◎中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心 彭小波等
航天預(yù)研產(chǎn)品研制面臨著激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)以及周期、成本、質(zhì)量和資源等限制條件,迫切需要研究適用于產(chǎn)品研制過(guò)程的創(chuàng)新管理模式,從而提升產(chǎn)品研發(fā)效率和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。國(guó)際領(lǐng)先的航天產(chǎn)品創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)都采用了基于集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)(IPD)的并行工程模式開(kāi)展創(chuàng)新產(chǎn)品研制,并取得了令世人矚目的成績(jī)。筆者通過(guò)對(duì)波音787、鬼怪工程部、臭鼬工廠和SpaceX 公司的IPD 模式的分析,結(jié)合航天某項(xiàng)目特點(diǎn),探索適用于該項(xiàng)目和我國(guó)航天預(yù)研產(chǎn)品研制的管理模式,并創(chuàng)新預(yù)研產(chǎn)品研制管理體制機(jī)制,從而全面保障產(chǎn)品研制過(guò)程,為中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院市場(chǎng)化轉(zhuǎn)型和新體系建設(shè)提供有力支撐。
IPD 是一套先進(jìn)的成熟研發(fā)管理思想、模式和方法,其實(shí)質(zhì)是以產(chǎn)品為核心,通過(guò)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中打破單位“壁壘”,組建跨單位、多專(zhuān)業(yè)的協(xié)同研制團(tuán)隊(duì),基于并行工程的產(chǎn)品研制管理體系快速、低成本、高質(zhì)量地完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。IPD 模式的核心包括以產(chǎn)品為核心(以產(chǎn)品為核心目標(biāo)的里程碑式管理機(jī)制),異步開(kāi)發(fā)模式(并行工程),組建跨部門(mén)、跨系統(tǒng)的協(xié)同研制團(tuán)隊(duì),搭建支持資源重用的開(kāi)發(fā)環(huán)境以及柔性的結(jié)構(gòu)化預(yù)研產(chǎn)品研制流程5 個(gè)方面要素。
對(duì)IPD 過(guò)程的管理需要圍繞這5 個(gè)方面要素展開(kāi),通過(guò)里程碑式的管理機(jī)制控制產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度節(jié)點(diǎn),建立基于并行工程的產(chǎn)品協(xié)同研制體系,打通產(chǎn)品研制上下游環(huán)節(jié)之間的數(shù)據(jù)鏈路,利用組建的跨部門(mén)、跨系統(tǒng)的協(xié)同研制團(tuán)隊(duì)打破專(zhuān)業(yè)之間的“壁壘”,形成高效信息共享通道,縮短信息傳遞周期,從而在預(yù)研產(chǎn)品結(jié)構(gòu)化研制流程與創(chuàng)新需求中建立平衡點(diǎn),充分發(fā)揮項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新能力,最終完成產(chǎn)品研制工作。
目前,IPD 模式在國(guó)內(nèi)外航天航空創(chuàng)新產(chǎn)品研制過(guò)程中得到了較多應(yīng)用,也取得了較好的效果。但多數(shù)IPD 模式都是注重產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程,適用于航天產(chǎn)品研制的IPD 模式需要更加注重產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的全程協(xié)同,需要把產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)和物流采購(gòu)的并行工程貫穿于項(xiàng)目始終,從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研制全過(guò)程的協(xié)同與優(yōu)化。因此,適用于航天產(chǎn)品研制的IPD模式需要具備以下幾個(gè)方面的特征。
以我國(guó)航天50多年研制經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ),以系統(tǒng)工程思想為指導(dǎo),借鑒波音、SpaceX 和龐巴迪公司的成功理念,在項(xiàng)目研制3 個(gè)階段(概念論證、樣機(jī)研制和集成演示驗(yàn)證)的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)分,確定從概念論證到飛行試驗(yàn)的研制環(huán)節(jié),并在設(shè)立多個(gè)里程碑節(jié)點(diǎn)的同時(shí),設(shè)定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的里程碑目標(biāo)、輸入條件和輸出物,通過(guò)精細(xì)化管理模式推進(jìn)項(xiàng)目進(jìn)程,最終形成適用于預(yù)研產(chǎn)品研制的結(jié)構(gòu)化流程。通過(guò)結(jié)構(gòu)化流程固化節(jié)點(diǎn)要求,結(jié)合表格化進(jìn)度控制和每周每日行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目,全面保障項(xiàng)目研制計(jì)劃節(jié)點(diǎn)的順利推進(jìn),如圖1所示。
圖1 里程碑式結(jié)構(gòu)化產(chǎn)品研制流程示意圖
航天集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的組建需要打破單位界限,實(shí)現(xiàn)從金字塔層級(jí)式管理模式向網(wǎng)絡(luò)化扁平式的集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)管理模式轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的金字塔式管理模式將人員、技術(shù)和組織三者割裂開(kāi)來(lái),造成管理部門(mén)層級(jí)眾多,不能集成優(yōu)勢(shì)資源力量,影響協(xié)同工作效率。
航天產(chǎn)品IPD 的實(shí)施過(guò)程需要采用網(wǎng)絡(luò)化扁平式管理模式,在將人員、技術(shù)和組織三者合而為一的基礎(chǔ)上,建立全生命周期集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的扁平式管理模式,通過(guò)集成產(chǎn)品管理團(tuán)隊(duì)對(duì)集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)和集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)“微團(tuán)隊(duì)”進(jìn)行管理,以克服管理模式層級(jí)眾多帶來(lái)的缺陷,如圖2所示。
為了提高團(tuán)隊(duì)協(xié)同效率,縮短信息傳遞鏈路,需要把基于專(zhuān)業(yè)分工的矩陣式管理與“微團(tuán)隊(duì)”的組織模式結(jié)合,建立涵蓋產(chǎn)品研制相關(guān)專(zhuān)業(yè)的“微團(tuán)隊(duì)”,并基于“微團(tuán)隊(duì)”進(jìn)行產(chǎn)品研制過(guò)程的任務(wù)分解、技術(shù)協(xié)同和質(zhì)量控制,從而全面提升研發(fā)效率。
圖2 網(wǎng)絡(luò)化扁平式管理模式示意圖
在傳統(tǒng)基于人的協(xié)同模式下,工作的分配、協(xié)調(diào)都是由人來(lái)控制的,很難實(shí)現(xiàn)跨單位、多專(zhuān)業(yè)的大規(guī)模協(xié)同。航天產(chǎn)品IPD 模式需要構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同方法,通過(guò)計(jì)算機(jī)管理工作流程,以使研制任務(wù)和全系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)協(xié)調(diào)及時(shí)準(zhǔn)確,從而保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)、性能分析、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)及物流采購(gòu)等存在的問(wèn)題能夠在源頭被發(fā)現(xiàn)和解決,如圖3所示。
通過(guò)建立集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程管理的規(guī)范體系,建立精益研發(fā)的管理方法,形成了基于知識(shí)工程的設(shè)計(jì)模式、基于三維設(shè)計(jì)的全生命周期質(zhì)量管理體系、人力資源統(tǒng)計(jì)調(diào)度方法和表格化計(jì)劃進(jìn)度控制等規(guī)范體系。根據(jù)項(xiàng)目里程碑節(jié)點(diǎn)要求進(jìn)行人力資源需求的統(tǒng)計(jì)分析,并綜合工作項(xiàng)目、技術(shù)難度、專(zhuān)業(yè)差異和熟練系數(shù)等因素確定項(xiàng)目人員爬坡計(jì)劃,利用專(zhuān)業(yè)分析工具分析人力資源使用狀況,從而進(jìn)行科學(xué)調(diào)配。
制定IPD 實(shí)施過(guò)程中的相關(guān)管理制度和規(guī)范體系,根據(jù)IPD實(shí)施目標(biāo)和集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)成員的專(zhuān)業(yè)技術(shù)能力,按照項(xiàng)目各階段的里程碑節(jié)點(diǎn)把所有計(jì)劃分解到集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)“微團(tuán)隊(duì)”,以工時(shí)作為工作分解計(jì)量單位,通過(guò)“紅綠燈”進(jìn)展?fàn)顟B(tài)檢查表、每日全飛行器樣機(jī)狀態(tài)協(xié)調(diào)等方式監(jiān)控項(xiàng)目進(jìn)展和實(shí)施情況。集成產(chǎn)品管理團(tuán)隊(duì)的周例會(huì)和日例會(huì)是確定項(xiàng)目行動(dòng)計(jì)劃的核心工具,通過(guò)例會(huì)和項(xiàng)目行動(dòng)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)PDCA 的閉環(huán)管理過(guò)程。
以某項(xiàng)目的研制為例,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)積極實(shí)踐創(chuàng)新管理模式,采用了IPD 的創(chuàng)新管理模式開(kāi)展項(xiàng)目研制工作。該項(xiàng)目中A 結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)的IPD 實(shí)施過(guò)程打破了航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、試驗(yàn)分析等專(zhuān)業(yè)“壁壘”,采用跨部門(mén)多專(zhuān)業(yè)聯(lián)合的“蜂窩式”微團(tuán)隊(duì)加“積木式”模塊化整體架構(gòu)的組織管理模式,開(kāi)展產(chǎn)品全生命周期協(xié)同設(shè)計(jì)和制造。通過(guò)對(duì)A 結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)實(shí)施IPD 模式建立了基于模型定義(MBD)的全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái),形成了設(shè)計(jì)規(guī)范體系和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn),以及基于知識(shí)工程的設(shè)計(jì)模板和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)庫(kù)資源,固化了產(chǎn)品研制流程,探索了組建跨系統(tǒng)、多專(zhuān)業(yè)集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的途徑。
在傳統(tǒng)的產(chǎn)品研制過(guò)程中,設(shè)計(jì)、工藝和工裝人員進(jìn)入項(xiàng)目研制流程的關(guān)系如圖4所示。A結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)IPD 的實(shí)施過(guò)程探索了適用于航天預(yù)研產(chǎn)品研制的并行工程模式,采用了創(chuàng)新的全生命周期并行的研制模式,利用縱橫結(jié)合的管理方法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研制資源和技術(shù)能力應(yīng)用的效率最大化,構(gòu)建了融合產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程的研制流程,如圖5所示。
圖3 基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的并行產(chǎn)品研制模式示意圖
航天結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式在我國(guó)航天50多年的發(fā)展歷程中,從二維CAD 圖紙逐步進(jìn)入了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)時(shí)代,采用三維數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)加二維圖紙制造的模式消除了產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的不協(xié)調(diào)問(wèn)題,縮短了產(chǎn)品研制周期,降低了研制成本。目前,國(guó)內(nèi)外知名航天航空企業(yè)大多采用這種產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造模式。中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司的大型客機(jī)項(xiàng)目(C919)全面采用了基于MBD 的設(shè)計(jì)理念,國(guó)內(nèi)其它航空航天產(chǎn)品研制也正在逐步引入基于MBD 的思想?;贛BD的設(shè)計(jì)技術(shù)是以三維產(chǎn)品模型為基礎(chǔ),集成了包括三維空間尺寸公差標(biāo)注、制造要求標(biāo)注在內(nèi)的特征信息,滿足了信息系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品特征描述、共享的直接傳遞要求,并實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品信息的分類(lèi)管理。
通過(guò)A結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)的IPD實(shí)踐,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)建立了基于MBD 全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的規(guī)范體系,包括《關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《三維建模規(guī)范》、《三維裝配規(guī)范》、《電纜敷設(shè)設(shè)計(jì)手冊(cè)》、《航電設(shè)備建模規(guī)范》、《標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)建模規(guī)范》、《材料庫(kù)建模規(guī)范》和《MBD 信息標(biāo)注規(guī)范》等,涵蓋了三維模型建立,標(biāo)注了原材料規(guī)范、分析數(shù)據(jù)、測(cè)試需求信息以及產(chǎn)品尺寸與公差范圍、制造工藝和精度要求等生產(chǎn)工藝約束條件,保證了MBD信息在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)等上下游環(huán)節(jié)間傳遞的一致性。
為了在結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化產(chǎn)品研制流程中尋求最佳解決方案,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)大量采用了基于知識(shí)工程的設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)模板和設(shè)計(jì)資源庫(kù),保證了協(xié)同設(shè)計(jì)狀態(tài)的一致性和產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。詳細(xì)設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)從關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)、三維建模、模型裝配、材料選擇、材料特性、工藝可行性和標(biāo)準(zhǔn)件選用等方面詳細(xì)規(guī)定了A 結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求,涵蓋了項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中需要的大量知識(shí)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還編寫(xiě)了《A 結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析準(zhǔn)則》,翻譯整理了《美國(guó)航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》。
通過(guò)A 結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)的IPD 實(shí)踐,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)建立了基于MBD的零件設(shè)計(jì)、組件設(shè)計(jì)、鈑金件設(shè)計(jì)、機(jī)加件設(shè)計(jì)和電纜管路設(shè)計(jì)等三維建模模板,以及標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)、航天航空材料庫(kù)、成品件庫(kù)、電接插件庫(kù)等設(shè)計(jì)資源庫(kù)。
組建了包含航天航空設(shè)計(jì)人員、工藝設(shè)計(jì)人員、工裝設(shè)計(jì)人員、物流采購(gòu)人員的集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)“微團(tuán)隊(duì)”,以探索高效的在線協(xié)同設(shè)計(jì)模式。利用集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)“微團(tuán)隊(duì)”替代單個(gè)主管設(shè)計(jì)人員,利用在線協(xié)同設(shè)計(jì)模式提升在線協(xié)同設(shè)計(jì)能力。通過(guò)多層級(jí)“微團(tuán)隊(duì)”的管理模式顯著減少系統(tǒng)之間和專(zhuān)業(yè)之間的信息交換過(guò)程,壓縮信息傳遞鏈路,打通了產(chǎn)品上下游環(huán)節(jié)的信息共享和交互通道,真正實(shí)現(xiàn)了以產(chǎn)品為核心的IPD 項(xiàng)目實(shí)施目標(biāo)。
通過(guò)集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)“微團(tuán)隊(duì)”打破專(zhuān)業(yè)和單位“壁壘”,由包含產(chǎn)品全生命周期相關(guān)專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員具體負(fù)責(zé)面向制造的相關(guān)子系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì),從而實(shí)現(xiàn)了從宏觀到細(xì)節(jié)、由外部到內(nèi)部的接口協(xié)調(diào)模式。構(gòu)建矩陣式多層級(jí)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了“1-N-1”接口協(xié)調(diào)模式,顯著減少了信息傳遞環(huán)節(jié),擴(kuò)大了信息共享渠道。
在IPD 實(shí)施過(guò)程中初步建立了貫穿產(chǎn)品全生命周期的質(zhì)量管控體系,包括責(zé)任落實(shí)、工具手段和流程方法等3 個(gè)方面。
圖4 傳統(tǒng)研制模式階段示意圖
圖5 基于IPD模式的階段示意圖
由于A 結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)的集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)涉及單位多、人員多,為保證產(chǎn)品質(zhì)量管控,在設(shè)計(jì)過(guò)程中首先要層層落實(shí)責(zé)任制。將整個(gè)團(tuán)隊(duì)按系統(tǒng)劃分,在每個(gè)系統(tǒng)下分設(shè)大組、小組,做到系統(tǒng)負(fù)責(zé)人、團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、大組長(zhǎng)、小組長(zhǎng)責(zé)任的層層落實(shí),并將責(zé)任主體落實(shí)到具體設(shè)計(jì)人員身上。大組長(zhǎng)負(fù)責(zé)各部段接口協(xié)調(diào),小組長(zhǎng)完成組內(nèi)人員技術(shù)、管理協(xié)調(diào),保證問(wèn)題能及時(shí)協(xié)調(diào)、上報(bào)。
為保證設(shè)計(jì)質(zhì)量,在三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)、數(shù)模狀態(tài)管控和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)等階段形成了一系列技術(shù)狀態(tài)管理制度,從制度上保證了技術(shù)狀態(tài)變化的可控。
一是應(yīng)用設(shè)計(jì)模板工程數(shù)據(jù)集。在A 結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計(jì)中提出工程數(shù)據(jù)集的概念,即將所有設(shè)計(jì)、制造、采購(gòu)信息全部集成在三維數(shù)模中,作為設(shè)計(jì)制造的唯一數(shù)據(jù)源。消除了傳統(tǒng)由“三維協(xié)同幾何參考、二維圖尺寸協(xié)調(diào)”提供多個(gè)數(shù)據(jù)源容易引起不一致性的弊端,相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法具有明顯優(yōu)勢(shì)。
二是應(yīng)用三維協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)質(zhì)量表格化的檢查方法。為了加快工程數(shù)據(jù)發(fā)放速度,采取了表格化的質(zhì)量控制技術(shù)進(jìn)行審簽,其具體流程如圖6所示。
三維模型質(zhì)量檢查單與傳統(tǒng)的三級(jí)審簽相比較,將校對(duì)內(nèi)容進(jìn)行了量化與具體化,能夠有效保證簽署的質(zhì)量。實(shí)踐證明,這種方法可以大幅度縮短細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)間并降低返工率,切實(shí)提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
三是應(yīng)用工程數(shù)據(jù)集發(fā)放單。
在A 結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)模型下廠過(guò)程中采用工程數(shù)據(jù)集發(fā)放單作為工程指令,有效解決了三維數(shù)模設(shè)計(jì)版本的更改問(wèn)題。發(fā)放單分為首頁(yè)和次頁(yè),首頁(yè)供審簽使用,次頁(yè)用于進(jìn)行參考性描述和更改描述。
圖6 三維設(shè)計(jì)質(zhì)量檢查流程
工程數(shù)據(jù)集發(fā)放單是三維數(shù)模的有效性識(shí)別標(biāo)簽,只有審簽齊全的發(fā)放單才可以隨對(duì)應(yīng)數(shù)模下廠。發(fā)放單在審簽完成后被掃描成電子文件加載在協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)之下,與三維模型成為一體,利于工藝準(zhǔn)備。
四是現(xiàn)場(chǎng)跟產(chǎn)。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采用純?nèi)S數(shù)模裝配技術(shù)。為了確保產(chǎn)品質(zhì)量,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)根據(jù)三維設(shè)計(jì)制造數(shù)據(jù)源的特點(diǎn),編制了《生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工作手冊(cè)》,對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵裝配工序進(jìn)行裝配前技術(shù)狀態(tài)檢查,裝配過(guò)程中進(jìn)行全程跟蹤記錄,做到總體要求、設(shè)計(jì)要求、零件加工問(wèn)題、裝配問(wèn)題等所有技術(shù)狀態(tài)的協(xié)調(diào)一致且可視化,有力保證了產(chǎn)品質(zhì)量。
通過(guò)IPD 模式的實(shí)施,某項(xiàng)目中A 結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)僅用280 天就完成了從產(chǎn)品方案論證到總裝的全過(guò)程,顯著縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造周期;在產(chǎn)品零件生產(chǎn)、部段裝配過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)重大設(shè)計(jì)不合理、不協(xié)調(diào)問(wèn)題,對(duì)確保任務(wù)完成起到了積極的推動(dòng)作用。同時(shí),該項(xiàng)目采用的IPD 模式也與其它型號(hào)進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)交流,得到了推廣應(yīng)用。?