民用飛機生產體系需求定義過程研究

李 民 郝 蓮

（1.上海飛機制造有限公司，上海 201324；2.上海飛機設計研究院，上海 201210）

0 引言

建立與民機產品相適應的生產體系在民機研制過程中舉足輕重，它既是飛機研發項目商業成功的基礎，也是民機制造商實現靈活配置產品戰略的必要條件。民機產品的復雜性，決定了民機產品生產體系(Production System)的復雜性。同時，飛機制造技術的不斷發展和市場需求的瞬息萬變也對生產體系不斷提出更高要求：

1)組成飛機的零件數量越來越龐大、生產資源全球化、協作關系復雜。一架A380 客機由全世界30 個國家、1 500 家公司生產的超過400 萬個獨立零部件組成；

2)市場瞬息萬變，需要快速的市場響應能力。2017 年波音737 系列飛機年中實現每月47 架產能，全年交付529 架；

3)具備用戶信賴的質量體系。采用行業認可的質量標準(如AS9100)，實現對產品的質量期望，規范供應鏈管理；

4)提高生產效率、降低制造成本的新技術應用能力。如采用自動化鉆鉚和柔性工裝的裝配技術，采用MBD/MBI等基于模型的數字化制造技術，實現CAX/PDM/ERP/MES 高度集成的信息化管理；

5)為滿足新材料、新技術的運用，建立新的制造工藝能力。如復合材料、先進金屬材料的成形和加工，3D打印技術的使用等。

在以往的民機項目中并未建立適用于生產體系定義、設計、實施和驗證等的流程，由于缺乏對目標生產體系的準確定義，方案與利益攸關方需要脫節，方案實施結果缺乏驗證，最終圍繞特定民機產品形成的生產體系難以滿足各方的期望，有時不得不再啟動另一個項目來滿足生產要求，失去了掌握市場主動權的先機。最為重要的是，以往生產體系建設中并未充分考慮交付能力與投資強度、統一控制與資源協作這類問題。

本文借助系統工程方法探索以需求為牽引對生產體系開展正向設計的方法，在充分研究民機產品、生產體系及相互關系的前提下，借鑒目前廣泛用于飛機產品需求定義的思路，提出了利益攸關方模型和基礎功能模型，將風險分析引入生產需求定義過程。綜合考慮民機產品系列化發展、全生命周期管理、先進制造技術使用、采購及供應商控制等因素，給出了需求來源模板。

1 生產體系正向設計分析

生產體系是將輸入資源轉換為期望產出的過程，民機產品生產體系為實體類的轉換過程。

國際知名民機主制造商根據電子工業協會(EIA)的標準Processes for Engineering a System(EIA-632)，應用“飛機產品系統”(如圖1 所示架構)的概念，將生產體系視為制造使能產品，是民機項目需要交付的產品之一，也是最終產品實現的關鍵組成部分。

圖1 飛機產品系統通用組成架構

鑒于以上分析，嘗試將用于最終產品(飛機)的研制方法和工具用于生產體系這一產品的研制，基于需求的工程(Requirement Based Engineering，簡稱RBE)方法即是其中之一，它以需求為牽引面向復雜產品開展正向設計。

RBE的基本方法步驟如圖2 所示。

圖2 RBE方法步驟

將RBE方法用于生產體系，按照“需求-設計-驗證”的總體思路實施，本文僅討論需求定義過程。參照Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems(SAE ARP 4754A)所建議的飛機產品的相關過程，分析飛機和生產體系兩類產品對象，發現如下差異：

1)飛機產品是一個實物，所有需求都面向它的最終狀態；生產體系是一系列生產過程的集成，需求既面向過程輸出能力，也面向過程控制能力；

2)飛機的安全性需求決定了功能研制保證等級(FDAL)的概念，確定了對需求確認/驗證的嚴苛程度要求；生產體系沒有安全性概念，在需求確認/驗證時沒有確定置信度的來源；

3)飛機的功能分解可以參照國際ATA規范進行；生產體系缺乏功能分解的概念或規范；

4)飛機需求的層級劃分采用“飛機級-系統級-設備級”的方式，各層級的界面易于區分；生產體系需求如果考慮依據加工方式，卻無對應的標準，各層級的界面不易于區分；

5)飛機需求通過設計落實于方案；生產體系需求有可能落實于管理程序或制度，成為工作要求或管理要求。

由此可見，飛機產品所適用的方法無法直接用于生產體系。嘗試解決這些差異，在生產體系正向設計的需求定義中引入利益攸關方模型和基礎功能模型兩個概念。

利益攸關方模型解決滿足用戶對產品的品種、質量、數量、價格、服務和交貨期方面要求。

基礎功能模型解決產品對生產體系系統的創新、質量、彈性(應變能力)、成本、繼承性(剛性)和按期交貨等方面要求。創新、彈性和繼承性(剛性)，是由外部環境提出的，是使系統適應環境要求的能力，質量、成本和按期交貨，是按照生產過程運行規律合理組織生產過程所體現的能力。

2 利益攸關方模型

圖3 生產體系利益攸關方模型

生產體系利益攸關方是對生產體系的形式、活動、結果具有影響能力的個人、群體或組織。本文在研究飛機產品利益攸關方的基礎上，針對生產體系特征，提出生產體系利益攸關方模型，如圖3 所示。此模型既包含了生產體系的主要相關方，也包含了各方對生產體系可能提出期望的方面。以該模型作為輸入，進一步分析可以獲得完整的利益攸關方清單。然后通過調查、對比、分析等手段開展利益攸關方需要識別。

綜上所述，各利益攸關方對生產體系的需要一般體現在以下幾個方面：1)生產速率滿足產品市場需求和交付需求；2)生產過程滿足產品功能和性能的要求；3)使用成熟的生產技術/工藝技術實施產品方案；4)通過供應鏈管理，建立了保證產品持續生產的貨源；5)合理的生產成本保證產品具有價格競爭力；6)具有一定程度的柔性化，降低產品設計變更、改型和實現系列化生產所需代價。

除此以外，新產品的生產體系顯然必須遵守組織原有的質量保證體系和工藝體系的要求。再者，在保持共通性方面，盡可能兼顧已有產品和未來產品的需求，適當前瞻性的運用新的制造技術和生產管理技術。

從內容來看，利益攸關方需要既可以是針對具體功能特征(如：性能、實現方式和管理要求等)提出的期望，也可以將生產體系作為一個整體，表明它在設計、建立和運行過程中受到的客觀條件限制(如：適航法規或運輸條件等)。

3 基礎功能模型

對于民用飛機這類產品對象，多年的研究已形成了較為一致的產品基礎功能——載人和裝貨、從起點運動到終點、提供公共資源、確保安全和支持運營，以此為基礎分解形成主要功能，再分解形成功能和子功能，但對于生產體系這類產品對象，尚無如此的共識。

確定生產體系的基礎功能和功能分解方法，首先想采用成熟的“人機料法環”方法，但仔細分析則發現它更偏向于生產現場的準備配套，用于需求分析時無法體現正向設計的理念。如采用“零件-裝配-測試-交付”的分解方式，雖然從功能的角度易于理解，但也是面向生產現場交付物，反映的是生產結果，而無法反映生產過程和生產現場以外的內容。基于對生產體系特征的研究，本文提出民機生產體系的通用基礎功能包含5 項，分別為：“F1 將設計輸入轉化為產品”“F2 為生產過程提供質量保證”“F3提供生產能力”“F4 配套生產所需物料”和“F5 管理和監控生產過程”。如圖4 所示，這些基礎功能間存在一定的相互關系：F1 是核心功能，其他功能為F1 服務。

圖4 生產體系基礎功能模型

基于生產體系的基礎功能，對各種不同的需要進行權衡和綜合，轉化為需求，再確定滿足需求的功能(邏輯)方案，以細化功能架構、功能特征與功能接口。

生產體系功能自基礎功能向下分解，隨著生產體系需求定義詳盡程度的提升而漸進明細。在功能分解過程中，建議既要體現產品集成過程中上下游之間天然的需求關系(例如：飛機總裝與大部件裝配)，也應集中體現生產體系實現過程中交付物的特性(例如：生產線以及滿足特定要求的車間等)。對于功能分解的技術過程，本文僅提出觀點，不做詳細敘述。

4 生產體系需求定義過程

4.1 生產體系需求定義

以上述生產體系利益攸關方模型和基礎功能模型為輸入，運用系統工程的分析方法，經長期研究和反復演算，提出基于利益攸關方模型和基礎功能模型的、確定生產體系需求定義技術過程的方法，如圖5 所示，同時給出過程所需的模型/模板，用于指導確定生產體系需求定義。

圖5 中，生產體系需求定義過程自前向后，是一個通過識別利益攸關方需要然后轉化為需求的正向過程。自下向上，是一個通過識別風險應對需要然后轉化為需求的風險管理過程。每輪需求捕獲的結果，都將作為下一輪識別利益攸關方需要和開展風險分析的輸入，通過迭代最終獲得需要-需求-風險三者的均衡。

過程內產生的輸出“功能架構和功能清單”，本質上屬于生產系統的邏輯方案，它反映了生產系統的功能定義和功能接口，將與“需求”一起作為制定生產系統實施方案的輸入。

圖5 生產體系需求定義過程

將生產系統的早期風險分析與需求定義相結合，是該過程的重要特點。同時，它也是為提高需求捕獲完整性，在實踐中形成的理論創新。

4.2 將利益攸關方需要轉化為需求

將利益攸關方需要轉化為需求涉及的技術活動包括：“識別利益攸關方”、“識別需要”、“捕獲需求”和“功能分析”。

“識別利益攸關方”，它以“項目范圍”和“利益攸關方模型”為輸入，識別與飛機生產相關的所有組織或個人，形成“利益攸關方清單”，清單中應對利益攸關方的優先級進行排序。模型為識別活動提供了基本框架和思維方向。根據不同項目的特殊性，可以進一步深入分析，并考慮模型以外利益攸關方的可能性，最大程度確保完整性。

“識別需要”，它以“利益攸關方清單”為輸入，分析各方對生產體系的期望或限制，形成“利益攸關方需要”。識別需要的過程應反復與利益攸關方進行主動交互，確保各方理解的一致性。為避免需要之間存在明顯矛盾或互相制約的情況，應對需要進行初步的綜合，包括合并、取舍和妥協。

“捕獲需求”，它以“利益攸關方需要”和“基礎功能”為輸入，按照“基礎功能”進行初次的權衡分析，被接受的需要將轉化為“需求”。應注意的是，有些需求是與功能相關的，有些則是面向整個生產體系的。生產體系需求根據類別來確定適用的管理要求，分類方式詳見4.4 小節。

“功能分析”，它以“需求”為輸入，形成關于生產體系的初步定義(邏輯方案)，進而獲得詳細的“功能架構和功能清單”。與“基礎功能”相比，此時的“功能架構和功能清單”將是一個足以反映生產體系特征的功能定義文件，也是后續生產體系實施方案(物理方案)的設計輸入。另外，功能分析的結果可能會再次觸發“識別需要”，這種迭代確保了利益攸關方需要在生產體系的實施過程中被漸進明細，需求完整性不斷提高。

4.3 將風險應對需要轉化為需求

生產體系是一個多要素、多過程集成的系統，它的運行將會受到內、外部環境波動和不確定因素的影響。為了消除和減弱這些影響，對生產體系開展風險管理是必要的。有些風險應在生產體系設計階段作為需求被納入考慮，這部分需求實際來源于風險應對的需要，反映了目標生產體系預期的安全程度，其作用非常類似于飛機產品的安全性需求。

將風險應對需要轉化為需求涉及的技術活動包括：“風險分析”、“捕獲需求”和“功能分析”。

“風險分析”，它以“功能架構和功能清單”為輸入，以將目標生產體系失效風險降至可接受程度為目標，通過對生產體系方案中的關鍵過程、過程關鍵因子的風險識別，制定風險應對措施，形成“風險應對需要”。

“捕獲需求”和“功能分析”，與4.2 小節中相應技術活動基本相似。不同點在于“捕獲需求”的輸入從“利益攸關方需要”變為了“風險應對需要”。生產體系方案為了滿足這部分來源于風險的衍生需求，功能架構和功能清單可能會發生變化，這將再次觸發“風險分析”進行迭代。

根據美國國防部(DoD)發布的Manufacturing Management Program Guide(MIL-HDBK-896A)，對生產體系的早期風險識別圍繞制造可行性評估來進行，包括：1)當前不具備的生產工藝和制造技術；2)關鍵/長周期物料及生產設備；3)生產方案對可行性、產品性能、成本、進度的影響；4)生產速率和生產加速曲線；5)生產試驗項目；6)關鍵性/戰略性物料；7)生產瓶頸和限制因素。

因此，關于生產體系的風險應對需要一般集中在下列方面：

1)新工藝/新技術的應急方案和替代方案的要求；2)新工藝/新技術的研發過程控制要求和成熟度評估要求；3)長周期物料或生產設備的應急方案的要求；4)對試生產項目/生產試驗的要求；5)針對關鍵性/戰略性物料的貨源監控和管理要求；6)記錄生產數據，為成本、進度分析提供支持的要求；7)對生產體系實施監控，發現和消除生產瓶頸的要求；8)生產速率實現過程(生產提速)的要求。

4.4 生產體系需求分類

4754A為不同功能研制保證等級(FDAL)的需求建議了不同的確認/驗證方法，然而對于生產體系需求，并沒有置信度被廣泛認可的方法建議。同時生產體系需求本身的特殊性，也決定了其需求管理的特殊性。基于上述原因，本文提出為生產體系需求定義分類，以便將來基于類別定義不同需求管理方式的思路。

生產體系需求定義過程將產生三類需求：性能需求(Performance Requirements)、專業要求(Specialty Requirements)和強制要求(Mandatory Requirements)。專業要求和強制要求統稱為約束(Constraints)。約束是一種特殊類型的需求，既可以納入需求管理實施確認/驗證，也可以僅僅在相關設計文件中注明，最后通過其他技術過程來驗證是否實現。

性能需求以數值的方式定量反映相關功能所需達到的能力指標，例如：年生產能力、生產周期、裝配自動化率等。

專業要求一般來自內部，它以定性的方式反映了項目受到的專業約束和管理約束，例如：采用特定的先進制造技術、使用模塊化裝配的生產方式等。

強制要求通常來自外部，它反映了項目受到的剛性約束，這些需求在生產體系的設計過程必須被滿足，例如：安全環保法律法規、適航局方的要求、當前的行業水平和可利用資源等。

按這種分類方式，典型的生產體系需求將可能來自以下所關注的方面，如表1 所示。

表1 生產體系需求

5 結論

本文提出的用于民用飛機生產體系需求定義的方法和理論，可以指導需求管理人員如何捕獲利益攸關方需要，然后通過“需要-需求-功能”和“風險-需求-功能”的兩個閉環進行迭代，最終完成對生產體系的性能需求以及約束的定義。該過程是需求捕獲和需求確認的綜合。

生產體系需求定義的完整性依賴于功能架構的完整性。文中提及的概念“生產體系基礎功能”，此功能定義的合理性將在實踐中持續被證明和完善。再者，本文提出的關于生產體系的功能分解建議亦需在后續的工作中探索出具體的要求和方法。