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基于模塊體系的航空航天產(chǎn)品研發(fā)流程管理研究

來源:萬方數(shù)據(jù)

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所屬頻道:新聞中心

關鍵詞:航空航天 研發(fā)流程 Hobday

    1 研究背景

        復雜產(chǎn)品系統(tǒng)(complex product and system,COPS)是英國蘇賽克斯大學與布萊頓大學合辦的“復雜產(chǎn)品系統(tǒng)創(chuàng)新中心”等研究機構在20世紀90年代提出的新概念。隨后,Hobday、Karen Lee、Hansen和Rush、Hobday和Rush、Prencipe較為全面、系統(tǒng)地定義了復雜產(chǎn)品。Hobday借用了Woofward的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)分類方法,認為CoPS包括大型電信通訊系統(tǒng)、大型計算機、電力網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、大型船舶、空中交通管制系統(tǒng)、飛機引擎、銀行自動處理系統(tǒng)、散裝貨輪、化工廠、廣域網(wǎng)、空間站和水源供應系統(tǒng)等。國內(nèi)楊志剛、陳勁等學者也對CoPS進行分析,總結出復雜產(chǎn)品具有高成本、技術密集、創(chuàng)新過程中政府介入、創(chuàng)新生命周期較長和市場壟斷程度高等特征。


        航空航天類產(chǎn)品屬于典型的復雜產(chǎn)品系統(tǒng),同時由復雜產(chǎn)品的特征表現(xiàn)出其研發(fā)流程管理的重要性。本文主要針對我國航空航天企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)流程管理進行研究,從理論和實踐兩個方面進行分析,通過走訪國內(nèi)知名大型航空航天企業(yè)的研發(fā)部門,總結歸納出我國航空航天企業(yè)復雜產(chǎn)品研發(fā)管理現(xiàn)狀及特征。


    2 復雜產(chǎn)品研發(fā)管理理論回顧


        有關復雜產(chǎn)品研發(fā)流程的設計,國外學者的研究主要集中在模塊化設計和系統(tǒng)集成方面。復雜產(chǎn)品系統(tǒng)是一個由多個子系統(tǒng)組成的產(chǎn)品體系,復雜產(chǎn)品系統(tǒng)集成制造商在獲取訂單之后,需要進行任務的分解,即模塊劃分。模塊劃分的標準基本有兩類:一類是根據(jù)系統(tǒng)功能所對應的適宜技術類別;第二類則是按照所需滿足的功能特征進行劃分,其中也包括戰(zhàn)略目標的劃分類型。


        考慮到復雜產(chǎn)品的技術構成復雜和多樣,其研發(fā)體系也應具有隨時間變化的開放性特點,以保證復雜產(chǎn)品系統(tǒng)適應各模塊所涉及的技術類型的變化。此類開放性包括各構成模塊組件和相應的技術研發(fā)時所對應的技術資源橫向開放,以及復雜產(chǎn)品系統(tǒng)集成時模塊開發(fā)商與系統(tǒng)集成商進行交流的縱向開放,例如Shenhar的研究所涉及的模塊開發(fā)商與系統(tǒng)集成商頻繁交流的必要機制。


        從研究與開發(fā)的流程考慮,雖然模塊技術開發(fā)可以遵循傳統(tǒng)的“研究一開發(fā)一試制”流程,但復雜產(chǎn)品系統(tǒng)集成的流程則存在特別的管理和核心能力開發(fā)的問題。


        根據(jù)國內(nèi)外學術界對復雜產(chǎn)品系統(tǒng)研發(fā)過程的研究,復雜產(chǎn)品研發(fā)主要遵循“產(chǎn)品技術思想—任務分解—外包選擇—模塊開發(fā)—集成協(xié)調(diào)—交付用戶—跟蹤完善”這一過程展開。因此,復雜產(chǎn)品系統(tǒng)設計與模塊化創(chuàng)新的管理策略集中在統(tǒng)一的產(chǎn)品定義與技術標準、模塊化開發(fā)網(wǎng)絡、界面管理協(xié)調(diào)、并行開發(fā)和綜合戰(zhàn)略控制等幾個環(huán)節(jié)方面。


        美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)的學術報告、AD報告和AIAA報告中顯示的相關產(chǎn)品研發(fā)流程設計就突出反映了系統(tǒng)集成和部件設計與開發(fā)之間的關系。AD報告建立了系統(tǒng)集成的模型DNDAF,分析組織中與產(chǎn)品生命周期相關的各系統(tǒng)集成;另外,AD報告提出了制造系統(tǒng)研發(fā)集成設計框架。


    3 我國航空航天企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)流程模型


        我國航空航天產(chǎn)業(yè)屬于國家重要戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)部門,研究與開發(fā)機構與生產(chǎn)部門的關系相對密切,同時又具有各自的技術優(yōu)勢,共同組成研發(fā)流程中的重要環(huán)節(jié)。因此,研發(fā)流程不僅需要支撐研究所進行合作研發(fā),而且需要為生產(chǎn)單位提供特定的優(yōu)勢參與研發(fā)和試制,比如大型航空發(fā)動機生產(chǎn)商需要與國家航空發(fā)動機研究所進行研發(fā)和生產(chǎn)的合作。


        結合針對國際上典型復雜產(chǎn)品體系研究與開發(fā)過程的研究工作,并根據(jù)筆者對國內(nèi)大型航空航天企業(yè)的走訪調(diào)研,本文提出以復雜產(chǎn)品體系為特征、以模塊化體系為代表的航空航天復雜產(chǎn)品體系研發(fā)流程模型,如圖1所示。

    圖1 航空航天復雜產(chǎn)品體系研發(fā)流程模型

        由圖1可見,該產(chǎn)品開發(fā)體系具有模塊化產(chǎn)品開發(fā)的特征,主要表現(xiàn)在研發(fā)體系的有限開放性,以此擴充研發(fā)過程中的技術資源信息量,特別是在工程試制流程中和系統(tǒng)集成流程中引入外部技術資源。提高研發(fā)效率;同時,該體系又具有集成過程的戰(zhàn)略效應,表現(xiàn)在根據(jù)一定的戰(zhàn)略技術資源控制準則決定模塊產(chǎn)品的分解原則,并且通過工程質(zhì)量控制效應和最終的體系協(xié)調(diào)控制效應來控制和管理外部技術資源。


        綜合來看,此模型不同于普通復雜型模塊化產(chǎn)品的研發(fā)過程,除了強調(diào)其一定程度的開放性之外,其特點在于:①根據(jù)航空航天類產(chǎn)品的特殊性建立,其中戰(zhàn)略技術資源控制、工程質(zhì)量控制和體系協(xié)調(diào)控制三個控制端具有更高級別的控制和管理作用;②模塊化原則穿插在研發(fā)步驟中;③每個環(huán)節(jié)具有可重復性,通過研發(fā)流程中內(nèi)嵌的反饋和改善功能提高質(zhì)量和效率;④此過程是研發(fā)、試驗和制造的統(tǒng)一,客觀上囊括了研究與開發(fā)機構和生產(chǎn)機構中具有研發(fā)職能的部分。


        對圖1的具體解釋是:


        (1)整體研究與開發(fā)流程共有6個階段(表現(xiàn)于橫向流程)。其中,第一和第五階段以及第四階段的某些部分是開放型階段。第一階段可在科學思想和設計思想方面與外部技術資源形成合作,借以吸收更為先進的技術理念和設計原則。而在第四、第五階段,在戰(zhàn)略技術資源控制原則的模塊化框架業(yè)已形成的基礎上,吸收外部技術資源實現(xiàn)特定模塊的制造過程,通過邊界條件和系統(tǒng)集成原則控制外部技術資源的產(chǎn)出質(zhì)量。第六階段則反映系統(tǒng)集成的最終階段,完成特定研發(fā)項目的戰(zhàn)略層和技術層面的目標要求。


        (2)封閉型運行階段包括第二、第三、第四和第六階段。其中,第二階段涉及服從于戰(zhàn)略性技術資源控制原則的模塊化產(chǎn)品體系的設計準則,即分解原則,并在第三階段貫徹于產(chǎn)品設計過程,同時還應在工程技術層面把握這一模塊化產(chǎn)品體系的工程質(zhì)量及其可靠性規(guī)律,以期在外包的工程制造模塊部分具有足夠有效的可控輸出參數(shù)。


        (3)縱向來看,存在四個層面的運行體系。第一層面是外部技術資源層面,只在第一階段、部分第四階段和第五階段具有合作機會。值得指出的是,作為特定的研究與開發(fā)機構,所謂外部技術資源層面設施,可以理解為組織外部,也可以理解為組織內(nèi)部的其他部門。第二層面是本體研究與開發(fā)機構及其平臺設施,主要的研究與開發(fā)流程是在此平臺上完成,是研發(fā)流程的主要載體。第三層面則是反映組織戰(zhàn)略層和技術層的頂層機構,與組織的戰(zhàn)略與技術目標相關。第四層面則屬于項目的購買方(通常意義的廣義客戶),決定最終的實質(zhì)性生產(chǎn)。


        我們對照國際國內(nèi)主要航空航天研究與開發(fā)項目流程特點,總結本流程模型的具體內(nèi)容,如下。


        1)研發(fā)目標設計。


        目前國際國內(nèi)航空航天企業(yè)研發(fā)目標來源主要有以下方面:


        (1)廣義客戶需求驅(qū)動。航空航天企業(yè)研發(fā)項目所針對的客戶既包含一般市場意義的客戶,也包含反映政府部門長遠戰(zhàn)略目標的需求意義上的客戶,最終表現(xiàn)為特定國家戰(zhàn)略性市場的需求,因此定義為廣義客戶需求。廣義客戶需求類型將塑造長遠期市場份額,不僅僅以當前市場效益為基準考慮產(chǎn)品產(chǎn)出特性。


        (2)企業(yè)長遠期技術資源發(fā)展戰(zhàn)略驅(qū)動。企業(yè)根據(jù)自身技術基礎與優(yōu)勢,瞄準特定產(chǎn)品的長遠期國際競爭市場而確定研發(fā)目標,一般可以分為三種情況:①從未開展研發(fā)的技術領域;②持續(xù)研究但尚未取得理想結果的技術領域;③已經(jīng)取得重要的技術突破,當前目標是提高生產(chǎn)過程質(zhì)量與效率或通過研發(fā)最終逾越某種技術障礙的領域。


        在上述基礎上,一般還需要根據(jù)美國航空航天局(NASA)技術成熟度的分級或其他技術成熟度的計算方法以及關鍵技術選擇的相關定量方法進一步驗證研發(fā)目標的合理性。


        2)戰(zhàn)略層設計。


        戰(zhàn)略層設計主要應關注本企業(yè)核心技術資源增長和控制目標,即在本企業(yè)核心技術資源認定的基礎上決定需要掌控的技術資源類型,以便為本企業(yè)未來的技術資源優(yōu)勢提供必要的增長空間。而根據(jù)模塊化產(chǎn)品體系的設計原則,構成研發(fā)目標的產(chǎn)品體系的具體模塊可以通過產(chǎn)品功能規(guī)律來分割,也可以根據(jù)戰(zhàn)略技術資源控制原則來分割。當研發(fā)目標產(chǎn)品的戰(zhàn)略性目標突出時,則此戰(zhàn)略層面重要性增加,主要通過以下方面反映:①確定對本企業(yè)核心技術、核心競爭力發(fā)展具有正面重要影響的技術領域;②確定對競爭對手具有重要負面影響的技術領域;③確定在合作體中具有重要引領作用的技術領域;④確定具有長遠期技術發(fā)展?jié)摿Φ募夹g領域,等等。


        目前在我國航空航天企業(yè)的研究與開發(fā)管理過程中,也有類似的反映。例如,根據(jù)筆者的相關調(diào)查,下列方面與企業(yè)研發(fā)關鍵技術的選取密切相關:


        (1)關鍵技術的企業(yè)開發(fā)條件。包括:①研發(fā)人員——技術設計的專業(yè)體系是否與項目吻合;②研發(fā)設備——企業(yè)設備的加工能力是否達到精度要求;③資金——獲批資金是否足夠完成任務。


        (2)合作單位選擇條件。預測本企業(yè)在特定研發(fā)項目中的技術條件弱項,據(jù)此尋求合適的合作組織合作完成項目。


        (3)新產(chǎn)品方案設計主要由客戶(使用方)確定,但客戶還需向國家相關部門提交報告申請,由相關部門組織專家論證評審,之后正式立項,客戶在此階段全程參與。


        3)戰(zhàn)略層與技術層的融合設計及工程技術層設計。


        戰(zhàn)略層解決的是技術資源的控制和發(fā)展技術資源的競爭潛力,以便為實現(xiàn)更為重要的戰(zhàn)略任務打下基礎。但戰(zhàn)略層的框架原則需要通過技術層面的運行規(guī)律來貫徹,因此,航空航天產(chǎn)品研發(fā)流程中必須有戰(zhàn)略層與技術層相互融合的部分。


        通過針對企業(yè)研發(fā)過程的凋研,可以總結出,此類融合機制主要由研發(fā)組織中的設計部門的構造來完成:


        (1)由設計部門的總體設計室制定產(chǎn)品設計總體方案,組織專家評審,確定總體方案,此類過程將產(chǎn)品研發(fā)的技術資源的戰(zhàn)略性與可實施性有機相連。


        (2)由設計部門各個專業(yè)設計室根據(jù)總方案設計次級體系的可行性方案,再次組織專家評審,此類過程類似模塊化的運行機制。但有區(qū)別的是,模塊化的產(chǎn)品體系在戰(zhàn)略層已經(jīng)基本劃分,并且劃分反映公司的競爭戰(zhàn)略需求,而在戰(zhàn)略層與技術層融合機制層面實際只是通過技術運行規(guī)律來貫徹模塊化步驟。


        (3)次級體系評審通過后進行的設計,則反映工程技術層面的設計,可制作深入到本模型的工程技術層面,例如生成功能化圖紙,并進行第三次專家評審。


        (4)值得注意的是,在針對次級體系的工程技術層面的設計和開發(fā)過程中,合作模式也同時建立,這對模塊化產(chǎn)品的研發(fā)流程而言十分重要。因此,在此工程技術層面的設計就需要引入研發(fā)合作的設計,在進行功能化圖紙的設計同時須詳細定義系統(tǒng)集成與分解的界面以及接口的標準。航空航天企業(yè)的模塊化設計一般應是集成程度較高的系統(tǒng)外包體制,外包模塊部分的技術資源相對獨立,體現(xiàn)系統(tǒng)的某個或者某些功能需求,這樣的模塊劃分也便于與用戶的直接溝通。


        (5)工程技術層面設計通過評審后,生成功能化工程圖紙,三方(客戶、承接方、合作方)會簽后,標志著此階段的完成。


        可以看出,此階段在研發(fā)流程中覆蓋面廣,前后環(huán)節(jié)相關性強,特別在工程技術層面的設計過程中,用戶和合作方會全程參與,也便于開展成本及風險的評估。

     4)工程試制和系統(tǒng)集成。


        模塊系統(tǒng)的工程試制和系統(tǒng)集成是研發(fā)流程取得成果的最為重要的兩個互為補充的環(huán)節(jié)。其中,模塊系統(tǒng)的工程試制屬于開放性的環(huán)節(jié),可以引入企業(yè)外部技術資源制造某些模塊部分,而系統(tǒng)集成環(huán)節(jié)則是體現(xiàn)本研發(fā)流程成果的最終階段,一般屬于封閉性運行領域,最終完成原型產(chǎn)品制造。


        現(xiàn)實的研發(fā)流程末端,主要體現(xiàn)為工程技術層面向生產(chǎn)試制層面的轉換,如:


        ①企業(yè)和合作單位技術部門接到工程圖紙后,首先進行工藝分析,查看當前的技術設備和人員等是否滿足相關生產(chǎn)要求,并把分析結果反饋至設計部門。


        ②設計部門根據(jù)該結果對圖紙進行相關修改,并生成最終指導生產(chǎn)的生產(chǎn)運行圖紙,然后,技術部的總工藝師制定工藝方案,工藝處完成流水分工,生成零級網(wǎng)絡圖。零級網(wǎng)絡圖即表現(xiàn)各個零部件完成的時間節(jié)點要求。


        ③相關技術中心或制造部門以零級網(wǎng)絡圖為依據(jù),生成各自的一級網(wǎng)絡圖(各個部門完成各自工作的時間節(jié)點要求),并進行相關研究立項和設備改造;改造完成后,進行工藝準備,即工裝選擇、指定工藝路線和選擇工藝方法等。


        ④編制工藝規(guī)程,設計工裝圖紙,并對工裝、設備和外觀等進行檢查;待一切準備妥當,進入試制階段。


        ⑤各職能車間再根據(jù)零級和一級網(wǎng)絡圖以及各個時間節(jié)點的要求生成二級網(wǎng)絡圖(即職能車間完成各自生產(chǎn)任務的時間節(jié)點要求,如采購原材料、鑄造毛坯、熱處理、機加工和特種工藝處理等工作的時間點)。


        值得注意的是,通常此過程需要一個可循環(huán)的過程。合作單位負責的模塊交付企業(yè)后,進行組裝散件、整件實驗、部件實驗和整機實驗,如出現(xiàn)問題則需要反饋完善。這一可循環(huán)環(huán)節(jié)即反映為本模型的戰(zhàn)略與技術頂層的審核與評估,最終可能形成小范圍反饋(工程技術層面)與大范圍反饋(戰(zhàn)略層面)。


        同時,在現(xiàn)實研發(fā)體系中,研發(fā)產(chǎn)品原型產(chǎn)品制造完成后,需要組織專家進行評審,評審反映此階段客戶和合作方的系統(tǒng)產(chǎn)出效果,也反映此階段質(zhì)量水平和風險水平。在本模型中,表現(xiàn)為廣義客戶的評價流程。


        在實際研發(fā)體系中,由于航空航天產(chǎn)品的特殊性,因此對產(chǎn)品的評估通常包含:①性能驗證;②功能驗證;③壽命驗證。


        值得提出的是,如果在此階段出現(xiàn)問題,應返回至以前相應階段,實施針對圖紙或制造流程的改善和重復循環(huán),這類循環(huán)事實上導致研發(fā)周期延展,不利于研發(fā)過程戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)。而本文提出的基于模塊化原理的復雜產(chǎn)品開發(fā)體系,在設計和貫徹戰(zhàn).略層研發(fā)意圖時有機引入外部技術資源,形成準開放性的研發(fā)體系,有利于縮短技術創(chuàng)新周期。主要原因是,一旦相關模塊體系的功能、兼容性和對于產(chǎn)品總體的質(zhì)量貢獻達到要求,則以后的產(chǎn)品設計可以繼續(xù)在若干此類模塊基礎上開展,研發(fā)流程的不可預測程度大幅降低,整體耐風險水平和質(zhì)量水平提高,而產(chǎn)品總體新穎性也得到滿足。


    4 總結


        本文通過對航空航天企業(yè)研究與開發(fā)流程的理論和現(xiàn)實分析,結合復雜產(chǎn)品和模塊化產(chǎn)品研發(fā)過程的相關理論,提出我國航空航天復雜產(chǎn)品體系研發(fā)流程模型,并對諸階段分別加以詳述。研發(fā)管理的過程中的重要問題是將開放性的研究與開發(fā)體系(為提高研究與開發(fā)過程的效率)與企業(yè)技術資源戰(zhàn)略目標有機統(tǒng)一。本文通過詳細分析典型環(huán)節(jié)的功能作用和管理要點,對建設開放型航空航天研發(fā)體系提出相應的流程模型,提供一種研發(fā)機制,目的是建立適合我國國情的航空航天企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)流程,增強我國航空航天企業(yè)的核心競爭力,促進航空航天事業(yè)的發(fā)展。


    (審核編輯: 智匯小新)

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