1、数字样机的背景

早期的设计文档通过二维工程图来描述，对工程师来说，绘制工程图足够表达设计思想，工程图成为了标准的“工程师语言”。但是外围的用户通常通过透视图来表达设计意图，不得不产生了大量针对不同教育背景人员的图纸，这就是为什么产生3D几何模型最初始的原因。它能更好的描述产品的外形、如何装配、如何运行。这些由3D模型组成的数字样机可以表达真实的物理对象，它能消除因为语言、教育、专业背景带来的鸿沟。

数字样机是3D实物模型的现代替代手段，直到20世纪90年代初在工业界建立了良好的实践。它最初只是作为一种手段来实现更快更好的2D绘图创作，现在它涵盖了整个产品开发和项目生命周期。在现代制造业中，它现在是标准的应用，被视为更快更好地设计更便宜的产品的关键能力。

产品数字样机管理是通过虚拟的手段提供产品从设计到制造、服务全流程的产品数字化管理；是基于数字化样机的一整套产品开发过程管理；数字化样机管理支持从概念设计到最后维护服务的产品全生命周期。

▲ 图1：某军用飞机的数字样机

2 、AIRBUS对数字样机的理解

A380的噩梦

Airbus公司是在A380项目上开始使用数字样机的，但在具体实施的过程中发现A380的项目运转体系与数字样机的应用不匹配。由于单一产品数据源尚未完全建立，数字样机技术也正在发展中，软件版本的不一致、协同研制单位之间的数据传输和交换时的差异问题没有及时解决，导致了Airbus公司最后不得不把A380飞机的交货时间推迟近两年。

A350：以数字样机为基准

从A350项目一开始，Airbus提出了“以数字样机为基准”的概念。这个概念的核心包括两方面内容：一是，所有的几何基准都必须在数字样机中生成，并按照相应更改单进行维护；二是，数字样机是最基本的几何参考，所有的几何元素都必须来自于数字样机。

同时，Airbus在整个项目中规范了数字样机的使用与工作方法，重点突出了数字样机的动态管理方法和手段，以视角和层级来进行数字样机的构型管理，避免多部门共同使用数字样机作基准时，出现系统僵化或数据不匹配的情况。

数字样机的分类

Airbus认为在不同的阶段，有不同类型的数字样机，每一类数字样机都有它特定的目的和角色。下面简单列举四类数字样机：

1. 主几何模型：通常用来表达飞机的外形曲面，同时包含了主要结构的基准面、坐标系和它在整机的位置信息，对3D设计来说主要用点、线、面来表达。

2. 分界面模型：它是一个数据集（包括3D模型、2D工程图或文档）用来描述装配之间的连接关系，主要目的是保证零部件之间可以正确的装配。

3. 空间分配模型：空间分配样机按照飞机的分舱布置进行飞机各舱段划分、管线路主通道划分、燃油、液压、空调、EWIS电缆走向通道等内容的定义。空间分配样机是各专业设计方案的空间顶层输入，需要反映飞机各个区域的分块、飞机主要系统的通道和空间限制。

4 . 详细模型：详细模型基于空间分配模型进行完整定义。包括了所有制造信息，将作为制造的依据。

▲ 图2：空间分配模型（左）和详细模型（右）

3、AIRBUS应用和实践

Airbus对数字样机的定义和应用从三个大的维度来描述，包括技术维度、管理维度、交流维度三大领域。了解它的多维度性质，可以看到其实施的挑战，但也充分利用了它的潜力和益处。

▲ 图3：Airbus对数字样机的定义和应用从三大维度展开

技术维度

❖ 技术维度应用

a) 几何模型-数字样机的基础

3D实体模型包含了大量的设计信息，最终的模型是一个加工产品的数字化映射，模型的详细程度在整个产品开发过程中依赖于特定阶段的需求。Airbus要求数字样机的整体目标是在任何时间可以虚拟表达产品的空间尺寸。

▲ 图4：三维模型及其在不同发展阶段的特征

b) 元数据-产品结构

产品结构实际上可以叫产品分解，目的是为了组织数据。在数字样机环境下，产品结构是为了更好的组织大量的零部件并轻松的进入其上下文环境。在产品开发过程中，不同的角色会有不同的视图。例如结构设计和系统设计一定是不同的视图，维护和制造的视图一定不同。好的解决方法就是通过产品结构在来组织装配。一个视图通过特定的过滤条件实现实时展现正确的产品状态。

c) 元数据-属性

如果说几何是虚拟产品的“脸”，产品结构组织了它的分层，那属性就是识别3D模型的唯一标识。如图5所示

▲ 图5：几何结构和元数据之间的关系

d) 可配置数字样机

可配置数字样机（cDMU）实际上是配置管理和3D设计的结合物。主要目的是提供一个完整的数字样机，无论设计的任何阶段，满足多专业并行协同开展工作。可配置数字样机就提供了针对不同配置的正确的数据，确保了不同的零件的更改管理。如图6所示

▲ 图6：不同的产品配置是在不同的累积元素上构建的并由一些配置属性控制

❖ 技术维度-流程和管理

a) 数据交换

在飞机研发过程中，50%-70%的零部件是采购的，这就需要大量的数据交换。所以在合作伙伴和供应商之间的数据交换就是十分重要的环节。如图7所示

▲ 图7：DMU与其他数据和信息类型的数据交换

b) 数据和设计质量

由多人在一个协同环境中进行数字样机的创建，同时被多人使用，大量的内部和外部的设计沟通通过数字样机进行。通过数字样机获取信息或参考，3D的模型的质量就显的十分重要，否则一旦模型不准确，需要花费大量的金钱去弥补。

c) 检查和审核流程

Airbus建立严格数据检查和审核流程，通过检查流程来保证数字样机的数据质量。数模质量检查通常包括数据本身的质量和设计质量两大领域。如图8所示

▲ 图8：常见的故障类型频谱

另一方面，质量检查贯穿在产品开发过程，关键阶段会进行数据发布，持续的检查不影响3D的设计活动。

审核流程和检查流程紧密相关。同时还会执行闭环流程，发现的问题后续需要执行修改闭环。

d) 组织架构调整

新的方法、工具和技术势必会对组织架构带来冲击。Airbus专门成立了数字样机集成小组，还包括其它的专业：产品结构构建与管理、问题管理、质量管理、数据交换、分包商管理等很多新的角色。他们帮助项目团队建立正确的工作方式，以支持数字样机的建立和使用，还需要进行日常的工具、方法、流程的培训。他们的角色不光推动数字样机的应用，同时是产品设计和信息化工具之间的纽带。

交流的维度-可视化和分发

可视化是数字样机的核心要素之一。数字样机不能仅仅停留在设计师的CAD工具中，需要企业下游使用，可视化可以极大的减少模型的数据量，同时保留精确的核心数据，能让非CAD用户享受数字样机带来的好处。

可视化展示可以基于普通的PC机屏幕，也可以基于大型的3D投影机，构建沉浸式体验，针对市场营销环节，还需要数字样机制作纹理、光照、阴影、动画等效果，以更好的吸引客户。

在某些大型跨国项目中，存在多地协同的工作模式，每个地方只设计产品的某一部分，但是虚拟产品必须最终装配在一起，通过可视化技术，每个人都工作在同一个参照物上，可以让每一部分数据都可以在整机的数字样机的上下文中找到正确的位置。

▲ 图9：3D可视化展示模型

管理的维度-早期预警和风险管理

Airbus认为管理维度是数字样机三个维度最重要的。它可以将项目的状态可视的展示给企业管理层。包括检查整个设计活动是否和项目节点匹配；是否超出预算和计划；变更和定制是否可控；风险是否提前暴露出来；短周期和长周期零件的应用；采取的行动的优先级、组织、方法、工具、流程等；通过结构数字样机的显性管理使得整个产品开发状态可控。

▲ 图10：DMU的早期预警和意识功能

4、总结

Airbus在结构数字样机领域的理念和实践应该说是全球的典范，以A350项目为例，数字样机使A350项目的研制周期缩短了25%，从用户设计冻结到整机交付的周期也缩短了8个月，且进入量产阶段的周期也明显加快。可以说，数字样机的运用是Airbus数字化协同研制体系的灵魂，也是并行工程得以推行的基础。

这对我国的航空或国防其它领域具有极大的借鉴意义。我们看到，C919在研发过程中也采用了数字样机技术，该数字样机不止包含了C919各部件的形状信息，还包含有部件的功能信息，是一个功能数字样机的模型，且取得了可喜的成效。我们希望可以看到更多中国的企业引用数字样机的理念和实践，来推动整个中国工业企业的发展。