基于模型的企业将其在产品全生命周期中所需要的数据、信息和知识进行整理，结合信息系统，建立便于系统集成和应用的产品模型和过程模型，通过模型进行多学科、跨部门、跨企业的产品协同设计、制造和管理，通过模型支持技术创新、大批量定制和绿色制造。

（1）总体架构。

基于MBE的智能设计仿真平台MBE的技术架构如图6.1-6所示。

（2）MBE的技术组成。

MBE主要由三大部分组成：基于模型的工程（Model Based Engineering，MBe）、基于模型的数字化制造（Model Based Manufacturing，MBM）、基于模型的维护（Model Based Sustainment，MBS）。其中基于模型的工程是整个MBE实施的基础，特别是其中大家比较熟悉的MBD也是基于模型工程中的重要组成。基于模型的企业MBE的组成如图6.1-7所示。

图6.1-6　MBE的体系结构

图6.1-7　基于模型的企业MBE

——MBe将模型技术作为系统生命周期中需求、分析、设计、实施和验证的能力，突破MBD单一的应用领域和范围，并将MBS作为重要的完善和发展方向。

——MBM从CAD向后推演，使用MBD模型用于虚拟制造环境中进行工艺规划、优化和管理，它更强调的是基于模型的工艺仿真、生产线的仿真、指令的仿真以及指令传递到物理设备之后的控制和数据采集。

——MBS将产品和工艺开发中的模型和仿真应用到系统生命周期的维护阶段，持续关注系统的整个运行状态，把系统运行过程中的质量数据、维护/维修/故障数据采集回馈到模型，在模型中进行比较，评估产品实现和工艺方案，并反馈到产品设计的改进环节，通过MBS来提取设计优化信息。

（3）MBE的主要特征。

MBE的主要特征表现在以下6个方面。

——设计数据：主要指设计数据的表现形式、组成结构以及涵盖的信息，包括3D模型构建、3D模型/图样的关联性、非几何信息表达、模型质量及设计物料清单。

——技术数据包：主要指技术数据包的生产和发放方式。

——技术状态/构型管理数据：主要指数据的发放和管理方式、授权形式。

——内/外部制造数据交换：主要指产品制造信息（PMI）数据集/检验数据集的提供过程、工艺和代码数据生产、数据关联性及管理。

——质量控制：主要指检验方式、检验管理。

——企业协同及数据交互：主要指企业内/企业间数据的提供和使用方式。

（4）MBE在企业发展中的定位。

在信息标准、基础设施和运维基础上，综合集成与数据交换测试等标准；以产品全生命周期管理为主线，在基于模型的可视化环境中，重点突破工程分析、数字化制造、长周期数据持有与共享及机电一体化等技术，完成产品模型构建与定义，建立设计、工艺、生产、质量、服务、采购、成本等过程模型和信息模型；通过网络中心实现数据的无缝传递与流转，保证各阶段的数据预览与重用。

MBE是数字化企业实现的必经阶段，也是实现赛博物理系统（Cyber-Physical System）的核心，如图6.1-8所示，实现模型贯穿需求工程、设计工程、制造工程、试验工程、生产工程、产品验证与综合确认，最终完成产品生命周期和生产生命周期的融合。

（5）MBE的分级评价

2009年由美国国家标准研究院（NIST）组织，美国陆军Man Tech对全美近500家供应商进行了基于模型的企业（MBE）能力评估。结果表明，MBE实施程度越深入，企业在降低成本、缩短研制周期的效果越显著，因此基于模型的企业能力评估得到了美国国防部大力推崇，且已在新的采办合同中正式接纳。如何判断一个企业处于MBE哪一阶段，可以从图6.1-9中的一些指标得到基本判断。

①Level 0。

企业这个阶段能力水平是其他各级建立的基础。它的特点是主要依靠传统的二维图纸，有很少的地方使用3D模型。另外的特点是事实上大多数（如果不是所有）下游数据使用者必须通过一种或多种方式来重新生成产品定义数据以有效利用上游数据。这一级别具有如下特点。

——二维工程图为主。

——没有或有少量三维模型。

——比较少的重用上游产品定义数据。

图6.1-8　MBE的构成与外延关联

（a）MBE的组成与企业的发展关系；（b）MBE与CPS的关系

图6.1-9　MBE能力评估

——手动创建技术数据包（Technical Data Package，TDP）。

——有很少或没有与扩展企业连接。

——很少使用产品生命周期管理工具。

②Level 1。

这个级别是开始有效使用三维模型的开始。虽然仍是二维工程图为主，但是已经与三维模型关联并在一起进行管理。这一级也是第一次开始重用三维CAD模型数据，尽管都是通过输出中间格式文件来实现的。这个级别也由于开始重用数据而开始能够减少错误率和缩减交付时间。这一级别具有如下特点。

——二维工程图为主。

——三维模型与二维工程图关联。

——初始三维模型数据重用，通过输出中性格式文件（如STEP和IGES）。

——手动创建TDP。

——有很少或没有与扩展企业连接。

——很少使用产品生命周期管理工具。

③Level 2。

除了使用的不再是中性文件，而是重用原始的CAD数据文件外，本级能力水平本质上与Level 1是一样的。在有特别请求的情况下，原始CAD数据也可以被下游单位或者企业获得。当企业内部或下游企业使用相同的产品套件并且能够不需要数据转换就能充分使用三维模型时，对这些模型的访问将变得尤为重要。这进一步降低了错误的机会和任务交付时间。这一级别具有如下特点。

——二维工程图为主。

——三维模型与二维工程图关联。

——初始三维模型数据重用，通过原始三维模型数据格式。

——手动创建的TDP。

——有很少或没有与扩展企业连接。

④Level 3。

这个能力级别是第一次考虑3D模型与二维工程图的结合作为产品定义的主要来源，在这个级别模型是几何定义，二维工程图作为特例并且是来自于包含了相关的产品制造信息（Product Manufacturing Information，PMI）模型的输出。采用了产品生命周期管理工具和轻量化的三维可视化文件作为交付使用，这个可视化文件是一个CAD的中性文件，并可为整个企业提供完整的产品定义，他们可以取代图纸。这个级别由于减少了图纸上的依赖，从而大大减少了错误和交付时间。这一级别具有如下特点。

——3D模型与受控的二维工程图为主。

——二维工程图仅仅特殊情况下创建。

——模型被用于整个生命周期。

——手动创建的TDP。

——有很少或没有与扩展企业连接。(www.daowen.com)

——内部使用产品生命周期管理工具。

⑤Level 4。

这个能力级别是建立在Level 3级能力基础上。在这个级别，模型是唯一的产品定义，它也开始进一步将制造工具套件融入整个环境中，不仅仅是模型的重用，还包括各类元数据信息的直接重用。这也是进一步使用产品生命周期管理工具的结果，质量方面也是如此，最终使得在整个扩展企业中产品定义的交付实现了自动化。这一级别具有如下特点。

——3D模型为主。

——二维工程图创建属于例外。

——模型和元数据都集成并应用到了制造和质量领域。

——产品定义交付实现自动化。

——有很少或没有与扩展企业连接。

——内部使用产品生命周期管理工具。

⑥Level 5。

这个级别的能力是第一次成为一个真正的基于模型的企业，它同样建立在前面几个层级之上，但是增加了企业的连接。这样做可以使企业的所有人都可以访问到实时的、最新的产品定义，并可以全自动配置TDP。这一级别具有如下特点。

——3D模型为主。

——二维工程图创建属于例外。

——模型和元数据现在可以被整个扩展企业所访问、使用。

——自动化的TDP配置。

——在扩展企业之间有完全的连接。

——内部和外部使用产品生命周期管理工具。

⑦Level 6。

这是迄今为止MBE能力定义的最高水平。本级建立在Level 5级基础之上，但是增加了大量的自动化处理，使得自动化的TDP正式交付成为可能。它也消除了所有使用2D图纸的情况（也没有例外）。应当指出，Level 6被认为是一个远期目标并且目前也不知道有哪些组织已经达到了这个水平，但并不是说技术上不可用来实现它。这一级别具有如下特点。

——3D模型。

——不允许存在二维工程图。

——模型和元数据现在可以被整个扩展企业所访问、使用。

——完全自动化的TDP。

——有完全连接的扩展企业。

——内部和外部使用产品生命周期管理工具。

（6）MBE关键技术。

——MBe。在基于模型的工程的“V”模型上可清晰地看到两层关系。第一层更多地强调MBS，强调逻辑设计、功能设计、架构设计。该层中，建模与仿真支持开始于概念设计阶段的系统需求、设计、分析、验证和确认，更强调逻辑功能、系统动态行为以及各组件应该承担的需求及其之间的关系。这就是现在在各单位开展的基于模型的系统工程、统一建模与联合仿真、架构设计等，目前有些单位已开展面向“系统之系统”的运行场景仿真。第二层更强调MBD，该层在前端的需求工程、架构设计之后，更多关注的是在机械领域如何开展基于模型的工程，如何承接前端的需求开展流体、机械、电子、电磁、软件、控制、液压等子系统的设计，通过功能样机接口和功能样机单元的架构来传递前端的需求以及前端的设计架构，在三维数字模型中定义设计信息和制造信息，以保证产品定义数据的唯一性。基于模型的工程如图6.1-10所示。

图6.1-10　基于模型的工程

——MBD。MBD最核心的是在三维模型中完整地表达设计、制造信息，确定产品定义信息的唯一性，为传递到下游生产所需的详细信息提供最恰当的信息载体。所有业务均使用3D信息传递，形成结构化的数据集。该数据集不仅包含几何特征、尺寸、公差等，也包括隐含的制造信息，如剖切或特定的测量，能够自动生成加工指令等；同时，增加检验和质量信息，使设计和制造形成反馈闭环，这就是MBD发挥的巨大作用。

——MBM。基于模型的制造（MBM）意味着要使用MBD模型在虚拟制造环境中进行工艺规划、优化和管理，并将指令提供到现场的实物生产。特别是在新设备出现的时候，如何形成工艺指令，过去更多地是依赖工艺员的经验，然后在CAPP中开展工艺设计，现在则可以通过数字化的工艺仿真技术验证，提供虚拟制造和装配过程仿真，真正实现面向制造/装配的设计（DFx），形成各种生产加工指令为各个环节的设备提供驱动，为工人提供作业指导书，同时还可对生产线/车间进行仿真（这是基于模型的制造非常重要的领域）。

——MBI。基于模型的作业指导书（MBI）是实现虚拟仿真与现场生产的核心纽带。数字空间和物理世界的迭代符合“数字孪生”的理念，数字空间的产品设计定义和物理世界的加工装配之间重要的联系就是MBI。MBI不仅有装配、加工的指令，还有包含检验的信息传递到制造现场，在制造现场开展数据的采集和人机交互，一方面获得各种指令，同时优化工艺过程，保证了数字和实物之间最重要的联系。

——基于模型的验证。通过建设统一建模与联合仿真、多专业工程仿真环境，开发相关的模型库和数据库，开展功能（性能）样机应用，可在设计环节超越各个专业，建立统一的仿真模型、考评系统或组件的动态行为，以及组件在不同阶段综合过程中，在已建立的虚拟集成仿真环境中，利用模型在环（MiL）、软件在环（SiL）、硬件在环（HiL）以及人在回路（PiL）来验证各级（子）系统开发能否满足功能、性能等要求，保证整体系统架构的合理性，并对系统关键性能进行评估，尽可能在系统的设计早期，验证需求的可实现性，避免设计反复。在推进基于模型的相关工作中会形成新的工作方式，如基于模型的仿真、试验、测试、验证与确认，并建立虚拟集成仿真环境（包含仿真生命周期管理），解决的是不同层面的模型交换和集成。

——MBS。基于模型的持续保障（MBS）将模型作为系统记录和构型管理的唯一基础，将产品和工艺开发中的模型和仿真应用到生命周期的维护阶段，使用维护/维修/故障数据来评估产品和工艺，并将其反馈到产品设计的改进环节。其中最重要的工作是记录交付用户的产品的过程规范、材料数据、产品支持信息以及测试分析信息等，形成跨越整个供应链的结构化、集成的工程技术数据包。

（7）基于MBE的研发设计效益。

MBE已成为当代先进制造体系的具体体现，它的进展代表了数字化制造的未来。美国陆军研究院指出“如果恰当地构建企业MBE的能力体系，则能够减少50%～70%的非重复成本，缩短50%的上市时间”。基于此，美国国防部办公厅明确指出，将在其所有供应链内的各企业中推行MBE体系，开展MBE的能力等经认证。全世界众多装备制造企业也逐步加入MBE企业能力建设的大军中。

MBE的效益在MBD创建并在整个企业应用时就已经开始了，对于军工企业来说，在整个MBE企业的方案、设计、验证、制造、维护的各个环节都会带来实实在在的效益。

——缩短新订/经修订的产品的交付时间，并降低了工程设计的返工周期。

——整合并精简设计和制造流程，降低成本。

——生产规划时间减少，减少生产延误的风险。

——提高生产过程的设计质量，减少制造交货时间。

——减少工程变更，减少产品缺陷，提高首次质量。

——改善与利益相关者的合作、协同，缩减在产品的开发管理生命周期中的所有要素的周期和整体项目的成本。

——提高备件的采购效率。

——改进作业指导书和技术出版物的质量。

——在维修过程中提供互动的能力，以减少时间和维护产品。

（8）MBE面临的挑战。

MBE面临的挑战如图6.1-11所示。

图6.1-11　MBE面临的挑战

①模型格式的转换问题。

由CAD/CAM以及其他制造软件供应商造成的3D CAD文件格式差异，成为实现MBE数字线和企业真正的集成和协同的现实障碍。供应商有各自独特的3D模型和TDP文件格式。同一种软件还有不同版本的数据兼容问题。而对于一个企业或产品供应网络，会用到多个不同水平的CAD系统、不同厂商提供的CAM/NC/CMM/MES系统，将所有的应用软件都统一在同一种格式上几乎是不可能。因此MBE理想化的数字线上，实际还是存在着许多因为CAD软件系统造成的断点，3D模型文件的格式转换是不可避免的，尽管所有设计数据的发布可以转换成为STEP和IGIS中性文件。目前，有些企业的做法是直接使用本地3D CAD模型，在需要衔接时，进行不同格式文件的直接转换。用本地文件而不是从中性文件输入CAD几何具有的好处是：消除中间格式的转换、翻译、认证的工作量和减少潜在的翻译错误。

在集成来自承包商、供应商和合作伙伴的多种格式的数据时，也不再需要将其转化为一个共同的格式。目前，CAD系统的供应商和很多3D模型格式转换的服务商已经可以提供3D模型转换的软件工具，可以解决大部分格式转换的问题。

当然，中性的标准格式的价值并没有被削弱。航空产品的生命周期比CAD软件版本更新的周期要长许多。相对稳定的标准格式可以解决模型数据长期保存和因软件更新引起的读不出来的问题。

②企业信息化进程的多样性。

因为MBE的进展引发的问题还有大量老产品的处理。目前，从企业信息化进程的角度看，同一个企业有最新的MBE模式、更大量的是传统2D数据的信息化处理模式，也仍旧存在着纯手工的管理模式。在普遍的混流生产企业中或是车间里，存在最新和老旧信息化管理模式并存的状态，极大地增加了业务流程的复杂性，甚至会出现在同一台机床上加工的零件，有用纯纸质文档、“半数字化”MES、无纸化的MBE方式的。多种系统的维护和运行规则都会加重车间的负担，以致造成混乱。所以，在目前各个企业将注意力集中在数字化应用“快步跑”的时候，还必须对企业信息化的全局有一个均衡、统筹的规划；特别要关注老的、使用期长的机种，这些产品存在长期生产、维修的数据管理和信息化问题。就目前美国的重要军机，如F35的生产特别是装配，是单独建线的，即“一代飞机、一代管理”，有利于管理进步，也不会因为老机型而拖累新技术的快速发展。从这个角度出发，我们必须反思我国航空工业新机生产之前缺失“生产系统设计”的环节，将所有的产品堆积在一个几十年不变的生产线中的模式。

③统一的信息技术平台。

MBE是以3D模型定义为基础，为整个企业所共享的、全面集成和协同制造的环境。在企业或供应链中，无论在何处的数据生产者和数据消费者，在制造过程的任何点上，都将连接到一个共同数字的数据源上，数据标准将从设计阶段开始，延伸到制造，继而到最后装配。这种统一平台就是PLM系统。MBE的PLM是一个数字数据产生、传递和管理的统一平台，不被部门和层次化的局部和应用所割裂或中断。MBE的重要标志之一是：制造、质量代码与设计模型在同一个PLM中管理。届时，完成设计和工艺的数据as designed/as planned，包括作业指导书和CNC/CMM代码，制造完成和每次维护以后采集的数据as built/as maintained/as sustained都在同一数据平台中。在MBE中，当前的所谓设计和研发平台，工艺平台，制造平台、工具、工装等五花八门的区域性的平台都将起到割裂连续数字线的作用。所以从现在起，我们就要将信息规划的着眼点转移到利用PLM建立唯一的统一数据平台上来。

④并行和协同的实施。

在MBE环境中，所有的工程活动是个同步或并行的过程。创建3D动态作业指导书、制造与质量代码CNC/CMM程序、离散事件模拟等活动都是与创建设计模型并行开展的，这些工作都能够在设计过程完成之前开始并完成到一定程度。尽管并行工程的概念和应用有几十年之久了，但是，只有在MBE环境中才能缩短并行工程的研制周期和充分发挥各种模拟仿真的效能。供应商也可以在它们的内部开发过程重用OEM的TDP中的信息。但是，实行并行工程和真正的协同至今仍旧受到现有厂所建制和企业内部机构设置、功能划分的限制，也深受设计和工艺人员分工、知识技能的制约。这些属于行业规则和企业文化的问题也需要及早找到妥善的解决方案。