并行工程在商用飛機(jī)研制中的應(yīng)用

李海濤 ∕

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

并行工程在商用飛機(jī)研制中的應(yīng)用

李海濤 ∕

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

介紹了并行工程的定義及國(guó)內(nèi)外并行工程的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了商用飛機(jī)全壽命周期的費(fèi)用。結(jié)合商用飛機(jī)研制特點(diǎn)，研究了基于成熟度定義的并行工程方法。通過(guò)并行工程的應(yīng)用，縮短研制周期，降低研制費(fèi)用。

并行工程；商用飛機(jī)研制；成熟度

0 引言

商用飛機(jī)是一種特殊產(chǎn)品，每個(gè)飛機(jī)的研制都是復(fù)雜的、多元文化的、學(xué)習(xí)曲線(xiàn)效應(yīng)明顯的龐大的系統(tǒng)工程，具有規(guī)模大、周期長(zhǎng)、投資強(qiáng)度大、見(jiàn)效慢等特點(diǎn)，不僅承受著較高的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，還承受著較高的商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。縮短研制周期、降低研制成本對(duì)于飛機(jī)制造商來(lái)說(shuō)，是商用飛機(jī)取得商業(yè)成功的關(guān)鍵要素之一，所以通過(guò)使用科學(xué)的方法和管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)使用更少經(jīng)費(fèi)和更短周期研發(fā)出質(zhì)量?jī)?yōu)越的商用飛機(jī)成為各飛機(jī)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的共同目標(biāo)，并行工程的開(kāi)展是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑之一。

1 基本定義

1.1 并行工程的定義

并行工程是一種系統(tǒng)工程方法，用來(lái)對(duì)一系列相互關(guān)聯(lián)的飛機(jī)部件進(jìn)行綜合的和平行的設(shè)計(jì)、分析和計(jì)劃，并建立這些部件的配套工裝設(shè)計(jì)和數(shù)字控制的程序。并行工程的重要基礎(chǔ)是通用的數(shù)據(jù)庫(kù)，所有參與飛機(jī)研制的相關(guān)人員均可以向數(shù)據(jù)庫(kù)輸入數(shù)據(jù)，持續(xù)更新數(shù)據(jù)并共享數(shù)據(jù)。該通用數(shù)據(jù)庫(kù)不僅用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的研制，還應(yīng)包括制造方案、設(shè)施和工裝夾具的并行研制[1]，并行工程方法就是代表著多職能聯(lián)合工作團(tuán)隊(duì)中人與人之間不停地交換著具備依賴(lài)關(guān)系的信息流，是加快飛機(jī)研制速度的一個(gè)重要方法。并行工程原理如圖1所示。

1.2 基于商用飛機(jī)全壽命周期費(fèi)用(LCC)的分析

商用飛機(jī)全壽命周期費(fèi)用是指飛機(jī)從研發(fā)—生產(chǎn)—使用—退役處理全壽命周期各個(gè)階段所發(fā)生的所有費(fèi)用總和。民機(jī)研制一般分為方案論證階段、初步設(shè)計(jì)階段、詳細(xì)設(shè)計(jì)與試制階段、生產(chǎn)階段、使用保障階段及退役處理階段等。

方案論證階段重點(diǎn)工作是根據(jù)市場(chǎng)需求及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)確定商用飛機(jī)的定位，初步確定飛機(jī)需具備哪行功能和性能，初步給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

初步設(shè)計(jì)階段，根據(jù)選定產(chǎn)品的定位，開(kāi)展方案設(shè)計(jì)，權(quán)衡、分析、細(xì)化各項(xiàng)指標(biāo)，并對(duì)指標(biāo)進(jìn)行分解，給出飛機(jī)各系統(tǒng)/子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)指標(biāo)，如重量、布置布局、接口定義等。該階段雖然實(shí)際花費(fèi)的費(fèi)用不多，但是該階段工作對(duì)產(chǎn)品全壽命周期費(fèi)用的影響程度最大，它決定了85%左右的全壽命周期費(fèi)用，因此，在該階段一定要充分做好方案的分析論證工作和經(jīng)濟(jì)性分析工作，合理制定各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

詳細(xì)設(shè)計(jì)與試制階段主要包括飛機(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)、試驗(yàn)機(jī)制造等工作。該階段是設(shè)計(jì)工作量最大、協(xié)調(diào)工作和問(wèn)題發(fā)現(xiàn)最多、設(shè)計(jì)費(fèi)用消費(fèi)最大的階段，是落實(shí)并行工程理念最重要的階段；在該階段中，設(shè)計(jì)結(jié)果將對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)、使用、維護(hù)等費(fèi)用產(chǎn)生重大影響。

方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)與試制階段三個(gè)階段所發(fā)生的費(fèi)用并不多，但是對(duì)飛機(jī)全壽命周期費(fèi)用起決定性作用，飛機(jī)的生產(chǎn)、使用和保障階段所使用的息息相關(guān)的圖紙(數(shù)模)、技術(shù)文件、各種要求、各種使用維護(hù)手冊(cè)等都是由設(shè)計(jì)階段確定的，因此，高度重視設(shè)計(jì)階段的各項(xiàng)工作，可以有效降低生產(chǎn)、使用等后續(xù)階段的成本。

從飛機(jī)全壽命周期費(fèi)用的角度分析，美國(guó)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究得出兩條重要的曲線(xiàn)：一條是武器系統(tǒng)發(fā)展各階段實(shí)際需求的經(jīng)費(fèi)占總經(jīng)費(fèi)的百分比曲線(xiàn)；另一條是各階段的決策對(duì)總經(jīng)費(fèi)影響的百分比曲線(xiàn)，此規(guī)律也可應(yīng)用于商用飛機(jī)的費(fèi)用分析，根據(jù)英國(guó)宇航公司的研究報(bào)告表明，一種產(chǎn)品的制造成本的85%將取決于該產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期所作的決策[2]。通過(guò)對(duì)商用飛機(jī)全生命周期費(fèi)用的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合飛機(jī)各個(gè)階段的主要工作內(nèi)容，制定了商用飛機(jī)的全生命周期費(fèi)用的影響評(píng)估，如圖2 所示。

通過(guò)對(duì)商用飛機(jī)全壽命周期費(fèi)用分布圖可以看出，研制階段工作對(duì)費(fèi)用的影響程度非常大，隨著時(shí)間的推移，設(shè)計(jì)靈活性的影響會(huì)很快降低。經(jīng)驗(yàn)表明，在飛機(jī)研制階段，飛機(jī)的總壽命周期單位成本很大程度上已經(jīng)確定了，所以研制階段合理的利用并行工程的目的是減少返工及設(shè)計(jì)更改的風(fēng)險(xiǎn)，繼而有效降低研制周期和研制成本，提高商用飛機(jī)獲得商業(yè)成功的機(jī)會(huì)。

2 國(guó)內(nèi)外商用飛機(jī)并行工程應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著工業(yè)的發(fā)展，并行工程理論已經(jīng)很成熟，并在實(shí)用化方向有了很好的發(fā)展，航空、航天、電子、汽車(chē)、機(jī)械等很多領(lǐng)域已經(jīng)通過(guò)實(shí)施并行工程取得了顯著效益。

美國(guó)洛克希德導(dǎo)彈與空間公司研制“戰(zhàn)區(qū)高空領(lǐng)域防御”的新型導(dǎo)彈，通過(guò)采用并行工程，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期縮短了60%，從原計(jì)劃5年縮短為2年完成。美國(guó)波音公司在B777大型民用客機(jī)的研制中，運(yùn)用并行工程的方法，減少了50%以上的工程更改，與B767飛機(jī)相比，研制周期縮短了13個(gè)月，實(shí)現(xiàn)了5年內(nèi)從設(shè)計(jì)到試飛的一次性成功[3]。

國(guó)內(nèi)并行工程的研究起步晚，加上中國(guó)航空企業(yè)傳統(tǒng)的管理模式，偏向于串行式的職能化管理模式，實(shí)施并行工程的體制基礎(chǔ)不同，沒(méi)有形成適用于商用飛機(jī)全壽命周期的有效的并行工程應(yīng)用方法。但是國(guó)內(nèi)并行工程的應(yīng)用也取得一定的成果，例如西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)公司研制Y7改型飛機(jī)時(shí)，對(duì)于內(nèi)裝飾采用了設(shè)計(jì)制造并行，研制周期從1.5年縮短到1年，減少設(shè)計(jì)更改60%以上，降低產(chǎn)品研制成本20%以上；同時(shí)進(jìn)行的垂尾尾翼轉(zhuǎn)包生產(chǎn)，采用并行工程，生產(chǎn)周期縮短3個(gè)月，節(jié)約工裝引進(jìn)費(fèi)用約370萬(wàn)美元，工藝設(shè)計(jì)效率提高了1.5倍。

3 基于成熟度定義的并行工程應(yīng)用

現(xiàn)代飛機(jī)制造商大多都是基于主制造商-供應(yīng)商模式開(kāi)展飛機(jī)設(shè)計(jì)的，形成多廠(chǎng)所、跨地區(qū)進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)制造，必然造成相互之間協(xié)調(diào)工作復(fù)雜，相互傳遞數(shù)據(jù)量大，大大增加研制周期和成本。而通過(guò)傳統(tǒng)的飛機(jī)設(shè)計(jì)流程更加會(huì)加大飛機(jī)研制周期，通過(guò)并行工程的實(shí)施可以起到縮短周期的作用，例如，初期圖樣會(huì)對(duì)零件尺寸有一個(gè)大概描述，在初期圖樣發(fā)出后，便可以利用鋼坯按照零件外形進(jìn)行初加工，不必等最終圖樣發(fā)放，隨著圖樣尺寸的細(xì)化，可以逐步啟動(dòng)加工過(guò)程，這樣做將比傳統(tǒng)的先發(fā)出最終圖樣再進(jìn)行加工的方式更早實(shí)現(xiàn)開(kāi)工，提前完成加工，縮短加工周期。按照傳統(tǒng)工作流程，工裝的設(shè)計(jì)制造應(yīng)在最終圖樣下發(fā)后方可開(kāi)始，但是，通過(guò)并行工程的應(yīng)用，在零件工程設(shè)計(jì)期間就可以開(kāi)始工裝的設(shè)計(jì)工作。傳統(tǒng)方法與并行方法過(guò)程如圖3所示。

按照并行工程的原理，為了縮短研制周期，進(jìn)度計(jì)劃中工作任務(wù)就需要重疊，意味著一項(xiàng)任務(wù)并不是在前置任務(wù)完全結(jié)束后才啟動(dòng)，各種任務(wù)并行交叉；但是任務(wù)的并行，并不是也不可能違反產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程必要的邏輯順序和規(guī)律，不能取消或越過(guò)任何一個(gè)必經(jīng)的階段，而是在完成各種任務(wù)的基礎(chǔ)上，找出各項(xiàng)子任務(wù)之間的邏輯關(guān)系，將可以并行交叉的盡量并行交叉進(jìn)行。

但是，由于飛機(jī)研制相當(dāng)復(fù)雜，涉及專(zhuān)業(yè)多，零部件數(shù)量巨大，采用適合的、有效的并行工程方法才能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)；否則將適得其反，增加涉及方案欠成熟的風(fēng)險(xiǎn)，造成后期大量更改，增加周期和成本。

結(jié)合商用飛機(jī)研制的特點(diǎn)，按照現(xiàn)在模塊化設(shè)計(jì)的理念，基于產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)及虛擬仿真技術(shù)，我們將飛機(jī)每個(gè)模塊進(jìn)行成熟度定義，依據(jù)成熟度開(kāi)展并行工程。

3.1 通用成熟度管理技術(shù)

成熟度定義(Maturity Degree,簡(jiǎn)稱(chēng)MD)，是對(duì)產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)完成情況和詳細(xì)程度的描述，并且將達(dá)到一定技術(shù)狀態(tài)的定義數(shù)據(jù)(包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息、幾何信息、工藝信息、分析結(jié)果、技術(shù)說(shuō)明和檢測(cè)結(jié)果等)提供給用戶(hù)，以便于下一步工作順利的開(kāi)展。在數(shù)字化飛機(jī)產(chǎn)品研制的業(yè)務(wù)流程中，為產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)的對(duì)象和關(guān)系賦予成熟度標(biāo)識(shí)，以反映該對(duì)象從設(shè)計(jì)到發(fā)布的進(jìn)展情況，為相關(guān)工作的協(xié)同提供依據(jù)。

產(chǎn)品數(shù)據(jù)成熟度按照產(chǎn)品數(shù)據(jù)的信息完整程度，按設(shè)計(jì)和制造工作的共同需求，以模塊為單位，針對(duì)初步設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)階段工作，按照成熟度定義，模塊分為MD0到MD6七個(gè)成熟度階段。以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造為例，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作成熟度見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)工作成熟度定義

續(xù)表1

按照并行工程原理，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)每個(gè)成熟度階段所達(dá)到的狀態(tài)，為了確保相應(yīng)制造工藝技術(shù)狀態(tài)的有效銜接和控制，以及工藝數(shù)據(jù)的完整和準(zhǔn)確，結(jié)合工廠(chǎng)制造需求，對(duì)每個(gè)階段可以并行開(kāi)展的制造工作進(jìn)行了定義，制造工作對(duì)應(yīng)成熟定義見(jiàn)表2。

表2 制造工作成熟度定義

3.2 成熟度升級(jí)工作流程

傳統(tǒng)基于職能分工的串行工作流程也被稱(chēng)為“拋過(guò)墻法”：生產(chǎn)圖樣從設(shè)計(jì)部門(mén)傳到制造部門(mén)，操作相當(dāng)簡(jiǎn)單，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)流程和精細(xì)分工開(kāi)展，設(shè)計(jì)部門(mén)數(shù)據(jù)不完善，制造部門(mén)就不開(kāi)工，所以研制周期相對(duì)較長(zhǎng)。如果遇到設(shè)計(jì)更改，工作周期會(huì)反復(fù)疊加。隨著專(zhuān)業(yè)分工越來(lái)越細(xì)，產(chǎn)品集成程度越來(lái)越復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員已無(wú)法保證全面完整地掌握后續(xù)工藝工裝的要求，如果仍然按照傳統(tǒng)串行方法開(kāi)展工作，設(shè)計(jì)周期和更改優(yōu)化周期將會(huì)非常長(zhǎng)。

并行工程的實(shí)施，就是將設(shè)計(jì)部門(mén)和制造部門(mén)結(jié)合在一起同步開(kāi)展工作，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)集成和整體最優(yōu)化，所以要求相關(guān)人員之間進(jìn)行大量的溝通協(xié)調(diào)，并使用統(tǒng)一數(shù)字樣機(jī)通用數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于每一個(gè)成熟度階段都需要設(shè)計(jì)人員和制造人員共同對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，并進(jìn)行階段性?xún)鼋Y(jié)。每個(gè)階段生產(chǎn)數(shù)據(jù)的凍結(jié)，每一個(gè)設(shè)計(jì)階段都要經(jīng)過(guò)仔細(xì)的規(guī)劃，確保設(shè)計(jì)工作能夠無(wú)錯(cuò)誤地順利進(jìn)行，確保咨詢(xún)和溝通的渠道暢通；而且每一次凍結(jié)和每一個(gè)階段都產(chǎn)生自己的工作流程圖、結(jié)束文件和進(jìn)展報(bào)告[4]。

根據(jù)設(shè)計(jì)成熟度的定義和制造單位開(kāi)展工作的需求，對(duì)于MD0～MD3階段的生產(chǎn)數(shù)據(jù)由設(shè)計(jì)部門(mén)內(nèi)部進(jìn)行確認(rèn)升級(jí)；由MD3升級(jí)到MD4時(shí)，將需要有制造部門(mén)對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行并行工作，包括材料審核、裝配仿真、強(qiáng)度分析、初步重量計(jì)算、工藝性分析等，并行工作內(nèi)容達(dá)成一致后，相應(yīng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)才可以升級(jí)到MD4成熟度；由MD4升級(jí)到MD5階段，該階段工作內(nèi)容不影響制造部門(mén)開(kāi)展工作，數(shù)據(jù)的升級(jí)由設(shè)計(jì)部門(mén)內(nèi)部確認(rèn)；由MD5升級(jí)到MD6階段，需要制造部門(mén)開(kāi)展并行工作，確保制造部門(mén)所開(kāi)展工作的正確性，包括強(qiáng)度最終驗(yàn)證、接口定義凍結(jié)、零件制造及裝配公差分析等，并行工作內(nèi)容達(dá)成一致后，相應(yīng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)才能升級(jí)到MD6成熟度。成熟度升級(jí)工作流程見(jiàn)圖4。

商用飛機(jī)的所有產(chǎn)品數(shù)據(jù)均可以參照結(jié)構(gòu)成熟度的定義開(kāi)展并行工作，讓供應(yīng)商及早地介入研制工作，開(kāi)展聯(lián)合設(shè)計(jì)。通過(guò)供應(yīng)商的加入，主制造商與供應(yīng)商可以相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而有效地控制生產(chǎn)成本，縮短研制周期。

4 并行工程的應(yīng)用

并行工程的實(shí)施，是建立在上游信息不完整的情況下開(kāi)展下游工作的，所以相應(yīng)工作必然存在返工的風(fēng)險(xiǎn)，這大大增加了飛機(jī)研發(fā)人員的負(fù)擔(dān)；只有在整個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)之間加強(qiáng)溝通，才能克服信息不完整的內(nèi)在弱點(diǎn)，保證這些信息的安全使用。所以要求研發(fā)團(tuán)隊(duì)中的每一個(gè)成員都要不斷探尋應(yīng)用并行工作的時(shí)機(jī)，尋找這些時(shí)機(jī)可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

(1)開(kāi)始下步工作所需要最少輸入是什么；

(2)在上一步工作中最快什么時(shí)候產(chǎn)生這些輸入信息；

(3)為了不再需要得到這些信息我可以做點(diǎn)什么；

(4)為了保證這些信息在很高的幾率上足夠準(zhǔn)備可以用于當(dāng)前工作，能?chē)@這些信息做一些假設(shè)嗎；

(5)做錯(cuò)了后果會(huì)有多嚴(yán)重？如果做錯(cuò)了需要花多大代價(jià)才能回到現(xiàn)在所在的地方；

(6)能夠通過(guò)提早開(kāi)支工作節(jié)省出足夠的時(shí)間，使我即使做錯(cuò)事也能提早技術(shù)任務(wù)；

(7)什么信息能使我進(jìn)行另一個(gè)步驟；

(8)哪些人可能使用我掌握的信息使他們可以進(jìn)行下一個(gè)步驟。

通過(guò)有效溝通和協(xié)調(diào)，可以充分明確下游專(zhuān)業(yè)的工作前置條件，從而準(zhǔn)確定義成熟度，確定每個(gè)成熟度階段的工作內(nèi)容和可開(kāi)展的后續(xù)工作。

從圖5、圖6中可以看出，傳統(tǒng)串行工作需要20個(gè)月才可以完成該項(xiàng)目，但是通過(guò)有效地并行工程的開(kāi)展，可以縮短13個(gè)月工作周期，從而只花費(fèi)7個(gè)月就完成了該項(xiàng)目，大大縮短了研制周期，提高了工作效率，降低了人力成本。

5 結(jié)論

并行工程的有效實(shí)施跟產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺(tái)和項(xiàng)目工作團(tuán)隊(duì)的建立還有緊密地關(guān)聯(lián)，本文對(duì)商用飛機(jī)研制過(guò)程中使用并行工程方法進(jìn)行了研究，對(duì)基于成熟度定義的并行工程進(jìn)行了分析，初步制定了基于成熟度定義的并行工程方法的工作定義和工作流程，后續(xù)將結(jié)合實(shí)際型號(hào)研制、研制團(tuán)隊(duì)、數(shù)據(jù)管理平臺(tái)等，進(jìn)一步完善客服工程、試飛工程、供應(yīng)商管理及適航管理等方面工作的成熟度定義和基于其并行工程的工作流程。

[1] 漢斯-亨利奇.阿爾特菲爾德.商用飛機(jī)項(xiàng)目[M].北京：航空工業(yè)出版社，2013.

[2] Smith,P.G.and Reinertsen, D.G.. Developing Products in Half the Time[M]. 2nd Edition. New York: John Wiley&Sons, 1998.

[3] 耿汝光.大型復(fù)雜航空產(chǎn)品項(xiàng)目管理[M].北京：航空工業(yè)出版社，2012.

[4] Sabbagh,K. 21st Century Jet： The Making of the Boeing 777[M]. London: MacMillan Publishers, 1996:64.

Application of Concurrent Engineering in Commercial Aircraft Development

LI Haitao

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

This article introduces the definition of concurrent engineering. The cost of the whole life cycle of commercial aircraft was analyzed, and the application of concurrent engineering in China and abroad was introduced. Combined with the development characteristics of commercial aircraft, the method of concurrent engineering based on the definition of maturity degree is studied. With the application of concurrent engineering, the development cycle was shortened and the development cost was reduced.

concurrent engineering;commercial aircraft development; maturity degree

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.01.020

F272

A