基于集成產(chǎn)品開發(fā)模式的協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)踐

◎中國運(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競爭以及周期、成本、質(zhì)量和資源等限制條件，迫切需要研究適用于產(chǎn)品研制過程的創(chuàng)新管理模式，從而提升產(chǎn)品研發(fā)效率和市場競爭力。國際領(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)品開發(fā)（IPD）的并行工程模式開展創(chuàng)新產(chǎn)品研制，并取得了令世人矚目的成績。筆者通過對波音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)品研制過程，為中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院市場化轉(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，通過在產(chǎn)品開發(fā)過程中打破單位“壁壘”，組建跨單位、多專業(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），異步開發(fā)模式（并行工程），組建跨部門、跨系統(tǒng)的協(xié)同研制團(tuán)隊(duì)，搭建支持資源重用的開發(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 個方面要素。

對IPD 過程的管理需要圍繞這5 個方面要素展開，通過里程碑式的管理機(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、跨系統(tǒng)的協(xié)同研制團(tuán)隊(duì)打破專業(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。

一、適用于航天產(chǎn)品研制的IPD模式

目前，IPD 模式在國內(nèi)外航天航空創(chuàng)新產(chǎn)品研制過程中得到了較多應(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方面的特征。

1．里程碑式的結(jié)構(gòu)化產(chǎn)品研制流程

以我國航天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)立多個里程碑節(jié)點(diǎn)的同時，設(shè)定每個節(jié)點(diǎn)的里程碑目標(biāo)、輸入條件和輸出物，通過精細(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

2．矩陣式管理與“微團(tuán)隊(duì)”結(jié)合的團(tuán)隊(duì)組織模式

航天集成產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)的組建需要打破單位界限，實(shí)現(xiàn)從金字塔層級式管理模式向網(wǎng)絡(luò)化扁平式的集成產(chǎn)品開發(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)和組織三者割裂開來，造成管理部門層級眾多，不能集成優(yōu)勢資源力量，影響協(xié)同工作效率。

航天產(chǎn)品IPD 的實(shí)施過程需要采用網(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)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)的扁平式管理模式，通過集成產(chǎn)品管理團(tuán)隊(duì)對集成產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)和集成產(chǎn)品開發(fā)“微團(tuán)隊(duì)”進(jìn)行管理，以克服管理模式層級眾多帶來的缺陷，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

3．基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同機(jī)制和管理規(guī)范體系

在傳統(tǒng)基于人的協(xié)同模式下，工作的分配、協(xié)調(diào)都是由人來控制的，很難實(shí)現(xiàn)跨單位、多專業(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)及物流采購等存在的問題能夠在源頭被發(fā)現(xiàn)和解決，如圖3所示。

通過建立集成產(chǎn)品開發(fā)過程管理的規(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。

4．以行動計(jì)劃表和例會為載體的PDCA 管控機(jī)制

制定IPD 實(shí)施過程中的相關(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)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)成員的專業(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)品開發(fā)“微團(tuán)隊(duì)”，以工時作為工作分解計(jì)量單位，通過“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)的周例會和日例會是確定項(xiàng)目行動計(jì)劃的核心工具，通過例會和項(xiàng)目行動計(jì)劃實(shí)現(xiàn)PDCA 的閉環(huán)管理過程。

二、具體項(xiàng)目實(shí)施過程

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)分析等專業(yè)“壁壘”，采用跨部門多專業(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，開展產(chǎn)品全生命周期協(xié)同設(shè)計(jì)和制造。通過對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，形成了設(shè)計(jì)規(guī)范體系和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，以及基于知識工程的設(shè)計(jì)模板和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)庫資源，固化了產(chǎn)品研制流程，探索了組建跨系統(tǒng)、多專業(yè)集成產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)的途徑。

1．創(chuàng)新產(chǎn)品研制的并行工程模式

在傳統(tǒng)的產(chǎn)品研制過程中，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

2．基于三維模型定義的產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范體系

航天結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式在我國航天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)過程中的不協(xié)調(diào)問題，縮短了產(chǎn)品研制周期，降低了研制成本。目前，國內(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。基于MBD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)對產(chǎn)品特征描述、共享的直接傳遞要求，并實(shí)現(xiàn)了對產(chǎn)品信息的分類管理。

通過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》、《航電設(shè)備建模規(guī)范》、《標(biāo)準(zhǔn)件庫建模規(guī)范》、《材料庫建模規(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。

3．支持知識工程的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)機(jī)制

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工程的設(shè)計(jì)手冊、設(shè)計(jì)模板和設(shè)計(jì)資源庫，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)施過程中需要的大量知識。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還編寫了《A 結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析準(zhǔn)則》，翻譯整理了《美國航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》。

通過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、航天航空材料庫、成品件庫、電接插件庫等設(shè)計(jì)資源庫。

4．多專業(yè)協(xié)同“微團(tuán)隊(duì)”組織架構(gòu)

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、物流采購人員的集成產(chǎn)品開發(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)品開發(fā)“微團(tuán)隊(duì)”替代單個主管設(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。通過多層級“微團(tuán)隊(duì)”的管理模式顯著減少系統(tǒng)之間和專業(yè)之間的信息交換過程，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)。

通過集成產(chǎn)品開發(fā)“微團(tuán)隊(duì)”打破專業(yè)和單位“壁壘”，由包含產(chǎn)品全生命周期相關(guān)專業(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。

5．貫穿全生命周期的質(zhì)量管控方法

在IPD 實(shí)施過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)過程中首先要層層落實(shí)責(zé)任制。將整個團(tuán)隊(duì)按系統(tǒng)劃分，在每個系統(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、小組長責(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。大組長負(fù)責(zé)各部段接口協(xié)調(diào)，小組長完成組內(nèi)人員技術(shù)、管理協(xié)調(diào)，保證問題能及時協(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)”提供多個數(shù)據(jù)源容易引起不一致性的弊端，相對于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法具有明顯優(yōu)勢。

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)的三級審簽相比較，將校對內(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)版本的更改問題。發(fā)放單分為首頁和次頁，首頁供審簽使用，次頁用于進(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)模的有效性識別標(biāo)簽，只有審簽齊全的發(fā)放單才可以隨對應(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)平臺之下，與三維模型成為一體，利于工藝準(zhǔn)備。

四是現(xiàn)場跟產(chǎn)。生產(chǎn)現(xiàn)場采用純?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)場工作手冊》，對生產(chǎn)過程中的關(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、零件加工問題、裝配問題等所有技術(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。

三、實(shí)施效果

通過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)、部段裝配過程中未發(fā)現(xiàn)重大設(shè)計(jì)不合理、不協(xié)調(diào)問題，對確保任務(wù)完成起到了積極的推動作用。同時，該項(xiàng)目采用的IPD 模式也與其它型號進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)交流，得到了推廣應(yīng)用。?