数字化环境下的复杂装备质量管控体系架构研究

本文来源于装备质量

数字化环境下的复杂装备质量管控体系架构研究

秦剑 QIN Jian；梅文辉 MEI Wen-hui

（南京电子研究所，南京210039）

摘要：复杂装备的研制过程是项多专业融合、不断迭代、数据众多的系统工程，而质量是复杂装备设计制造的核心要求。基于数字化的环境和背景下，本文以复杂装备为研究对象，界定和厘清数字化环境下质量管控体系架构的要素，分析形成数字化研制环境下的质量管控模式，并进一步研究数字化质量管控流程和方法，为实现数字化质量管理，提高复杂装备的质量提供更好的理论依据。

关键词：数字化；电子装备；质量；管控模式

传统的复杂装备的质量管理是一种质量的现场管理和事后管理，存在管理手法单一、管理范围狭窄、管理时效性差、质量评价不规范的特点，很难做到质量管理的实时性、科学性和规范性。在当前数字化环境下，随着复杂装备制造环境的变化，迫切需要建立一种全新的质量管理控制模式，来实现复杂装备质量管理的科学化、规范化、可视化。数字化环境质量管控体系下实施的是一种全程化、实时化、全方位的质量管理，其不仅仅是一种管理方式的创新，更是一种管理理念的变革，实现了全程化、实时化、数字化监控。

数字化环境是以信息化管理平台为基础，以数字化设计仿真工具为手段，以协同研发流程为纽带，形成的包括平台、工具、流程、规范和管理模式等数字化要素的研制环境。

数字化环境下的质量管控体系架构包括：数字化环境下质量管控模式、集成化的质量管理信息化平台、规范的数字化研制流程、数字化质量管控标准体系以及集成的质量管理工具包。其体系架构图如图1所示，其中以规范的数字化研制流程为核心，以集成化的质量管理信息化平台为支撑，以数字化的质量管控标准体系和集成的质量管理工具包为辅助，在数字化质量管控模式下开展各种质量管控工作。

根据图1质量管控体系架构图可以看出，整体分为业务层、控制层、决策层以及软件、硬件支撑环境。由业务层、控制层、决策层构成应用系统层，在数字化质量管控模式下，按照数字化研制流程，以数字化质量管控标准体系为准则，在集成的质量管理工具包的辅助下，开展产品全生命周期的数字化质量管控，并以硬件、软件支撑环境层作为支撑，保障质量管理信息化平台。

应用层是按照数字化研制流程，以数字化质量管控标准体系为准则，在集成的质量管理工具包的辅助下，开展产品全生命周期的数字化质量管控。主要分为业务层、控制层和决策层：

业务层是指贯穿产品设计制造过程的需求分析、方案和详细设计（包括数字化设计、数字化工艺）、数字化制造、数字化检验和使用维保等产品设计制造过程。采取嵌入仿真验证、取证插件等手段，通过设计仿真工具、结构化文档、设计评审采集产品研发过程的各种数据，通过数字化制造和检验采集产品生产、检验过程的各种质量信息，通过质量体系监视测量采集质量体系运行有效性和成熟性方面的质量信息，进行计算机自动判别与数据处理，通过质量工具包对数据进行统计分析，实现质量管理系统的控制和持续改进。

控制层主要包括数字化、集成化的质量信息管理，是实施数字化质量管控的核心，是开展数字化质量管控的关键。按照ISO9001、GB/T9001质量管理体系要求，数字化质量管理系统将质量管理过程实现流程化，通过监视测量和控制保证质量体系有效运行。集成化质量信息管理主要是通过应用集成的质量工具包对各类采集的质量信息加以分析利用，从而实现提升企业质量管理水平和体系运行成熟度。同时管理层基于质量信息分析的结果，可视化的展现质量方面的各类指标情况，监控企业质量状态，预警质量风险，从而实现对质量问题的跟踪和处理，运用数字化的质量管理系统进行日常的质量管理和预警、报警，并实现持续改进。

图1 数字化环境下质量管控体系架构图

决策层根据质量体系运行采集的质量信息、利用集成工具统计分析的结果，对质量体系运行情况进行分析评价，发现质量管理的各个过程中存在的薄弱环节，分析预估质量的发展趋势并进行有效决策。

数字化环境下的质量管控模式是依据产品数字化研制流程，在数字化环境下，利用数字化手段、方法以及工具，嵌入数字化质量管理模块，自动采集产品实现过程中的质量数据，确保质量管理体系的有效运行，实现产品全寿命周期质量状态的可视化监控和追踪、分析、决策和改进而形成的质量管控方式。

数字化环境下质量管控模式的运行可以分为P、D、C、A四个阶段，首先由决策层根据质量策划，按照产品实现流程，自顶向下对各阶段任务进行分解；然后由控制层对各阶段任务进一步分解为每个子过程，针对产品研制活动的具体执行过程，通过在数字化质量管理系统的相关业务节点嵌入取证代理组件，采用基于过程取证的质量体系运行监管模式，以数字化质量管理系统和质量信息系统为核心，将质量体系监管活动与产品实现过程的质量管理活动相结合，通过业务层的实时质量数据的收集和质量检验，实现对质量体系运行过程的自动取证与监管，利用可视化技术和各种主动监控与跟踪技术，实现企业质量状态的全面监控和预警，以及质量体系运行状态的日常化与过程化的监视测量，从而落实技术指标的达成，最终借助PDCA循环，实现数字化质量管控能力的持续改进，如图2所示。

数字化质量管理信息化平台是根据相关顶层文件，包括国家标准、行业标准、企业标准以及先进的质量管理方法和质量管理工具，结合产品全过程的研制流程，关注质量管控活动和要素、记录过程和结果信息，利用要素管理、过程管理和结果管理实现质量管理与研制过程的有效融合。同时将质量管理信息化平台系统和MES、PDM、ERP等其他系统打通接口，实现数据互联互通，从数字化产品设计制造保障全过程，实现流程全贯通，质量信息全采集。质量管理信息化平台是数字化、集成化、互联化的质量管理信息系统，质量管理信息系统架构如图3所示。

质量管理信息系统各质量管理模块的功能如下：

①产品实现过程的质量管理模块：按照数字化产品实现流程可分为数字化设计质量管理、数字化工艺质量管理、数字化制造质量管理、数字化保障质量管理模块。按照有关国家标准、行业标准的要求，建立以“质量特性和流程规范”为核心的数字化质量管理和控制流程，将质量管理融入复杂装备的项目管理，对数字化设计和制造过程进行质量控制，结合产品研制流程将质量控制要素和内容落实到研制生产的具体环境中，并记录过程信息，将质量管理要求和产品研制流程有机结合。

②质量体系管理模块：有效管理和控制质量管理体系日常运行，通过对体系过程数据和指标的监视测量，实现数字化质量体系运行量化管理，科学评价质量管理体系运行有效性并提出持续改进方向。

2.3.1 数字化产品实现研制流程

在数字化环境下，复杂装备实现通用研制流程如图4所示。

复杂装备的数字化研制流程大体上分为数字化设计和数字化制造两大过程，其中数字化设计阶段以最终形成数字化样机映射实物样机为目的，通过数字化产品定义、数字化样机详细设计、数字化产品装配和数字化虚拟仿真试验，利用并行设计，反复进行数值模拟仿真，对数字化样机设计反复进行迭代修改，直至最终成型，发布数字化样机模型；数字化制造阶段主要分为数字化工艺规划和数字化制造两个主要过程，直至最终生产出实物，并对产品进行实物验证。必要时，还可能会对数字化样机模型提出设计更改要求。

在概念设计、初始设计、详细设计、工艺设计、虚拟验证、制造加工和实物验证的主流程的基础上，对数字化设计和数字化制造阶段流程进行进一步的细化说明。在数字化详细设计阶段，借助数字化研制平台和单一产品数据源，可以很方便地实现产品的通用质量特性之间及与产品功能性能的协同设计，借助计算机设计和仿真技术，可以并行设计和开发数字化样机模型，通过网络数据传输，可以很快地实现虚拟验证和设计更改，大大缩短了装备的研制周期。

图2 数字化环境下的质量管控模式图

2.3.2 数字化设计阶段的质量管理和控制流程

在明确数字化产品设计流程的基础上，应建立以“质量特性和流程规范”为核心的数字化设计质量管理和控制流程。通过将质量管理融入装备项目管理，分别面向管理与执行层面，实施刚性和柔性管控。对刚性过程的质量管控，其项目的转阶段环节及对应的数据包是其主要的控制对象，控制手段包括审核、评审、仿真、验证等；对于柔性过程，应提供合适的顶层标准、质量标准和质量约束作为牵引，借鉴设计准则等质量知识和历史典型案例吸取经验教训进行自查自检，从设计源头开展正向设计，实现质量预防。建议的具体工作流程如下：

①采取创建工作分解结构（WBS），开展质量策划，通过需求分析将项目分解为较小的、更易于管理的工作包并规整出典型的通用研发工作包；②将复杂装备的指标要求形成指标树，协同考虑机、电、热、磁等设计要求，同时还需协同开展通用质量特性设计，确定关键件、重要件、关键质量特性以及各工作包的输入输出、约束和支撑条件并落实到相关的工作包；③梳理顶层制度、规范和标准，总结设计准则和经验教训，并建立其与研发工作包的关联；④从方案论证、初步设计、详细设计到设计定型，进行质量策划及工作分解，确定里程碑节点，实现产品研制的顶层策划及工作分解；⑤抽取WBS中的质量控制要素，从需求分析、设计策划、设计评审、设计验证、技术状态管理、转阶段管理等方面形成质量策划，并落实到研制工作包中；⑥在每一阶段关键节点作为质量管理关键控制点；⑦针对产品研制活动的状态和结果，提出质量要求；⑧将WBS底层的所有工作逐层向上汇总，在该质量管控点上，对工作包的交付质量进行把控，并在转阶段时参照质量要求提交评审报告，通过后方可进入下一阶段；⑨工作包进行交付时，依照顶层要求、交付质量标准和要求，检查、评估交付物的符合性及其所应达到的指标，必要时可开展设计复核复算；⑩如果检查、评审发现问题是，应开展专项的质量检查活动；11○对项目管理质量管理情况定期进行总结。

针对具体的每个工作包，依据质量控制计划，按照各工作包质量要求，采用设计评审的方式，对工作包的指标和质量的符合性进行评估，如果出现不符合现象，则采取问题闭环跟踪，直至闭环归零。只有通过设计评审的工作包才能转入下一阶段。当每个工作包的质量得以控制，研发设计过程的质量便也得到了控制。具体设计阶段任务分解如图5所示。

图3 质量管理信息系统架构

图4 数字化环境下产品实现流程图

图5 数字化环境下设计阶段流程分解

具体地，针对数字化设计阶段质量控制流程如图6所示。

在整个数字化设计过程中，将项目管理活动，如编码管理、活动项管理、样机和三维模型管理等模块嵌入数字化设计流程中，结合数字化环境特点，采用基于PDM的质量管控技术，如产品生命周期管理（数字化设计阶段）、产品结构、配置和数据管理、变更管理、数据的预发放控制、数据安全管理、产品技术状态管理、可视化管理、集成开发接口等，对数字化设计流程实施质量监控，总体上采取计算机自动判别为主、人工设计评审为辅的方式保证最终的设计质量。

首先，房地产开发企业的经营产品具有着非标准性特点。具体一些解释，由于各个楼盘的所处地理位置与开发核心都有所不同，因此导致楼盘的整体风格也有着很大差异。房地产开发项目前需要展开综合考量，其中包括开发区域的经济发展水平、人文环境、居住需求等，有针对性的完成设计方案。

数字化制造流程通常分为“三维到工艺”、“三维到现场”、“三维到设备”三个阶段，包括：数字化设计工艺协同、三维设计文件的使用及管理、工艺规划（含工装设计）、数字化生产、数字化检验共五个环节。其质量管理和控制通用流程图如图7所示。

在数字化研制环境下，研制的过程需关注的质量特性发生了变化，其质量控制应重点从两方面着手进行控制：一是建立约束数字化产品研制行为的规范，使产品研制一开始就在数字化标准和规范条件下进行；二是对产品研制过程和结果进行控制，设定流程和要求，对过程进行检查/审查。在质量管理过程中，需按照质量计划、质量控制、质量保证和质量改进四个方面对产品研制过程和结果进行控制，并针对数字化研制环境特点，对原有质量管控体系进行修订或适当地增减，形成数字化环境下产品研制质量管控标准体系，作为质量管理和控制工作的输入之一。

ICP-MS法同时测定益中生血片中12种微量元素的含量…………………………………………………… 高连丛等（22）：3088

图6 数字化设计质量控制流程

图7 数字化制造一般流程

因此，数字化环境下的质量管控标准体系主要包括：

2.4.1 数字化质量计划

数字化质量计划即产品数字化质量保证计划。数字化质量保证大纲是实施装备质量保证工作的纲领性文件，数字化质量保证计划主要是需形成数字化的质量保证大纲，在此基础上，进一步以数字化、表单化形式对有关质量活动的开展、过程实现、职责落实、记录活动制定更为详细的管理程序和要求。该部分标准重点反映装备数字化生产管理、资源管理、项目管理以及质量控制管理等方面标准需求。

2.4.2 数字化质量控制标准

数字化质量控制标准包括数字化质量体系管理标准和数字化产品实现过程质量控制标准两类。

数字化质量体系管理标准包括一些数字化质量管理体系运行的工作标准，如数字化质量评审和审签标准、数字化质量跟踪系统标准、数字化质量控制点设置标准、数据审核管理规定、质量数据收集规范、数字化产品归档规定、转阶段数据审查要求、设计更改及数据传输管理规定、数字化质量检测与监控标准、不合格品审理程序及要求以及数字化技术状态管理等标准。该部分重点反映适应数字化环境下的质量管理体系标准，因此需对原有的不适应新环境的标准进行适当地修订。

数字化产品实现过程质量控制标准按照产品实现的流程包括数字化设计质量控制标准、数字化工艺质量控制标准、数字化制造质量控制标准和供应商质量控制标准，其中数字化设计质量控制标准包括产品数字化定义标准、数字化设计分析、仿真与标准、预装配与数字样机标准等，包括建模与仿真、综合评价、设计知识管理、数字化协同设计等方面，这些标准大部分都需要重新进行修订或参照相关标准进行制订。目前，已编制和公开发布的行业标准有船舶设计CAD制图规则、飞机数字化预装配通用要求、飞机数字样机通用要求、兵器产品建模要求等40余项。

数字化工艺质量控制标准包括三维制图标注规定、产品数字化工艺定义技术规范、三维数字化工艺技术规范和三维数字化工艺设计与管理标准等。该部分标准重点反映从三维设计图纸到制造的转化过程所需要的技术规范和标准要求。

数字化制造质量控制标准包括数控加工与检测标准、数字化计量检测技术规范、数字化工序质量控制方法指南、数字化制造执行系统（MES）标准等。该部分重点反映数控加工及检测技术等方面的标准需求。已编制和公开发布的国家及行业标准有机床数控化改造通用技术要求、CAPP通用技术要求、航空产品数字化工艺设计通用要求、数控设备综合应用效率与测评、航天产品结构件数控加工工艺规范等10余项。因此，针对数字化环境下的制造质量控制标准可以借鉴相关标准重新加以制修订。

供应商质量控制标准包括对供应商提出数字化产品定义要求、数字化设计软件标准、数字化产品数据接口要求和数字化产品验收标准等。主要反映在数字化环境下对供应商质量管理方面的标准需求。

2.4.3 数字化质量改进标准

数字化质量改进标准包括数字化质量改进方法指南、数字化质量改进流程、数字化质量改进评价标准等，主要是反映数字化质量改进方面的标准需求，体现质量持续改进的思想。

2.4.4 数字化质量管理支撑环境标准

数字化质量管理支撑环境标准包括数字化环境相关标准和并行工程与协同工作环境相关标准。数字化环境相关标准包括应用平台构建标准、基础数据库标准、系统集成与接口标准、软件工程标准、计算机与网络标准、数字化信息安全技术标准等；并行工程与协同工作环境相关标准包括并行工程实施通用要求、并行工程标准化要求、并行工程实施规范、协同研制平台用户手册、协同平台数据预发放使用规范、协同平台数据正式发放使用规定和生产过程文件管理规定等。重点反映数字化平台建设、基础数据库建设、基础信息化建设以及并行工程与协同工作环境等方面标准需求。已编制和公开发布的国家及行业标准有软件配置管理、嵌入式计算机实时操作系统通用规范、CAD软件与生产设计系统数据接口要求等数项。

数字化设计和制造标准规范是数字化设计制造技术的基础，也是数字化研制质量控制的载体和关注点。因此，应及时将用户的需求转换成质量控制要求融入数字化研制标准规范和数字化研制流程，构建更为完善的数字化研制过程的质量控制标准体系。

数字化质量管理工具包主要为现代质量工程提供相关计算机辅助工具，主要包括新老七种统计分析工具、故障模式、影响及危害性分析工具、统计过程控制与分析工具、仿真工具、试验设计工具、全过程质量管控工具。可用于数字化设计、数字化制造以及故障分析处理等阶段，进一步提高质量决策的准确性和科学性。目前这些质量管理工具大多可以通过软件实现，但还需要与质量信息系统很好地兼容，更好地利用各种质量与可靠性数据进行综合统计和分析，建立质量量化评价模型，实现量化的质量预测与智能决策。

本文以数字化研制环境为背景，研究建立了产品设计、制造过程的质量管控模式，结合复杂装备数字化研制模式的特点，研究数字化环境下质量管控的模式和方法，构建了覆盖复杂装备设计制造过程质量管控体系，从而进一步得出有效实施数字化管控的具体措施，为复杂装备的质量提升奠定了基础。

然而，复杂装备的质量管控模式在具体的实施过程中会存在各种各样的风险，应该如何去克服这些风险将是今后研究的重点和方向，以进一步完善复杂装备数字化管控模式架构体系的知识和内容。