基于模型的企业.docx

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基于模型的企业

基于模型的企业：

从MBD到MBE的战略转型路径

企业的不断成功，源于在每个关键机遇期做出正确的抉择。

对于在国民经济中发挥重要作用的中国制造业企业来说，如何面向未来，迎接信息时代的到来，是对每个制造业企业的一个挑战。

正确作出选择的企业，将在新一轮的竞争中抢占先机。

从MBD到MBE，构建一个基于模型的企业是一条漫长之路，需要在许多方面做出突破和改善。

企业在摆脱传统的基于二维图纸的设计研发生产模式向基于三维模型的全面数字化企业迈进的过程中，必须从根本上树立起数字化思维和生产经营管理模式，建立科学的战略转型路径。

一、工程师的新语言

   1、工程师的语言

   语言、文字和图形是人们进行交流的主要方式。

在工程界，准确表达一个物体的形状的主要工具就是图形，在工程技术中为了正确表示出机器、设备的形状、大小、规格和材料等内容，通常将物体按一定的投影方法和技术规定表达在图纸上，这种根据正投影原理、标准或有关规定，表示工程对象，并有必要的技术说明的图就称图样。

工程图样是人们表达设计的对象，生产者依据图样了解设计要求并组织、制造产品。

这种采用类似工程图样的产品定义方式常被称为工程师的语言。

   2、工程语言的历史演进

     2.1第一代工程语言  

   工程定义需要明白和无歧义的表达。

中国古代工匠就有采用物理实体模型（如：

故宫“样式张”）和二维绘图法表达工程思想的历史。

1795年法国科学家加斯帕尔•蒙日（GaspardMonge，1746～1818）系统地提出了以投影几何为主线的画法几何，把工程图的表达与绘制高度规范化、唯一化，工程图便成为工程界常用的定义产品的语言——第一代工程语言。

   这种工程设计语言的缺陷是显而易见的，设计师在设计新产品时，首先涌现在脑海里的是三维的实体形象而不是平面视图。

但为了向制造它的人传递产品的信息，必须将这个活生生的实体通过严格的标准和投影关系变成为复杂的、但为工程界所共识的标准工程图。

这当中的浪费不仅是投影图的绘制，还包括了从实体形象向抽象的视图表达方式转换的思维，以及在转换过程中不可避免出现的表达不清和存在歧义。

制造工程师、工人在使用这种平面图纸时，又要通过想象恢复它的立体形状，以理解设计意图。

这又是一番思维、脑力和时间的浪费。

平面图纸的再利用能力几乎没有，定义的质量完全依赖设计人员的个人能力。

有时不是创意而是对平面图形的理解程度，制图技术的好坏往往是能否设计、制造出好的产品的关键。

对二维图样的绘制和理解是需要严格的专门训练，要求工程人员有良好的空间想象能力。

直到今日画法几何和工程制图仍然是工科大学最重要的必修课之一。

二百年来，制造业为这种平面图形的转换付出了巨大的代价。

   2.2第二代工程语言

   20世纪50年代后期，随着计算机软硬件技术的发展，在计算机屏幕上绘图变为可能，CAD技术越来越成为工程表达的标准方式，逐渐成为第二代工程语言。

   二维CAD将手工二维绘图计算机化，人们借助此项技术来摆脱烦琐、费时、精度低的传统手工绘图，从而甩掉了沿用200多年的图板。

   60年代初期出现了三维CAD系统，起初是极为简单的，只能表达基本几何信息线框系统，不能有效表达几何数据间的拓扑关系，缺乏形体的表面信息。

进入70年代，由于飞机和汽车工业的蓬勃发展，飞机及汽车制造过程中遇到大量自由曲面问题，此时，基于三视图方法的多截面视图、特征纬线近似表达所设计自由曲面产生的不完整性，已经不能满足工程要求，大大拖延了产品研发时间。

由于贝塞尔算法的提出，使得用计算机处理曲线及曲面问题变得可行，从而结束了计算机辅助设计技术单纯模仿工程图纸的三视图模式，首次实现了计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得CAD技术的开发有了现实的基础。

曲面造型系统为人类带来了第一次CAD技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似表达曲面的落后的工作方式。

   由于曲面造型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其他特征，如质量、重心、惯性矩等，从而提出了对实体造型技术的需求。

实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD/CAE/CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。

可以说，实体造型技术的普及应用标志着CAD发展史上的第二次技术革命。

   2.3第三代工程语言

   80年代中期，一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法———参数化特征造型方法开始出现。

它具有基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改的特征。

可以认为，参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次革命。

此时众多CAD/CAE/CAM软件开发公司群雄逐鹿。

80年代后期到90年代，CAD向系统集成化方向发展，引起了CAD发展史上的第四次革命。

特别是波音777实现了全数字样机，进一步发展了数字化设计制造技术，此后，波音公司在以波音787为代表的新型客机研制过程中，全面采用了MBD技术，将三维产品制造信息与三维设计信息共同定义到产品的三维模型中，摒弃二维图样，将MBD模型作为制造的唯一依据。

至此，基于三维模型定义技术的MBD已经成为第三代工程语言。

二、基于模型的定义（ModelBasedDefinition-MBD）

   传统的产品定义技术主要以工程图为主，通过专业的绘图反映出产品的几何结构以及制造要求，实现设计和制造信息的共享与传递。

基于模型的定义（MBD）以全新的方式定义产品，改变了传统的信息授权模式。

它以三维产品模型为核心，将产品设计信息、制造要求共同定义到该数字化模型中，通过对三维产品制造信息和非几何管理信息的定义，实现更高层次的设计制造一体化。

   MBD是一种超越二维工程图实现产品数字化定义的全新方法，使工程人员摆脱了对二维图样的依赖。

MBD是一个管理和技术的体系，并不仅仅是一个带有三维标注的数据模型。

MBD使制造信息和设计信息共同定义到三维数字化模型中，使其成为生产制造过程的唯一依据，实现CAD和CAM（加工、装配、测量、检验）的高度集成。

ASMEY14.41、BDS600系列等标准是MBD的重要基础，这些标准的制定促进了CAD软件公司参照其开发软件新功能，使MBD的思想得以实现，并很快应用到以波音787为代表的生产实践中。

   1、数字化产品定义技术

   200对年前，蒙日在《画法几何学》的开篇称画法几何学有两个主要目的，第一个目的是在只有长、宽两种尺度的图纸上，为表达一切具有长、宽、高三种尺寸的自然物体提供方法，而这些物体应是严格确定的，这种图与使用何种语言表达无关。

第二个目的则是根据准确的图形，推导出物体的形状和物体各个组成部分的相互位置。

以画法几何为基础的二维工程图表达，奠定了以二维准确定义三维，用平面表达空间乃至加工制造需求的思维模式和工程管理规范，统治工程设计与制造长达200多年，并依旧发挥作用。

   计算机的出现，使表达的通用介质突破了“只有长、宽两种尺度的图纸”。

人们逐步把三维模型引入到工程定义中，三维模型在工程定义中的地位从参考、辅助过度到主导地位。

随着三维技术的日趋成熟，使得以数字化完整准确定义三维产品成为可能。

基于模型的数字化定义技术是具有三维模型主要元素的完整产品定义，它不再使用或依赖于二维图样或正投影视图为主要制造依据，是数字化定义的最新阶段。

由于其无可比拟的直观性和与其他计算机辅助设计的集成，渐渐成为新的工程定义的标准，最终必然得到推广并取代图纸文化。

   新的东西常常带来大量的特殊问题。

在通常的CAD系统中，工程技术人员所建立的产品数字化模型仅仅是三维几何模型，而制造工艺信息还在二维图样上。

这样仅依据三维几何模型往往难以进行产品的生产和检验。

也就是说，三维模型中没有让技术人员以清晰确定的方式，将工艺、模具设计与生产、部件装配、部件与产品检验等工序所必需的设计意图添加进来。

三维模型虽然包含了二维图样所不具备的详细几何形状信息，但三维模型中却不包括尺寸及公差的标注、表面粗糙度、表面处理方法、热处理方法、材质、结合方式、间隙的设置、连接范围、润滑油涂刷范围、颜色、要求符合的规格与标准等仅靠几何形状无法表达的（非几何）信息。

另外，在三维建模中，基于形状的注释提示、关键部位的放大图和剖面图等能够更为灵活而合理地传达设计意图的手段也存在不足。

这在实际工程中就会产生既使用三维模型，又离不开二维图样的矛盾状态。

这些在实际生产中遇到的问题是ASME关于MBD技术标准研制的根本动力，并推动了ASMEY14.41-2003标准的颁布，与此同时，以波音公司为代表的世界顶级制造企业和软件厂商也在加紧在此标准基础上开发与应用，进一步发展基于模型的定义技术。

目前MBD技术及其相关标准仍在不断发展之中。

   在MBD技术发展应用过程中，航空工业始终走在前列。

飞机产品作为复杂、制造难度最大的工业产品，迫切需要数字化技术尤其是数字化定义技术来提高设计质量以及设计效率。

单项数字技术，如CAD技术、数字化仿真分析技术、数字化加工检验技术等已经取得了明显的进步。

但缺乏整体的软硬件体系建设，以综合发挥整体数字化技术带来的优势。

目前航空企业已经使用CAD软件建立产品的三维实体模型，但在数据传递过程中不得不经常将三维模型转换成二维图样进行传递。

同时，基于图样的信息传递，无法有效地实现数据共享，无法大规模推广协同设计。

因此，需要通过对基于模型的定义技术进行研究，来充分继承并行工程数字化定义的要求，同时，需要通过更高集成度的数据集成技术，来实现信息传递过程的无纸化，实现更高应用水平的数据共享技术。

   在此过程中，其主导思想不能只是简单地将二维图样的信息反映到三维模型中，而要充分利用三维模型所具备的表现力，去探索便于用户理解且效率更高的设计信息表达方式。

其中最为艰难的是，“要从二维图纸文化这种现有概念中跳出来，从零开始研究新的信息表达方式”。

为此，首先应针对概念设计、初步设计、详细设计、生产准备、评估与检验等每个阶段，弄清楚“哪些是产品制造中所必需的信息”，哪些是囿于二维图纸时代技术条件限制而提出的，在当前情况下已非必需或者可以从根本上改变形式的信息。

   随着计算机的出现和数字技术的发展，那种以投影法为基础的“只有长、宽两种尺寸的”传统产品定义的方法逐渐受到颠覆，信息技术将以往的“静态”的思维范式和工作方式引领到“液态”的模式，制造企业的生产活动将不再以传统的“静态”的工程语言和工程文件进行开展，一种跨时代的革命性的数字化定义工程技术应用的序幕正在拉开。

MBD技术使倡导多年的并行工程、协同设计乃至数字化企业成为可能。

2、数字化产品定义规范

   美国机械工程师协会颁布的数字化产品定义规范（ASMEY14.41-2003DIGITALPRODUCTDEFINITIONDATAPRACTICES）是基于模型定义的基本规范要求的基础。

这一标准是数字化技术发展时期顺应工业领域的应用需求而提出的，规范制定始于业界顶端航空制造业。

1997年1月，在波音公司主持的会议上确定了对这一规范的需求，以波音公司多年数字化制造经验为基础，经过几年的修订，规范于2003年7月7日被批准为美国国家标准，这期间三维设计系统的发展也使得标准的内容不断扩充。

   ASMEY14.41-2003标准建立了应用于数字化产品定义的数据——数据集的要求及参考文档。

这一标准和其他现行ASME标准（如ASMEY14.5M-1994（R1999），尺寸和公差标注）配套使用。

它支持两种应用方法，仅使用模型（三维），及模型和数字化格式的图样（2DDrawing）相结合。

标准规定从对这两个方法的公共要求开始，然后分别叙述其他各部分对这两种方法的各自要求。

   标准还对三维CAD软件提出了建模和标注功能的要求，直接促进了CAD软件三维标注功能的发展，CAD软件公司已把此标准设计到软件中。

波音公司在此标准基础上根据公司具体实践制定了BDS600系列标准，并在2004年开始的波音787客机设计中，全面采用基于模型定义的新技术。

这使得三维产品制造信息（ProductManufacturingInformation，PMI）与三维设计信息共同定义到产品的数字化模型中，使CAD和CAM（加工、装配、测量、检验等）实现真正的高度集成，可不再使用二维图纸。

2006年，ISO颁布了ISO16792，规定了全面的三维模型标注规范，数字化技术的应用有了新的跨越式发展。

   3、MBD数据集

   根据ASMEY14.41-2003标准规定，数字化产品定义（DigitalProductDefinition，DPD）数据集可以以下面四种格式之一存在：

（1）DPD数据集包括三维CAD模型和全尺寸标注的二维图样；

（2）DPD数据集包括三维CAD模型和标注了工程要求但未标注全尺寸的二维工程图；

   （3）DPD数据集三维模型，工程要求在三维模型里以文本显示；

   （4）DPD数据集仅包括模型和工程要求。

   这四种方式都可以认为是DPD方式，第二种有时称为减少尺寸工程图样（ReducedDimensionDrawing，RDD）或简化图样（SimplifiedDrawing，SD），第三种和第四种方式称为基于模型的定义方法。

   3.1MBD数据集的基本内容

   MBD数据集提供完整的产品信息，集成了以前分散在三维模型与二维工程图样中的所有设计与制造信息。

零件的MBD数据集包括实体几何模型、零件坐标系统、尺寸、公差和标注、工程说明、材料需求及其他相关定义数据。

装配件的数据集包括装配状态的实体几何模型、尺寸、公差和标注、工程说明、零件表或相关数据、关联的几何文件和材料要求。

其中，工程说明由标注注释、零件注释、标注说明（与特殊工程需求有关的说明）组成，其基本内容见下图。

图中所示数据由分析数据、零部件表、试验要求、材料规范、工艺过程和最终要求等组成，但不限于这些数据。

相关数据将在数据集中引用。

图1MBD数据集的基本内容

   全三维基于特征的表述方法，基于三维主模型的过程驱动，融入知识工程和产品标准规范是MBD技术的核心思想。

它用一个集成的三维实体模型来完整地表达产品定义信息，将制造信息和设计信息（三维尺寸标注及各种制造信息和产品结构信息）共同定义到产品的三维数字化模型中，从而取消二维工程图纸，保证设计和制造流程中数据的唯一性。

MBD技术不是简单地在三维模型上进行三维标注，它不仅描述设计几何信息而且定义了三维产品制造信息和非几何的管理信息（产品结构、PMI、BOM等），它通过一系列规范的方法能够更好地表达设计思想，具有更强的表现力，同时打破了设计制造的壁垒，其设计、制造特征能够方便地被计算机和工程人员解读，有效地解决了设计、制造一体化的问题。

图2MBD模型的内容

   MBD模型的建立，不仅仅是设计部门的任务，工艺、检验都要参与到设计的过程中，最后形成的MBD模型才能用于指导工艺制造与检验。

MBD技术融入知识工程、过程模拟和产品标准规范等，将抽象、分散的知识集中在易于管理的三维模型中，设计、制造过程能有效地进行知识积累和技术创新，将成为企业知识固化和优化的最佳载体。

四个关键点

   ●MBD模型数据的完整表现。

MBD模型数据包括：

设计模型、注释、属性，其中注释是不需要进行查询等操作即可见的各种尺寸、公差、文本、符号等；而属性则是为了完整地定义产品模型所需的尺寸、公差、文本等，这些内容图形上是不可见的，但可通过查询模型获取。

为了在模型三维空间很好地表达MBD模型数据，需要有效的工具来进行描述，并按照一定的标准规范组织和管理这些数据，以便于MBD模型数据的应用。

   ●面向制造的设计。

由于MBD模型是设计制造过程中的唯一依据，需要确保MBD模型数据的正确性。

MBD模型数据的正确性反映在两个方面，一是MBD模型反映了产品的物理和功能需求，即客户需求的满足，二是可制造性，即创建的MBD模型能满足制造应用的需求，该MBD模型在后续的应用中可直接应用。

   ●数字化协同设计与工艺制造的协同。

MBD的重要特点之一是设计信息和工艺信息的融合和一体化，这就需要在产品设计和工艺设计之间进行及时的交流和沟通，构建协同的环境及相应的机制。

   ●MBD模型的共享。

通过MBD模型一次定义，多次多点应用，实现数据重用的最大化。

   3.2数据管理

   在二维图中大部分置于标题栏中的管理数据，在MBD中可置于模型上或者与模型分离的数据集中，可包括应用数据、审签信息、数据集标识、设计传递记录、数据集的修订的版历史等内容。

置于模型上的管理数据将放在管理数据标注平面上或用等效的方法。

标准平面可与模型一起显示，但管理数据标注平面将不与模型一起旋转。

置于模型上的管理数据将包括但不仅限于ASMEY14.41M注解、CAD维护标记、设计活动标识、复制原件标记、分项标识、米制标记、导航数据等内容。

   数据管理系统将提供控制和跟踪数据集信息的能力。

这一系统可包含工作中状态（workinprocess）、数据评审状态、模型检查状态、发放状态、设计工具和版本以及各种数据库等。

二维图上的第一和第三角标记在MBD模型中不要求标注。

   数据集依据工程图标注（ASMEY14.100）来审批。

数据集将在产品全生命周期里被控制和利用。

修订版历史信息将依据工程图样和相关文档的修订标准（ASMEY14.35）的规定保留在数据集中。

   3.3MBD与传统工程图样的比较

   传统工程图样以投影法为基础来表达一个产品的设计模型，在图纸上用线条定义出产品的结构形状、尺寸，用标注、符号和文字来说明工艺指令信息。

   在数字化时代，随着产品结构日益复杂和构型更改的频繁，工程技术人员将越来越深地体会到传统工程图样的缺点和不便。

   ①对于任何结构形状和尺寸的变化，都必须重新绘制，给二维工程图样的生成、更改与维护带来了极大的不便；

   ②只提供产品结构在不同视图中的平面投影，无法直观反映产品的立体结构，导致生产人员无法快速、正确地理解设计意图；

   ③二维CAD技术是对工程图样的一种硬复制，对曲面造型和生产过程中的新型制造和加工技术（如NC技术）缺少有效的支持；

   ④在三维建模技术出现以后，由于设计过程中缺乏必要的工艺信息，制造人员仍然要依靠工程图样来建立制造准则，出现了同时依赖三维模型和二维工程图样的局面。

   MBD方法是以产品的几何模型为核心，将所有相关的工艺描述、属性、管理等信息都附着在产品的三维模型中的先进的数字化定义方法。

MBD方法将需要定义的信息按照模型的方式组织，是具有三维模型的完整产品定义，包含了对产品几何形状信息和非几何形状信息的定义。

它不再使用或依赖于二维图样或正投影视图为主要制造依据，是数字化定义的最新阶段。

MBD方法具有以下明显优势：

   ①MBD方法以三维模型为核心，集成了完整的数字化产品定义信息，使加工、装配、测量、检验等过程实现高度的集成，解决了二维工程图的不足，直接解决了二维工程图样管理、维护和保持一致性等问题；

   ②三维模型可以很好地表达曲面造型，实现了对新型制造和加工技术（如NC技术）的有效支持；

   ③三维模型可以使各职能人员准确、直接地明白并理解设计意图，减少了读图工作量以及由此可能带来的理解偏差。

图3三维模型可以使各职能人员准确、直接地明白并理解设计意图

三、基于模型的企业（Model-BasedEnterprise-MBE）

   基于模型的企业（Model-BasedEnterprise，MBE）是一种制造实体，它采用建模与仿真技术对其设计、制造、产品支持的全部技术的和业务的流程进行彻底的改进、无缝的集成以及战略的管理；利用产品和过程模型来定义、执行、控制和管理企业的全部过程；并采用科学的模拟与分析工具，在产品生命周期（PLM）的每一步做出最佳决策，从根本上减少产品创新、开发、制造和支持的时间和成本。

术语“基于模型的企业”已成为这种先进制造方法的具体体现，它的进展代表了数字化制造的未来。

   1、概述

   在经济全球化的大趋势中，几乎每一个国家都处于全球化竞争的市场中，而经济竞争归根结底是制造技术和制造能力的竞争。

谁掌握了先进的制造技术，谁就能制造出高水平的产品，谁就掌握了市场，谁就能在竞争中立于不败之地。

   在经济全球化和信息技术的推动下，国际制造业的生产方式正在发生着重大变革。

近年来，主要工业国纷纷制定各自的发展计划，促进传统制造业向先进制造业转变。

加快发展先进制造业，已经成为世界制造业发展的新潮流。

   20世纪90年代以来，世界各发达国家先后制定了一系列高技术发展战略与规划，以此来推动高技术产业化的进程，提升国家的经济竞争力与综合国力。

   2005年美国推出“下一代制造技术计划（TheNextGenerationManufacturingTechnologiesInitiative，简称NGMTI）”，旨在加速制造技术突破性发展，加强国防工业的基础和改善美国制造企业在全球经济竞争中的地位。

NGMTI计划提出的美国下一代制造技术有6个目标，其中第一个就是“基于模型的企业（Model-BasedEnterprise，简称MBE）”。

   从技术上讲，基于模型的企业（MBE）就是要基于MBD在整个企业和供应链范围内建立一个集成和协同化的环境，各业务环节充分利用已有的MBD单一数据源开展工作，使产品信息在整个企业内共享，快捷、无缝和低成本地完成产品从概念设计到废弃的部署，有效缩短整个产品的研制周期，改善生产现场工作环境，提高产品质量和生产效率。

   基于模型的企业（MBE）已成为当代先进制造体系的具体体现，代表了数字化制造的未来。

美国陆军研究院指出“如果恰当的构建企业MBE的能力体系，能够减少50%~70%的非重复成本，能够缩短达50%的上市时间”。

基于此美国国防部办公厅明确指出，将在其所有供应链中各企业推行MBE体系，开展MBE的能力等级认证。

全世界众多装备制造企业也逐步加入到MBE企业能力建设的大军中。

由此可见，MBE已不再单纯是一项新技术新方法的应用和推广，而是上升到了国家战略和未来先进制造技术的高度，它的研究应用成功与否将关系到未来制造业的新格局。

   2、基于模型的系统工程（MBSE）

   图4基于模型的系统工程（MBSE）

   系统工程是基于模型的企业（MBE）的重要指导思想。

   随着产品系统的规模和复杂程度的不断提高,基于文档的系统工程面临的困难越来越突出,如信息表示不准确，容易产生歧义、难以从海量文档中查找所需信息、无法与其他工程领域的设计相衔接（如软件、机械、电子等）。

而基于模型的系统工程MBSE（ModelBasedSystemsEngineering）则以它直观、无歧义、模块化、可重用等优点迅速覆盖了软件、电子等工程领域。

它为基于模型的工程、基于模型的制造、基于模型的维护等MBE企业的关键活动提供了统一的协调接口，成为MBE企业研究和应用实践中的重要组成部分。

3、基于模型的企业（MBE）架构

图5基于模型的企业（MBE）架构

   作为一种数字化制造的实体，基于模型的企业（MBE）在统一的基于模型的系统工程（MBSE）指导下，通过创建贯穿企业产品整个生命周期的产品模型、流程管理模型、企业（或协作企业间的）产品管理标准规范与决策模型，并在此基础上开展与之相对应的基于模型的工程（MBe）、基于模型的制造（MBm）和基于模型的维护（MBs）的实施部署。

图6系统工程（MBSE）的架构

   基于模型的工程（MBe）、基于模型的制造（MBm）和基于模型的维护（MBs）作为单一数据源的数字化企业系统模型中的三个主要组成部分，涵盖了从产品设计