2.5　国外工业信息化的典型案例

2.5.1　美国波音公司

波音公司是世界上最大的航空航天公司，一直是世界民用飞机市场的领导者，其在民用飞机领域成就卓著，客户遍布全球。目前，全球正在使用中的波音喷气客机达1.1万架。波音不仅是全球最大的民用飞机和军用飞机制造商，而且是美国航空航天局（NASA）最大的承包商。

世界航空工业正在由生产线组装产品的时代走向由网络化集成价值的时代。以波音、空客为代表的主要企业正在加速转型，大力构建全球虚拟企业，推动产品生产方式的变革，形成世界航空工业产业链的新格局。自20世纪90年代以来，波音公司在实施产业转型的过程中，并不是简单地进行同类企业并购，而是按照敏捷制造的专业化和外包的思想进行重组。一方面，保持和巩固其核心能力，产业调整后波音公司自身主要承担飞机研发、销售和总装，同时加强其信息技术、服务领域和集成能力的发展；另一方面，将其大量的制造业务进行外包，大量零部件的制造工作分包给了全球65个国家的1500家大企业和1.5万家中小企业完成（一架波音747飞机包含450万个零件）。这种组织结构的调整，使得波音公司已经成为一个位于金字塔顶端的全球性虚拟企业，不再是大而全的制造业企业，极大地增强了应对市场变化的能力。例如，“9•11”事件发生后，国际民航业受到了很大的冲击，民航客机过剩导致很多航空公司取消了新飞机的购买订单。由于波音公司此前已经完成了产业战略的转型，因而公司本身的损失并没有人们想象得那么大，这次波音飞机的订单缩减所造成损失最大的是零部件供应商，实际上是由零部件供应商帮助波音公司维持了飞机制造所需的庞大制造能力和生产工人，这就是波音公司转嫁市场风险的办法。

1．波音767-X并行设计

波音公司在767-X的开发过程中采用了“并行产品定义”的全新概念。并行产品设计是对并行设计及其相关过程的集成（包括设计、制造、保障等），并行设计要求设计者在设计初期就考虑与产品开发过程相关的所有因素，包括质量、成本、计划、用户要求等，通过优化设计过程，采用新的项目管理办法，改善设计，提高飞机生产质量，降低成本，改进计划，实现了三年内从设计到一次试飞成功的目标，并且带来以下几个方面的直接效益：（1）提高设计质量，极大地减少了早期生产中的设计更改。节约开支的有效途径是减少更改、错误和返工所带来的消耗；（2）缩短产品研制周期。和常规的产品设计相比，并行设计明显地加快了设计进程；（3）降低了制造成本；（4）优化了设计过程，减少了报废和返工率。

波音公司在新型767-X飞机的并行设计中采取了以下措施：

1）多方面培养设计人员，合理配置设计制造团队，集成产品设计、制造及保障过程。设计制造团队是一个有设计、管理、协调、材料、财务等人员注册组成的独立团体，目的在于提高可制造性设计，减少更改、错误及返工，实现设计的一次性成功。

2）在产品开发过程中，制定了集成化计划。该计划参与设计、计划、制造、测试、飞机交付等过程的管理。进行自动超差控制，即提供在线式电子化拒收单，管理整个拒收过程。自动超差控制缩短了拒收过程，提供统计控制数据并及时向上级报告。

3）利用CAD/CAE/CAM保证并行、协同的产品设计，共享产品模型和设计数据库。

（1）建立计算机辅助工装设计系统，进行数字化工装设计，并利用零件数据集去设计和检验工装。计算机系统存储“工装—工装”“工装—零件”有关工装定位数据。

（2）进行“零件—工装”“工装—工装”的数字化预装配。利用3D数字化数据集模拟零件、工装，检查安装配合情况。

（3）利用数字化数据集进行产品插图处理。图文并茂的制造计划有助于更好地理解工作任务，计算机绘制成的3D产品插图取代了手工绘制插图。

（4）采用综合工作站存储，包括工程数据（如附注、材料清单等）、制造数据、工装数据（如附注、明细表）、财务数据等。所有零件、工装设计员发放的数据集都应是唯一的。在零件制造、部装、总装的过程中，任何拒收单都要求工程设计组或设计制造团队检字批准，并作出相应的更改，再根据数字化预装配重新检查干涉配合情况，然后发图生产。

4）利用多种分析工具优化产品设计、制造、保障过程。实现“设计—计划—制造—保障”过程的集成化产品开发，对于波音每个机构或员工来说都是一个挑战。由于计算机技术的推广应用和其他新技术的逐渐发展应用，影响了波音公司原有的工作模式。采用100%数字化产品设计，预示着波音经营管理的巨大改革，但更多的是组织机构的改革，以适应计算机工具的应用要求和新的操作规程。

5）采用数字化方法与工具在设计早期尽快发现下游的各种问题。数字化整机预装配是在计算机上进行建模和模拟装配的过程，它根据设计员、分析员、计划员、工装设计员要求，利用各个层次中的零件模型进行预装配，用于检查干涉和配合问题，这个过程以设计共享为基础。数字化整机预装配将协调零件设计、系统设计（包括管线、线路布置），检查零件的安装和拆卸情况。数字化整机预装配的应用可以有效地减少因设计错误或返工而引起的工程更改。零件是以3D实体形式进行干涉、配合及设计协调情况检查。利用整机预装配过程，全机所有的干涉能被查出，并得到合理解决。如波音757的1600~1720站位的46段，约1000个零件，它们需要在12个CATIA模型中进行数字化预装配。

利用数字化预装配过程，工程设计要验证所有设计干涉和配合情况，这使得设计更改次数大为减少。数据集在没有进行最后的审批前不能发图，这一最后的检查过程降低了项目风险，保障了发图后无零件干涉情况的出现。数字化整机预装配的应用将有效地减少因设计错误或返工而引起的工程更改。

6）大量应用CAD/CAM/CAE技术，做到无纸设计生产。全面应用CAD/ CAM系统作为基本设计工具，使得设计人员能够在计算机上设计出所有的零件三维图形，并进行数字化预装配，获得早期的设计反馈，便于及时了解设计的完整性、可靠性、可维修性、可生产性和可操作性。同时，数字化设计文件可以被后续设计部门共享，从而在制造前获得反馈，减少设计更改。表2-1列出了波音公司767-X开发所采用的技术与传统方式的比较情况。

采用CATIA系统设计零件的3D数字化实体模型。这样易于在计算机上进行装配，检查干涉与配合情况，也可利用计算机精确计算重量、平衡、应力等零件特性。另外，可以很容易地从实体中得到剖面图；利用数字化设计数据驱动数控机床加工零件；产品外形设计直观；产品插图也能更加容易、精确地建立；用户服务组可利用CAD数据编排技术出版物和用户资料。767-X中的所有零部件都采用数字化技术进行设计，所有零件设计都只形成唯一的数据集提供给下游用户。针对用户的特殊要求，只对数据集修改，不对图纸进行修改。每个零件数据集包括一个3D模型和2D图，数控过程可采用3D线架或曲面模型。

7）利用巨型机支持的产品数据管理系统辅助并行设计。要充分发挥并行设计的效能，支持设计制造团队进行集成化产品设计，还需要一个覆盖整个功能部门的产品数据管理系统的支持，以保证产品设计过程的协同进行，共享产品模型和数据库。767-X采用了一个大型的综合数据库管理系统，用于存储和提供配置控制，控制多种类型的有关工程、制造和工装数据，以及图形数据、绘图信息、资料属性、产品关系、电子签字等，同时对所接收的数据进行综合控制。

（1）管理控制包括产品研制、设计、计划、零件制造、部装、总装、测试和发送等过程。它保证将正确的产品图形数据和说明内容发送给使用者。通过产品数据管理系统进行数字化资料共享，实现数据的专用、共享、发图和控制。

（2）数据集是设计过程唯一的设计依据。数据集释放后进入数据库系统，对工程数据的修改需要有关人员的签字。数据集的发放过程是：首先，工程师将已验证的数据集准备好，并在发放期把它提供给释放单元。待释放的数据集包括一个数字化模型（3D实体图形、2D图形和下游需要的有关数据）、材料清单和一个在线的释放单元清单。仅有的纸上条文是列有由谁查阅在线数据集及进行电子签字的报告。为准备发图，数字化模型以只读格式共享，进行电子签字以及在线跟踪。当所有签字完成时，该模型将处于共享状态。其次，验证待释放数据集的完整性。最后，发图员在数据库中将该模型状态改为发图状态，释放相应的数据集进行发图。采用数字化产品设计的每个模型都有一个完整的零件号，以便图形在发放时进行跟踪检查。

2．波音公司的信息资源建设和产品构型管理

波音公司于1992年开始了公司级的DCAC/MRM大型工程项目，以单一产品数据源为基础、精简业务流程为主线，来组织飞机的构型设计、工艺规划、生产制造和服务支持的全过程。在DCAC/MRM项目开始之前，波音公司基本的产品信息存贮在公司范围分布的几百个应用系统中。波音的DCAC/MRM项目主要是寻求从根本上简化与飞机结构定义以及产品开发有关的流程，并基于PLM/ Teamcenter系统实现对SSPD的定义，使产品结构数据能够从一个单一的系统环境中可靠、精确、实时和完整地获取。

1）单一产品数据源的基本概念

单一产品数据源（Single Source of Product Data, SSPD）的概念最早由波音公司在其定义与控制飞机的配置/制造资源管理（Define and Control Airplane Configuration/Manufacturing Resource Management, DCAC/MRM）项目中提出，并将其作为整个系统的底层数据核心，以及所有相关产品数据的共同访问资源。这一大型的技术改造项目是继波音公司在工程设计领域全面推行的全数字化产品定义（通常所说的“无纸设计”）技术后的又一大型计算机应用项目，是波音信息化战略的重要组成部分，意义十分重大。该项目开始实施于757、737、747、767系列飞机，在777中得到全面应用，对业务流程、飞机构型管理、物料管理和信息管理进行了大幅度简化。

SSPD的特点是把企业中与产品生命周期相关的所有数据用一定的方式组合起来进行统一管理，保证并行产品开发过程中数据共享的实时性和一致性。建立SSPD的核心思想是将制造业企业中原来分布于多个物理数据库的产品数据，经过精心组织形成一个逻辑上单一的数据库，并在分布于不同数据库中的产品数据之间建立严格的关联和约束关系，以便保证产品数据的一致、最新、完整、无冗余和可靠性。

单一产品数据源的概念表达了一种产品数据的组织方式，并不代表在进行产品数据管理时采用一个集中式的数据库。SSPD可以保证分布式数据库环境中数据的一致性，形成了建立在分布式系统基础上的集中式数据管理，与此相对应的便是基于SSPD的PLM技术。也就是说，单一产品数据源是将制造业企业中分布于不同部门各个应用系统数据库中的产品数据，建成一个逻辑上单一的产品数据库，把相关数据用一定的方式组合起来进行统一管理，作为所有相关产品数据的共同访问资源。

2）单一产品数据源的组织原理

飞机制造数据源管理一般包括三个方面，即工程数据管理、工艺数据管理和制造资源管理，但从总体上看又处在单一产品数据源为基础的产品数据管理的支持环境里。SSPD是产品数据管理、生产计划管理、制造资源管理的核心，是提供单一产品数据的存取点，它是产品数据的唯一管理源，能提供多种正确而清晰的数据表，如满足工程设计要求的E-BOM、控制生产的工艺计划P-BOM、用于生产制造的M-BOM、控制生产计划的进度计划等。

SSPD通过建立统一的逻辑联系，将物理上分布的产品数据形成逻辑上的单一数据库，作为产品数据的访问与操作提供唯一的数据源。企业的所有信息系统都以SSPD作为数据访问的目标，各系统从SSPD中读取数据，进行信息处理后将它们所生成的新数据按SSPD的要求存放到SSPD之中供其他系统使用。

波音公司所建立的单一产品数据源中的数据内容非常丰富，它包括产品全生命周期中的各种相关信息，能满足企业从客户选型直至产品交付和服务支持等各个方面的需要，如图2-4所示。从图中可以看出，SSPD中存放有产品的几何数据、工艺计划数据、工艺装备数据、服务支持数据、质量数据和物料清单等。

这些数据都是以产品设计及制造过程中定义的各种类型的产品结构为核心进行组织的，因此，产品结构是SSPD进行数据组织的主线，而产品结构存在于各种类型的BOM中，因而对物料清单的支持是单一产品数据源的主要内容。以单一产品数据源作为底层支持，物料清单为组织核心，构建BOM对象模型，并应用于产品结构与配置管理之中。

3）波音DCAC/MRM的实施效果

波音基于PLM/Teamcenter系统为737、747、757、767和777飞机提供了单一产品数据源的支持。目前，公司中任何一个需要飞机结构数据的人员都可以在同一个单一的系统上访问这些数据，使遍布全球的设计、工程、市场和采购人员、承包商及各级管理人员都可以在全球各地实时访问，获得精确的BOM数据。

SSPD的建立和实施能够确保企业产品数据多流向和各节点数据的同步，使各部门的数据唯一、无冗余，同时也确保了全部产品数据的一致性和可追踪性，使企业各部门的数据能够及时进行共享、跟踪和更改，使管理工作、计划生产能够及时进行，可以降低成本，减少流程时间，按时交付产品。

波音公司在DCAC/MRM项目中进行SSPD的实施，为每一架飞机定义一个单一的数据源（单一BOM），成为飞机产品生命周期中的单一材料清单，这种数据的结构化组织方式可以保证相关人员根据权限直接获取所需的数据。每一个职能部门可以根据本部门的需要使用专门的软件工具进行配置管理和选用合适的数据版本。在波音DCAC/MRM项目中，采用4套商品化软件COTS（Commercial-Off the Shelf）替代原有超过400套的应用系统，其中，仅PDM/Metaphase平台就取代了原有的30多种管理系统和14种BOM系统。DCAC/MRM项目由ERP（选用Baan）、销售配置系统（选用Trilogy）、生产计划系统（选用CIMLINC）和PDM（选用Metaphase）4个部分进行系统集成，而获得项目实施的成功。

DCAC/MRM项目的实施结果取得了可观的效益，过去的800多套子系统中的400个已经被PDM取代；14种BOM系统统一到单一的BOM系统之中；30种变更流程统一到一致的变更流程；数据存取的准确性由原来的60%~70%提高到现在的99%以上。

3．波音787中的信息化举措

1）全球虚拟动态联盟

波音公司在787飞机研制中引入了协同制造的思想，与英国、土耳其、意大利等8国合作伙伴建立了以项目为龙头的全球虚拟动态联盟，充分利用这些国家已有的技术、人力、资金、设备等资源，实现异地设计制造，加速产品的研制生产，取得了很大的成功，使飞机设计时间减少50%，制造周期缩短67%，制造成本降低50%，使用维护成本降低50%。在这个新的商业模式下，波音公司从根本上保持其“大规模系统集成”（Large-scale Systems Integration）的角色，让合作伙伴更多地参与全球性的风险共享。波音公司该商业模式覆盖了全球供应链，设计过程更加依赖于协同设计和开发，制造过程将极度倾向于成品装配件（少于100个）。波音公司希望通过全球协同环境（Global Collaboration Environment, GCE），确保飞机研制过程阶段内部、阶段之间真正和完整意义的工程协作。

在整个787研制过程中，从2002年前期论证开始，直至2005年确定飞机配置阶段，合作伙伴有一半的设计人员采用物理集中的方式在华盛顿州埃弗雷特市和波音的设计人员一起共同工作。随着发展阶段详细设计工作的展开，合作伙伴的设计人员大大增加，大部分设计人员利用GCE环境在本地完成设计任务，只有少许设计人员留在波音工作。

波音公司在787飞机研制中的全新生产方式可以总结为以下六大创新。

①新的业务模式：全球供应链；

②新的业务流程：协同式设计和开发；

③新的制造方式：精益最终装配（100个部件）；

④新的材料：复合材料；

⑤新的机会：产品支持；

⑥新的角色：世界级的大规模系统集成商。

2）基于模型的定义方法

波音在787项目中全面采用了基于模型的定义方法（Model Based Definition, MBD），用CATIA V5软件作为模型设计工具，采用ENOVIA模型存储仓库，以及采用DELMIA作为数字制造工具，联接工程物料清单（Engineer Bill of Materials, E-BOM）和制造物料清单（Manufacture Bill of Materials, M-BOM），基本避免了由于图纸错误引起的装配错误，这是在767和777项目中没有达到的。波音公司飞机定义的变革历程见表2-2。

3）生命周期管理应用策略

波音公司787飞机产品生命管理的解决方案包括了电子构型、关联设计、功能集成、虚拟制造、集成全球供应链、精益工厂、改善交付、数字化面向客户的数据。在生命周期管理策略方面，787项目与其他波音项目比较如表2-3所示。

4．波音公司信息化战略的作用

从信息化的角度来看，波音公司实施的信息化工程是典型的知识型制造战略。由于CAD/CAM一体化、标准化和虚拟制造等技术的发展，有效地支持和促进了设计与制造过程的知识化与智能化。同时，先进的通信技术、计算机技术与系统集成技术卓有成效地支持了信息资源在产品生命周期的增值过程中发挥了巨大的作用。从波音767、777及787系列客机的设计与制造过程中可以清楚地看到这一点。

从波音公司的信息化案例可以得到启示，成功的信息化战略是波音公司在航空航天领域始终保持领先地位的重要因素，美国领先的信息产业和先进的信息技术是波音公司信息化成功的重要支撑，合理的信息化实施和管理策略是波音公司信息化战略得以顺利进行的保证。

2.5.2　德国西门子公司

西门子公司是世界上规模最大的电子和电气工程公司之一，主要业务集中在工业与公共基础设施、能源和医疗领域。其中，火力发电集团为西门子能源领域的主要部门，是向能源和电力工业供应部件与系统的供应商，全球电厂总容量1/5的设备来自于西门子。

西门子火力发电集团还向全球用户提供电厂自动化整体解决方案。如图2-5所示，该系统将SAP ERP系统模块、西门子IT解决方案和服务集团开发的有关模块、由火力发电集团开发的能源管理系统（EMS）相应模块集成为一个整体，从而可以对发电厂建造、运行管理和优化的所有核心工程进行有效地管理。

长期以来，西门子火力发电集团在信息技术应用方面开展了系统、深入的工作。这里以它的石油、天然气与工业应用（PGI）部门的PGI2为例进行案例介绍。

西门子火力发电集团的PGI（石油、天然气与工业应用）部主要负责石油、天然气行业动力设备的制造，其细分为PGI1（服务）、PGI2（工业汽轮机制造）、PGI2P（预设计汽轮机）、PGI3（压缩机）、PGI4（燃气轮机）、PGI5（石油、天然气应用）等子部门，图2-6为西门子火力发电集团的PGI部门构成。

西门子火力发电集团制造的汽轮机产品的输出功率从8.5 MW到1900 MW（见图2-7）。其中，PGI2主要负责工业汽轮机的生产制造，其产品的输出功率从8.5 MW到130 MW。

西门子在工业汽轮机领域的信息化应用具有以下特点：

1）工业汽轮机设计信息化

“工业汽轮机”是工业企业中驱动用汽轮机以及自备电站发电用汽轮机之总称，是典型的技术密集型产品。产品结构复杂，可靠性要求高，每台工业汽轮机产品有近万个零部件。其主要零部件，如转子、汽缸等要求耐高温、耐冲击和高精度。工业汽轮机的最大特点是要求完全按照客户的需求进行定制，导致产品开发和工艺设计周期很长，甚至最多可占生产周期的60%。

西门子在工业汽轮机的开发中，最重要的特点是按照模块化设计的思想，采用组合产品的设计原理，将产品分解成不同的标准模块，这样就可以根据客户的个性化需求，将有限数量的标准模块像搭积木一样组合起来，形成不同的定制产品，以最少的内部多样化产生尽可能多类型的工业汽轮机产品。图2-8表示工业汽轮机汽缸的模块化结构组合原理。根据客户的不同要求，可以用基本结构块组合成不同型号的工业汽轮机产品。

现代动力装备产品本身的复杂化趋势，包括设计对象的大型化、功能和结构的复杂化、追求目标的多元化等，以及光、机、电、磁、液、信息等技术综合一体化，使得现代动力装备产品的开发需要同时涉及众多不同的学科或专业领域，进行多学科并行设计和性能优化。

多学科设计优化（Multidisciplinary Design Optimization, MDO）是一种通过研究复杂工程系统与子系统之间的交互影响和协同作用，对复杂工程系统进行分析和优化设计的方法，可以将复杂工程系统的设计从单独的部件级转移到系统级整体性能优化。

西门子公司在设计工业汽轮机时，应用了多学科设计优化（MDO）方法，让设计人员在数值计算和仿真分析的基础上进行产品性能的优化，提高了复杂工程系统的设计质量和设计效率，降低了开发成本。图2-9表示西门子的工业汽轮机通流部分设计、装置设计和整体性能优化过程中采用CAD/CAE/MDO技术的情况。

2）工业汽轮机制造信息化

工业自动化与驱动技术集团（IA&DT）是西门子工业领域的重要部门。除了各种自动控制系统和功能元器件以外，工业自动化与驱动技术集团还向全球用户提供全集成自动化技术（TIA），包括从原料入库至产品出库，从现场级、控制级和制造执行系统（MES）直至与企业资源计划（如SAP ERP）的系统集成。在西门子火力发电集团很多下属企业中都采用了这种系统集成的技术架构，而在该系统中包含了一个功能完善的、用于车间层的管理控制系统——运动控制信息系统MCIS。

其中，运动控制信息系统包含以下功能：

（1）MDA——机床数据及信息管理；

（2）PMT——生产数据管理；

（3）PDA——生产订单控制及信息反馈；

（4）TPM——全面设备维护；

（5）DNC——直接数字控制；

（6）TDI——刀具信息管理；

（7）RPC SINUMERIK——SINUMERIK系统远程过程调用；

（8）ADM——自动数据管理等。

由于蒸汽轮机和燃气轮机零部件（如叶片、转子等）的加工精度要求高，在这些关键零部件的加工过程中大量采用了数控系统，这其中主要包含由西门子工业自动化与驱动技术集团所开发的SINUMERIK系统。作为SIMATIC和SIMODRIVE自动化控制环境的一部分，最先进的SINUMERIK 840Di数控系统除了软、硬件环境的高度开放性，其显著特点是CNC控制功能与HMI功能均在PC处理器上运行，这就可以省去传统控制系统中所需的NC处理单元。这种控制系统包含了大量的标准化组件，如带接口卡的工业PC机、PROFIBUS-DP、Windows XP操作系统、OPC（用于过程控制的OLE）用接口和NC控制软件。

3）工业汽轮机的产品生命周期管理

在西门子火力发电集团很多下属企业中都采用了西门子IT解决方案和服务集团提供的PLM整体解决方案。如图2-10所示，西门子IT解决方案和服务集团提供了PLM需求分析、PLM流程和子流程设计、PLM IT架构和技术路线图定义、PLM系统设计和构建、PLM系统运行管理等全方位技术服务。西门子在PLM整体解决方案中，大多采用了由德国SAP公司提供的产品生命周期管理系统mySAP PLM。

图2-11表示德国SAP公司的产品生命周期管理系统mySAP PLM的功能组成情况。mySAP PLM的基本功能由如下6个部分组成。

（1）全生命周期数据管理；

（2）资产全生命周期管理；

（3）计划管理和项目管理；

（4）全生命周期协作管理；

（5）质量管理；

（6）环境、健康和安全管理。

mySAP PLM提供了一个完整的、面向质量的扩展供应链管理平台，以及在产品全生命周期中管理、跟踪、控制所有产品和项目信息的协同工作环境。此外，mySAP PLM还实现了对电子集市、数据仓库、客户关系管理系统以及供应链管理系统等的无缝集成。

在mySAP PLM中，全生命周期数据管理（PDM）处于其核心地位。PDM提供了全面的产品数据管理功能，帮助企业对用户需求、BOM、CAD模型以及各种相关的技术文档进行管理，并提供系统集成、更改管理和配置管理等功能。 TZhBbCruvMwF8+X79jO4kvV8vpfTq2OYlRzw8FI8EX8oTHNKIw55dMZf/efz0WKg