中航一飞院：构建全三维数字化协同研发新模式

大型运输机研制无疑是世界工业领域的皇冠之珠，是最引人注目的、具有标志性意义的项目。作为保障国家利益、捍卫大国地位、带动国民经济发展、保证国家安全、促进科技发展的重大战略装备，大飞机已经成为世界主要大国展现科技实力的焦点。大型运输机研制涉及航空、新材料、精密加工、高性能计算、先进机电等高精尖产业和技术领域，只有美、欧、俄等少数国家和地区具备研发和制造能力，并控制着关键技术和相关产品的输出。我国长期受制于缺乏大型运输机的局面，空军战略运输力量捉襟见肘、大型特种飞机发展受到制约，抗震救灾等各种人道救援行动力有不及。随着我国对大型运输机的需求越发迫切，自主研制具有当代先进水平的大型运输机刻不容缓。

运-20是我国自主研发的首款大型运输机，标志着中国跻身世界大飞机强国行列。运-20大型运输机于2007年立项，2013年1月首飞，2014年11月在珠海航展上首次公开亮相并试飞。中航一飞院是运-20的总设计单位，总设计师唐长红认为，运-20未来在航空运输领域、甚至可能在其他航空领域，都有相当大的应用前景。运-20不仅仅是一架飞机，更是一个国家科技进步、国家强盛的标志，标志着我国工业基础和能力的提升，标志着我国远程运输能力的提升。大型运输机工程引领我国航空产业研发设计、制造生产、售后服务等全价值链的整体发展，其辐射带动的相关产业规模和经济价值十分庞大。

作为典型的超级复杂系统，大型运输机由数百万零部件构成，工程复杂程度比肩航天飞机、航空母舰，涉及航空、新材料、精密加工、高性能计算、先进机电等高精尖产业和技术领域，研发设计过程十分复杂。历史上我国飞机研发长期采用“一厂一所”的配套模式，对于以往用途单一、体量较小的机型而言，这种模式有利于保证研制、生产、改进过程的协作效率。运-20大型运输机研制由全国数千家企业共同参与，研制协同难度空前，是中国航空工业史的首次，需要大量新技术、配套产品同步开发，研发制造过程中的资源需求远远超出“一厂一所”的范畴，必须调动整个产业链的力量。面对研制周期只有同类飞机的一半，能够投入的研发人员只有同行业水平的一半，而且研制队伍非常年轻，缺乏相关工程经验和技术积累等困难，中航一飞院认识到必须运用先进的信息化技术和管理手段，率先创新研发制造组织模式。现代飞机制造已经从传统的真实物理空间的研制向虚拟空间延伸，既向制造前的虚拟设计、装配延伸，又向软件、数据开发集成的虚拟制造延伸。尤其是新一代信息技术的发展正在改变航空产业、改变传统的研制范式。依靠信息技术的支撑，使得大型运输机研制在项目管理上完全可以突破传统的“一厂一所”协作模式，构建大规模、网络化的多厂所联合协同的研制模式；在技术管理上建立统一的流程、标准和平台，提升整合行业的技术基础和协同效率；在研制过程中同步构建和重塑从研发、试验到生产、试飞再到培训和服务的管理体系。为此，中航一飞院以研发制造大型运输机项目为契机，从2007年开始研究构建数字化网络协同研发体系，2010年起这套体系全面投入运行。数字化网络协同研发体系采用“一个基础，六个协同”的总体架构（如图1-1所示），即：以建立全三维数字化研制标准为基础，实施工程项目管控协同、总体方案设计协同、全机关联设计协同、设计制造研制协同、设计试飞验证协同和综合保障服务协同，创新复杂航空装备研发模式，突破了我国大型运输机数字化设计、制造的体制机制瓶颈、能力瓶颈，突破性提高大型运输机研制效率和质量，成功实现型号交付，探索出一条中国航空工业与信息化深度融合的典型模式。

构建覆盖产品全生命周期的网络体系

中航一飞院在运-20大型运输机研制中，高度重视信息化顶层设计，坚持“统一IT架构”和“统一IT治理”的总体思路，按照大型运输机研制全生命周期各阶段核心业务需求，充分考虑全价值链、全产业链的协同，加强顶层设计，通过业务流程、工程数据、标准规范、软件平台等多个管理要素全面综合和统筹规划，精心构建支撑大型运输机全域网络体系（如图1-2所示），为大型运输机全三维协同研发管理体系提供基础信息化平台，有效保证大型运输机数字化研发规范、有效、协调推进。

推进三维设计标准，全流程贯通零部件数据信息

标准是现代工业的基石，也是高水平研制大型运输机的基础。传统型号产品定义是将三维模型和二维图纸同时作为生产依据，这种混合标准表达方式会造成数据在传递和管理过程中信息失真、难以统一，甚至无法进行信息化管理，而且造成设计部门难以协调双重产品定义带来的歧义，制造部门也不能直接利用三维模型中的数据信息实施高效率的数字化制造。

基于模型的设计（model based design, MBD）主要解决飞机设计过程中如何通过三维标注技术，在三维模型中定义零部件的设计信息、工艺信息、检验信息及制造信息等参数，使得下游的生产制造环节直接依据三维模型数据，彻底摆脱二维图纸的约束。MBD技术范式的推进，涉及面广、生产关系复杂、组织协调困难、下游技术条件限制多，是一场跟技术、时间和管理的“赛跑”，只有在信息技术突破的基础上通过管理创新，才能确保在十分紧张的型号研制周期下实现整个研制链全线贯通。在运-20大型运输机研制中，中航一飞院牵头全面推行全三维设计（full 3D design），建立了一套由30份顶层标准规范、379份操作文件组成的完整数字化标准规范体系，实现了大型运输机机加、钣金、复材、管路、电气线束等12万项零部件的全三维数字化设计和制造，彻底颠覆了“三维+二维”的飞机研制模式。所有制造部门全部按三维唯一数据源进行设计、制造，减少了由实物信息传递带来的不便和成本，检验部门通过直观的三维信息表达和实物进行清晰的对照检验（见图1-3）。以机翼研制为例，实现了零组部件的自动定位、测量和姿态调整，以及自动钻孔、精加工和连接，满足高精度、无应力、长寿命的柔性装配需求，大幅提高了装配的质量。同时，建立了多条数字化制造生产线，涵盖零件的数控加工、数控弯管到装配自动钻铆、机翼机身超大部件的数字化对接装配和数字化制造检验等工序，实现了无余量精确加工和超大部件的一次对接成功。全三维标准的应用大幅提高了生产效率和质量、降低了制造成本，为研制效率的总体提高打下了基础。

构建“多地统一”项目协同管控体系

运-20大型运输机研制可谓举全国之力，是我国在大型复杂项目研制中首次采用一个总设计单位、多个制造单位、上千家参研单位的联合研制模式。由于参研单位多、地域分布广、协调关系复杂，很大程度上组织管理的成败决定了型号成功与否。在研制过程中，一飞院基于中航工业的金航涉密网，构建了大飞机项目管理系统，实现了上至中航工业集团公司，下至参研单位垂直贯通的项目管控协同平台，成功消除了地域障碍、组织障碍。通过管控平台和管控中心，对研制过程中的机体研制计划、成品研制计划、试验件研制计划等进行跟踪控制，为项目管理和决策提供依据及保障；通过五类生产文件的集中统一管理，确保文件跨地域、跨企业传输，处理流程信息显性化，保证生产现场进度；通过飞机单架次零件动态查询清册，保证研制过程中工程数据的准确性、及时性；通过对工程更改实施过程进行管控，确保技术状态准确可控；通过建立协同讨论区和网络可视化会议，为各参研单位提供非正式数据交换平台，提高沟通协同的效率。

构建方案设计优化协同平台，提升设计质量

大型运输机研制过程中新技术应用多，多方案、多部件、多专业高度交叉迭代，变量多、计算量大、协同设计关系复杂，传统的人工手段和串行流程已经难以满足质量及进度要求，必须构建相应的信息化系统才有可能保证设计质量和效率。

在大型运输机研制中，中航一飞院通过建立飞机方案创新设计环境，集成相应专业的设计分析工具、流程和方法，形成多个专业级协同设计平台。飞机总体布局与优化设计集成了飞机设计的流程管理、布局、气动、性能、重量、隐身、优化等软件，可实现模型、数据的统一和分析过程的全参数化，实现了总体布置设计、重量分析的流程化、自动化和规范化，大幅提高了设计效率。在此基础上构建了飞机总体方案优化协同平台，打破传统串行设计模式，将以往的刚性串行流程驱动改为以数据中心驱动的柔性方式，实现总体方案的快速设计和调整。强度自动化设计平台将强度分析校核的各种方法、工具和标准集成到统一的平台上，定制各类强度校核流程模板，实现流程驱动的强度自动化校核和报告自动生成，使得飞机结构强度设计工作的方法和手段发生了革命性变化，实现了大型运输机研制过程中“三天一轮载荷、七天一轮强度”的型号设计要求；通过起落架数字仿真平台，将起落架系统多学科分析仿真流程进行模板化，形成起落架多体动力学仿真、起落架控制系统仿真分析、起落架动态特性分析等多种流程模板，将起落架结构设计和系统设计进行综合，通过一维的系统仿真模型驱动多体动力学模型，实现对滑跑、转弯、落震等不同工况下起落架结构和系统方案性能的综合评估与优化。

各种方案设计先进信息化平台的应用，从管理上明晰了方案阶段各专业、各种类型优化设计业务流程、规范了多专业协同数据传递、集成了大量商业和自研工具软件，实现了经验知识的固化和共享，极大地优化了研发流程，提高了设计效率，保证了设计质量，实现了总体方案综合性能的优化。

开展关联设计协同，提升设计效率

为缩短周期、提高效率，大型运输机设计过程高度并行，外形和结构频繁互动，设计和制造随动而行。在传统设计过程中，设计环节上下游之间的影响关系通过间接方式进行传递，设计更改不能及时传递，人工控制难度很大且容易导致数据的不一致性，往往造成后续环节的无用功，甚至成品报废，浪费巨大。关联设计协同，则是通过骨架模型和接口的定义，建立总体、结构、系统专业之间的参数化关联，实现整个设计上下游之间更改的“联动”，使得上游更改能够自动驱动下游更改过程。关联设计技术的推进，需要从组织上进一步细化角色分工，建立高水平的骨架模型定义团队，同时通过管理模式创新，改变传统线下独立设计的习惯，采用全员在线协同设计。

大型运输机由于采用了全三维设计技术，使得总体、结构、系统设计完全数字化、参数化，为上下游设计建立关联和协调一致性奠定了基础。在研制过程中，一飞院建立了基于同一数字样机进行飞机设计的关联设计应用系统（见图1-4），实现了飞机详细设计阶段的流程高效协同运行。通过关联设计，建立了设计环节之间的关联关系，设计人员在任何时候都可以获取最新的数据。当上游设计发生更改时，会及时传递给下游设计，保证了数据的一致性，加快了协调和更改的速度。在大型运输机飞机研制中，通过建立骨架模型及标准化接口，在总体外形未冻结之前，可大规模开展结构和系统设计，实现设计更改信息100%准确传递，高度实现了总体、结构和系统的并行，大幅缩短了大型运输机的设计周期。全三维关联设计在机加、钣金、复合材料、管路、系统设计中得到全面应用，应用范围最广、规模最大，为后续生产制造带来了革命性变化。

推进设计制造协同，实现虚实空间信息互联互通

大型运输机研制涉及的厂所单位多、地域分布广，必须建立跨地域的设计制造数据交换平台，实现设计的虚拟空间与制造的现实空间信息互联互通。

一飞院在大型运输机研制中开发分布式并行协同研制系统（简称DCE），建立面向制造的大型运输机飞机数据审签、发放、更改等流程，支持多厂异地协同设计、生产，使参研单位能力得到有效集成，形成了飞机多厂所一体化协同研制的新模式（见图1-5）。通过集合全国多家制造单位，合理规划，实现了多厂所之间的异地协作、建立面向制造的大运飞机数据审签、发放、更改等流程控制和基于试制问题记录和处理等，使飞机研制过程实现精细化管理，实现全国范围内的跨地域多厂所协同研制（见图1-6）。到目前为止，平台支持了各类跨地域、跨企业流程的运转，全机数模的管理和发放，实现了工程更改及试制问题快速处理和闭环控制。在平台中，各参研单位依据模型成熟度定义建立的数据预发放机制，提前进入工艺、工装方案的设计及战略采购，为工艺、工装设计以及生产准备节省时间，实现设计与制造的并行。依据模型成熟度定义，下游专业可提前进入研制环节。同时，模型成熟度为下游人员的工作内容及依据提供标准定义，减少协调环节、提高研制质量，实现设计与研制的并行。模型成熟度应用是协同研制和并行工程的落地，大大缩短了飞机产品的研制周期。

实施设计试飞协同，实现研制链条闭环迭代优化

为了加快大型运输机在较短时间实现设计定型并交付用户使用，在研发初期考虑设计制造协同的同时，也着手构建设计制造与试飞环节的信息交换与协同机制，构建了试飞数据快速传递数据链，使得传统方式的设计和试飞由原来的两个独立领域，逐步过渡至设计试飞一体化，支持快速反馈和试飞改错迭代协同，在闭环过程中对设计进行验证和改进，从而提高研制质量。

一飞院联合参研单位建立数字化环境支撑下的试飞验证管理顶层规范，提高设计试飞验证管理的规范化和精细化水平；贯通流程，实现设计、试飞、验证、改进流程一体化，为管控中心、试飞技术状态管理等提供技术支持，使试飞构型状态可控、可追溯，满足精细化试飞管理的需要；建设并形成完善的试飞管理知识库，通过对试飞数据、试飞分析结果数据、试飞问题闭环处理过程的完整管理，并将其与设计数据、仿真分析数据进行有效的关联，可以提高新型号的设计质量和试飞验证效率。通过构建大型运输机飞机试飞数据分析管理一体化平台，实现改装和试飞工作的并行，缩短了试飞准备周期。

实施综合保障协同，提升产品全生命周期服务品质

大型运输机数字化保障，以IETM开发平台收集总师单位、发动机所、各机载设备厂所的数字化设计资源，按国际先进的技术标准S1000D管理、构建飞机使用、维护所需的技术资料数据库，以机载的中央维护系统监控收集飞机运行状态数据，以保障信息系统为管理核心和信息传递中枢，根据任务需求和训练活动、使用维修的具体情况，统一规划使用、维修并生成、传递和共享相关信息，使飞机平台、维修保障资源、训练资源协调互动，使飞机平台、使用维护知识、维修保障资源等协调互动，共同完成大型运输机的使用、维修和训练活动，提升了基于大型运输机产品全生命周期的服务品质。

中航一飞院依托先进的数字化技术，创新大型运输机交付培训体系。在原有理论培训基础上，通过桌面虚拟培训系统的构建和开发，建立了基于桌面环境的交互式培训环境，使得培训的用户体验和效果大幅提升，最终形成了涵盖理论培训、桌面交互式虚拟培训、模拟器培训三位一体的交付培训体系，得到了一线用户的高度认可。

运-20大型运输机研制全面应用先进的基于全三维数字化研制体系、关联设计的并行协同设计等信息化技术，形成了完整的工程数字化研发标准规范体系和基于数字化的并行工程管控体系，建立了大型运输机全三维数字化协同研制和管理平台，实现了大型运输机研制过程中跨企业的数据集成、流程集成、业务集成，支持多厂所跨地域、跨企业联合研制，形成了中国大型运输机研发的新模式，开创了具有航空特色的两化融合发展道路。在组织模式上：“一厂一所”研制模式转变为集合行业最优能力的“多厂所多供应商跨地域快速协同研制”模式，构建了网络化的项目管控机制，充分利用网络技术和数字化协同技术，通过有效的组织协调大型运输机项目跨企业、跨地域研制，使得各种工程研制指令和计划准确得到有效的执行、控制和跟踪，实现计划分工、经费资源、飞机技术状态、生产状态、材料成品配套等有效管控，提高了全行业的协同研制能力。在设计标准和流程上：传统的“二维+三维”设计方式转变为“全三维MBD”设计方式，并综合应用了模块化设计、关联设计、成熟度驱动的并行设计等先进设计手段；传统的粗放文档流程逐渐转变为精确的数字化流程，在方案协同设计平台、关联设计平台、协同研制平台等多个研制系统中，对协同研制模式的工程研制、工程管控等类型流程进行了精细化定义和电子化应用，使得飞机研制流程更加显性、更加准确、更加精益，提高了飞机全三维数字化设计能力。在数据和知识管理上：传统的“基于文件的技术状态管理模式”转变为“基于模块的电子数据技术状态管理”模式，建立了大型运输机基于有效性控制的可配置数字样机，满足了大型运输机多型别、多批次高度并行叠加研制需求，支持了针对各架飞机上百万级别零件的按阶段、时间、事件、架次进行精细化状态管理的目标；构建了完整的基于MBD全三维研制规范体系，促使研制过程规范化，同时建立的标准件库、材料库、产品数据库等为后续发展型研制提供了数据重用的基础，使得大型运输机未来系列化发展的数据重用率达到80%以上，为大型运输机多样化系列化发展奠定了基础。在上下游协同上：从传统的“基于二维图纸的厂所线下串行”模式转变为“基于协同平台的在线并行协同”模式，设计单位与制造单位的数字化协同研发走向更深的层次，协同的地域更广、协同范围更大、协同要素更加丰富多样、协同流程定义更加精益显性化、协同交流更加畅通高效，实现了1个飞机设计研究所、6家飞机制造厂、上千家成品供应商的协同。表1-1列示了中航一飞院大型运输机研发的新模式。