羅繼業(yè) 何 歡 張嵐嵐

（上海飛機(jī)制造有限公司，上海 200436）

波音777飛機(jī)是是由波音公司研制的雙發(fā)中遠(yuǎn)程寬體客機(jī)，首飛時成為民用航空歷史上最大的雙發(fā)噴氣飛機(jī)。波音777項目采用了全新的組織形式，在組織結(jié)構(gòu)和數(shù)字技術(shù)上大膽創(chuàng)新，以較低的成本取得巨大成功，波音777項目也因此成為全球?qū)W習(xí)和關(guān)注的焦點。本文著重分析波音在777項目中利用的并行工程方法，探討并行工程的組織結(jié)構(gòu)和數(shù)字化技術(shù)保障。

1 波音傳統(tǒng)的串行項目組織形式

777項目之前，波音在飛機(jī)研制項目上基本采取傳統(tǒng)的串行組織形式。在傳統(tǒng)的串行組織形式中，項目基本上依照明確客戶需求、飛機(jī)設(shè)計、飛機(jī)制造、飛機(jī)測試、飛機(jī)交付、客戶保障的流程，特別是遵循先設(shè)計再制造的順序，即先完成設(shè)計階段的產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計、分析、發(fā)放，才能進(jìn)行制造階段的工藝計劃、工具設(shè)計、數(shù)控編程。

在串行研制過程中，設(shè)計與制造分離，產(chǎn)品設(shè)計不能夠按照制造的具體情況而及時進(jìn)行調(diào)整與更改，缺少了設(shè)計與制造的協(xié)調(diào)磨合，致使產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)集發(fā)放后，差錯、返工以及報廢現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，零件之間、工具與零件間的配合不精準(zhǔn)，從而延長了生產(chǎn)周期。所以，傳統(tǒng)的串行組織形式不利于保障項目的高效率、低成本、短周期和一次成功。

波音在777項目啟動之前面臨著客戶要求高、競爭對手強(qiáng)、時間緊迫、資金有限的挑戰(zhàn)。首先，相對于空客A330/340，777必須在功能、可靠性、維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性上具有很強(qiáng)的競爭力，滿足航空公司的要求；其次，777需要大大降低全生命周期成本；再次，在交付時即能投入運(yùn)營。針對這些問題與挑戰(zhàn)，波音制訂了項目研制計劃，關(guān)注以下3個方面。其一是在設(shè)計早期讓用戶廣泛參與，進(jìn)而盡快確定產(chǎn)品的主要需求；其二是產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)集在發(fā)放前確保其正確性和合適性，以降低至少50%的錯誤、變更及返工；其三是通過協(xié)同工作確保信息和數(shù)據(jù)充分共享以及問題能夠及時得以解決。為使項目計劃順利實現(xiàn)，波音決心進(jìn)行組織形式的改革，突破傳統(tǒng)的串行組織形式，應(yīng)用并行工程推行并行的組織形式。

2 并行工程

并行工程是集成、并行設(shè)計產(chǎn)品及其相關(guān)過程（包括制造過程和支持過程）的系統(tǒng)方法，以實現(xiàn)提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、縮短周期為目標(biāo)。串行工程與并行工程的比較見表1所示。

并行工程強(qiáng)調(diào)各種活動并行交叉進(jìn)行，并不意味著可以忽視產(chǎn)品開發(fā)的邏輯順序，或省略產(chǎn)品開發(fā)的必要環(huán)節(jié)，而是需要通過工作分解或節(jié)點控制，使能夠并行交叉的活動盡量并行交叉。一種方法是將復(fù)雜的產(chǎn)品分解為若干個子系統(tǒng)，對各子系統(tǒng)的設(shè)計實施并行推進(jìn)；另一種方法是將相關(guān)聯(lián)的各子系統(tǒng)的設(shè)計、生產(chǎn)、采購、工藝等工作盡可能交叉進(jìn)行。

表1 串行工程與并行工程的比較

并行工程的實行，需要組織和技術(shù)上的保障。777項目中波音就是通過設(shè)計制造團(tuán)隊、并行產(chǎn)品定義來完成組織結(jié)構(gòu)更新，并且通過數(shù)字化產(chǎn)品定義、數(shù)字化預(yù)裝配、數(shù)字化工具定義等數(shù)字化技術(shù)為組織形式的創(chuàng)新提供保障，如圖1所示。

圖1 波音777項目的并行工程示意圖

3 基于DBT和CPD的并行工程組織結(jié)構(gòu)更新

3.1 設(shè)計制造團(tuán)隊DBT（Design -Build Team）

波音777項目在研制過程和組織形式上實現(xiàn)一個重大突破，這就是把設(shè)計和生產(chǎn)緊密結(jié)合在一起，形成一個設(shè)計—生產(chǎn)流程，即通過組織變革將工程、計劃、工裝、生產(chǎn)工藝、材料、質(zhì)量保證、財務(wù)、用戶支持等業(yè)務(wù)職能緊密的組織在一起，共同參與產(chǎn)品定義（即設(shè)計數(shù)據(jù)集）。這種新的做法把過去的串行研制流程變成并行研制流程，強(qiáng)調(diào)協(xié)同工作。承擔(dān)工作的實體就是設(shè)計制造團(tuán)隊DBT，如圖2。

圖2 777項目DBT團(tuán)隊

每個DBT小組集合了工程（產(chǎn)品定義）、制造（計劃、工裝、總裝）、材料（計劃生產(chǎn)流程）、客戶服務(wù)（培訓(xùn)、維護(hù)、區(qū)域服務(wù)）、質(zhì)量審核（計劃、審查、質(zhì)量報告）、財務(wù)（成本控制）等方面的專家，一般情況下還包括供應(yīng)商和客戶代表。這樣能保障設(shè)計數(shù)據(jù)的合理利用，最大限度利用各方資源，從設(shè)計之初就能發(fā)現(xiàn)潛在問題，也能減少用戶和供應(yīng)商的不確定性，減少設(shè)計更改和研制周期，達(dá)到高質(zhì)量、低成本。波音強(qiáng)調(diào)所有組內(nèi)的成員必須在同一地點辦公，原因是成員之間信息交換頻繁，若不在一個地點，不利于及時溝通。

每個DBT團(tuán)隊是一個獨(dú)立的實體組織，負(fù)責(zé)飛機(jī)的一部分功能（如電器、結(jié)構(gòu)等），貫穿設(shè)計、制造、交付、售后支持整個產(chǎn)品生命周期。例如全飛機(jī)有DBT#0001，機(jī)頭艙段為DBT#4004等，777飛機(jī)研制最高峰時曾組織過238個DBT，總共成員8000余人。DBT的組織方式在波音777飛機(jī)的研制過程中取得了明顯的效果。DBT在工程設(shè)計發(fā)放以前，找到并消除了12 000處干涉問題。

3.2 并行產(chǎn)品定義CPD（Concurrent Product Def i nition）

并行產(chǎn)品定義是把當(dāng)前的產(chǎn)品設(shè)計的它們的相關(guān)過程，包括產(chǎn)品制造和支持服務(wù)集成在一起的系統(tǒng)工程方法。波音在777項目中實現(xiàn)了這一戰(zhàn)略設(shè)想，把工程、計劃、工裝、制造、材料、質(zhì)量控制、財務(wù)和用戶支持等方面組織在一起，共同進(jìn)行產(chǎn)品定義。這里的設(shè)計具有廣泛意義，不僅包括產(chǎn)品設(shè)計，還有工藝、裝配、檢驗和服務(wù)等方面的設(shè)計工作。設(shè)計過程大體分概念設(shè)計、初步設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計等幾個階段，完成由粗到細(xì)的過程，設(shè)計制造團(tuán)隊DBT也按這一過程組織。

CPD通過減少差錯，減少返工或者通過減少飛機(jī)零部件以及制造工藝和工裝的更改，來縮短飛機(jī)的研制周期，并降低研制和維護(hù)成本，優(yōu)化業(yè)務(wù)流程。CPD是一個極其復(fù)雜的過程，需要強(qiáng)大的團(tuán)隊共享資源、團(tuán)隊協(xié)作完成產(chǎn)品定義，包括結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的并行設(shè)計、分析師對設(shè)計的支持、生產(chǎn)計劃定義、關(guān)鍵工裝設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)文檔跟進(jìn)，如圖3。由于這些過程是高度相互依賴的，因此常運(yùn)用集成工作方式來完成這些復(fù)雜的任務(wù)。任務(wù)計劃通過分解成不同的階段來推進(jìn)執(zhí)行，每個階段都有相應(yīng)的DBT目標(biāo)。

波音CPD的目標(biāo)是對任務(wù)做到足夠詳細(xì)，確保無更改、無錯誤、無返工地滿足下游用戶或下個研制生產(chǎn)環(huán)節(jié)的需求。關(guān)鍵點是協(xié)同組在同一地點工作，決策時應(yīng)服務(wù)于整個任務(wù)并對自己的產(chǎn)品負(fù)責(zé)，并且根據(jù)不同研制階段改變DBT成員，由設(shè)計和生產(chǎn)工程師對DBT的決定共同批準(zhǔn)。

圖3 并行產(chǎn)品定義-優(yōu)化業(yè)務(wù)流程

4 基于DPD、DPA、DTD的并行工程數(shù)字化保障

4.1 數(shù)字化產(chǎn)品定義DPD（Digital Product Def i nition）

數(shù)字化產(chǎn)品定義要求所有零部件（零件、配裝件、總裝件）的幾何定義都要在數(shù)據(jù)集中進(jìn)行定義，而且是作為唯一權(quán)威的零件定義在數(shù)據(jù)集中予以保護(hù)。DPD的最大好處就是能夠進(jìn)行數(shù)字化裝配和分析，能盡早發(fā)現(xiàn)零部件和對接中的問題。

波音在777的研制過程中大量使用CATIA技術(shù)，整個設(shè)計工序都沒有采用傳統(tǒng)的繪圖紙方式，以確保機(jī)上成千上萬的零件在制成昂貴實物原型前，也能清楚計算設(shè)計的位置是否穩(wěn)妥。全部有更改的或新設(shè)計的零件都在CATIA工作站上完成設(shè)計。零件的模型包括3種：三維實體、三維線框和二維圖樣，三者組成了數(shù)據(jù)集。不作更改的零件會由圖樣轉(zhuǎn)換成實體模型。三維實體模型輸入到EPIC（電子預(yù)裝配）數(shù)據(jù)庫中用于數(shù)字預(yù)裝配。三維線框模型用于DBT內(nèi)部使用，因為三維實體模型傳輸使用的資源太多，線框模型相對比較節(jié)省資源。二維圖樣是產(chǎn)品定義驗收的依據(jù)。一個零件的數(shù)據(jù)集，包括它的3D/2D幾何模型、圖樣和其說明及數(shù)據(jù)集說明，打包存到DIRRECT（發(fā)放、交換、控制和跟蹤）數(shù)據(jù)庫。777的研制過程共運(yùn)用了近2 200臺電腦終端機(jī)，這些終端分布在日本、維基塔和費(fèi)城，連接到位于西雅圖的8臺大型計算機(jī)上。

4.2 數(shù)字化預(yù)裝配DPA（Digital Pre-Assembly）

數(shù)字化預(yù)裝配的目的是要減少更改、誤差和返工，在數(shù)據(jù)集正式發(fā)送之前盡量做好計算機(jī)仿真，以確保各裝配零件配合準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。飛機(jī)零部件在設(shè)計者、分析師、計劃人員或工裝設(shè)計人員的要求下進(jìn)行預(yù)裝配，設(shè)計者負(fù)責(zé)模型的共享、抗干擾檢測以及處理其他機(jī)構(gòu)反饋的不合格項。777研制過程中對10多萬個零件全部實行數(shù)字化設(shè)計，并在計算機(jī)上進(jìn)行數(shù)字化預(yù)裝配、設(shè)計更改。

DPA通過兩種組織形式來管控數(shù)字化預(yù)裝配，DPA負(fù)責(zé)人對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和發(fā)放，而現(xiàn)場負(fù)責(zé)人保證飛機(jī)交叉結(jié)構(gòu)的設(shè)計集成。DPA定期對集成情況進(jìn)行審查，777為期2年的設(shè)計共進(jìn)行5次審查，審查由現(xiàn)場機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)，審查項目包括抗干擾性、接口協(xié)調(diào)和安裝進(jìn)程等。

DPA在波音有著悠久的歷史。在DPA的設(shè)計過程中，各小組的零件、工具設(shè)計員生成三維實體模型輸入EPIC數(shù)據(jù)庫，完成信息共享。各有關(guān)人員提取模型完成各種檢查，檢索裝配應(yīng)有的全部零件或工具，進(jìn)行裝配、定位和干涉檢查。審查通過后將2D/3D數(shù)據(jù)集預(yù)發(fā)放，并存入DIRRECT數(shù)據(jù)庫，再由DIRRECT發(fā)放最新的數(shù)據(jù)到EPIC，開始新的一次迭代設(shè)計。DPD與DPA是反復(fù)迭代的過程，數(shù)據(jù)在EPIC數(shù)據(jù)庫共享，直到設(shè)計通過批準(zhǔn)，再打包送入DIRRECT數(shù)據(jù)庫發(fā)放，見圖4。

雖然實施DPA會在近期增加一些費(fèi)用，但整個飛機(jī)研制項目的最終成本會被降低。

4.3 數(shù)字化工具定義DTD（Digital Tool Def i nition）

圖4 DPD與DPA的迭代過程示意圖

數(shù)字化工具定義的主要過程是確定工具需求和工具設(shè)計，該過程與零件設(shè)計、制造計劃并行進(jìn)行。DBT小組相關(guān)工藝人員辨別關(guān)鍵零件與工具的接口以及早期發(fā)放的數(shù)據(jù)集，定義工具的三維實體模型。通過數(shù)字化預(yù)裝配驗證所設(shè)計的工具，檢查重點是工具與零件間、工具與工具間的配合與協(xié)調(diào)，得到確認(rèn)后則從三維實體模型生成二維工具圖樣。數(shù)據(jù)集、實體模型和圖樣由DBT和工藝管理部門共同批準(zhǔn)后發(fā)放，并輸入到工具數(shù)據(jù)庫。

綜上所述，通過數(shù)字化的輔助手段實現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計、預(yù)裝配和工具設(shè)計的并行工程。

5 啟示

波音777項目從串行到并行的組織形式變革之所以能成功并成為行業(yè)典范，有幾點啟示。

首先，并行產(chǎn)品定義在不斷發(fā)展。波音在777研制中打破了按職能劃分的組織形式，并按并行工程思想設(shè)計了依據(jù)功能（如電氣、機(jī)械、結(jié)構(gòu)、載荷和綜合等）劃分的設(shè)計制造團(tuán)隊DBT。737改型設(shè)計中，在吸取DBT的基礎(chǔ)上發(fā)展為按產(chǎn)品（如機(jī)翼、機(jī)身和動力系統(tǒng)等）劃分的集成產(chǎn)品團(tuán)隊IPT。每個IPT都對某一個具體的集成產(chǎn)品負(fù)責(zé)。IPT成員要盡可能在同一地點辦公，IPT貫穿于整個設(shè)計、生產(chǎn)直至售后支持的全過程。787新機(jī)研制中，并行產(chǎn)品定義進(jìn)一步發(fā)展，在建立全球協(xié)同環(huán)境系統(tǒng)上，組織產(chǎn)品的全球性協(xié)同設(shè)計和制造。民機(jī)研制的組織形式朝著團(tuán)隊管理、并行協(xié)同、高性能組織的方向發(fā)展。

其次，并行工程的實行是一個循序漸進(jìn)的過程。波音之所以能很好的應(yīng)用并行工程，是其多年從事CAD/CAM/DPA積累的結(jié)果。早在20世紀(jì)80年代中期，波音就把投資CAD/CAM技術(shù)作為技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略方向，工程師開始使用CATIA軟件來建立三維幾何模型。777研制中，波音共投資多于10億美元的資金，使數(shù)千名設(shè)計人員在與4個IBM主機(jī)群相連的2200工作站上同時工作，進(jìn)行100%的三維DPD/DPA和CPD，并使300萬個零部件信息存入數(shù)據(jù)庫中?？梢姛o論在硬件建設(shè)和軟件應(yīng)用上，波音都投入了極大的心血。技術(shù)的積累是一個漸進(jìn)的過程，也是一個由量變到質(zhì)變的過程。

最后，并行工程并不單純是一個科學(xué)技術(shù)問題，更主要的是一個組織和企業(yè)文化問題。并行工程未能貫徹實施，一個主要原因是大公司在組織管理方式上不能轉(zhuǎn)變。航空企業(yè)的組織龐大，改變管理方式和企業(yè)文化的阻力很大。所以，能否實現(xiàn)DBP和IPT關(guān)鍵取決于領(lǐng)導(dǎo)的決心和意志。只有主要領(lǐng)導(dǎo)人有高瞻遠(yuǎn)矚的洞察力和爭先取勝的決心，才能在公司全面開展并行工程。

[1]梁思禮.并行工程的實踐——對波音777和737-X研制過程的考察[J].質(zhì)量與可靠性，2003(1):1-7.[2]潘新.并行產(chǎn)品數(shù)字化定義的實施與應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動化，2010（5）：203-205.

[3]范玉青，梅中義，陶劍. 大型飛機(jī)數(shù)字化制造工程[M].北京：航空工業(yè)出版社，2011.

[4]盧鵠，范玉青.飛機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的數(shù)字化定義[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2006,32（15）：526-530.

[5]Wolf L.Glende.1997.The Boeing777: A Look Back[J]. AGARD FVP Symposium.22-25 September 1997,Drammen ,Norway.

[6]Lone,R.G. 1991 .777 revolutionizes Boeing aircraft development process[J]. Aviation Week and Space Technology,No.22, 34–36.

[7]夏群林.論民用飛機(jī)的項目管理(之一)——并行工程環(huán)境下的飛機(jī)項目管理[J].國際航空，2010(1)：63-66.

[8]Sharma K.J. 2004.The making of Boeing 777: a case study in concurrent engineering[J].Manufacturing Technology and Management,Vol.6,254-264.