2. 北京宇航系统工程研究所, 北京 100076
弹箭产品全寿命周期有着多方协同及数据繁杂的特点，且各寿命周期的产品组成数据皆以物料清单(bill of material, BOM)进行信息记录[1-3]。受限于文档信息的非标准化、关联薄弱及单向传递的本质，缺乏全寿命周期BOM的多视图协同关联、统一模型管控及变更信息传递等技术的有效支持，导致现阶段弹箭产品全寿命周期工作存在信息冗乱、延时反馈及追溯不足等问题[4-6]。为促进弹箭产品全寿命周期BOM信息管控的规范化、集成化及可视化，有必要立足于多视图物料清单，开展弹箭产品XBOM数据管理研究。
为了有效指导弹箭产品XBOM数据管理，众多学者在不同问题板块及技术领域中进行了相应研究。郑怀芳等[7]提出了将BOM传统特性和配置属性相结合的BOM数据包，将其作为全寿命周期BOM数据模型构建技术的基础；刘义珩[8]探索了基于PDM的BOM航天研制管理技术，包含信息建模、配置、多视图等方面；Yan等[9]提出了基于单源数据的BOM建模方法，以提高BOM间视图的一致性；夏秀峰等[10]提出了基于MapReduce的BOM数据遍历查询方法，以实现高并发BOM信息层次查询；Bian等[11]设计了基于Windchill平台的BOM管理方案，探究了BOM变更及多视图映射方法；胡云鹏等[12]搭建了BOM信息追溯流程，实现航天产品多方协同研制探索。上述研究分别在数据视图分析、数据信息建模及数据系统方面提供了相应的见解和方法。基于SJ/T 11729-2018产品全寿命周期管理(PLM)规范[13]的指导，弹箭产品XBOM数据管理技术领域的局限性可归纳为BOM多视图板块缺失、关联分析未能兼顾跨BOM和单BOM、未能实现信息变更推送、储存脱离BOM编码信息本质、建模未能统筹多方协同及可视化未能实现“业务-数据-应用”的体系化集成。
国外军工行业率先引领了弹箭产品XBOM数据管理的发展。如美国国防部发布了国防部数字现代化战略文件[13]，并指导建立了工程弹性系统[14]；英国国防部发布了国防数字战略[15]，旨在通过数据体系的变革带领军事体系运作的进步；国际商业机器公司形成了数据生命周期管理系统及信息圈主数据管理服务[16]，为产品研制方和用户提供准确的数据收集、整理、分析和协作方案；达索公司提供了DELMIA和ENOVIA软件[17]，以促进数字化流程和全寿命周期协同的环境建设。国内军工业领域发布了产品生命周期管理规范[18]及大数据白皮书[19]等，为弹箭产品XBOM数据管理提供了规范支持；航天工业集团正在搭建产品全寿命周期管理系统，用以服务弹箭产品的XBOM信息管理。但由于我国还尚未形成弹箭产品XBOM数据的多视图标准化体系、XBOM追溯关系尚未明确、多方协同的数据交互建模不充分、符合数据本质的储存及集成程度不够贴切，导致国内弹箭产品XBOM数据分布散乱、信息与协同方的交互不畅且流程不明晰、反馈应答变更滞后、XBOM数据管理能力不充分。其主要原因在于国内弹箭产品XBOM数据管理尚未形成“数据-业务-建模-应用”的贯穿性体系建设，使得相应的数据梳理、分析技术及集成应用无法获得充分发展。
为了解决上述问题，本文以基于数字主线的弹箭产品XBOM数据体系建设为基点，根据体系层次进行数据梳理、关联分析、变更机制、数据储存、数据建模及数据集成的技术与方法提出，建立弹箭产品XBOM数据管理技术支点。以某型运载火箭为案例对象，开展基于数字主线的弹箭产品XBOM数据管理体系与技术的双向验证，可为国内弹箭产品XBOM数据管理的发展提供可行的思路和支持。
1 基于数字主线的弹箭产品XBOM数据管理体系 1.1 数字主线架构分析数字主线[20-21]被美国SAF/QAR于2013年定义为针对武器装备系统的链接多数据信息“孤岛”和协同全寿命周期的数据架构，并在《全球地平线：美国空军全球科技愿景》[22]中，将数字主线视为“改变游戏规则”的颠覆性机遇。数字主线旨在基于基础数据，通过数据分析和数据建模将数据组织在业务流程与管理功能中，实现数据的可追溯关联性和可访问性，改变产品全寿命周期各阶段数据的应用方式，从而作为数字孪生的应用前提。
立足于产品数字域和实体域，结合弹箭产品全寿命周期XBOM信息，提出了基于数字主线的弹箭产品XBOM数据管理双层闭环思维。内层闭环分为弹箭产品交付前闭环和弹箭产品交付后闭环，单个闭环内部由业务需求相关联。产品实体的始端是产品交付前的XBOM数据定义，并通过方案阶段、工程研制阶段及定型阶段的实现形成产品实体的本身。在产品上述的寿命周期中，产品实体与设计人员进行协同交互。这些交互由数据分析、数据建模、数据储存及数据推送等技术促进，所产出信息反馈回产品数据域，被用于支持跨部门、跨地域的决策和应用。在产品交付前寿命阶段的内部闭环结束后，进行交付后闭环，即产出产品交付后的服务、运营数据，经过实际的业务实现产品实体的后勤保障，并开展多方协同。由数据技术手段支撑信息交互，从而开展数据应用。前后内层闭环的结束代表着外层闭环的完成，该流程使得数字主线在弹箭产品XBOM数据管理中具有完备的层次化和体系化思维，有效推动产品数据管理的发展。
1.2 基于数字主线的弹箭产品XBOM数据管理体系构建数字主线以“数据全面分析、信息全面建模、功能全面集成”的特点，致力于收集并分析全寿命周期数据，充分提供各类分析技术的无缝交互空间，实现基于数据的实施管理。为实现弹箭产品XBOM数据信息的数字化管理，保障产品与数据的同步作用，有必要构建如图 1所示的“数据流-交互流-建模流-应用流”的基于数字主线的弹箭产品数据管理体系，划分和建立数据管理的层次和技术基点数据层作为基础，通过开展跨专业关联的XBOM技术，划分具备弹箭产品特征的全寿命周期阶段，构建和组织其XBOM体系和信息数据，提供基础数据源；为保证人员交互与数据交互的统筹分析，交互层在数据层的基础上开展XBOM逐级演进及关联关系技术研究，明确XBOM体系间单BOM及跨BOM的构建流程及数据交互关系；作为交互层的实现手段，模型层立足于XBOM数据技术状态管理，探索模型建立方法，实现XBOM信息的技术状态管理建模规则及模型的构建；应用层是XBOM数据管理落地的技术基点，通过研究XBOM可视化、变更追溯及变更推送等方面的XBOM数据关系，实现数据、人员及业务的集成，为弹箭产品XBOM数据管理提供决策和应用的载体。
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| 图 1 基于数字主线的弹箭产品XBOM数据管理双层闭环思维 |
跨专业关联的XBOM数据组织[23]的目的是提供弹箭产品的XBOM基础数据源，从而将产品中的断层数据以视图与阶段并行的方式进行构建。根据我国弹箭产品手册及产品生命周期管理规范[24-25]，可将弹箭产品阶段划分为方案、工程研制、交付部署、使用保障与退役处理阶段。由于弹箭产品全寿命周期阶段业务的各异性和传递性，XBOM的数据存在如(1)~(2)式所示的组织特性。
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(1) |
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(2) |
式中: B为单个寿命阶段的物料清单; i为寿命阶段的序号; n为全寿命周期的阶段总和; P, S, C及V分别为数据的发布方、订阅方、内容及视角。
在弹箭产品的方案阶段，XBOM数据内容始于产品系统的技术指标及研制流程信息，形成DfBOM(defining BOM, 定义BOM)数据。将产品系统的指标与流程下分至子系统、组件、零件，形成StBOM(system BOM, 总体设计BOM)。数据视角为“产品总体-系统-组件-零件”为结构组织的系统视角。
通过方案阶段的弹箭产品需求的指定，可开展工程研制阶段BOM数据组织，包含产品设计BOM(engineering BOM, EBOM)、工艺BOM(processing BOM, PBOM)及制造BOM(manufacturing BOM, MBOM)。为开展详细设计和支撑制造装备工作，EBOM采用双数据视角，进行各系统的非外购件物料信息、外购件物料信息及细化的研制流程信息记录。其基础视角为承接自StBOM而来的系统视角，根据各数据节点包含的部位安排信息进行二次分类，得到以“子级-子级系统-子级分系统-组件-零件”为组织结构的初步装配视角。作为EBOM和MBOM的衔接BOM，PBOM的数据内容与EBOM一致，数据视角向实际工艺路线进行转化，形成以“总装位-段位-工位”为数据组织的实际装配视角。在此基础上，增加工艺信息，形成以实际装配视角为组织结构的MBOM。
在交付部署阶段，装机BOM(Building BOM, BBOM)承接MBOM的全部数据及数据视角，并新增实物状态信息及生产制造信息，反映了弹箭产品在交付时的装机状态。
在使用保障与退役处理阶段，其物料信息被服务BOM(servicing BOM, SBOM)和运营BOM(operating BOM, OBOM)所记录。SBOM在EBOM的基础上定义最小维修区域及现场可更换最小单元，数据组织采用系统视角。OBOM承接SBOM的数据信息及视角，并纳入BBOM的实物数据，新增履历信息、使用记录信息、故障及维修信息。
2.2 跨专业关联的XBOM数据关联分析基于跨专业关联的XBOM数据组织, 根据弹箭产品全寿命周期业务演进规则, 在时间序列后序的BOM数据与前序的BOM数据间存在向前反馈的关联关系, 定义如下:
定义1 相关关联。指后序新增数据节点诱发于前序数据节点。
定义2 外部应用转换。指在相关关联的基础上, 后序新增数据节点与外部系统之间存在信息交互。
定义3 遗传映射。指在相关关联的基础上, 在同一视图中, 后序新增数据节点与前序BOM数据节点的位置一致, 节点数据属性发生增删改的变化。
定义4 变异映射。指在相关关联的基础上, 后序新增数据节点与前序BOM数据节点的数据信息一致, 节点位置或视图发生变更。
定义5 综合映射。指在相关关联的基础上, 后序新增数据节点与前序BOM数据节点的数据信息及节点位置或视图均变更。
2.3 XBOM数据管理模型搭建为使得XBOM数据管理模型具备XBOM完整的业务, 按照统一标准的语义和规范进行建模, 使其被数字主线应用层技术稳定无歧义地读取, 结合MBSE实施框架[26], 基于DoDAF体系[27-28]设计了适用于弹箭产品XBOM数据管理的“需求-功能-架构”三部分建模方法, 如图 2所示。
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| 图 2 XBOM数据管理模型 |
图 2中, 需求模型采用CV-4能力依赖关系(capability viewpoint-capability model descriptions)进行表征, 能力的分层结构用于反映需求逐级细化过程及其包含关系。关键概念包括顶层需求、子需求、子子需求等, 概念关系包含依赖、扩展及包含。
OV-4(operational viewpoint-organizational relationships chart)描述了特定需求下的组织结构和交互表达, 承接CV-4的需求分解结果, 从而为后续功能模型OV的建立提供了基本的组织分析和关键执行者。其关键概念为功能操作的执行者和系统对应的执行模块, 概念关系为控制和指挥关系。进而, 采用OV-5b操作活动模型(operational viewpoint-operational activity model)及OV-6b状态转换说明(operational viewpoint-state transition description), 分别描述需求指导下的操作活动和功能状态响应。OV-5b中的关键概念分别为功能操作的执行者、活动、次序、传递信息及度量, 相应的关系为活动的输入、输出及持续性。OV-6b是在OV-5b的基础上, 将功能操作的起始点、活动、次序、输入输出信息及终止点进一步描述。
功能模型向架构模型的传递采用SV-5a功能活动到系统功能可追溯矩阵(system viewpoint-operational activity to systems function traceability matrix), 描述系统功能与操作活动之间的关系, 其关键概念为功能操作的活动和系统的功能, 关系为功能的分配关系。针对明确的功能, 使用SV-1系统接口说明(system viewpoint-systems interface description)和SV-7系统度量矩阵(system viewpoint-systems measures matrix)进行系统的控制关系管理。前者描述系统结构和与人员交互将操作与系统进行链接。关键概念为系统的执行者、模块、度量及传递信息, 相应的关系为系统执行者与模块或模块与模块之间的控制关系。SV-7基于SV-1中所描述的弹箭产品XBOM数据管理系统特征进行性能与度量的拓展描述, 以及非功能性需求的识别, 关键概念为系统的执行者、模块与度量, 关键关系为系统约束参数的接收限制。
2.4 XBOM变换影响分析技术XBOM数据储存形式为带有结构特征的节点数据唯一标识符, 由BOM信息标识符和结构信息标识符两部分构成, 前者定位类别信息, 后者定位数据节点位置。其表达式定义为:
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(3) |
式中: Ci-j说明数据位于第i个BOM的第j层; IBOMi表示BOM类别信息标识; Lj表示数据的结构信息; n为第i个BOM的数据总层数。
通过节点内编码的应用, 弹箭产品XBOM数据关联数学形式如(4)式所示。
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(4) |
式中: Di-j表示第i个BOM的第j层数据, 其关联数据位于第k个BOM的第p层; 两者之间的关系为Rq, 类别为独立新增、遗传映射、变异映射、外部应用转换及综合映射关系之一。
在弹箭产品XBOM体系中, 其数据存在强烈的关联关系。当其中的BOM节点属性发生变更后, 势必将对其关联的BOM节点属性产生影响。由于节点内编码技术对XBOM数据的支撑性, 在关联变更及结构非删变更时，只需修改如(3)式所示的对应内编码信息, 并对删除节点进行空位递补。
结合SpringBoot框架中的CommandLineRunner接口, 开启数据自动订阅机制。将所需发布数据进行封装演变为数据实体, 调用发布接口进行数据实体的发布, 并利用OpenDDS的数据监听和订阅接口进行数据实体的实时订阅。当发布数据在前端变更时, 携带节点内编码、数据库表和修改状态等参数向后端发送请求, 后端会将变更的节点信息进行数据封装, 并调用发布接口将数据实体发布出去, 同时订阅方会订阅到数据实体, 采用Websocket协议进行前端订阅展示。
3 案例应用以某型运载火箭一子级燃料箱结构系统XBOM中的StBOM和EBOM为数据管理对象开展了数据管理体系及方法应用验证。
3.1 XBOM数据组织运载火箭结构系统StBOM生成于方案阶段的方案设计环节, 具体信息如表 1所示, 均由研制部门发布, 由研制部门及研制主管部门订阅。
| 节点名称 | 子节点名称 | 节点数据 | 数据属性 |
| 一子级燃料箱系统细化性能指标 | 结构设计要求 | 外形尺寸 | 直径为3.35 m，壁厚10 mm |
| 结构强度计算情况及安全系数质量、标准化及可靠性设计要求 | 起吊情况结构安全系数 | 2.0 |
案例应用中以一子级燃料箱的壳段组合件为代表, 进行由研制部门发布、被研制部门、供应商、使用部门及研制主管部门订阅的EBOM系统级自研部件信息说明, 如表 2所示。
| 节点属性 | 节点数据 | 数据属性 | |
| 壳段组合件信息 | 功能特性 | 结构性能 | 相关标准文档 |
| 结构强度计算情况\安全系数 | 1.5 | ||
| 物理特性 | 系统组成 | 详见EBOM结构视图 | |
| 数字样机 | C: /XBOM/EBOM/3DModel.stp | ||
以壳段组合件EBOM为例，结构系统EBOM中非外购件物料信息需要依据StBOM中细化技术性能指标，即存在关联。EBOM的系统级自研部件物料信息与外部系统无关联，即不存在外部系统应用。结构EBOM与StBOM两者中的性能指标数据内容和结构位置均不一致，构成综合映射关系。壳段组合件的系统组成和节点编码为工程研制阶段新增数据，故关联关系为独立新增。数据关联关系如表 3所示。
| 节点属性 | 节点数据 | 关联方式 | 关联节点 | |
| 壳段组合件信息 | 功能特性 | 结构性能 | 综合映射 | StBOM一子级燃料箱系统细化性能指标 |
| 结构强度计算情况及安全系数 | 综合映射 | StBOM安全系数 | ||
| 物理特性 | 系统组成 | 独立新增 | ||
| 数字样机 | C: /XBOM/EBOM/SNPUAO-01-01-03-3DModel.stp | 综合映射 | EBOM壳段组合件功能特性 | |
EBOM数据(简称为技术状态文件)业务相关方包括研制主管部门、发射支持部门、供应商、制造部门、使用部门及研制部门6个组成单元，主要使命可分类为图 3中的任务和需求，并通过CV-4进行建模。
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| 图 3 技术状态文件管理CV-4 |
基于某型运载火箭技术状态文件管理需求，其系统模块划分划分为XBOM数据显示、变更请求审批、变更时间记录等。基于功能意义，将案例系统技术状态管理分解为标识、审批、控制及实施的子系统。基于OV-5b、OV-6b，分别描述业务方与技术状态管理系统的操作活动和状态转换，如图 4~5所示。
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| 图 4 工程研制阶段OV-5b |
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| 图 5 技术状态文件管理OV-6b |
将功能模型分析的活动分配到实际的技术状态文件管理子系统，并定义相应的系统功能，建立活动到系统功能的分配关系，如图 6所示。
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| 图 6 活动到标识系统功能SV-5a |
基于标识系统功能的映射，采用SV-1将工程研制阶段的技术状态管理参与者与系统模块的交互进行建模，如图 7所示。
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| 图 7 工程研制阶段SV-1 |
基于系统逻辑接口设计，采用SV-7，对某型运载火箭结构系统技术状态文件管理的参与者与子系统、子系统之间的参数限制进行定义，如图 8所示。
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| 图 8 参与者与各子系统之间SV-7 |
某型运载火箭结构系统StBOM及一子级燃料箱EBOM数据应用层通过搭建XBOM数据管理平台提供技术落地。XBOM数据管理平台的总体架构如图 9所示。
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| 图 9 XBOM数据管理平台架构 |
通过递归算法的嵌入，可将上述数据结构和内容可视化为前端界面相应的结构表和结构树，如图 10~11所示。
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| 图 10 储存于MySQL中的BOM内编码(部分) |
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| 图 11 前端页面的BOM结构树(系统视角) |
当XBOM数据管理相关方在前端界面进行变更操作时，节点后的推进剂贮箱性能指标和管路系统性能指标在节点删除前分别为“B0-2-2”和“B0-2-3”，节点删除后这两个节点分别递补为“B0-2-1”和“B0-2-2”，其节点关联也被同步更新，如图 12所示。
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| 图 12 StBOM空位递补节点的关联关系更新 |
XBOM数据管理参与者在前端页面创建StBOM一子级燃料箱系统细化性能指标-质量、标准化及可靠性设计要求节点，并根据提示信息关联相关数据节点。当成功创建节点后可在订阅界面接收到节点添加信息，如图 13所示。
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| 图 13 BOM节点创建成功后推送界面 |
1) 基于数字主线的理论和思想，以"数据-交互-建模-应用"的结构层次，提出并搭建了基于数字主线的弹箭产品XBOM数据管理体系，形成了贯穿数据生成、数据交互、数据业务协同建模及数据应用的数字化闭环。可适用于复杂产品的XBOM数据构建、关联关系搭建、业务建模、储存和变更管理。
2) 依据基于数字主线的弹箭产品XBOM数据管理体系，提出和设计了符合体系结构要求的弹箭产品XBOM数据管理技术与方法，分别解决了数据内容及结构的双层组织、基于业务流程的数据关联关系构建、基于数据管理需求的模型规则制定及兼具数据存储和数据应用的变更影响分析等问题。
3) 以某型运载火箭结构系统StBOM和EBOM数据为管理对象，开展了基于数字主线的弹箭产品XBOM数据管理体系和方法的案例应用和有效性验证，并通过平台将上述内容进行集成和开发。结果表明，所提出的方法可有效服务于弹箭产品XBOM数据管理，为推进多数据源产品业务及应用双向交互的数据技术提供可行的路线，为全寿命周期数字孪生技术实施提供了必要前提。
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