、48發次發動機數據、各型號約15項試驗108個數據集和806個分系統、單機級產品數據包數據入庫。

數據分析方面開發產品數據符合度分析、橫向縱向比對分析、包絡線分析等功能，實現數據監控分析與綜合利用，如同一型號跨發次的容測數據比對、同一型號跨發次的稱重數據比對、根據測試數據數值的變化分析其具體變化的趨勢等具體應用場景，為產品質量確認、質量復查、故障診斷等提供支持。

6. 運維與支撐

數字化轉型久久為功，力出一孔，從啟動數字化轉型開始所里一直堅持自主可控的能力建設策略。堅持面向型號研制場景，建立型號和信息化的融合，設立型號數字化副總師，構建專業完整的數字化團隊，涵蓋了業務需求分析、系統架構設計、軟件開發、系統運維等工作，具有對平臺的自主可控能力。

多方聯合建立數字化標準體系，形成了面向航天型號的需求建模、三維數字樣機建模、質量產品數據包管控、大數據管理等65份系列標準，進一步固化了數字化轉型成果。制定完整的安全保密規范，確保系統安全、穩定和可靠運行。

三、實施效果與主要作用

（一）實施成效

通過兩化融合管理系統的貫標，上海宇航系統工程研究所打造高效數字化協同研發能力，典型產品設計周期相比2019年縮短13%，產品協同研發效率相比2019年提升11%，試驗數據入庫率相比2019年提升30%；仿真覆蓋超過90%。具體見表2。

表2  高效數字化協同研發能力量化指標實現情況

產品設計效率顯著提升。 通過基于模型的系統工程的實踐實現飛行動態能源平衡的快速設計和評估； 實現多方案的快速權衡分析，其中以某型號接點表的設計周期從 180 天縮減到 2 周。 三維設計方面，通過電纜網敷設、管路、復材結構、箭體結構等快速設計能力，實現三維數字樣機設計效率提升 50% 。

接口協調能力增強。接口協調方面打通了單機、分系統、系統、綜測的接口，實現接口變更關聯管理；基于骨架協同實現機械總體和結構、動力、地面的接口協調，當總體發生變更時實現各相關方的關聯提醒。

數據入庫率顯著提高，仿真實現全覆蓋。試驗設備自動化采集率提升到70%、設備聯網率提升到90%、數據電子化率提升到80%、結構化率提升到60%，數據入庫率提升到60%。仿真方面實現氣動力學、流固耦合等11類專業仿真設計工具100%全覆蓋。開展系統和體系級仿真，由單一面向型號研制任務保障的任務仿真轉變，面向航天器“論、研、試、訓、用”全周期的全體系數字化仿真轉型。

（二）主要作用

1. 提升技術協同研制水平

通過兩化融合管理系統的貫標，上海宇航系統工程研究所加快了數字化轉型進程，打造模型和數據雙輪驅動的科研生產數字化新體系，提升了型號協同研制水平。采用基于模型的系統工程方法，進一步完善航天協同研制環境，實現需求的結構化定義和追溯關聯分析、總體方案的快速論證；基于MBD技術構建數字樣機，以數字樣機作為制造和裝配的依據；基于產品數據管理平臺實現廠所間的跨域協同和型號技術狀態管控；基于產品質量數據包管理系統優化了產品驗收環節，實現了過程質量控制重心的前移。

2. 實現數字化流程管理

高效協同研發能力建設打通各流程環節，實現線下流程向線上流程的轉變，提升流程電子化水平；以流程為視角，調動各階段、各類業務的有序開展；打造了企業數據集散中心，實現型號數據從示范型號推廣到全型號的數據采集治理，通過數據資產可視化分析，實現對數據治理成果的集中展現；基于數據有序治理，打造數字孿生產品，為孿生產品可信評估、數字伴飛等提供數據支撐。

3. 助力社會效益提升

為適應復雜多變的國際形勢，大力發展航天數字化轉型，深化新一代信息技術與航天科技工業體系融合，立足數據思維推進數字航天建設，形成了航天企業數字化轉型模式，逐步形成數字航天的優勢，打造融合創新的新發展格局，以數據為基礎精準施策、科學治理，以數據思維全方位賦能航天研制模式轉型和產業升級。勇擔航天強國使命，為航天強國和世界一流軍隊建設、服務經濟社會發展和民生福祉作出貢獻。

上海宇航系統工程研究所

材料執筆人：鄒薇  李江道   陳若飛