并行工程在航天型號研制中的應用與實踐

方建平、宋凱歌、米弘 /中國運載火箭技術研究院

航天工程與其它簡單工程裝備的開發和應用不同，具有涉及單位多、系統和技術復雜、風險性大、研制周期長等特點，其在長期的航天型號研制實踐中逐漸形成了一套具有中國特色的航天系統工程管理理念、體系和方法，為航天事業的成功提供了科學的理論和方法保證。

近年來，國家對航天工程和武器裝備需求越來越迫切，新型號研制呈井噴式發展，并且對研制周期有很強的剛性要求，高密度發射已經常態化，傳統的型號串行研制管理模式已不能適應航天快速發展的要求，必須在航天型號的系統工程管理中引入新的管理理念和方法，以滿足型號高強度研制和高密度發射的要求。

在某航天重大科技工程研制中，面對科技工程多專業、多學科之間的交叉耦合，新技術應用帶來的技術和進度風險等問題，該型號項目團隊通過采用并行工程的系統工程管理方法，實現了進度和質量的完美統一，圓滿完成了階段任務，為航天型號研制管理作出了有益探索。

一、并行工程的發展

在20世紀七八十年代，美國制造業受到嚴重威脅，而日本制造業在國際上占據了統治地位。為重振其霸主地位，美國針對制造業的核心競爭力新產品開發問題舉辦了專題會議，并首次提出了并行工程的概念。此后美國防御分析研究所（IDA）受美國國防部的指示對并行工程及其用于武器系統的可行性進行調查研究，并于1988年12月公布了著名的R-338研究報告，首次全面而深入地對并行工程的思想和理論體系進行了系統闡述，給出了并行工程嚴格的定義，建立了并行工程的應用框架，為制造企業應用和實施并行工程提供了重要的理論指導。其擺脫了傳統的產品開發工作觀念，強調在產品的早期開發階段對產品及其相關過程（包括支持過程和制造過程）進行并行、一體化設計，以提高產品的創新設計能力。

根據IDA的定義，并行工程是集成、并行地設計產品及其相關過程的系統化方法。在工程實施過程中采取適當的管理方法，使處于不同研制階段的一項或多項作業能同時進行（并行），以達到縮短工程周期、提高工程績效的目的。并行工程作為一種系統化的方法和思想，要求在產品設計的同時能同步考慮產品全生命周期的各項有關活動，包括設計、制造裝配、調試檢驗、維護維修、進度、質量、成本、可靠性等。

并行工程在國外一些先進工業國家中已得到廣泛應用，并取得了顯著效益，其領域包括汽車、飛機、計算機、機械及電子等行業。歐美和日本的國防項目也都應用了并行工程，如波音公司從企業管理層面尋求突破，以集成化產品開發組織管理模式打響了“并行戰役”的第一槍，其強調面向開發的集成性和一體化的協調溝通，波音777從設計到試飛僅用了5年且一次成功，開發進度提前了一年半；洛克希德·馬丁公司采用并行工程使新導彈研發周期從5年縮短為2年。并行工程于20世紀90年代傳入我國立刻引起高度重視，得到了國家科委、863／CIMS專家委員會、研究機構和電子、機械、航空、航天等領域企業的重點關注，并在產品研制中進行了應用。

二、并行工程在航天型號研制中的應用

1.集成開發團隊的組織管理模式

產品開發過程的并行規劃、產品設計、制造方法及技術，需要通過良好的管理組織應用到實際中。并行工程特別強調在產品的早期設計階段綜合考慮與它相關的各下游過程，以及各項產品創新和開發活動的并行交叉與一體化。這就需要企業管理方式、組織模式和企業文化方面的支持，對實現產品開發過程的并行化具有重要的意義。

并行工程將產品開發的各種活動作為一個集成的過程，從全局優化的角度出發對該集成過程進行管理和控制，并不斷改進和提高已有的產品開發過程，以減少不必要的設計環節，使產品開發過程更合理有效。在產品開發早期階段，發現問題要及早修改，消除設計隱患，并在產品投產前進行多次的設計迭代和仿真，以確保設計的正確性。

航天型號研制體系組織架構從上到下依照總體、分系統、單機的樹形結構（見圖1），各分系統單位按專業進行分工，每一個方框都是由一個獨立的單位負責研制，橫向支持單位還包括生產、試驗等單位，而縱向向下延伸到元器件、原材料，管理層級可多達十幾級。通?？v向與橫向設計和管理要求主要通過任務書及文件的形式層層傳遞，但由于研制單位和管理層級眾多，流程過長，導致這種串行研制模式的周期較長，再加上傳遞衰減，使得從頂層傳遞下來的要求往往無法在最底層得到有效落實。

為了縮短航天型號項目管理鏈條和研制周期，需在現有組織架構下組建集成產品開發團隊（IPT），即在實施集成產品開發過程中，以并行工程為思想，打破傳統按單位、部門劃分的組織方式，由項目負責人按照產品開發對象、任務及目標組建跨組織的產品開發隊伍。

IPT協同開發矩陣管理（見圖2）打破了單位和部門間的界限，其根據任務情況從各單位、各系統抽調核心人員組成跨部門、跨單位、多專業的IPT，成員一般由設計、工藝、標準化、計劃調度、經費管理、質量管理、物資等研制生產各個環節的核心成員組成，并采用項目負責人制。項目負責人即團隊負責人，由項目總體設計單位或牽頭單位確定，負責項目整體策劃與指揮協調，對實施過程中出現的技術、質量、進度、經費、資源保障等重大問題進行決策。

圖1 航天型號研制體系架構

圖2 IPT協同開發矩陣管理結構

IPT的組建以任務為目標，隨任務的提出而設立，隨任務的完成而終結，團隊成員可結合任務進展情況進行動態調整。IPT成員組織關系隸屬于原單位，但在任務期間同時接受IPT項目負責人的考核。

一個航天型號在不同任務階段可組成若干個不同的IPT，這種上下游高效協同的工作模式可大大縮短文件傳遞的環節和時間。而且，團隊各專業在協同開發環境和數據支持系統的支撐下，可實現總體設計、系統設計和單機設計并行，設計和試驗準備并行，設計與制造和工藝及生產準備并行，產品試制與試驗和飛行試驗準備并行。IPT管理和技術的高度統一，也為各項管理要求的“縱向到底、橫向到邊”的落實創造了條件。

2.協同開發環境及數據支持系統

根據并行工程團隊成員的組建，大量信息交流及全面采用三維數字化設計、制造和協調等特點，必須建立統一的項目信息管理平臺和數字化集成協同研制平臺實施統一管理。通過數字化協同平臺的建立，可使跨部門的IPT 成員在統一的數據交換標準下全面考慮產品在設計階段的工藝性、可裝配性、可檢驗性等，將原來設計、工藝、制造等多個流程中相互獨立串行的工作并行起來，實現多個知識信息流的協同處理和多項作業的協同實施。IPT 團隊成員可以進行設計信息傳遞、變更通知、資源共享等，使信息可以及時、充分共享，并以此為基礎作出有效的群體決策，從而實現對風險因素的協同和動態監控。

典型的航天型號集成研制平臺架構如圖3所示，主要由集成協同研制（設計）平臺和集成產品制造平臺構成。前者在底層產品數據管理的支持下，集成各專業數字化設計平臺（結構設計、電氣系統設計等）、仿真驗證平臺（模態及動力學仿真、彈道、制導和姿控一體化仿真等）、數字化工藝設計及制造平臺（工藝及工裝設計、加工及裝配仿真等），以實現多專業、多學科數字化快速協同設計；后者與數字化工藝及制造緊耦合，在完成數字工藝設計及制造仿真后實現產品模型數字化下廠及產品生產過程管控。

隨著信息技術的蓬勃發展，各種開發和仿真工具得到廣泛應用，為集成研制平臺提供了良好支撐，但當前高效協同開發的最大障礙是各單位、各系統采用的工具和標準不統一。因此，規范協同研制流程，統一開發標準、接口和規范是集成協同產品研制和制造的關鍵。

3.研制流程優化與重構

按照航天型號研制程序，航天武器裝備研制一般按照方案階段（方案論證和方案設計）、初樣階段、試樣階段、定型階段和批生產階段劃分。由于航天型號研制的復雜性，為了確保滿足航天型號嚴格的技術狀態控制及高質量與可靠性要求，通常在一個研制階段的所有工作結束后需按研制程序完成階段研制總結及評審，才能轉入下一研制階段，如圖4所示。

圖3 航天型號集成協同研制平臺架構

圖4 航天武器型號串行研制流程

實踐證明，這種串行研制流程是正確的，嚴格按其實施能有效保證型號質量。但這種研制模式在保證型號高成功率的同時，也大大增加了型號的研制周期，與國家和用戶急迫的進度要求不相匹配。因此，需要對傳統研制流程進行優化，一般采用如圖5所示的并行研制流程，其核心思想是將原來串行開展的2個研制階段的部分研制工作交叉并行開展，以達到縮短研制周期的目的。

圖5（a）是針對航天重大武器型號所采用的一種研制流程。在研制過程中，方案與初樣研制并行開展，即通過IPT的集成產品開發，系統和單機、部段并行開展詳細設計，一方面可以在方案階段及早暴露設計問題，另一方面可提前確定產品元器件和原材料的選用，并能在完成技術審查后提前開展元器件和原材料的采購及備料。

方案轉段完成后，在確認設計的基礎上，快速將產品的數字化設計模型及相關要求下達給生產單位開展生產，這樣可大幅縮短研制周期。同樣，在初樣研制后期，由于各系統完成初樣地面試驗的先后順序不同，所以先完成的單機及系統在經過狀態確認后就可提前啟動試樣和飛行產品的元器件與原材料備料，甚至可以將初樣和試樣（包括飛行產品）的元器件在方案階段后期一起備料，初樣轉段前只需要補充采購部分有技術狀態變化的元器件和原材料即可，這樣對長周期備料的產品而言可以節約8～9個月的時間。另外，在試樣研制時開展定型工作策劃，試樣飛行試驗成功后即可投產定型飛行試驗產品，如果用戶需求明確，抽檢及批生產產品可與定型飛行試驗產品同批投產，以使武器裝備早日服役。

圖5 航天武器型號并行研制流程

圖5（b）是針對短平快的戰術武器所普遍采用的一種研制流程。在上述并行研制流程的基礎上，進一步將初樣與試樣研制階段合并為工程研制階段，地面試驗產品與研制飛行試驗產品同批投產、地面試驗與飛行試驗并行，在完成一定數量的試飛后，即可開展小批量產品試制，并將定型飛行與批抽檢飛行合并或統籌考慮，通常3～5年即可完成武器系統的研制。

三、并行工程的質量控制

航天型號已有一套標準的質量體系進行質量管控及質量保證，而采用并行工程管理模式對質量的控制提出了更高的要求，需要結合并行工程管理模式采取重點管控措施，確保并行工程管理模式實施過程中，在節省研制周期的同時不影響產品質量。

1.開展協同設計仿真和試驗仿真

在方案和初樣研制階段的各專業IPT集成開發過程中，要及早考慮并改善制造、裝配、試驗等環節的質量。利用集成研制平臺中的仿真平臺開展多專業、多學科的聯合仿真，以確保設計的正確性和接口的協調性。尤其是針對探索性和創新性很強的型號，地面試驗環境和條件往往不能覆蓋飛行環境，導致地面試驗無法得到驗證。因此，只能依靠數學仿真手段進行驗證，在必要情況下需集中多家國內相關領域的優勢單位開展背靠背的仿真校驗，通過多輪仿真縮小仿真差異，進而驗證仿真模型和方法的正確性。

針對策劃要開展的地面試驗，設計單位和試驗單位也需同步開展試驗仿真，一方面檢驗試驗條件是否覆蓋飛行條件，確保地面試驗邊界條件正確、試驗方法充分有效、試驗一次成功；另一方面通過將仿真試驗與地面試驗結果對比，以檢驗仿真模型的正確性。

2.飛行產品技術狀態確認和并行生產狀態控制

技術狀態控制是航天型號研制質量控制的關鍵。由于航天產品生產周期長，在并行工程研制模式下，地面研制試驗尚在進行中就需要投產飛行試驗產品。為了確保飛行產品技術狀態受控，避免或減少產品更改，需在飛行試驗產品投產前設置技術狀態確認控制節點。在方案轉初樣后，各系統列出影響飛行試驗產品技術狀態確認的標志性試驗，如電氣系統綜合試驗、匹配試驗、電磁兼容試驗，結構系統的靜力、振動及熱試驗，總體的模態試驗等，在這些標志性試驗完成后，各系統以方案轉段為技術狀態基線梳理技術狀態變化，確定產品生產基線，形成飛行試驗產品技術狀態確認報告，經“兩總”及專家組審查后，正式投產飛行試驗產品。

此時，其它設計參數獲取及驗證性試驗仍在進行中，甚至其它地面試驗產品仍然在生產，這樣就出現了地面試驗產品和飛行試驗產品同時在線生產但技術狀態不一致的局面，如何控制產品技術狀態便成為并行研制模式下提前投產飛行試驗產品的新課題。因此，型號必須出臺專門的管理辦法，將飛試產品圖紙單獨標識，以確保2個狀態并行在線生產的產品狀態受控。

3.三維數字化設計的技術狀態控制

為了適應數字化設計的潮流及型號產品研制快速、靈活的要求，在IPT并行研制模式下，IPT團隊放棄傳統的二維圖紙出圖、會簽和下廠方式，而是在完成產品數字化設計后將三維模型直接下廠進行生產制造。為了確保數字化產品設計、生產及模型傳遞過程技術狀態受控，必須制定三維模型設計制造管理辦法和數字化大綱，明確數字化設計和生產全過程的質量管控要求。

在某項目研制過程中，IPT將三維設計軟件和航天協調研制平臺（AVIDM）相結合，對數字化模型進行技術狀態控制，并在協同開發過程中利用CATIA軟件的VPM模型管理工具進行管理，VPM相當于產品的設計開發庫。完成一個版本的產品數字化設計后，將模型上傳到AVIDM系統并對三維模型進行版本控制，AVIDM相當于產品的產品庫，所有下廠的三維模型必須從AVIDM下載、刻盤并按管理辦法進行標識和傳遞。

4.并行工程管理過程中需重點注意的問題

在并行工程管理實施過程中，需要在以下4個方面重點關注，以便能夠讓并行管理發揮更好的效果。

一是并行工程強調團隊成員的協同和協調工作，必須以項目團隊的目標為最高目標，打破原有單位和部門利益的分割，強化團隊成員的主動和擔當意識、協作精神和合作觀念。

二是重視和加強IPT研制平臺和標準建設，研制平臺包括協同研制平臺、仿真驗證平臺、生產制造平臺、信息管理系統以及數據支持系統，尤其要加強生產制造平臺以及設計與制造的數字化接口建設。要自頂向下建立和完善標準，統一各種研制工具、IPT設計標準、數字化生產制造標準、設計和仿真接口標準、設計和生產接口標準，進而為團隊的高效協同創造條件。

三是要從設計、生產、試驗等各個環節全面統籌和實施并行管理，生產和試驗人員要盡早介入并加入IPT。在設計階段，工藝人員參與IPT確定產品的元器件、原材料，產品的可制造性和工藝性、總裝工藝流程、生產設備和資源需求，并行開展生產和裝配工裝設計。同時，試驗人員參加IPT同步制定試驗方案，開展試驗工裝設計、試驗設備需求和試驗準備。

四是元器件、原材料選用審查與設計并行。按照型號物資實施統一管理、集中采購要求，在方案設計階段就要對設計人員進行元器件、原材料選用培訓，嚴格落實有關航天物資管理要求；在產品設計的初期，物資人員需加入IPT，以便對供應商資質、元器件等級、器件和材料是否在目錄內、國產化率是否滿足要求等進行審查并給出相關建議，避免后期更改、二次訂貨造成進度推遲。

四、航天并行工程發展趨勢

1.組織結構和研制流程趨向于扁平化

隨著航天企業改革的推進，航天項目管理將向項目制和事業部管理模式轉變，打破專業分工和利益藩籬，進一步減少管理層級、簡化研制流程，實現扁平化管理，以最大程度上實現高效協同研制，降低企業成本，提升企業競爭力。

2.生產方式數字化、智能化

以信息化、數字化為主導方向，全面打通數字化設計和制造通道，實現設計開發三維化、試驗驗證虛擬化、加工制造數字化、總裝集成可視化、數據資源產品化，推動航天生產方式向數字化、智能化、柔性化、精細化方向發展。

3.異地多團隊聯合開發

航天項目往往是大協作工程，涉及全國多地域、多單位，隨著并行工程在航天型號應用的深入和接口標準的統一，位于不同地域的單位或合作企業將可以在統一虛擬環境中實施新產品的集成開發，各地域研發成員實時通信，并在同一個系統中開展產品開發、決策、活動的協調以及產品信息共享等。

在當前軍民融合發展的大趨勢下，航天企業也面臨著競爭激烈、需求多變的市場環境，快速的產品開發對于企業快速有效地響應市場、提高企業核心競爭力具有重要意義。同時，國家對航天武器型號的迫切需求以及高密度研制發射的常態化，使得并行工程的應用成為未來航天型號研制的大趨勢?！?/p>