基于模型定义MBD(Model Based Definition，MBD)技术是将产品的所有相关设计定义、工艺描述、属性和管理等信息都附着在产品三维模型中的先进的数字化定义方法。基于模型定义的技术自波音787飞机首次引入并向其他行业进行推广已经日趋成熟，其效益已经被国内外知名公司和机构反复验证。目前国外相关研究的重点是实现面向产品生命周期全过程全要素的制造信息集成共享和协同环境，最终建立基于模型的企业MBE(Model Based Enterprise)。在此基础上，美国开展了数字线DT(Digital Thread)技术研究，进而又提出了数字孪生DT(Digilal Twin)的概念。数字孪生概念的产生和应用是MBD技术的进一步发展，使数字化设计制造技术迈向了一个新的台阶，是实现智能制造的基础。目前，我围制造企业已经较好地实现了二维研制模式下的产品构型管理和控制过程，然而，随着MBD技术的发展和深入应用，如何实现全三维模式下的产品构型管理又成为产品构型管理领域中的新议题，数字孪生相关技术的产生和应用为全三维研制模式下产品构型管理提供了一个可借鉴的技术方案。
数字线最早是由洛克希德·马工公司提出的，他们在生产F一35中将MBD数据直接输入计算机数控机床加工成零件。或通过编程系统完成复合材料的敷设，并将这种新的工作模式称之为“数字线”。“数字线”为F一35的3种构型节省了6000套工装，还省去了这些工装的管理和与零件相互配置的时间，以及工装的配送和向机床上装夹所花费的时间。数字线产生的背景建立在“模型为中心”的基础上，这里的模型是具备信息完整丰富、按照统一的开放标准建立的、规范的和语义化的数字化模型，并且可被机器(或系统)稳定无歧义地读取。在此基础上，数字线集成并驱动现代化的产品设计、制造和保障流程，使各环节的模型都能够及时进行关键数据的双向同步和沟通。其原理如1所示。可以看到，在设计与生产的过程中，仿真分析模型的参数传递给产品定义的全三维几何模型和数字化生产线加工成真实的物理产品，然后通过在线的数字化检测／测量系统反映到产品定义模型中，进而再反馈到仿真分析模型中，从而实现了一个数据的双向传递过程。数字线的核心就是如何搭建一个涵盖产品研制全过程的协同环境，使统一的模型在产品研制各个阶段实现数据的双向流动、重用和不断丰富的过程。
图1 数字线原理
数字孪生也被称为数字镜像、数字双胞胎和数字化映射。数字孪生是MBD技术的深入发展和应用，其根源在于企业在实施基于模型的系统工程MBSE(Model Based System Engineering)过程中，产生了大量的基于物理的、数学的模型被忽视。由此，最早的数字孪生思想由密歇根大学的Michael Grieves命名为“信息镜像模型”(Informarion Mirroring Model)，而后扩展为“数字孪生”的术语。2012年NASA公布的技术路线图中给出了数字孪生的概念描述。数字孪生是指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多尺度的仿真过程，它作为虚拟空间中对实体产品的镜像，反映了相对应物理实体产品的全生命周期过程。
随后，美国国防将数字孪生应用于航空航天飞行器的健康维护与保障中。其目的是在数字空间建立真实飞机的模型，并通过传感器实现与飞机真实状态完全同步，这样每次飞行后，根据结构现有情况和过往载荷，及时分析评估是否需要维修，能否承受下次的任务载荷等。随后数字孪生的概念被扩展到制造领域，美同国防采办大学对数字孪生的定义是充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应实作产品的全生命周期过程。其中实作产品(As—built Product)模型的内容可包括物理产品构型、材料微观结构、瑕疵、制造异常等。图2为飞机产品的数字孪生示例。
图2 数字孪生定义示例
可以看到飞机的数字孪生模型与飞机物理产品建立了一对一的映射，不仅包括传统的几何模型，还包括材料属性、生产、检验、力学分析、空气动力、健康维护以及试飞等物理实现环节所反馈的一系列数据。这些数据通过数据线建立的双向通道向研制的上游和下游不断反馈、解析和利用从而形成可设计制造的智能闭环。也可以说数字孪生是虚拟制造和数字样机技术的深入和拓展，从定义范同来看，其不仅仅进行了产品的数字化定义，而是扩展了包含产品研制的所有实体装备的数字化定义；从涉及范围来看，其向后延拓至生产研制的终端—— 实作产品的数字化定义，两者的定义和应用目标如表1所示。
由此可以看到，数字孪生的核心问题是如何定义包含产品研制全过程的全要素产品模型，如何为研制全过程提供数据准备或者反馈，从而实现“基于模型驱动”的产品研制模式。
构型管理是一种面向产品全生命周期的，以产品结构为组织方式，将各阶段产品数据关联起来并对其进行管理和控制，从而保证产品数据一致性和有效性的产品数据管理技术，有些行业也称之为技术状态管理和配置管理。构型管理通过5个关键要素，即构型管理计划、构型标识、构型更改控制、构型纪实、构型审核和验证，建立起一套科学的、可靠的产品质量保障体系。总地来说，实施构型管理的主要目的包括以下几点：
(1)从宏观上把握大型复杂产品的整体结构，建立产品整体结构，并充分利用已有的设计成果，缩短产品的设计周期；
(2)协调更改，建立产品完整的更改历史记录，进行有效的版本管理和控制，维护产品数据的全部有用版本，确保在各个阶段能够获得产品的完整的技术描述；
(3)控制、检查、调整交付状态构型要求与真实生产后的构型偏差，确保产品的性能、功能特性和物理特性与产品的需求、设计和使用信息之间的一致性。
目前来看，大多制造企业在实施构型管理过程中，已经改变了原来基于图纸的构型管理模式，逐步建立了基于零件或模块的构型管理模式，即通过产品数据管理系统建立产品结构，并以之为主线建立产品各环节和各组成部分的关联，进行产品的构型管理和控制。但在构型纪实、构型验证和审核验证环节中，其本质和还是沿用了传统模式下的构型管理机制，尤其是在物理构型的审核环节，其分为功能构型审核和物理构型审核，功能构型审核是检查构型项是否实现了需求定义的性能、功能和接口特性要求；物理构型审核是检查物理构型项是否与图纸或模型、技术规范、技术数据、质保数据和试验记录等的一致性要求。其最终目的是为了保证最终的物理产品构型与需求、设计、制造和交付整个生命周期的闭环。现有的构型管理方法往往是通过对研制过程中的文件、产品和记录(包括构型清单、规范、二维图样、 维模型、操作检验记录等)的逐项检查，以及对各种程序、流程和操作系统的评估，来检验产品的设计是否满足性能和功能要求，以及产品的状态是否已被准确地记录在文件之中 。基于这种工作模式，虽然有产品数据管理等系统的辅助，技术人员和构型审核人员也需要花费大量的时间聚焦在产品图纸、产品模型和各种数据报表之间的比对和维护当中，效率极低且容易出错。
随着全三维研制模式和智能制造技术的发展和深入应用，对产品构型管理提出了更高的要求：
(1)客户个性化需求增强，产品的设计构型多变，产品构型管理过程需要动态响应；
(2)智能化设备的大量采用，要求产品研制过程中构型数据的快速收集、提取和实时反馈；
(3)产品研制的全生命周期过程中，产品构型数据需要进行全面分析和维护。以改善设计和制造工艺过程，改善产品质量。
显然传统的构型管理方法已不能适应当前构型管理的高效的动态响应要求，因此需要一种高效可控的构型数据管理和控制机制，来实现产品研制全生命周期过程中产品构型数据的快速收集、提取和高效追溯。
数字孪生通过在虚拟空间中构建真实物理世界中的产品模型，通过物理系统向赛博空间数字化模型的反馈，实现了闭环的研制过程。数字孪生的关键技术包括数字化定义、数据检测与采集、大数据分析、多物理场建模等诸多技术，其中最基础也是关键的是如何构建一个包含产品全生命周期全过程的全要素的产品模型，这个产品模型能够实现与物理真实世界的一一映射。这样包含了产品物理研制全过程全要素的产品模型，则可以在产品构型验证和审核的过程中，建立与相关研制数据之间的关联，省去了原来传统构型纪实和构型验证审核过程中人工进行模型和研制数据之间的对比工作，大大增加了审核效率和一致性判断。同时，产品数字孪生模型中包含了产品的构型状态数据也为构型更改控制过程中实现快速动态响应，预见产品质量和制造过程、推进设计和制造的高效协同、确保设计和制造的准确执行提供了基础。基于产品数字孪生模型的产品构型数据定义与反馈过程如图3所示。构型项在研制的全生命周期过程中，一般会经历设计、工艺规划、生产制造、检验检测等全过程，相关的构型数据会在产品不断演变和向后拓延的过程中，不断丰富和完善，相应的产品设计和研制数据与模型特征建立关联，从而实现模型驱动的产品研制过程。针对构型管理过程中的构型标识、构型控制、构型纪实、构型审核与验证而言，也恰恰实现了模型驱动的产品构型数据的收集、采集和实时反馈的过程。
图3 基于数字孪生模型的构型数据定义与反馈过程
在基于数字孪生的产品构型数据定义与反馈过程中，一个非常重要的关键技术就是需要实现基于语义的产品模型表达。所谓的本体是为了描述真实世界中客观对象所隐含的语义信息而诞生的。W3C推荐采用OWL语言作为一种本体描述语言，其具有统一语法格式、明确语义。对于特定领域和应用范同，根据领域知识，利用OWL本体语言，可以定义OWL类及OWL属性，实现领域本体构建。在基于本体的产品数字孪生模型建模过程中，可以构建以设计模型为父类、几何特征和构型数据为子类的组织形式，其中几何特征子类用来描述模型的实体信息和尺寸与公差信息；构型数据子类描述产品的构型技术状态信息。图4为包含构型数据的零件数字孪生模型的本体表达框架。
图4 包含构型数据的数字孪生模型本体表达
几何特征子类的本体表达抽取了5类常见特征作为研究对象，包括凸台(Pad)、凹槽(Pocket)、旋转体(Shaft)、加强筋(Stiffener)和也(Hole)，建立了基于草图的特征本体分类及数据属性。以“Hole”类为例，可将其分为简单孔(Simple—Hole)与复杂孔(Complex—Hole)。对于“Simple—Hole”类，包括两个属性：
· 孔深度(has—Holedepth)：
· 孔直径(has—Holediameter)。
对于“Complex—Hole”，以沉头孔(Counterbored—Hole)为例，包括4个属性：
· 沉头直径(has—Boreddiameter)
· 沉头深度(has—Boreddepth)
· 孔直径(has—Holediametet)
· 孔深度(has—Holedepth)
构型数据子类包括设计数据(Design—Data)、制造数据(Manufacture—Data)和检测数据(Inspection—Data)。以“Inspection—Data” 的检测反馈(Inspection—Spaceholder)子类为例,可包括3个属性：
· 内容(has—Content)
· 链接(has—URL)
· 对象关联(has—reliance)
其中内容(has—Content)属性用来描述检测反馈的数据，链接(has—URL)用来描述检测用到的外部链接；对象关联(has—reliance)属性用来描述特征与构型反馈数据之间的关联关系。由此，构建的基于本体的产品数字孪生模型可以与相应的构型数据关联在一起，实际的物理产品研制过程中的相关技术状态数据也可以与之建立关联关系，从而可以基于产品数字孪生模型实现构型数据的纪实，进而实现全三维研制模式下模型驱动的构型数据快速追溯和快速响应。
全三维研制模式下对产品的构型管理提出了更高的要求和挑战。产品数字孪生模型能持续积累产品设计、制造和检验全生命周期过程的相关数据和知识。并可以不断地实现重用和改进，其通过动态感知、存储和呈现产品全生命周期的构型信息，从而可以实现产品构型数据的管理、追踪和一致性维护，实现产品构型在全生命周期过程中的可视化和透明化。本文目前仅探索了一种包含产品构型信息的产品数字孪生模型的构建框架和基于本体的表达方式，以期为全三维研制模式下的产品构型管理提供一个可行的技术解决方案。随着研究的逐步深入，基于产品数字孪生模型的构型管理方法不仅可以高效实时地记录和反映产品的构型状态，而且可以基于反馈同的产品构型数据进行大数据统计和分析，从而改进产品研制流程，提高产品设计质量。
说实话，工业4.0是新生事物，没人对它有清晰完整的认知，也没人知道它的道路将有多远，而且路上必然会伴随着无数质疑和挑战。可不管怎样，既然它是正确的方向，我们就要勇敢地向前走。号角已经吹响，未来才刚刚开始。
本资料来源于e-works VIP智库
崔健在歌里唱到，“不是我不明白，这世界变化快。”放在两年前，如果有人跟我说起“工业4.0”，我可能会一脸懵，但现在，我们已经在这条路上迈开第一步了。工业4.0是一个热得烫手的概念，也是大势所趋，它将物理世界与虚拟世界融合，从数据中创造价值。2015年，我有幸加入面向工业4.0的华为三化（自动化、数字化、智能化）制造项目组，“三化”中最基础也最先行的是“数字化”，我们团队就肩负着数字化制造转型的重任。
数字化转型的前提，是万物互联，要让车间里的人员、机器、物料、产品和环境等这些“一草一木”，都能开口报出自己的状态并且相互传递信息。这些信息包括“一草一木”各自所处的位置，每天吸收了多少阳光、多少水、多少矿物质，长了多高、施了多少肥、谁施的肥，甚至一天的光照强度、风力、湿度等。这样系统可以有效调整施肥的配比、浇水量、光照强度等，促使“一草一木”更好地生长。
设想是美好的，但这事有多难呢？单说让“花草树木”主动报告自己的位置，就好比你拿100颗大小相同的弹珠，每个上面编了一个很小的序号，撒在你们家客厅，然后要求随便报一个序号，就能够马上找到对应的弹珠。
“那感觉我们是要给每个物件都配部手机啊。”有同事开玩笑说。
“对！就是给它们都配上终端设备。”
“可是终端设备在室内的GPS精度不高，而且对续航能力要求高，不能三天两头就去给它充电，哪里有这样的终端？”
“去找！”
3G、4G、wifi、蓝牙、zigbee、LTE(eLTE)、Z-wave、NB-IoT、GPRS、SigFox、LoRa等，这些技术我们研究了个遍，都无法满足精准定位。我们终日苦思弥想，与产品线的兄弟交流，查各种文献，终于找到一种相对合适的方法，通过UWB（超宽带）进行定位。UWB技术传输速率高（最高可达1000Mbps以上）、发射功率较低、穿透能力较强，且是基于极窄脉冲的无线技术无载波。正是这些优点，使它在室内也能有较精确的定位。
最初，我们在市场上找到几家能提供该类产品的公司，都号称“定位精度能达到10cm，电池能用半年”，听到这种消息，我们当然欣喜若狂，这即将给我们的生产带来革命性的影响。然而，把产品拿到现场一测试，全是问题，精度基本都在50cm以上，而且由于车间环境复杂，位置漂移严重，人站在A工位，实际定位到B工位，完全没法使用。如果连物品的位置都找不到，谈何数字化，说出去岂不是笑话。测试完后的那几天，情绪十分低落。
但项目还是要做啊，我们耐着性子，几乎把所有具备UWB室内定位技术的公司都搜了个遍，一家一家地联系，一家一家地测试验证，真的是屡败屡战……正当我们失望至极时，有一家小公司的产品竟然初步满足我们的要求，精度能达到了15~30cm，理论功耗可以用三个月。虽然深入验证后同样有许多问题，比如定位漂移与功耗，还有车间环境复杂，存在着定位死角，但毕竟让大家看到一丝希望。
活人总不能被尿憋死啊，我们联系厂家，共同改进。一点一点地改、一点一点地调，比如通过增加定位基站的布局密度，使覆盖无死角；优化定位软件算法，减少漂移幅度；降低定位标签发射频度，减少电池消耗。
通过一系列措施，终于达到基本可用的条件，定位精度达到了15cm。什么概念呢？人的鞋子大概是30cm左右长，工位和工位之间大概1~2米，设备和设备之间也大概1~2米，这个精度可以让携带定位标签的人员、工装夹具、周转工具、设备精准地报出所在位置及状态信息。
基于各种资源的定位数据与轨迹，我们还可以做许多大数据分析与应用，对提升工厂的透明度与运作效率有非常大的帮助。室内定位技术的应用，只是实现车间“一草一木”皆智能的手段之一，我们还借助其他各种通讯技术、RFID、传感器、设备物联等方法，针对不同的场景，让更多花草树木开口说话，实现车间的万物互联。
搜集“一草一木”的数据不是目的，关键是后续怎么使用它？我们了解到，业界有一种“玩法”，用这些数据搭建工厂。从实体的物理工厂搜集流程数据、设备数据和产品数据，基于这些数据，以数字化的方式，在虚拟空间里复制实体工厂。这一对物理工厂和数字化工厂，一般称之为“双胞胎工厂”。
可是说实话，“双胞胎工厂”是工业4.0时代的新玩意，一开始我们更多地是“赶时髦”，并不十分清楚它能应用到哪些领域、带来什么价值。在我们成功做出“双胞胎工厂”后，曾一度陷入迷茫，到底该怎么使用它？
一天，我正在车间转悠，发现一位相熟的工段长皱着眉头，有点小脾气，原来，他产线上的产品在测试后发现异常，现在要找出是哪个生产环节出现问题。“这么长的生产流程，哪里去找问题嘛！”第二天我又遇见他，他告诉我，一群人费了好大劲，终于发现是产线上某台设备出了点小毛病，原本该供5安电流，只供了4安，“你说，就这么点小问题，耗费我们多少人员和精力。”
分手后，我仔细回味了一下这位工段长的话，这不是正好瞌睡遇到枕头吗？我们的“双胞胎工厂”正愁不知道怎么发挥价值，其实完全可以解决他困扰。我立马就去找他，给出解决方案，在产线所有关键节点上布置数据采集点，这样就采集了三个方面的数据：流程数据、设备数据和产品数据，将这些数据导入数字化工厂中，如此一来，从一个节点到一个节点之间，人员、物料、设备、产品的实时数据和任何改变，全都在虚拟工厂中一目了然，一旦有异常，管理者当场就能发现和处理。
有了一次成功的应用，我们信心大增，更加勤快地在车间里满处转悠。某天，我和团队另一名成员在生产现场，他突然猛拉我一下，指向地上，“我们每天都看到的东西，见怪不怪了，可是这真的正常吗？”我明白过来，他说的是地上堆积如山的物料。以往，我们的生产是“推式”的，比如这批货要产200台，那么供应部门就把200台产品所需的物料全部运到车间，不仅占地方，找起来还特别麻烦。而且产品生产的速度不同，经常出现第一台产品孤零零的躺在中转站，眼巴巴地盼望着跟它在同一个订单的“兄弟”，而它的“兄弟”拿到被包装的号牌是100号，前面还有99台在等待包装，很是影响效率。
要不，我们用新武器来试试？我们先将产线的数据导入数字化工厂，在数字化工厂中试着调整参数，加之数字化工厂本身就是智能化的，很快我们就找到了一种更合理的流程。将这个流程再同步到实体产线中，数字化工厂就能根据不同的产品生产时间，智能分批分配物料、控制生产节奏。自此，我们既不用把所有物料一次性堆在产线现场，也不用让先出生的产品长时间等待后出生的产品。
后续，我们又用双胞胎工厂推动了测试预测和包装排产等改善，进一步准确预测出测试周期，消除了包装环节的拥堵状态，提升现场作业效率28%，节省人力40多人。如今，它已运行了近一年时间，获得生产部门的广泛认可。
一天在食堂吃饭，一位工程师叹气，“脚都直了，今天太累了。”
“你一个工程师，又没干重体力活，有那么累吗？”我感到奇怪，反问他。
“你试试就知道了，来回地走，一天下来不知道走了多少路。”
之后我认真地观察了一下，生产现场的工程师和技术员一般是拿着小本子记东西，记完后又去找电脑查资料，再回到设备前继续记录，如此反复来回走动，如果碰到比较棘手的问题，一天的走动量确实不小。我开始认真考虑，是否可以改变靠纸质作业的流程，不仅仅是减少员工的走动，更重要的是，纸质作业有时会导致信息传递不及时、不准确。
早都进入移动互联网时代了，一个手机就能满足我们大部分生活需求，生产现场为什么不行？“我们搞个APP不就行了吗，每人拿部手机，随时随地办公。”我跟同事商量着，觉得事情应该很简单。
可还没动手干就遭遇难题，车间主管顾虑重重，担心踩了信息安全的红线，因为经常会有核心产品在这试制，一些关键物料的数据参数都会在制造系统里流转，车间员工平时上班都是不让带手机的。这让我们一度十分沮丧，我们的想法是有价值的，却被一个信息安全问题给难住了。
一次，我去银行办业务，看到工作人员用PAD处理我的转账请求，忽然想到，银行也是对信息安全要求极高的行业，既然银行可以用PAD，那么我们也行。PAD屏幕尺寸适中，既方便员工移动作业，又可以显示比手机界面更多的信息，而且是统一采购，可以定制化配置操作系统，规避私人手机所带来的信息安全问题。
使用PAD的想法终于通过，我们开始找一项业务进行试验。就从最传统和繁琐的巡检业务开始改进，以往巡检员是靠纸和笔记录巡检情况，一个普通产品要耗费一二十张纸，有的特殊产品更是要一百多张纸，况且全凭巡检员一支笔，某些特殊情况下巡检结果存在一定疑问。于是我们在PAD上开发了移动巡检应用，同时给每台设备上贴上二维码标签，巡检员只需用PAD扫描二维码，就可以获取这台设备的型号、参数、保养状况以及历史故障维修记录等。一旦发现关键设备出现异常，PAD还存有操作指导，员工依照着进行操作就行。
接下来，我们又把改进的目光，投向了一项复杂的作业节点——判定器件角度。在半成品制造过程中，有至少八个环节需要判定器件角度，仅此一项，累计耗时就在1个小时以上。而且，2011～2017年因器件角度错误问题导致的批量返修事故有22起，近半年因无法确认角度而向现场工艺工程师求助的MES问题单平均每月有近两百起。出现这些问题的原因，不是操作人员不专业，而是判定器件角度本身实在是件非常复杂的事，光是通用指导书就有19页、69条规则，员工需要反复记忆这些规则，但实操中，操作员是在毫无参照物的情况下，用肉眼去判断，差错在所难免。记得任总曾经说过，“我们要改善一线员工的作业装备，用信息化的工具武装他们上场……”我们的任务，就是用信息化的工具来辅助员工作业，这也是我们制造数字化项目的价值所在。
通过在业务部门实地调研，我们上线了数字化备料移动APP应用群，包含电子料表、器件库信息查看、料表履历查询、摆飞达作业、备料IPQC检验等一系列信息化移动化应用。通过拉通研发与供应商数据，操作员拿着PAD扫描物料，就会显示出器件的实物图，且有上料角度、步距、飞达，器件丝印等信息，这些对操作员来说很实用的消息，图文并茂的汇聚到了一个界面，按图确认角度即可，降低了操作难度。
后来，我们又将移动化的思路应用在物料投递、物料清点等许多环节，既提高了生产效率，又增强了员工技能。
企业进行转型升级、推进智能制造需要寻找专业的合作伙伴，从培训、现状评估、规划，到具体的数字化工厂仿真、产线设计，到真正实现工控网络的建设，并建立工控安全体系，实现IT与OT系统的集成。
精智工厂（PlantIQ）沉淀了丰富的智能制造行业应用实践，整合内外部资源，优先以装备智能化为起点，打通装备制造、装备使用两类制造的核心价值链，为客户提供企业转型升级和智慧工厂建设相关的咨询服务，包括装备制造等机械加工领域，烟草、食品、药品及日化等快速消费品领域。
精智工厂面向工业（制造）企业和组织提供转型升级和建设智慧工厂的一站式全生命周期服务。包括智慧工厂战略规划、智慧工厂顶层设计、企业现状态诊断及转型建议、智慧工厂总集成、自有产品项目实施、联合创新研究等。围绕信息技术（数字智慧）、管理技术（精益管理）与制造工厂的融合领域（精智工厂）持续投资与创新，以咨询方法论、自有产品和专家团队为核心竞争力，打造支撑企业智造转型的专业服务品牌。
精智工厂多年来坚持自主创新，推出装备智能管理平台（A5-Suite）、资产性能管理平台（APM）、智能设辅助维护系统（A-MRO）、物联网大数据平台（CPSDB）、资产全生命周期及精益运维管理平台（EAM2）、企业运营优化管理套件（MOM-Suite），以及支持良好人机融合的智能终端、物联网与互联网融合的工业智能网关等终端产品。打造我国智能制造领域独特的枢纽与平台，成为对接制造企业与智能制造解决方案优秀提供商，真正为我国制造业转型升级做出实实在在的贡献。
MBD-基于模型的定义，你准备好了吗？
导读：对于采用MBD（基于模型的定义），你准备好了吗？
来源：机械工程师联盟
对于通过2D 绘图交付产品工程信息的传统设计团队来说, 切换到基于模型的定义 (MBD) 可能听起来有风险。 事实是, 众多公司多年来一直渴望把所有的产品制造信息（PMI） 数据都放在3D 模型上, 但是过程中有很多障碍使得这并不简单。
FA&D机械工程师Dustin Whitlow先生，看看他怎么说？
为什么现在要动摇传统的设计和制造方法？
Dustin Whitlow说, 现在是时候重新考虑这些想法了。Whitlow是一个 MBD 的传教士。 他还补充说：
“
许多旧的实现 MBD 的障碍现在已经消失。 对于任何愿意重新考虑其现有流程和工作流的人来说, MBD带来的重大回报指日可待。
”
你能告诉我们一些关于 MBD 的现状吗？
虽然基于模型的定义已经提出很多年了, 但它的确在这一路上遇到了自己的挑战。然而现在看来, 许多曾经被认为是 MBD 的障碍正在迅速得到化解。业界早就渴望实施 MBD , 这已经不是什么秘密了, 但我相信我们现在正处于 MBD 开始变得实用的时间点。
为什么你认为 MBD 现在正在取得突破？
这个世界每一天都在变得越来越紧密互联, 关键信息比如产品制造信息 (PMI)更容易嵌入以及跨平台和系统沟通。这完美地说明MBD未来前途十分光明。
你认为对于一家公司而言选择应用MBD的最有说服力的理由是什么？
考虑 MBD 的三个关键因素是成本、清晰度和质量。
● 成本
-我认为下游功能的成本在逐渐降低, 如制造、检验等。
● 清晰度
- MBD数据可以提高与下游消费者沟通的清晰度。它们可以直接与模型交互，并获得必要的信息。
● 质量-
当设计意图得到清晰而明确地传达时，质量会相应得以改进。曲解图纸和重建信息的机会减少了。
你觉得MBD的主要挑战是什么？
MBD 的主要挑战之一是它有时要求我们重新检查现有的流程和工作流。
在当今的竞争环境中, 这可能代价高昂而且往往具有挑战性。然而长期来看，我认为采用它会带来明显的投入产出比。
随着技术的进步, 我们已经达到了MBD将越来越成为未来设计的首选方式的地步。并且，像PTC这样的公司都在响应号召调整他们的技术，使得终端用户在他们整个设计过程中都能更容易地采用基于模型的方法。
如果公司想开始使用MBD，他们应该从哪里开始呢？
根据我的经验，我的建议如下:
● 广泛倾听:
在在线社区、活动、论坛等中聆听有关 MBD 和MBE的对话。
● 大量社交:
与已使用 MBD 的人建立联系。也许可以跟已经实施 MBD/MBE并且取得成功的公司的人去社交。
● 获得认可:
尽早让利益干系人参与其中并及早向他们普及MBD如何增加价值，而不要给他们增加复杂性。
● 试点项目:
找到一个项目/产品试行创建MBD规范，在所有的业务流程中贯彻使用这些3D工程规范，归档、评估和评测新方法的好处，并与传统的方法进行对比。
● 最后, 不能一刀切：
因此，需要了解您公司的目标、限制等，并为实现MBD制定适当的路线图。
准备好改变了吗？
采用MBD带来的诸多好处让许多组织根本无需多想。例如，基于模型的企业通常出现解读错误的情况更少，而数据不准确的情况也会更少。
导读：
在过去的十几年间，湾流（Gulfstream）公司在基于模型定义（MBD）领域取得世界瞩目的成功。公司积累了大量的实施经验和教训，从而总结出来一套自己的方法，本文列举了几个方面，但是这一切的前提是“动手尝试”。
作者：吴军 | 来源：e-works 数字化企业网
本文介绍世界著名公司“湾流（Gulfstream）”的成功经验。主要内容来源于Dan Ganser，湾流公司产品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）系统科学家，在2015 年航空和国防工业PLM 发展蓝图大会上面的发言。
湾流（Gulfstream）实施三维模型定义有两个突出特点。
（1）收效显著。湾流（Gulfstream）率先实现了航空工业长久以来的一个梦想：完全数字化的三维飞机模型定义系统，并且通过了美国联邦航空管理局（Federal AviationAdministration，FAA）认证。2007 年G650 机型开始全部采用三维模型定义设计，之后在G500 和G600 型号中大量重用，而且实现了这两个机型的并行设计，节省了大量时间和经费。
（2）实施彻底。整个公司配备了近万套高端CAD 系统，包括工厂车间。车间工人直接使用统一的高端CAD 系统（而不是中间格式或阅读软件）读取关键制造信息，必要的时候可以查询丰富的建模信息。这扩展了车间工人职责，使得三维标注大量简化。除了内部广泛使用CAD 系统，公司还要求所有供应商必须使用同样的CAD 系统和版本。
湾流（Gulfstream）公司成立于1958 年，一直致力于商务和私人飞机的设计、制造和服务，业务集中于机体结构、总体集成和内部装饰。公司以为客户提供极致的飞行体验，减少时差影响为使命。主要机型如图1 所示，典型机舱如图2所示。总部设在美国佐治亚（Georgia）州。现有员工1万5千多人。图3总结了6个北美制造基地。
图1 湾流公司（Gulfstream）主要机型
图2 湾流（Gulfstream）典型机舱
图3 湾流（Gulfstream）6 个北美制造基地
湾流（Gulfstream）公司从2003 年开始计划实施基于模型定义，有三个主要目标：增强协同合作；提高设计重用；减少零件号数量。刚开始一个很自然的问题是从哪里下手。三维模型定义实施初期不必求全责备，只需要在整个制造流程中选好一个突破口，从而步步为营，逐渐扩展。湾流（Gulfstream）选定了飞机总体集成（总成）步骤的内部装饰（内饰）设计作为试点。原因是内饰不会影响关键飞行性能，风险相对较低；主要组装成品或半成品，而无需费心于前期复杂的机加工零件和其他复杂的系统；而且零配件数量巨大（如紧固件），得以检验三维模型定义的收效。
图1中的G450 是第一个完全采用三维模型定义来设计机舱内饰的机型，其内饰的零件号数量比二维工程图流程减少了50%（夹子和支架之类的零件减少的更多），立竿见影的实现了设计重用和减少零件号的初衷。这一成功很快就促使三维模型定义扩展到所有机型的内饰设计。
2007 年，湾流（Gulfstream）开始了一项具有突破性意义的项目：把三维模型定义实施扩展到G650 机体结构设计。如果说机舱内饰还只是给飞机化妆，并未涉及根本的话，那么机体结构则是整个飞机的筋骨，牵扯到众多性命攸关的飞行性能。这也体现了湾流（Gulfstream）的胆识和对三维模型定义的信心。顺便提一句，很多其他制造企业把三维模型定义确立为关键竞争优势，甚至到了保密的程度，不愿意其他人（尤其是竞争对手）窥探到他们的三维制造流程。Dan Ganser 的发言很有借鉴意义，但也只是浮光掠影，很多重要的细节还是需要每个企业具体实践摸索。
G650新的机体结构设计流程带来了一系列的变化，比如新的软硬件系统、新的厂房和配套的反复培训。G650 的成功不仅极大地增强了结构设计团队的信心，而且其三维机体结构模型定义在G500 和G600 中得到高度重新利用，使得这两个新机型能够并行设计，并且在2015 年同时交付试飞。值得注意的是，公司内部和外围供应链都必须使用三维模型定义。比如G650，机翼和尾部的结构设计由供应商来完成，然后与公司自身设计的其他结构进行三维集成。而G500和G600两个新机型完全由内部团队负责结构设计，因而交流和集成相对简单一些。
三维模型定义的收效还包括保证了数据的完整性和一致性。读取数据的人不必再担心数据缺失，或者分散在很多地方，难以提取。存档实时发生，设计审核随时随地都可以通过网络进行。如图4和5所示，电气系统也采用三维模型定义，并且与机械模型结合。可以对整个飞机进行电气仿真分析，保证信号按照设计意图达到目标元器件。
图4 局部三维电气线路和标注
图5 驾驶舱三维电气线路示意
在过去的12年间，湾流（Gulfstream）公司在基于模型定义领域取得世界瞩目的成功。Dan Ganser 作为亲身参与者和实施核心成员提到：“最让人兴奋的地方就是看着下游生产环节运用我创建的三维数据轻松高效地完成生产任务，而不再需要任何二维工程图。”公司积累了大量的实施经验和教训，从而总结出来一套自己的方法，下文列举了几个方面，但是这一切的前提是“动手尝试”。小马过河，不试不知道，与其隔岸观望，不如亲身实践。
1. 统一平台
为了减少CAD数据格式转换带来的损失，公司要求内部所有团队和外围所有供应商统一使用一个CAD 系统，并且停留在一致的大版本和小版本。为此，公司配备了近万套CAD软件，甚至包括工厂车间，如图6所示，装配工人使用CAD软件获取关键尺寸。
图6 湾流（Gulfstream）车间工人使用CAD 软件获取制造信息
2. 简化三维标注
由于第一点的彻底实施，模型的三维标注可以非常简化。湾流（Gulfstream）要求车间工人能够熟练操作CAD软件，而不是单纯的中间格式或阅读软件，来获取与岗位相关的制造信息，比如CAD 模型几何尺寸就被用作名义尺寸。这样上游工程部门的时间和人力就可以从繁复的三维标注中解放出来。
Dan 表示，在飞机内饰项目中，一条三维标注也没有；而在机体结构项目中，标注量也非常小。只在特殊或关键的特征上面标注，比如复杂的机加工零件。而其他完全依赖模型本身。湾流（Gulfstream）很早就意识到三维模型定义不代表“把所有信息都标注在三维模型上面”。正相反，大量信息都被存储在产品生命周期管理系统（Product Lifecycle Management，PLM）里面。
这也是根据实际应用磨合出来的经验：比如过去，材料属性被定义到模型中。结果采购部门被迫打开模型才能得到材料信息，非常不便，遇到很大阻力。顺便解释一下，定义到模型当中的材料本来是渲染、重量分析、仿真以及其他应用所必需的，但是该CAD 系统各个功能模块之间材料库的不一致，使得公司决定在设计阶段不给模型定义材料，而把材料直接写入PLM。后期其他应用会单独定义材料。这不见得是最优化的，但是在现有CAD 平台行之有效，当然也有未来继续改进的空间。
再比如供应商在报价的时候，除非很复杂的零件，很多情况其实并不关心模型本身，因为价格是由材料明细表、高精度的表面处理或公差、以及产品大致尺寸决定的。所以标注只着重在关键特征和特殊场合，其他都交给PLM，比如通用公差就以存储在PLM 系统的公司标准为依据，无需专门标注。材料明细表的收效更加明显。过去采购部门的材料明细表需要专门的管理员，花费五周，在大量的二维工程图当中找出来所有需要采购的零件。现在装配体是由PLM的结构和链接来定义的，所以能够随时在五秒钟内生成最新最准确的采购清单。
3. 维护数据的完整性和一致性
传统纸质二维工程图的天然优势是不论有多少种软硬件系统，什么样的工作环境，或者有多少人参与，起码每个人都可以拿创维质图样，当然这其中出现的错漏是另一个问题。而三维模型定义就要复杂的多。尽管国际国内制定了各种三维标准，但目前尚无一种格式能像二维图样那样人人拿起来都能随意使用（三维PDF 是一个很有潜力的方向）。由此不同的CAD 平台，各种中间格式，多种附属文件等，这些都让维护数据困难许多。
另外Dan 提到每次CAD 平台升级，即使小版本升级，都会遇到数据错乱的问题，尤其是三维标注（与几何数据相比，各种CAD 工具在三维标注领域还有待成熟）。有时候升级后，三维标注看上去保持一致，但实际上内部数值变化了，导致下游智能制造的应用程序读取错误的标注。
其他的问题还包括硬盘失效，PLM/PDM 系统崩溃，操作人员无意删除了重要数据等。湾流（Gulfstream）花了很大的气力来解决上述问题，维护数据的完整性和一致性，同时还要保证易于获取，不会影响正常使用。因此要求所有的数据每天都归档，而且每天晚上都要验证比对文件的哈希属性（HashAttribute），保证及时发现问题，快速查明根源，快速解决。
如果验证不及时，那么查找根源，解决问题也会复杂很多。除此之外，为了满足美国联邦航空管理局的要求，最终发布的三维CAD 格式内容必须非常简化，必须以ISO 国际标准STP 文件为准。具体来说，如果想确认什么样的数据可以放心的发布，最简单的办法就是把三维CAD 模型导出到STP，然后再导入到CAD，只有剩下的数据才允许保留在最终发布的三维CAD 数据当中。
软硬件系统的管理也非常严格。举例来说，所有的供应商和内部团队必须在同时升级CAD 版本，尽管这意味着软件版本的滞后，但是统一版本的方便性更加重要。过去是每年圣诞节升级，后来延长到了18 个月，现在周期是两年。另外如果被迫进行文件格式转换，那么转换的人最好是设计员本人。因为只有本人才最清楚设计内容，也最能够保证转换的准确。同样，供应商也必须通过质量部门的严格认证，确保能够准确读取模型，熟悉文档规范之后，才可能拿到订单。
4. 制定公司标准和培训工作人员
在三维环境中，每个人的使用习惯都不一样。比如颜色的使用就千差万别。有时颜色用来传递表面粗糙度，有时代表加工精度，有时代表喷漆，有时代表特殊表面。Dan 举了一次安装镜子的例子：装上去很容易，唯一的不足是镜面只能安装在朝墙的里侧，而背面只能朝外。问题在哪里呢？原来工程师在设计镜子的时候，把镜面涂上了黄颜色以示反光面，但并没有添加文字标注。到了生产环节，制造工人不理解颜色的意思，因而没有理会。但是除去颜色的差别，无论镜面反正，三维模型都是一样的，所以导致了很多废品。这只是一个小例子，类似的习惯问题、语言问题和文件格式问题等还有很多。
为了解决上述问题，实施团队制定了大量公司标准，并且经常培训所有参与人员，包括供应商和售后服务。比如镜子的制造人员必须明白黄颜色是什么意思。Dan 回顾整个经历，也承认低估了改变供应商习惯的难度。比如过去二维工程图经常有注释说明“模型可以用来加工制造”，这实际上确认了二维工程图完全杜绝了人为虚假尺寸，从而与三维模型保持完全一致。
所以加工商可以放心使用模型，为数控机床做必要的修改（如删除小孔、添加参照点等），只要最后按照二维工程图做质量检验就可以。在三维模型定义流程中，发布模型取代了二维工程图作为基准。但是有些加工商还是按照过去的习惯随意更改模型。数控加工出来之后，依据更改的模型进行质量检验。这就完全违背了发布的三维设计意图，带来了很大的问题。所以湾流（Gulfstream）不得不跟每家供应商反复强调以发布的三维模型为制造检验基准，而不是修改后的数控机床模型。
5. 发挥三维数据在下游生产当中的效用
三维模型定义真正的效力点，在于下游生产环节。湾流（Gulfstream）把车间的制造执行系统（ManufacturingExecution System，MES）与PLM 系统连接起来。如图5所示，每位工人都可以直接提取三维数据，操作三维CAD软件，获得必要信息完成加工、调度、装配、检测的步骤。起初，公司还担心车间部门不一定有能力，或者不愿意使用三维CAD，但实际上效果非常好。很重要的原因是现在的工人团队普遍年轻化，教育背景更偏重三维，而且接受新工具、新流程的能力很强。
图7显示了一个利用三维数据安装和检测紧固件的例子。铆钉、螺丝和螺母等紧固件数量巨大，作用关键，但是传统安装非常繁复。过去一个办法是把所有紧固件密密麻麻的位置人工画在一块尼龙布上面，然后把尼龙布蒙到机体上面进行安装或检测。如今这项新技术根据三维模型定义，提取紧固件的位置、种类、型号、需要的工具和预先钻好的孔等信息，然后用三维激光投影仪精确弯曲这些影像，严丝合缝的投影到弯曲的机体上。这样安装人员只需要按照投影信息就可以轻松操作，同理也可以进行检测。
由于所有数据都是基于三维定义，所以无需额外编写复杂长篇的安装手册。如果设计有调整，那么投影也自动更新。数字化的方式不仅更加准确清晰，而且大量节省了时间和经费。图8 是另外一家公司Northrop Grumman 在F-35 战斗机项目使用三维紧固件投影指导安装。预计这项技术在整个项目生命周期将节省七千七百万美元。
图7 激光投影三维数据来安装和检测紧固件
图8 工人按照激光投影安装紧固件
除了上述实施经验，航空行业与其他行业不同，新的系统和流程需要得到美国联邦航空管理局的认证才能够上马，否则一切都是空谈。这也是湾流（Gulfstream）面临的最大挑战。与管理局官员的众多会议至今还让Dan 记忆犹新。比如一个很简单的问题：如何确定锁定的设计数据没有改变？ Dan 的团队起初的回答很简单：我们的系统是保密的，没人能改动。但这引来了官员的一系列质疑和调查。
◎系统管理员能不能改动？
◎数据库管理员呢？
◎如果工程部门强迫管理员修改数据呢？原因可以很多：“我的设计发布错了”，“里面有拼写错误，请改正”，“我们的设计数据结构要改动，那样可以让下游协同更加顺利”。
◎如果有人给数据管理员500 万美金，能改动吗？由此可见， 数据的管理非常复杂严格， 这也是为什么每天晚上都要验证每个文件的哈希属性。由于湾流（Gulfstream）使用的数据管理系统的限制，航空管理局无法在外部登录。所以每两个月，公司都要给航空管理局邮寄一台笔记本电脑，里面有全部最新数据。调查官员登录后进行验证。
更麻烦的是达拉斯的航空器认证办公室（AircraftCertification Office，ACO）特殊安检程序需要扫描笔记本电脑。每次扫描都会让硬盘退磁，丢失数据。所以还要重新邮寄硬盘，并且申请特殊许可，避免扫描。久而久之，连航空管理局都觉得麻烦了。因此，他们在2015 年决定改变流程，允许湾流（Gulfstream）只把笔记本电脑定期发送到本公司的机构授权认证处（Organizational DesignationAuthorization，ODA），管理局随时可以获取数据即可。
结语
综上所述，湾流（Gulfstream）实施三维模型定义比较彻底，成效显著，处于世界前沿水平，而且难能可贵的让三维模型定义流程获得了美国联邦航空管理局的认证。希望对制造企业同仁有所启发。
