價值驅動設計在商用飛機概念設計階段中的應用

陳誠

摘要：中國的商用大飛機項目近幾年取得了長足的發展，寬體客機也已立項，但是面臨嚴峻的市場考驗和成本壓力，只在滿足適航規章的前提下獲得技術成功是不夠的。商用飛機的經濟性成為了飛機能否為制造商和用戶帶來合理利潤，最終取得商業成功的最關鍵因素。為了探索飛機經濟性設計，本文在介紹價值驅動設計定義與流程的基礎之上，比較價值驅動設計與傳統系統工程的區別，并將價值驅動設計理念應用到民用客機概念設計階段，為探索該階段經濟性設計方法提供支撐。

Abstract： China commercial aircraft project has achieved great development in recent years and the wide-body aircraft project is started. However， facing the severe market challenge and cost pressures， it is not enough to achieve technical success under the condition of satisfying the airworthiness regulations. The commercial aircraft economy has become the most critical factor to bring reasonable profit to the manufacturer and users and achieve commercial success finally. In order to explore the aircraft economy design， this paper introduces the definition and the process of value driven design and compares the difference between value driven design and traditional system engineering. In order to support the exploration of economy design method in conceptual design stage， the concept of value driven design is applied to civil aircraft conceptual design stage.

關鍵詞：價值驅動設計；系統工程；商用飛機；概念設計

Key words： value driven design；system engineering；commercial aircraft；conceptual design

中圖分類號：V214.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）21-0184-04

1 簡介

當下，世界上的大型復雜系統項目面臨著相似的困境——預算超額，交付延期。對于國際商用航空制造業，波音公司的夢想客機B787項目延遲交付兩年，預算超出25億美元[1]。相同的，空客公司的空中巨無霸A380延期交付兩年，預算超出20億歐元[2]。對于其他大型工程項目，相似的情況屢見不鮮[3]。對這些項目的考察表明，目前的系統工程方法并不再簡單適用。項目的需求往往在項目開始前就已經確定，但研發出的產品卻并不符合這些需求。雖然項目都設立了相應的風險管理團隊，項目成員也都認真執行風險管理規定，但是在幾乎所有的項目上都無法避免重要延期的發生。有理論指出，預算超額和交付延期并不是隨機出現的不可控因素，而是復雜系統開發的自然結果，與系統工程水平一致[4]。應用在系統工程過程中的大量邊際方法、流程和工具并沒有帶來效益。多目標優化和多學科優化的研究和工具發展帶來的影響也遠遠無法改變現狀。

為了降低大型復雜項目成本，促進項目按時保質交付，國外研究人員在將經濟學應用到工程業的過程中不斷發展并最終提出了價值驅動設計（Value Driven Design， VDD）方法作為解決辦法。2005年，美國航空航天學會系統工程科學委員會（AIAA Systems Engineering Technical Committee，AIAA SE TC）與AIAA經濟性科學委員會（AIAA Economics TC）及AIAA多學科優化科學委員會（AIAA Multidisciplinary Optimization TC）的專家一起組成了價值驅動設計委員會，專門研究價值驅動設計方法、流程和工具[5]。

對于商用飛機而言，全壽命周期成本的65%在概念設計階段已經確定[6]。如果在概念設計階段沒有做好成本分析，沒有做出合適的項目進度規劃，在后續階段付出更大的精力與努力也將收效甚微。本文首先介紹價值驅動設計的定義及流程，主要討論比較價值驅動設計與傳統系統工程的區別，并在此基礎上，將價值驅動設計思想引入商用飛機概念設計階段，闡述價值驅動設計在概念設計階段降低項目成本，保證項目進度的作用。

2 價值驅動設計定義與過程

AIAA價值驅動設計委員會將價值驅動設計初步定義為“使用需求靈活性、正式優化和數學價值模型來平衡性能、成本、進度和其他重要的指標從而盡可能的產生最好的結果的一種改良設計方法”[7]。雖然被定義為一種方法，事實上價值驅動設計并不是某個確定的方法或程序，而是旨在超越傳統系統工程（Traditional Systems Engineering， TSE）思維模式的一種新的系統工程思維模式，在這種模式下將會產生大量的新方法和新程序[8]。

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價值驅動設計的過程用圖2的循環圖展示出來。設計過程一般從選擇設計變量開始，設計團隊在設計空間中選擇一個點（即設計矢量）來嘗試初步設計，設計矢量描述了一個設計方案的大致輪廓。隨后，設計者將設計矢量詳細地表示出來，即轉化為相應的構型（也稱產品定義或部件定義）。工程師使用基于物理模型的工具評估對象屬性，分析產生對設計目標的第二描述—屬性矢量。Simon把定義與分析階段描述為將工程語言（即設計變量）轉化為聯系客戶的語言（即屬性）的過程[9]。這個過程剛好與在產品需求分析階段將市場客戶需求轉變為提供給工程師的技術需求的過程相反。

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價值驅動設計與傳統系統工程的最大區別在于“評估”過程。在傳統系統工程中，“評估”過程用來決定性能是否滿足需求。如果滿足，循環結束；否則，另一個循環開始或者宣布項目失敗。價值驅動設計使用目標函數或價值模型評估屬性，為每個性能集給出一個評分，若現有構型比之前某個嘗試評分低，則進入下一個循環；若現有構型比之前任何嘗試都好，設計團隊可以接受該構型或通過進一步循環來產生更好的設計。在獲得評分后的“優化改進”過程中，設計者使用設計矢量、屬性矢量和評估結果值在設計空間范圍內推測如何改變初始設計矢量以獲得更好的設計。需要注意的是，優良的產品往往是設計出來而不是通過某種特定模型或方法固定獲得的。作為優化思維而非具體方法，價值驅動設計不強迫設計者使用正式優化方法。在設計循環的每次迭代中，設計者可以通過判斷自由推測并選擇新的設計變量。

3 價值驅動設計與傳統系統工程比較

價值驅動設計與傳統系統工程的主要不同在于設計結果的評估和優化過程，為了使系統和元件設計工程師在整個解空間中獲得最優設計，價值驅動設計專注于將需求靈活性以及分級優化貫穿所有子系統評估和優化過程中。另外，價值驅動設計將成本分析放在需求定義階段，使項目管理者從項目開始時就對成本有更好的了解和控制。相較于傳統系統工程對飛機延伸屬性提需求的方式，價值驅動設計用標量目標函數處理延伸屬性。兩者區別簡述如表1。

在傳統系統工程中，如果每個子系統均滿足需求，整個系統也將會滿足最終需求。運用傳統系統工程概念的工程師嘗試給每個子系統分配特殊性能指標值。然而，隨著系統復雜性的增加，子系統的復雜性及子系統相互交聯的結構復雜性也會大大增加，把眾多子系統以這種方式融合到一起非常困難甚至不可能。相比而言，價值驅動設計引入了“松耦合”（loose coupling）的概念。“松耦合”是一種以允許各子系統至少可以半獨立的發展而不是緊密融合的形式融合各子系統的耦合方式。這個概念為工程師設計和開發具有更高復雜性的系統提供支撐。價值驅動設計通過給每個子系統分配一個性能指標范圍的方式優化整個系統性能。使用性能指標范圍而不是某個明確的性能指標值來限定子系統開發能夠幫助系統工程師或項目管理者更好地評估改變子系統性能所帶來的影響。在實際工程中，提高某些子系統的性能并不能提升整體系統的價值，反而增加系統和子系統成本和復雜性，而降低某些子系統性能帶來的整體影響并不大，使用這種方法發現這些潛在的子系統，為降低系統成本和復雜性打開一個可權衡空間，支持項目管理者決策，確保系統工程師能夠優化整個系統功能成本比。子系統性能指標范圍的概念也將減少硬性技術需求的數量，這為子系統乃至整個系統發展提供更多靈活性和創新機會，有助于降低項目風險，提高在約定計劃時間內和預算框架下交付滿足整體性能的系統的可能性。

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另一個很大的不同是，價值驅動設計把成本作為獨立變量（Cost As an Independent Variable CAIV）過程從傳統系統工程談判過程的最后一步轉變到需求定義階段中。在目前有關系統工程的談判中，用戶首先提出需求，供應商將客戶需求轉化為技術需求，最后雙方議價并簽約。由于系統復雜性過高，供應商多數時候不能滿足所有需求，這導致用戶和供應商協商刪減需求或者確定滿足使用者需求的額外資金。現在使用的CAIV過程往往在后續的談判中體現出來。價值驅動設計把這些協商轉移到需求發展過程中，引入性能空間的概念給供應商提供一個更加現實的目標空間，使用戶對他們將要接收的系統有更加清楚的認識，同時確保系統工程師能夠直接與客戶接觸商議，從而使得在初始設計之前及在系統螺旋發展的全過程中商定系統性能和成本取舍。

另外，價值驅動設計還改變了設計者處理“延伸屬性”的方法。延伸屬性是產品、系統或其原件與項目進度或成本相關的屬性。系統屬性是元件屬性的函數，系統的延伸屬性也是元件延伸屬性的函數。延伸屬性的典型例子包括重量、所有性能屬性、可靠性、維修性、安全性和相似保障性屬性以及成本的所有方面。從整個項目的角度來說，計劃進度和技術風險也是延伸屬性。在價值驅動設計框架下，無論在系統層級還是元件層級，都沒有需求應用于延伸屬性。也就是說，不會給設計者傳遞諸如重要閾值、目標重量等類似的需求。取而代之的是，每個工程團隊（系統團隊、子系統團隊等）都有一個目標函數，該函數為標量函數，將團隊的所有屬性集轉化為一個評分。團隊的任務是在滿足所有非延伸屬性的需求的同時創造一種能夠獲得最高分值的設計。同樣的，系統和元件有各自的目標函數，工程師可以通過目標函數來監控元件屬性狀態和系統集成屬性狀態，并采取合適的措施來維持系統平衡。

4 價值驅動的商用飛機概念設計流程

圖2的循環適用于系統部件的詳細設計或者整個系統的概念設計。Daniel P. Raymer在《Aircraft Design： A Conceptual Approach》一書中提出了一個經典的商用飛機概念設計流程[10]，本節以此流程為基礎，將價值驅動設計的理念應用到商用飛機概念設計中，流程如圖4所示。

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圖4描述了價值驅動的商用飛機概念設計階段的流程。概念設計由潛在客戶提出的需求或公司產生的新概念開始。通過探究技術可行性，設計團隊獲得概念設計變量空間，包括航程、配重、起飛和著陸距離、速度等諸多設計變量的可選擇范圍。概念草圖確定飛機發動機個數、尾翼布局等基本外觀，在后續的概念設計階段迭代過程中，如無重大變化，飛機的基本外觀布置不做改變。概念設計的設計迭代從確定概念構型開始，概念構型確定飛機機翼、機身、尾翼等各部分的尺寸，獲得飛機的三視圖。性能分析側重飛機性能的確定，獲得空氣動力學、重量、推力等方面的參數。性能分析一方面通過物理分析軟件，如FLUENT，CAD等獲得飛機的氣動力、結構、強度等方面的物理參數，另一方面則通過數學模型獲得如重量、所需推力等數學參數。在進行性能分析的同時，設計人員可以以歷史數據為基礎結合實際市場情況統計分析飛機成本，獲得相應功能的成本。此外，為了對設計備選方案進行價值評估，還需要獲得各個子系統及功能的權重值，這可以通過專家打分的方式或者歷史數據回歸分析獲得。在確定概念構型、飛機性能、功能成本和功能權重的基礎上，價值評估過程通過數學價值模型進行評估并給出相應的設計評分。設計團隊如接受該設計結果則概念設計階段迭代結束，進入初始設計階段，如不接受設計結果則進行構型、性能優化后進入下一輪設計迭代。圖中陰影框顯示了價值驅動設計流程相較傳統設計流程多出的環節。

5 結語

本文闡述了價值驅動設計的概念，詳細描述了一般的價值驅動設計流程，深入比較了價值驅動設計與傳統系統工程的區別，并將價值驅動設計理念應用到飛機概念設計階段流程中，為未來進行具體價值設計的研究提供理論基礎。未來的研究可以先以飛機某個系統作為突破點，研究飛機單個系統的功能成本比值，進而可以將方法推廣到整機的所有系統，同時加入對重量成本及時間成本的考慮，獲得實際運用的整套整機價值評估方法。

參考文獻：

[1]Schofield A.. End Of Year Is New Goal For 787 First Flight. [online] Available at： http：//aviacaonoticias.wordpress.com/2009/08/28/end-of-year-is-new-goal-for-787-first-flight/ retrieve on Mar 1， 2017.

[2]Shannon D.. Airbus reveals latest A380 delay will cost EADS ？褷2.8 billion in pre-tax earnings 2006-2010. [online] Available at： https：//www.flightglobal.com/news/articles/airbus-reveals-latest-a-delay-will-cost-eads-billion-in-pre-tax-earnings--209671/ retrieve on Mar 1， 2017.

[3]Eveker K.. The Budgetary Implications of NASA's Current Plans for Space Exploration. [online] Available at： https：//www.cbo.gov/publication/20537？index=10051 retrieve on Mar 1， 2017.

[4]Collopy P.D.. Adverse Impact of Extensive Attribute Requirements on the Design of Complex Systems[J]. AIAA Paper， 2007， 2007-7820.

[5]Dahlgren J. Real Options and Value Driven Design in Spiral Development [J]. INCOSE International Symposium， 2006， 16（1）： 1308-1317.

[6]葉葉沛.民用飛機經濟性[M].成都：西南交通大學出版社，2013.

[7]Cheung J.M.W.， Scanlan J.P. and Wiseall S.S.. An aerospace component cost modeling study for value driven design. Proceedings from the 1st CIRP Industrial Product-Service Systems Conference， Cranfield， UK， 2009.

[8]Collopy P.D.. Hollingsworth P. Value-Driven Design. Paper presented at the 9th AIAA Aviation Technology， Integration， and Operations Conference， Hilton Head， South Carolina， 2009.

[9]Simon H. The science of Design： Creating the artificial [M]. Cambridge， Massachusetts： The MIT Press， 1996.

[10]Raymer D. Aircraft design： a conceptual approach [M]. Washington： American Institute of Aeronautics and Astronautics， 2012.