世界上最大的协同创新案例JSF光固机

世界上最大的协同创新案例-JSF

世界上最大的协同创新案例-JSF 2011年12月03日 来源： 2006年7月，美国洛克希德·马丁公司F-35的首架系统发展演示飞机正式亮相并被正式命名为“闪电”Ⅱ，同时美国有史以来最大的军机采办项目取得了重大阶段性进展。目前估计，F-35项目总费用将达2570亿美元(其中研制费为457亿美元)，包括出口在内的总产量可能高达5000～6000架。在“适应信息化战争”的作战需求牵引研发的F-35型第五代战斗机在项目开始阶段命名为联合攻击机，简称JSF。为了适应信息化战争的需要，用户对新一代高性能的军用战斗机提出“最好之中最好”的要求。其中包括：最好的隐身技术、短距离起飞、垂直降落、精益制造、适应舰载性能和先进的装配技术等条件。

JSF项目的一个型号，三种版本

第五代战斗机从一开始就让JSF项目面临来自以下几方面的严峻挑战：1) 设计时间：减少50％；2) 制造时间：减少66％；3) 装配时间：减少90％；4) 分立零件：减少50％；5) 维修/支持时间：减少50％；6) 制造成本：适应信息化战争需要的战斗机成本控制在3000万美元左右，远比F-22的1.8亿美元低的多；7) 维修成本：通常维护费用是战斗机价格的三分之一，JSF还要能够在不同军种之间也可以进行战机维护；8) 交货周期：1996年立项，首批交货在2008年，订单交付时间从F-16的15个月减少到5个月；9) 生命周期：JSF项目的生产周期约20～25年，使用周期在25至30年。解决方案根据以往的经验，洛克希德·马丁航空公司（洛克希德·马丁）在赢得JSF项目后提出的战略是创建一套具有价格合理不同版本的通用设计方案，以便满足不同服务的个性要求。具体的策略包括：1) 按照美国国防部对JSF的要求“一个型号，三种版本”，即常规型号(空军)、航母型号(海军)、短道起飞(海军陆战队)；2) 洛克希德·马丁与美国及国际航空领袖联合，外加1000多家供应商的支持，组成三级联合团队共同开展此项目：a) 主承包商：洛克希德·马丁、诺斯罗普·格鲁门(Northrop Grumman)、英国宇航系统(BAE)公司；b) 二级转包商：罗尔思·罗依斯、普惠、霍尼韦尔；c) 三级转包商：约24个国家的供应商。3) 建立一个公共的数字化平台：能够集合和充分利用所有的变形数据和共性数据，降低成本和节省设计制造时间。同时，利用这个公共的数字化平台建立一个客户化的系统，去满足那些打算选用JSF 的各个国家和地区的不同要求，包括美国、英国、北约、加、澳、沙特、日、韩、新、马、泰、印尼、巴、台湾等。4) 开展全球协同：利用上述数字平台创建可靠的、可扩展的以及安全的数字化协同解决方案，将合作伙伴与供应商联系起来；改进全球OEM、运营方、后勤方和维护方之间的知识使用/重复利用的方式；使用可视化功能创建数字化模型；使用工作流程功能来管理开发过程并实现自动化。PLM系统总体方案参与JSF项目和生产F-35的单位地处三十多个国家，跨越17个时区。在使用不同开发环境的扩展型企业里协调他们各自的努力，并培育协作的工作模式，对洛克希德·马丁而言是一项至关重要的挑战。同时，管理项目中多种多样格式的设计数据也极其关键。预计该项目要生产多达5,000架飞机，其使用寿命高达30年。每一种飞机配置的所有设计与制造数据必须得到管理，而且在使用过程中支持飞机所需的数据也应得到管理。这意味着每一项设计变更需要在所有可能的配置上得到验证。在保证JSF项目实现前所未有地缩短设计与制造周期时间的同时，要达到上述管理要求的PLM系统便成为JSF项目成功的基本要素。

JSF项目信息化系统架构(1997年)

洛克希德·马丁采用了Teamcenter软件作为基础建立全球协同网络，以支持JSF项目。下图描述信息化系统的总体架构包括二大部分：产品全生命周期管理和商务支持功能产品全生命周期管理(PLM) 在该系统中包括10个来自不同软件供应商(参见每个工作任务模块的右下角)的独立信息管理系统和一个统一的PLM系统：需求管理：负责收集、分类、关联各种需求，保证用户的需求、法律法规的要求、设计方案的技术指标、工艺设计的加工要求、使用和培训的说明、维修保养的规则等需求变更能够及时传到每一个应该接收的地方。同时，任何变更可以通过该系统反向追溯变更的缘由，便于总结经验，减少差错。可视化技术：将不同的CAD系统设计的三维几何模型，通过各自的转换器转换成统一格式(JT)的轻量级模型。利用轻量级模型进行装配、干涉检查、尺寸测量、运动仿真、质量分析和图形批注等功能，解决虚拟企业中异地异构CAD系统的协同设计同一个产品的问题。标准件管理：在虚拟企业中各个设计、制造部门有不同的标准件使用规范和编码。通过代码对照和统一规范可以实现降低成本和便于维修的目的。设计工具：在JSF项目中诺斯罗普·格鲁门CAD系统采用UG，洛克希德·马丁采用CATIA。通过CATIA和PLM系统的集成，自动生成工程EBOM。制造资源规划：洛克希德·马丁自己开发的MRPⅡ软件，主要用于生产进度表以及用于存货目录的项目需求管理。车间管理：为了加强全球范围生产制造过程管理，统一采集车间生产的数据，生成建造BOM，为后期服役的维修BOM提供原始数据。工艺计划：在PLM统一管理产品数据的环境中，从工程EBOM转换成制造MBOM。材料管理：飞机设计和制造对材料有极其严格的要求。统一管理各种材料的性能和来源是确保产品质量的关键。仿真：产品设计的仿真在设计工具中完成。这里的仿真主要针对工厂/生产线布置仿真，验证生产车间的设备、工装、刀量夹具和对应的加工零件是否能够满足设计生产和维修的要求。后勤保障：在20至25年的生产制造过程中，保证全球范围的加工制造能够同步开展，零部件、组建和分系统的供应协调一致；在每架飞机投入使用后的25至30年内保证零备件在平时和战时能够得到充分的供给，及时得到关键部件维修的技术资料。来自洛克希德·马丁的Mestad 总结到：“如果说JSF 项目是由一种灵丹妙药来支持运作的话，那么这个灵丹妙药就是软件。PLM系统：上述的各项功能模块独立使用是肯定无法完成其使命，只有将它们集成到Teamcenter的PLM系统中，保证从用户需求、详细设计、数字样机、生产计划、工艺规程、加工仿真和维修服务等阶段的产品数据存放在一个公共的数据平台上，统一管理设计BOM、制造BOM、建造BOM和维修BOM，从而实现JSF项目降低成本、缩短周期、易于维修的目标。异地协同网络环境洛克希德·马丁在1997年建立全球范围的异地协同网络是一个很大的挑战。当时的PDM体系网络结构如下图：

JSF项目PDM体系网络结构图

该协同网络的核心部分是建立在洛克希德·马丁的虚拟处理中心。整个网络系统中核心的关系型数据库Oracle设在虚拟处理中心，统一管理全球各地产生的每一个数据。洛克希德·马丁(LM)、诺斯罗普·格鲁门(NGC)、英国宇航系统(BAE)、澳大利亚宇航(GKN)等合作伙伴各自有自己的工作组服务器，可以存放当前正在使用的数据。每天全球各地产生的新数据分别按照指定的时间统一汇总到虚拟处理中心。诺斯罗普·格鲁门内部及外部的合作伙伴通过VPN建立独立安全保障的DMZ区域。内部和外部之间设有防火墙。各个项目成员通过局域网、广域网和互联网经过防火墙关联到虚拟处理中心。在1997年的PLM系统称之为Metephase,即现在的Teamcenter Enterprise。 面对JSF项目的要求，PLM系统必须解决以下关键技术：1) 数字化枢纽。虚拟处理中心是JSF项目的数字化枢纽，统一管理和协调全球范围内设计、工艺、制造和维修的数据。一旦飞机交付使用，PLM系统中对应的全部数据就要准备服务30年。因此，在这个数字化枢纽中必须建立一个统一的产品全生命周期数据模型，以便管理来自各地的各类数据。2) 超大规模的用户。战斗机的研发涉及35个软件开发流程，其中包括90类，400种软件工具。目前正在参与设计的用户有5000人，参与生产的用户1500人。未来进入大规模生产和维修服务支持的高峰期，PLM的最终用户可能达到50000个。3) 极其安全和即时访问。大量用户在统一的环境中工作，必须符合美国国际武器贸易条例（ITAR）的要求。让世界上万人协同工作，从洛克希德的设备一直到它的合作伙伴以及供应商的现场，跨越了各种网络，特别是因特网，在虚拟环境中开展设计的考察和评估，使得项目的进展更快、更省钱。4) 适应局域网、广域网、企业(外)网和因特网。PLM系统的权限管理必须适应各种网络环境的安全保密要求。对于任何会生产的技术漏洞，PLM系统均应提供相应的解决办法。5) 与任何CAD系统兼容。目前首架F-35试飞成功涉及7个国家，跨越9个时区的130多个站点。PLM系统必须适应管理异构CAD系统的能力。6) 大规模数字样机。面对异构的CAD系统开展协同设计，唯一的方法就是采用中性的可视化图形技术构造数字样机，使得有关人员能够在还没有实际样机的情况下就及早地介入了项目，加速了项目的进程，降低总成本。7) 系统规模任意配置。项目最终发展将包括1000家供应商的支持。参与F-35生产的单位地处三十多个国家，跨越17个时区，历时50年。因此系统的规模必然会有增有减。8) 全面跟踪每一个部件。JSF项目在实施Teamcenter时设立了具有五兆兆位产品信息的存储区域网络（SAN），用来存储所有用户的工作流程、设计过程和数据。项目参与人员在本地存储数据以改善响应时间。目前每天有64,000 条数据项被Teamcenter从15,000个位置复制到虚拟处理中心。其中包括53000个JT格式的可视化图形文件，11000个非JT文件。每周有75GB的CATIA数据复制到6个不同的中心。复制规模如此庞大，JSF项目成为世界上Teamcenter复制功能的最大用户。用结果说话目前有6,500 个Teamcenter 用户处于设计与生产中，洛克希德·马丁称在F-35设计的周期已经缩短了35％时间，为该项目节省了上亿美元资金。预计在制造时间缩短的幅度将高达66％，在刀具设计方面节省的时间最为显著，所需的备件将会大大少于其他机群所需的数量。由于在整体项目效率方面呈现了数量级的改进，因此JSF项目不仅承诺要生产出二十一世纪全新的战斗喷气式飞机，而且还要成为世界上最成功的PLM项目，实现跨越大洋、时区与公司，在超过三十年的期间里开发、建造并维护产品。 经过十年的开发，在首架F-35战斗机试飞成功的今天，洛克希德·马丁回顾已经走过的历程认为，“数字化技术是JSF 成功实施的核心问题。没有它，洛克希德·马丁团队不可能完成它所承担的目标。它的制造和支持系统也不可能被精确地调整，必须经过更多次的反复和权衡。”来自洛克希德·马丁的Mestad 总结到：“如果说JSF 项目是由一种灵丹妙药来支持运作的话，那么这个灵丹妙药就是软件。”(end)

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