從國外模塊化的產業模式看航天企業創新之路

◎中國運載火箭技術研究院總體設計部 劉靖東

很多人都認為總裝是飛機制造的核心技術，制造商通常會把總裝技術留在公司內部，但其實總裝在飛機眾多技術中只占很小的比例。空客A320型飛機的總裝線只有機身、機翼、發動機和起落架，分為總裝、噴漆、調試和試飛4個部分，空客把這四大件運到位于天津的總裝廠，由中方拼裝后噴漆就可以了，創造的價值不超過整機價值的2%。

另一個典型的例子是SpaceX公司，其通過火箭部件的標準化和通用化，力求箭體結構、導航控制、發動機等在不同型號上的通用；同時，大量使用成熟技術和設備，縮短供應鏈，盡力做到子系統自己設計生產，從而大幅度降低了產品成本。“獵鷹”9運載火箭的發射費用為每枚5400萬美元，極具市場競爭力。

那么是什么讓空客把看似核心的系統集成、總裝測試任務做到了低技術含量？又是什么讓SpaceX公司把系統復雜、價格昂貴的飛行器研制做到了物美價廉？這背后的根源就是模塊化，一種按照一定規則將復雜系統或過程分解為可進行獨立設計的半自律性子系統，并按照某種規則將獨立設計的子系統集成起來，構成更加復雜的系統或過程的方法。

一、模塊化的基本概念

模塊化理論可以追溯到20世紀五六十年代，源于工廠加工制造過程，隨著市場變化的加劇和產品復雜性的增強，模塊化的應用范圍不斷拓寬，目前已涉及設計、生產和組織架構等方面。

1.設計模塊化

模塊系統的正常運轉依賴設計規則、獨立實驗和模塊測試。設計規則確立了模塊結構、界面和測試協議；獨立實驗是為了尋找到設計所蘊含的可能性，產生眾多備選方案；模塊測試則是作為一種選擇機制，利用現有的測試技術對各種設計進行評估和選擇。

不同模塊之間的相互關系由系統設計規則界定，其由結構、界面、標準3個要素組成。結構確定模塊系統的構成要素，界面詳細規定模塊的相互作用、位置安排、信息交換等，標準用來確保模塊符合設計規則。設計規則一旦確定，每個模塊的設計和改進就可以獨立于其它模塊進行。

2.生產模塊化

生產模塊化的核心是基于分工和專業化協作把生產過程或產品構件進行分解，再通過相互協作生產復雜產品的過程。生產模塊化分為組件共享、互換、量體裁衣、混合、總線和組合6種方式。

3.組織模塊化

為了降低成本，以更優化的方式設計、制造模塊，企業圍繞產品或功能的模塊化進行部門或分公司的模塊化，并通過外包、代工等活動結成企業聯盟。

根據模塊之間信息傳遞方式的不同，模塊組織模式分為金字塔型（IBM型）、信息同化型（豐田型）和信息異化型（硅谷型）3種。

隨著多個企業層面組織模塊化的實現，使模塊產品或模塊組織兼容、嵌入到其它企業的產品或組織成為可能，從而引發了相關企業的跨產業重組，導致產業集群盛行，最終出現了產業模塊化。早期歐美航空航天產品研制幾乎都是在整機企業內部或下屬企業進行生產，一級、二級甚至三級、四級零部件企業都屬于整機企業的一部分。但隨著整機企業邊界不斷擴大，企業內部組織成本遞增，整機企業把零部件業務轉包出去，集中力量進行整機設計研發和最后組裝等環節。

二、對我國航天型號研制的啟示

航天型號系統構成復雜、產品層次復雜、專業技術復雜，多采用集合式生產，追求從設計到生產的大而全的過程，將資源分散于各個環節。管理工作以“型號”為中心，模式復雜、環節眾多、協調復雜。面對當前型號日益增多、技術日益多樣、生產日益復雜、任務日益繁重的現實，部分航天企業核心能力不足的問題逐漸顯現。模塊化理論以系統工程和標準化為方法論基礎，為新時期航天型號研制指明了方向。

1.逐級細化模塊，強化規則管控

模塊化理論要求集成商重點關注模塊界面劃分、設計規則、集成驗證規則的制定，弱化對模塊內部技術細節的掌控。

因此，航天型號研制應在當前系統分解的基礎上進行更為精細的模塊分解，逐級、逐層細化至有效、可控、優化的模塊層級，明確每個模塊層級的設計和測試規則，特別是性能類、環境類、幾何類接口信息。需要指出的是，模塊細分程度不同，系統集成商獲取系統信息、制定設計規則的難度也不同，集成測試的成本也不同，因此不能一味地強調模塊分解而掉入模塊化的“陷阱”。

2.加強獨立測試，注重集成驗證

模塊化理論認為模塊化的不完整、不完善問題往往是在相關模塊集中在一起，并作為整體功能失常時才會暴露出來。模塊集成商必須具有足夠的控制力或掌握各個模塊的技術總和，才能有效地控制各個模塊，集成商的控制力主要體現在設計規則和集成測試。

因此，航天型號研制要加強模塊集成商，尤其是型號總體單位的總體設計和集成驗證能力，特別是對系統的結構、界面、標準的設計和驗證，著力加強總體設計環節的分析、建模、仿真、評估等能力，強化系統集成環節的仿真驗證和試驗驗證能力，確保設計規則的完備性、準確性，確保總體性能優化。

3.以模塊為對象進行全要素管理

模塊化理論要求企業將組織機構、人員配置、資源配備、業務流程等相關職權按照模塊單元進行分配，通過權力分配與模塊封裝形成包括主導模塊、職能模塊、經營模塊等在內的職權模塊，以達到權力下放并最終調動員工積極性的目的。

因此，航天型號研制需改變當前以行政指令為主的管控模式，通過市場交易、內部市場等方式逐步建立以產品模塊、技術模塊為對象，涵蓋計劃、經費、質量、人員等要素的一體化管控模式。

4.引入模塊競爭，擴大集成空間

模塊化理論強調模塊供應商獨立、自發地進行創新活動，同一個模塊可有多個參與者，供應商和集成商之間要通過市場選擇確定最終的系統組合，以確保模塊研制性能、進度、成本最優，在將系統風險分解到各模塊的同時，保證了系統整體創新速度。

因此，航天型號研制應更多地引入模塊供應商，也就是更多地在分系統、單機、組件、元器件研制層面引入競爭機制，確保模塊的充分競爭和有效演進，擴大總體、系統的有效選擇空間。

5.同類專業聚集，提升核心能力

模塊化理論認為，模塊化設計與生產最終將導致組織的模塊化。對于復雜產品企業而言，不論金字塔型、信息同化型還是信息異化型組織模式，都能夠有效發展企業核心能力、降低技術風險、減少研制成本、縮短開發周期。

當前，航天型號研制形成了越來越清晰的專業層次界面。按照模塊化發展趨勢，專業廠所專注于分系統、單機技術開發和產品開發，建立完善的分系統、單機仿真中心和實驗室，與生產部門整合，形成專業突出、技術先進、反應快捷、系列產品、批生產、成本低廉的專業類科研聯合體。總體單位專注于總體設計、系統設計與集成，負責總體類專業技術開發，在充分掌握分系統、單機成熟產品、成熟技術的基礎上進行總體和系統方案設計，建立完善的總體、系統仿真中心及實驗室，集成分系統、單機的數字模型進行總體和系統性能仿真，集成分系統、單機的實物產品進行總體和系統性能試驗驗證，與總裝總測聯系更加緊密，形成總體類科研聯合體。這些科研聯合體適應模塊化、專業化、協同化、并行化的發展趨勢，形成自由組合、專業互補、優勢互補、戰略結盟、反應快捷的網狀化科研體系。

三、對總體設計的啟示

中國運載火箭技術研究院總體設計部作為航天運輸與型號研制總體單位，技術層級多、專業領域多，應通過更為系統化的模塊分解、標準化的接口設計、通用化的模塊開發和組合化的模塊集成，形成航天型號研制技術平臺和產品系列，以滿足復雜、多變的研制需求。

首先，按照模塊化思路分解系統整體功能，把關系密切的功能要素聚合成獨立功能的模塊，逐層定義功能結構形式，通過合理組合、優化功能結構布局將系統整體功能需求逐層轉化為可實現、可測試的模塊設計要求，形成涵蓋體系、領域、型號、系統、關鍵單機甚至是零組件等在內的模塊化技術系統、產品體系架構，并明確不同層級的技術和產品平臺。

其次，詳細定義接口系統和測試準則，確保包括機械、電氣、軟件以及人機、機環、人環等在內的各類物質、能量、信息共享接口線性可疊加，而不是非線性耦合；將接口作為一個系統進行管理，盡可能采用通用和標準接口，通過制定不同模塊層級詳細的測試內容和判據準則避免過度測試，確保以最少測試量實現模塊測試的覆蓋性和集成測試的有效性。接口定義應力求強內聚、弱耦合，使模塊內部功能、結構復雜，但對外輸入、輸出簡單。系統應將下級模塊作為黑箱，主要考慮模塊功能分解和外部接口，而基本不涉及內部具體結構。

最后，將設計資源按照模塊體系進行整合，將標準規范、產品模型、基本數據、設計知識等技術資源進行歸集，形成基于不同層級與專業的模塊化技術平臺，統一技術要素, 高起點開展設計工作，減少低層次、低水平重復勞動，促進技術共享，形成快速技術開發能力。

當前，在傳統的資源配置方式、企業競爭模式和產業組織結構發生重大改變的同時，無論是專業廠所，還是總體設計單位，都應抓住航天科技工業快速發展帶來的前所未有的機遇和挑戰，重新評估企業和產品技術的價值鏈，審視產品結構和技術體系，找出優勢環節，重新定位核心能力，進行資源重組和體制創新，以確保在市場競爭中占據優勢。