无人机协同设计的数据管理系统研究

朱 珩，朱延娟

无人机协同设计的数据管理系统研究

朱 珩，朱延娟

面向无人机协同设计过程，以实现工程数据的有效管理为目的，建立一种协同数据管理系统。该系统采用并行工程的思想，对数据的同步、更新与共享等环节进行管理，为工程数据的完整性、一致性与安全性提供了保障。结合某型号无人弹射飞机研制过程，阐述了数据管理系统的工作方式，验证了系统的有效性。

协同设计；并行工程；数据管理；无人机

0 引言

无人弹射飞机是指在外力作用下弹射起飞的无人飞行器，具有体积小、灵活性高、起飞距离短等特点，可用于信息收集、情报获取和支援保障任务，在军事领域和民用领域发挥着重要作用。随着计算机及网络技术的发展，飞机的设计与制造逐步实现数字化，设计过程产生了大量的数据，复杂的数据类型和不断扩大的数据规模，要求企业采用配套的管理系统，实现飞机设计、分析、制造等环节的数据管理与共享。建立功能完善的数据管理系统，是确保飞机研制工作顺利进行的基本前提，对于提高工作效率，降低生产成本，缩短研制周期具有重要意义。

1 协同设计与数据管理

1.1 飞机协同设计

协同设计是计算机支持的协同工作在设计领域的实现，具有跨地域、跨时间、跨学科协作的特点，能够有效地支持分布式产品设计和开发[1]。飞机的设计制造，采用基于任务分工的多单位联合研制模式，发挥参研单位和技术人员的专长优势，充分利用设备资源和人力资源，实现联合设计、联合制造与联合试验。该研制模式需要在异构、异地环境下实现工作的协同，实施设计、制造与试飞等环节的并行工程。主要协同工作内容如下：

（1）设计协同：总体设计单位与任务分包单位、各任务分包单位之间，以及设计单位与机载设备供应商之间的协同。

（2）设计与制造协同：总体设计单位与制造厂之间的协同，如产品设计与工艺设计的协同。

（3）制造协同：制造厂之间根据制造任务分工进行协同，如制造分离面的划分，制造工艺规范的设计协调与发放，各部门间工作计划的协调等。

（4）试飞试验协同：试飞单位与设计单位、制造厂间的协同，包括飞机维护、维修和改装工作的协同，试飞数据的传输，故障记录与质量问题的反馈等。

（5）项目管理协同：项目计划的制定与下达，项目进度反馈与进度协调，管理文件的提交与审批等。

1.2 产品数据管理

产品数据管理（Product Data Management，PDM）是一种集成管理技术，用于处理与产品相关的信息，这些信息可以是工程图纸、工艺规划、CAD 零部件图、产品组件、产品规格、数控机床程序、分析结果和物料清单（Bills of Material，BOM）等[2]。以 PDM 为基础的数字化产品管理平台，已经在航空制造领域的实现了应用。波音公司以单一产品数据源为基础，采用PDM 技术创建了飞机构型定义系统（Define and Control Airplane Configuration，DCAC）和制造资源管理系统（Manufacturing Resource Management，MRM），前者用于确定客户购买的飞机特征、规划出订单所选飞机的制造计划；后者用于制订生产计划和进度、确定材料订单、管理零件和材料的库存[3,4]。上海飞机设计研究院通过对飞机结构件加工制造过程的研究，构建一个基于PDM 的制造过程管理平台，其功能包括异构环境下飞机结构件数字化信息的集成与共享、文档版本管理以及文件检索等，同时建立数字化车间协同工作平台，实现了飞机结构件的工艺设计和数控编辑的管理与控制[5]。

2 无人机协同设计的数据管理

2.1 数据文档定义

飞机的数字化设计过程实质上是在工程更改控制下，产品结构数据和相关文档信息不断完善的过程[6]。根据数据的内容，将无人机的研制数据文档分为图形分档、属性文档、技术文档和管理文档4类，各类数据文档之间相互关联如表1所示：

表1 数据文档分类

设计人员利用CAD工具完成飞机结构（机身、机翼、尾翼、起落架）、机载设备（相机、GPS）、弹射系统（起落架附件、弹射装置）等设计，生成的设计参数、二维图纸和三维数字模型都属于图形文档。技术人员为产品编写的包含BOM 在内的用以记录零部件、材料参数信息的文档归类为属性文档，该类文档能够为气动性能分析、机身和机翼强度校核等环节提供输入参数。制造单位使用图形文档和属性文档的数据，完成工艺设计、工装设计，开始工程制造。技术文档作为研制过程的标准性、指导性文件，用于设计人员查询、参考各类标准和规范，以此完成设计任务，统一标准和规范的使用，减少了冲突和设计返工的出现。总体设计部门、管理部门与客户共同完成项目任务书的编辑，参与研制的单位根据项目内容拆解任务，分配给相关技术人员。无人机研制过程的管理文档，能够指导技术人员根据任务要求开展工作，并用于项目进度的监管、协调问题的记录，还可作为项目的档案文件。

2.2 无人机的研制数据管理特点

与有人驾驶飞机相比，无人机飞行员不在机上，电子设备和控制系统取代了驾驶舱位置，使得无人机具有更灵活的结构布局，更多变的设计方案[7]。为了满足用户对飞机能执行多种类任务的诉求，要在已有飞机型号的基础上，根据用户使用目的对机型进行改装，这对无人机研制数据管理的适应性、灵活性与高效性提出了要求。

无人机的设计是一个由总体到结构再到局部的细化过程，期间产生的大量设计图纸、数字模型、技术文件、试验数据等，是数据管理系统的主要应用对象。其中，设计图纸和数字模型主要产生在初步设计与详细设计阶段，包含大量的点、线、面图形和空间位置信息，并具有复杂的逻辑层次关系。无人机研制数据的管理问题涉及到产品的设计、制造、使用与维护等众多环节，与质量管理、项目管理和构型管理工作有着紧密的联系。

结合无人弹射飞机的设计与制造，对数据的生成过程、类型和用途进行分析。从协同工作的角度出发，构建一个基于网络的协同设计平台，并以此为基础建立数据管理系统，技术人员可以对数据进行操作，运用数据管理平台上传、浏览或调用数据，在权限范围内对数据进行编辑修改。该数据管理系统的实施，既可以管理和存储飞机研制过程中的数据和信息，还能够保证产品数据的完整性、一致性和安全性，有很强的工程实践意义。

3 无人机协同研制的数据管理系统

3.1 协同设计平台的架构

在各参研单位已有信息系统的基础上，依托 WEB、PDM等技术，构建了一个连接设计院所、制造厂、供应商与客户等单位的协同平台。该平台由3个主要功能模块组成，分别是用户/角色模块、协同服务模块、资源仓库模块，平台架构如图1所示：

图1 协同平台架构图

该协同平台集成了产品的设计、制造、试验及项目管理功能，访问平台的用户，不仅可以使用所在单位资源，还可以通过平台调用协作单位的数据和资源，使用信息查询检索、文档上传/下载、在线讨论、项目综合管理等功能，实现了跨地域、跨单位、跨系统的工作协同。

资源仓库模块全面整合研制所需的信息资源、软件资源、网络资源、技术资源等多种可调用和配置的资源，是整个协同平台的运行基础。

协同服务模块作为平台的核心模块，连接访问门户及资源仓库，为用户和参研单位提供协同交互的接口，用户能方便地调取使用资源仓库中的各类资源。协同服务模块由 3种主要服务功能组成：数据服务，用户使用该服务可以实现设计制造等环节的数据查询、存储和管理；项目服务，主要由管理部门使用，用户通过该服务，查看各项任务的研制进度，编辑和管理工作日志，对用户访问平台时的系统权限分配并监管，负责保障整套平台的运行安全，维持系统的正常运行；应用服务，为用户提供多种协同工具和技术支援，用户可通过该服务进行在线会议，实施设计方案的讨论，传递工程数据和项目文件。

用户/角色模块是登陆和使用协同平台的入口，用户所拥有的权限决定其能够接触到的信息范围和能够使用的服务项目。将各参研单位的网络接入协同平台，用户可使用该模块分享和调用协同单位的资源，便捷地进行协同工作。用户在使用协同平台前，首先应获由管理员授予相应的权限，没有权限的用户无法使用该平台，用户的权限根据其分工和岗位被限定在某一范围内。用户权限的设定和管理保证了平台数据的安全性、保密性及高效性，避免用户不合理地占用或非法使用系统资源，降低了平台资源遭到有意或无意破坏的可能性。

3.2 协同数据管理系统

前文描述了一个基于网络的协同平台，其中协同服务模块的数据服务功能，主要通过数据管理系统来完成。数据管理系统的目的在于实现信息集成与数据互操作，用户可通过使用网页浏览器等用户终端，访问数据业务区。该数据管理系统的主要功能和系统模型如图2所示：

图2 数据管理系统模型图

在图2 所示的数据管理系统中，PDM、ERP、WEB 等技术，服务器、路由器等设备为系统提供系技术支持，所有数据更改和操作命令最终会传输并存放在统一的数据库。各种数据在数据业务区实现存储、更改与共享的管理，在飞机的概念设计、初步设计、详细设计阶段，以及强度分析、气动分析、工艺规划、设备采购、装配试制、地面及试飞试验等环节产生或处理的数据[8]，都能在数据业务区内实现准确、快速的获取、编辑与传输。

数据业务区的目的在于保证工程数据的完整性、一致性与时效性，结合并行工程的实施，将设计中存在的问题与冲突暴露于飞机研制的早期阶段，通过参研单位的技术协调予以解决，减少在研制后期出现的返工修改，以及由此造成的时间、经费及资源损失，这对飞机研发周期和工作效率的保障起到了重要作用。用户终端连接着承担各类任务的用户与数据业务区，用户终端提供的包括网页浏览器、CAD 客户端和即时通讯工具在内的多项客户端功能，能根据任务需求为用户提供多种网络接入服务，实现工作方式多样化与跨地区的沟通协调。

3.3 数据文件的版次管理

产品数据既有静态的规范数据，也有随设计过程的展开，经过不断修改而产生的动态构造数据、信息增长数据和试验性数据等[9]。随着数据内容的更新，数据文件的版次信息也随之改变。从规范数据更新操作步骤入手，实现数据文件的多版次管理，以及变更历史的追踪查询。技术人员可根据工作要求，选择当前版次的数据文件或某一节点的历史文件进行操作。

对数据文件的版次信息建立统一命名规则，采用标准的定义格式，其规则如下：选用字母 A、B、C、D、E...代表参研单位，数字 001、002、003...代表文件的更新版本，其中“001”表示文件的初始版本；在文件版次标注时，采用文件创建单位代号+数字序号+文件修改单位代号的形式，例如“设计单位 1”由字母 C 表示，“设计单位 2”由字母 D表示，“制造厂 1”由字母 M 表示，由“设计单位 1”创建的数据文件初版标注为“C001C”；“设计单位 2”对该数据完成更新并发布时，文件版次号变更为“C002D”，当文件经由“制造厂1”再次更改并发布时，其版次序号变更改为“C003M”，…，过程如图3 所示：

图3 数据文件的版次变更图

版次标注的使用，能帮助设计人员快速准确地检索定位文件，并直接确定数据的编辑单位，无需查询其它技术文档。为了让工程软件发挥作用并生成有价值的结果，其所使用的数据必须是完整、正确并包含最新信息的版本[10]。版次号的使用将数据文件系统地关联在一起，若在工作过程中发现某一节点的数据文件存在错误，既可以向前追溯错误起源，又可向后通报关联数据的使用单位，及时修改工作对象，避免因使用错误数据而产生无效的结果。

4 数据管理系统的应用

以某型号无人弹射飞机的研制为对象，应用数据管理系统对无人机的设计制造过程进行管理，实现了初步设计、详细设计、装配制造等阶段的数据协同。无人弹射飞机研制主要环节的数据协同关系如图4所示：

图4 无人弹射飞机研制数据协同关系图

初步设计阶段是对飞机概念设计方案的补充，在这一阶段飞机的构型、零部件外形、机体结构尺寸得到确定，完成主要参数的估算，并绘制飞机外形图纸、定义主要几何模型，此阶段的设计数据主要为参数文件、二维图纸、三维数模等，由数据管理系统发布到数据业务区，供后续研制工作使用。详细设计阶段是对飞机的结构细节和零部件进行具体的设计，完成飞机各结构部件三维模型、零件图、装配图、制造图的绘制，以及结构强度、气动性能、重量计算分析报告的编辑，这阶段产生大量的二维三维图纸，以及关联的属性文件、试验数据和试验报告。由数据管理系统统一对各类数据文件更新、发布并提请相关单位和技术人员对数据审核检查，及时发现问题或冲突，制定解决方案。负责装配制造的单位从数据管理系统获设计图、零件图、装配图、线束图和关联的属性文件，进行飞机结构部件的制造与装配，将编制的工艺路线、工装设计等同步至数据管理系统。制造单位向试飞单位交付飞机，用于测试飞机总体性能、测量实际飞行数据、调整校核飞机控制系统和电子系统，生成测试数据和试飞报告；试飞环节发现的问题，将报告给相关的制造单位和设计单位。

数据管理系统在某型无人弹射飞机研制过程的应用，验证了该系统的可行性与实用性，基本满足无人机协同研制过程对数据共享、信息管理等功能的要求。

5 总结

本文提出一种可用于无人机设计的协同研制平台，对其结构层次和功能模块进行了说明论述，该平台目的在于实现参研单位之间的分布式协同设计与制造。结合某型号无人弹射飞机的研制过程，介绍了基于协同研制平台的数据管理系统工作模式，详细阐述了飞机在设计、制造试飞试验等阶段生成和使用的数据如何通过该系统实现集成、管理与共享。

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Research of Data Management System for UAV Collaborative Design

Zhu Heng, Zhu Yanjuan
(College of Aerospace Engineering and Mechanics, Tongji University, Shanghai 200092, China)

A kind of data management system was set up for UAV(Unmanned Aerial Vehicle) collaborative design, for the purpose of completing the data management task efficiently. Based on concurrent engineering theory, the system is designed to control and manage the synchronization, updating and sharing processes of data. Then the completeness, consistency and security of engineering data can be guaranteed. Using a specific type of ejected UAV development process as example, the working modes of data management system was elaborated, and the availability of data management system was verified.

Collaborative Design; Concurrent Engineering; Data Management; UAV

TP311

A

1007-757X(2014)02-0037-04

2014.01.10）

朱 珩(1989-)，同济大学，硕士研究生。研究方向：计算机辅助设计与制造、协同设计技术，上海，200091朱延娟(1970-)女，同济大学，副教授，博士，硕士生导师。研究方向：机械 CAD/CAM、复杂曲面的参数化设计、飞机几何外形与飞行力学的关系、计算机图形与图像、模式识别研究，上海，200091