基于設計更改的航空復雜產品設計質量評價研究

朱可嘉，孟潔，王梓奇

（中國航空綜合技術研究所，北京 100028）

設計更改是航空復雜產品研制過程中技術狀態管理的一項關鍵環節，其對在研和在制的航空復雜產品質量具有深遠影響。大型航空復雜產品設計過程是一個不斷“迭代”的過程，其中，設計更改扮演了承接不同階段設計輸入和輸出的重要角色。正是有了設計更改活動的存在，才使航空復雜產品的階段性設計輸出更好地匹配研制大綱中的具體技術要求和總體需求。因此，設計更改開展的情況也從一方面反映出了航空復雜產品設計質量水平。本文在分析設計更改管理基礎上，初步構建基于設計更改的航空復雜產品設計質量評價模型，并對模型進行實證分析，根據分析結果提出改進和提升航空產品設計更改工作的建議。

1 設計更改管理

從傳統上來講，設計更改被設計部門看作是制造研究部門的職責，設計中對產品的任何更改都被看作是產品設計過程中的正常遞歸過程。對于航空大型復雜產品的設計更改，往往會涉及產品的研制、生產、使用和維修以及報廢的全壽命周期，并通過技術狀態管理來實現不同階段更改的管理與控制。

1.1 設計更改的概念

設計更改是工業企業中較為普遍和常見的一項研發活動，并被工程研制人員和國內外學者一致認為可以分為“廣義設計更改”和“狹義設計更改”兩種[1]。產生分歧的原因主要在于“更改”發生的階段和“更改”作用的階段。其中，一些學者將設計更改定位在產品進入生產環節之后的對產品部分結構的更改，本質上體現的是對在制品的設計變更。工程技術人員則認為設計更改指對產品或者組件在形狀、配合關系、材料、尺寸、功能等方面的更改或修正[2]。也有學者將更改定義為對產品設計過程與生命周期中已經發布的零件、圖紙或者軟件的變更，與更改的尺度與類型無關。更改可能圍繞產品整體或單個零件的形狀、配合、功能進行改造，也可能改變要素單元之間的交互與依賴關系，可以從小的對單個零件的更改到大型的在整個產品中產生連鎖效應的更改[3]。更改可以貫穿整個設計生命周期，從早期局部設計完成時的更改到后期產品服役過程中的更改。而設計更改過程中的更改單就成為記錄設計更改過程的重要環節，在工程應用領域，更改單（Engineering Change Order，ECO）被定義為對已經發布的零件、圖紙或者軟件的更改。與工程更改請求（Engineering Change Request，ECR）有所不同，ECR可以為任何人所提出，且尚未經過審批的設計更改[4]。綜合各方意見，學術領域逐漸形成了更為全面的定義，即設計更改是設計過程中對已發布的零件、圖紙或軟件的變更，更改可以是任意尺寸或類型，可能需要投入任意數量的人員，投入任意長度的時間等多維度設計信息的變更。

1.2 設計更改的流程

航空產品結構復雜，組成零部件多，功能系統龐大，產品開發和制造流程復雜，研制周期長。由于設計改進完善、設計錯誤、工藝要求以及標準（規范）要求等原因，在飛機的設計過程中不可避免地會發生設計更改活動，它是飛機研制過程中一項非常重要而繁瑣的工作。設計更改是一個不斷重復的過程，該過程涉及設計、工藝、制造、工裝等多個部門。目前的飛機設計更改活動中，普遍面臨如下問題：更改流程復雜、更改時間長，更改頻繁，更改跟蹤難度大，產品數據再版難以管理和控制，更改信息在設計與工藝等部門協調困難。為了解決這一困難，以產品數據關系信息系統（PDM）為代表的產品設計數據管理信息系統相繼出現，進一步提高了設計更改管理的效率和水平。飛機設計更改流程一般要經過7個階段（圖1），分別是更改建議、更改評審、更改申請、更改許可、更改任務單、更改執行、更改發放。

圖1 設計更改的一般流程

更改過程的發起者可以是設計、工藝、制造等任何與產品有關的部門。這時，需要編制更改建議書，說明更改內容或更改原因，然后由更改評審委員會負責對更改申請的評審。如果評審沒有通過，返回上一步驟。在更改申請通過所有審簽后，建立更改單ECO（Engineering Change Order），編制更改說明，將要更改的產品信息加到更改任務單中。工程人員在接到更改任務之后，進行更改執行。對于型號研制階段的設計更改主要是對其設計數據和文件進行相應的變更，而對于批生產的型號產品來說，就要通過技術狀態管理對相應的技術文件做出變更，并對在制品安排相應的返工，對已交付的產品進行相應的返修工作。

1.3 設計更改的類型

設計更改通常按更改可能對產品造成的影響與等級（更改的緊急程度）進行分類。從來源角度，可將設計更改分為三類：來自供應商、來自客戶、來自內部部門。根據設計更階段則可分為兩類：一是緊急更改（Emergent Change），它是由設計內部原因引發，在設計過程或者產品設計、測試、樣機、制造、使用等全生命周期中發現的問題引起的更改，比如針對產品使用缺陷的改正；二是初始更改（Initiated Change），它是由外部環境引發，比如客戶提出新的需求或者制造商的變化。

在航空復雜產品設計更改過程中，設計單位會根據設計更改控制與管理的實際需要，按照改善性設計更改、勘誤性設計更改、協調性設計更改進行分類管理。其中，改善性設計更改是指為了完善和改進設計方案與樣機為目的而開展的設計變更活動；勘誤性設計更改是由于設計人員失誤和差錯造成的設計缺陷而進行的設計變更活動；協調性設計更改是指為了配合工藝、裝配和材料及相應部件的變動而做出的設計變更活動。改善性設計更改從一定層面上反映了航空產品的基礎設計能力，改善性設計更改的多少是由航空產品本身的技術成熟程度直接相關，技術成熟度越高的產品或對其技術消化程度越高的型號，在其研制過程中的改善性設計更改發生的數量越少；勘誤性設計更改在一定程度上反映出了設計的準確性，它是設計過程質量的重要度量指標，直接受到設計人員、設計流程、試制設備和材料、標準和規程等方面的影響。而協調性設計更改在一定程度上反映著由設計到最終實物產品的實現能力，這種“協調”既涉及航空產品從總體設計、詳細設計、工程研制、設計定型、生產定型以及批生產等在內的不同階段，同時也涉及整機、系統、分系統、部件乃至組件和零件研制層面。

1.4 設計更改對產品質量的影響

德國慕尼黑科技大學曾經對50家德國制造公司調查發現，56%的更改發生在設計階段完成之后，而這其中39%是可以在設計階段避免的。也有學者對美國制造計算機配件公司調查發現，該公司每個月會產生超過100條設計更改需求，平均每條需耗費“40/40/40”工作時間來處理，40天用于更改的設計與開發，40天處理更改相關的圖紙文件，40天將更改執行到生產中去[4]。

根據設計更改對實物質量影響的特點不同，可將影響劃分為：恒定結構影響，即不會為更改所影響；吸收結構影響，即傳出的更改少于傳入的更改，部分更改被吸收；傳遞結構影響，即傳入的更改與傳出的更改數量大致相當；增效結構影響，即傳出的更改要多于傳入的更改。此外，產品質量也會通過緩沖（結構中存在裕量緩沖空間）、阻抗（吸收所有更改，只能作為更改的最后受體結構）以及反射的方式反饋。

通過分析可以將設計更改對產品質量影響模式總結成兩種，即分散影響模式和集中影響模式；如果從更小的視角來觀察，還可以將這種影響模式劃分為步進、連鎖與替代三種類型。同時，在設計更改活動中要深入了解產品結構中在何處的更改更具柔性、靈活性與簡便性，必須對質量敏感區域的整體更改量與平均更改量進行控制，只有這樣才能有效控制設計變更對產品質量的影響。

航空產品設計更改是其本身設計質量水平的直接反映，對航空產品生產制造和使用維護具有長期和深遠的影響，更是航空產品設計過程中質量管控的核心環節。通過對某主機所的設計更改情況調研，可以發現不同的設計更改類型對航空產品設計質量和制造質量的影響存在一定差異化的影響。以航空發動機設計某所為例，在其統計的九類設計更改分類調研結果（表1）可以看出，對設計質量影響大和較大的為出于完善設計、設計錯誤、改進設計目的的設計更改，對制造質量影響大和較大的為出于方便工藝、適應條件、相應更改目的的設計更改，對使用質量影響大和較大的為出于方案改變目的的設計更改。

表1 某航空裝備研制單位設計更改數據統計調研結果

根據表1中的調研結果，可以將航空產品設計更改根據其對質量影響的階段性特征，分為設計質量敏感型設計更改、制造質量敏感型設計更改、使用質量敏感型設計更改以及維修和保障敏感型設計更改，后兩者沒能進行實地調研，但在這里我們完全可以做出合理推斷，即產品質量可以通過不同類型設計更改信息加以反映，具體如圖2評價模型所示。

圖2 航空產品設計質量綜合評價模型

2 設計質量評價

2.1 DEA模型

DEA方法為數據包絡分析（Data Envelopment Analysis）的簡稱，利用DEA可以考察設計質量能力沿基礎投入前沿面上的規模有效性和技術有效性。在測定決策單元的相對有效性時對每個決策單元進行優化，所得相對效率是最大值，權重也最優，而且對于非有效單元，利用“投影原理”不僅能指出指標的調整方向，還能給出調整量，并進行縱向的時間比較和橫向的區域比較。

應用DEA中的C2R模型進行分析，模型如下：

其中，n稱決策單元DMU，評價指標體系由m個投入和t個產出指標組成。他們分別表示“消耗的資源”和“工作的成效”。設xij為第j個決定單元對第i種類投入的投入量，yrj為第j個決定單元對第r種類投入的投入量，vi為對i種類型投入的一種度量（或權衡），ur為對r種類型投入的一種度量，和分別為松弛變量，ε為一非阿基米德無窮小量，在計算時可取（ε=10-6）。，θ為待估計參量。

2.2 實證分析

根據基于設計更改的航空復雜產品設計質量綜合評價模型，“投入方面”主要包括制造敏感型設計更改數（方便工藝、改進設計為目的的設計更改數）、使用敏感型設計更改數（方案改變、適應條件、相應更改為目的的設計更改數）和維保敏感型設計更改數（設計錯誤、校對失誤為目的的設計更改數）；“產出方面”主要采用設計敏感型設計更改數（完善設計、補充設計為目的的設計更改數）指標。帶入模型計算結果見2。從表2的評價結果可以對某型航空產品設計定型后期的設計更改對設計質量的影響進行分析:除2017Sh、2018Sh、2020Sh外，其余各時期的設計質量評價結果均為DEA無效。

表2 某型航空產品設計質量DEA評價結果

2.3 結果分析

從設計定型的總體進程來看設計更改未對設計質量的提升產生應有的技術效益和規模效益。導致以上結果的原因主要有兩方面：（1）設計定型階段的設計更改活動更多與生產定型階段相結合，很多設計變更要求來自于樣機研制與批產的需要。這樣的設計更改往往會造成原有工藝和標準的降低，進而對整體設計質量產生一定負面影響；（2）設計定型階段是排除設計階段問題的關鍵環節，期間會進行較多樣機評審、驗證與鑒定工作。因此，會產生大量的補充性設計變更需求，這樣的設計變更將在很大程度上擠占了用于提升設計質量的更改資源，進而導致設計質量的提升出現階段性效率遲滯。

3 對策建議

航空產品的設計質量提升是一項系統性工程，而設計更改無疑是決定設計質量好壞的重要方面。為了更好地開展航空產品設計更改工作，可從以下幾個方面加以改進和提升：

（1）加強重要更改的監測與管控。在航空產品方案和詳細設計階段，對完善設計方案為目的的設計更改進行重點監控；在樣機研制與設計定型階段，對改進、協調、勘誤等為目的的設計更改進行重點監控。另一方面，對在制品存在較大影響的設計更改，即產品已經定型批產的設計更改，則要通過技術狀態管理程序將設計更改對在制造品的影響作為重點監控方面。

（2）加強總體更改的預計與分配方法。設計更改的發生存在較大偶然性，但通過長期的積累和觀察還是會從中尋找出設計更改在航空復雜產品研制過程和產品結構上的分布特征。這些特征可以幫助我們在產品設計初期很好地預計設計更改發生和影響的模式，并能為航空產品研制周期內合理分配研制資源，進保證航空復雜產品的總體設計質量提供技術依據。而這種基于現有設計、研制及批產能力的設計更改預計與分配方法，則離不開不同型號航空復雜產品設計更改數據的長期積累與研究。

（3）完善設計更改的綜合評估體系。設計更改不是設計單位和制造單位間的簡單“博弈過程”，更不是“誰更能說服誰”的問題。而是要以設計更改效果綜合評估結論作為依據。由于航空型號研制任務的壓力無法做到對每一項設計更改進行標準化和科學化的評估，這就需要設計單位針對不同類型的設計更改活動，建立起一套科學的更改分類評價系統，特別是對設計更改對總體設計質量以及在制品質量的影響要進行充分評估，最大程度減少設計更改對設計質量的負面影響。

（4）提升更改管理的數字化水平。航空產品設計和生產企業基本建立了完善的PDM和ERP系統，但針對不同類型設計更改特點的管理流程信息化水平仍然不高。有些系統只停留在更改信息的錄入和檢索水平，并沒有將設計更改信息與數字化設計PDM相結合，導致設計更改信息中所包含的核心價值無法得到充分挖掘。因此，在深入探究航空復雜產品設計更改特點基礎上，構建科學完善的變更管控的信息化架構，在建立設計變更歷史庫和設計變更庫來分別描述被變更對象和變更對象基礎上，將設計、生產與管理信息化系統與設計更改數據緊密結合，形成設計、生產、使用和維修全過程的設計更改數字化系統。