导读：基于MBD在整个企业和供应链范围内建立一个集成和协同化的环境，各业务环节充分利用已有的MBD单一数据源开展工作，从而有效地缩短整个产品研制周期，改善生产现场工作环境，提高产品质量和生产效率。
来源：e-works
当前，国内外大型装备制造企业的数字化技术发展迅速，三维数字化设计技术得到了广泛的应用，基于模型定义（Model Based Definition，简称MBD）的数字化设计与制造技术已经成为制造业信息化的发展趋势。为了更好地使MBD数据在产品的整个生命周期内能够有效充分地进行利用，很多大型装备提供商、供应商通过不同的型号项目开始研究、验证和应用MBE（Model Based Enterprise：基于模型的企业）方法，就是要基于MBD在整个企业和供应链范围内建立一个集成和协同化的环境，各业务环节充分利用已有的MBD单一数据源开展工作，从而有效地缩短整个产品研制周期，改善生产现场工作环境，提高产品质量和生产效率。
PART
01、概念解析
基于模型的定义 (MBD)
MBD（Model Based Definition，基于模型的定义）：将产品的所有相关设计定义、工艺描述、属性和管理等信息都附着在产品三维模型中的数字化定义方法。将设计信息和制造信息共同定义到产品的三维数字化模型中，以改变目前三维模型和二维工程图共存的局面，更好地保证产品定义数据的唯一性。核心是将产品三维模型打造为传递到下游生产活动所需详细信息的最恰当的载体，企业所有部门和团队都使用三维模型作为信息传递途径。
MBD技术为企业带来的好处：
减少30-40%的模型不一致，30-40%的模型不一致是由2D图纸的不准确造成；大大简化检验过程，应用基于三维模型的检验软件，直接读取三维模型上的尺寸和公差数据；降低对专门技能的要求，工程师通过对模型进行平移、旋转和缩放就能够很容易地理解产品几何特征和相应的尺寸、公差；加快产品开发过程，无需检查3D模型和2D工程图样的协调关系；减少与下游用户沟通所需的时间；减少为车间解读图纸所需的时间，大大降低了设计人员的工作量（最高可达60％），显著减少工程更改（最高可达50％）；自动实现数据共享，后续的制造和检验所要求的有关信息可以通过计算机对TDP直接访问检索、查询、传递。基于模型的企业(MBE)
MBE（Model Based Enterprise，基于模型的企业），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。
MBE主要由三大部分组成：
基于模型的工程（Model Based Engineering，简称MBe）基于模型的数字化制造（Model Based Manufacturing，简称MBm）基于模型的维护（Model Based Sustainment，简称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。
图1 基于模型的企业MBE（图片来源：PTC）
图2 MBE的体系结构
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。MBE的效益在MBD创建并在整个企业应用时就已经开始了，对于大型装备的原始制造商和供应商来说，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的活动中提供互动的能力，以减少时间和维护产品MBD与MBE两者关系
基于模型的企业MBE是MBD数据源的应用环境，完整的MBE能力体系构建，就是以MBD模型为统一的“工程语言”，按系统工程方法的指导，全面优化梳理企业内外、产品全生命周期业务流程、标准，采用先进的信息化技术，形成一套崭新的完整的产品研制能力体系。企业需要一套面向MBE的信息化环境，帮助企业实现MBD模型以及相关数据在企业内外能够顺畅流通、可直接利用。对于每一个制造企业，跨企业内外的产品全生命周期业务是非常复杂的，基于现有各自独立的信息化技术和工具，不可避免需要处理大量的系统集成和数据转换，才勉强能保障MBD模型以及相关数据的流通或可利用，这将是致力于成为MBE企业直接面临的最大的问题。
PART02、发展历程
图3 发展历程
（1）单纯二维工程图。设计师在设计新产品时，首先将脑海中的三维实体通过严格的标准和投影关系变成为复程界所共识的标准工程图。然后制造工程师、工人在使用这种平面图纸时，又要通过想象恢复它的立体形状，以理解设计意图。对二维图样的绘制和理解需要严格的专门训练，要求工程人员有良好的空间想象能力。
（2）以二维工程图为中心，三维为辅。工程师在设计过程中，采用二三维CAD混用的模式，使用三维CAD进行产品功能结构设计，工程图还是在原来的二维CAD中进行，存档文件也是采用二维图档，指导后续的加工生产。二维图纸依旧作为信息传输过程中的重要文件。
（3）以三维模型为中心，二维为辅。工程师采用三维软件开展产品设计和验证工作，指导生产加工的二维图纸通过CAD软件自动生成。
（4）基于模型的定义MBD。摒弃二维图样，将MBD模型作为制造的唯一依据。将三维制造信息PMI与三维设计信息共同定义到产品三维数字化模型中，使CAD和CAM等实现真正高度集成，使生产制造过程可不再使用二维图纸。
（5）基于模型的企业MBE。设计过程中的数据具有独立、稳定、可管理、可重用等特点，模型中包含的数据信息能在工艺、制造环节有效传递，生产制造包括后续的过程都高度自动化，实现数字样机和物理样机中间各个环节的通路。
PART03、基于模型的定义MBD
3.1 MBD标准体系—ASME Y14.41
传统的3D模型，包括有限元仿真、装配模拟、运动模拟，应用了10多年。但模型上因为缺少制造所必须的尺寸、公差等的精确表达，一直不能独立的作为产品信息的唯一数据源。模型和制造数据一体化，即：让产品属性如尺寸、公差和其他技术要求“牢牢的嵌入（embedded in）”模型，让嵌入模型上的尺寸、公差和其他属性可以通过计算机直接访问、查询和重用，让产品生命周期的各个阶段和供应链的全程可以直接利用。这是工程和生产人员的渴望，也是信息化继续深化的必然趋势。
1997年美国制造工程师协会ASME组成专业委员会，由以波音为主的16个制造和软件系统企业参加，制订了ASME Y14.41-2003“数字化产品定义数据通则”，ISO又根据ASME Y14.41-2003制定了ISO16792：2006，数字产品定义数据实践。标准规定了新的、统一的产品定义方法。所谓“新”，其一是用嵌入的、完全标注的3D模型定义产品；其二，也是更重要的，是用计算机可以识别的“产品定义数据集（Product Definition Data Set）”，目前多数文献也称其为“技术数据包TechnicalData Package”或“TDP”，做为对3D模型的补充说明。
此外，ASME Y14.41 3D CAD产品定义标准还为并行协同的研制提供了应用基础，让下游包括工艺过程设计、制造、维修等所有业务可以直接利用产品定义数据。实际上，MBD开创了真正的产品数据唯一数据源和真正无缝集成。MBD打开了束缚制造业信息化发展的瓶颈，开启了制造行业信息化发展的新纪元。
3.2 MBD实施的十要十不要
图4 MBD实施的十要十不要
3.3 MBD模型的应用
图5 MBD模型的应用
PART、04基于模型的企业MBE
4.1 关键技术
图6 MBE关键技术
（1）复杂模型的建立技术
模型有难易，复杂模型需要深厚的专业知识背景，需要进行跨学科的协同。
（2）模型中的知识获取技术
商业软件容易买到，但要用得好就需要很多知识。这往往是我国制造企业所缺乏的，而且，更缺乏的是模型里面所隐藏的知识，会使用，却不知其所以然。每个产品都有自己的特点，有自己的领域知识。通用的MBE商业软件一般只能在产品设计的后期发挥作用，并不能真正解决产品创新问题。因此，国外大企业都有自己的MBE专用软件和模型，这是他们长期研究的成果，是他们的核心竞争能力。这种软件一般是买不到的。即使买到，也很难使用，因为需要很好的专业背景的人员才能建立适用的模型，并正确使用系统。模型是知识的集成和重构，没有知识，模型也就是空架子。知识高度分散，并大多隐藏在员工的头脑中，并非那么容易挖掘。
（3）解决未知问题的模型技术
当今企业环境变化越来越快，产品更新速度也在加快，模型也需要不断更新发展。这一方面需要建模时有很强的预测能力，考虑问题全面，以应对环境的变化；另一方面需要模型具有一定的自优化能力，能够较好地适应环境的变化。这种应对未知问题的模型技术，需要一定深度和广度的知识累积和能力。
（4）多学科协同建模技术
复杂模型涉及多学科知识。不同学科甚至不同员工都有自己的知识体系，采用不同的知识模型。多学科协同建模需要对彼此的学科有较好的了解，需要有统一的术语和描述标准，需要有考虑全面的接口。这需要标准化部门和行业协会的支持．
（5）产品模块化技术
产品模块化需要对不同产品中的相似零部件进行识别、分析和建模，使产品模块具有较宽的适用面；需要对产品的未来发展趋势进行比较准确的预测，使产品模块具有较长的生命周期。这需要产品模块化人员对各种相似产品有透彻的了解，对技术、市场和产品趋势有全面深入的分析，并愿意为企业和行业的全局和长远利益开展细致、繁杂、艰辛和不求当前回报的工作。
（6）面向MBE的管理技术
MBE的级别越高，越需要依靠企业员工间的协同。这就要求企业有好的管理模式。企业有较好的创新文化和能力，就会源源不断地创造、积累和分享知识，进而成为MBE。因此，企业需要更加注重引进先进的管理理念和技术来对企业进行变革，而不是把目光仅盯着产品、技术、软件。
（7）模型集成标准建立技术
不同的软件公司所开发的系统中嵌入的模型的描述方法、形式等往往不同，这将导致所开发的系统难以集成。这需要软件公司、制造企业和咨询服务企业三方的通力合作。不同的制造企业对模型提出不同的需求，软件公司、制造企业和咨询服务企业要三方协同，对这些不同需求进行整合和标准化，并将需求模型转变为产品和过程的定义模型。
（8）产品生命周期统一模型技术
产品研发阶段有产品概念模型，产品设计阶段有产品实体模型，产品加工阶段有产品加工模型，产品测试阶段有产品测试模型，产品仿真阶段有产品仿真模型。这些模型之间转换难，需要一种产品生命周期统一模型。当然，这种模型是随着产品生命周期的进展而不断完善的。
（9）基于模型的SOA（Service Oriented Architecture，面向服务的体系结构）技术
MBE的子系统实施相对容易，但模型和系统的集成难，模型在不同系统中的转换有很大难度。不仅不同的软件公司所开发的系统无缝集成难，就是同一软件公司所开发的不同系统无缝集成也难，因为这往往是两个项目团队在不同的时期开发的，不同的软件系统的发展过程不同，所采用的技术不同。
4.2 MBE面临的挑战
图7 MBE面临的挑战
（1）模型格式的转换问题。
由CAD/CAM以及其它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，存在这种“一国两制”甚至是“一国三制”的状态，极大的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。
4.3 MBE能力评估
2009年由美国国家标准研究院（NIST）组织，美国陆军ManTech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（MBE）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，可以从下图中的一些指标得到基本判断。
图8 MBE能力评估
Level 0
企业这个阶段能力水平是其它各级建立的基础。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手动创建技术数据包（Technical data package，简称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Level 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Level 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Level1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Level 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，简称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内部使用产品生命周期管理工具Level 4
这个能力级别是建立在Level3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...Level 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Level 6
这是迄今为止MBE能力定义的最高水平。本级建立在Level5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， Level6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