從國外模塊化的產(chǎn)業(yè)模式看航天企業(yè)創(chuàng)新之路

◎中國運載火箭技術(shù)研究院總體設(shè)計部 劉靖東

很多人都認為總裝是飛機制造的核心技術(shù)，制造商通常會把總裝技術(shù)留在公司內(nèi)部，但其實總裝在飛機眾多技術(shù)中只占很小的比例。空客A320型飛機的總裝線只有機身、機翼、發(fā)動機和起落架，分為總裝、噴漆、調(diào)試和試飛4個部分，空客把這四大件運到位于天津的總裝廠，由中方拼裝后噴漆就可以了，創(chuàng)造的價值不超過整機價值的2%。

另一個典型的例子是SpaceX公司，其通過火箭部件的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，力求箭體結(jié)構(gòu)、導(dǎo)航控制、發(fā)動機等在不同型號上的通用；同時，大量使用成熟技術(shù)和設(shè)備，縮短供應(yīng)鏈，盡力做到子系統(tǒng)自己設(shè)計生產(chǎn)，從而大幅度降低了產(chǎn)品成本。“獵鷹”9運載火箭的發(fā)射費用為每枚5400萬美元，極具市場競爭力。

那么是什么讓空客把看似核心的系統(tǒng)集成、總裝測試任務(wù)做到了低技術(shù)含量？又是什么讓SpaceX公司把系統(tǒng)復(fù)雜、價格昂貴的飛行器研制做到了物美價廉？這背后的根源就是模塊化，一種按照一定規(guī)則將復(fù)雜系統(tǒng)或過程分解為可進行獨立設(shè)計的半自律性子系統(tǒng)，并按照某種規(guī)則將獨立設(shè)計的子系統(tǒng)集成起來，構(gòu)成更加復(fù)雜的系統(tǒng)或過程的方法。

一、模塊化的基本概念

模塊化理論可以追溯到20世紀(jì)五六十年代，源于工廠加工制造過程，隨著市場變化的加劇和產(chǎn)品復(fù)雜性的增強，模塊化的應(yīng)用范圍不斷拓寬，目前已涉及設(shè)計、生產(chǎn)和組織架構(gòu)等方面。

1.設(shè)計模塊化

模塊系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)依賴設(shè)計規(guī)則、獨立實驗和模塊測試。設(shè)計規(guī)則確立了模塊結(jié)構(gòu)、界面和測試協(xié)議；獨立實驗是為了尋找到設(shè)計所蘊含的可能性，產(chǎn)生眾多備選方案；模塊測試則是作為一種選擇機制，利用現(xiàn)有的測試技術(shù)對各種設(shè)計進行評估和選擇。

不同模塊之間的相互關(guān)系由系統(tǒng)設(shè)計規(guī)則界定，其由結(jié)構(gòu)、界面、標(biāo)準(zhǔn)3個要素組成。結(jié)構(gòu)確定模塊系統(tǒng)的構(gòu)成要素，界面詳細規(guī)定模塊的相互作用、位置安排、信息交換等，標(biāo)準(zhǔn)用來確保模塊符合設(shè)計規(guī)則。設(shè)計規(guī)則一旦確定，每個模塊的設(shè)計和改進就可以獨立于其它模塊進行。

2.生產(chǎn)模塊化

生產(chǎn)模塊化的核心是基于分工和專業(yè)化協(xié)作把生產(chǎn)過程或產(chǎn)品構(gòu)件進行分解，再通過相互協(xié)作生產(chǎn)復(fù)雜產(chǎn)品的過程。生產(chǎn)模塊化分為組件共享、互換、量體裁衣、混合、總線和組合6種方式。

3.組織模塊化

為了降低成本，以更優(yōu)化的方式設(shè)計、制造模塊，企業(yè)圍繞產(chǎn)品或功能的模塊化進行部門或分公司的模塊化，并通過外包、代工等活動結(jié)成企業(yè)聯(lián)盟。

根據(jù)模塊之間信息傳遞方式的不同，模塊組織模式分為金字塔型（IBM型）、信息同化型（豐田型）和信息異化型（硅谷型）3種。

隨著多個企業(yè)層面組織模塊化的實現(xiàn)，使模塊產(chǎn)品或模塊組織兼容、嵌入到其它企業(yè)的產(chǎn)品或組織成為可能，從而引發(fā)了相關(guān)企業(yè)的跨產(chǎn)業(yè)重組，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)集群盛行，最終出現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)模塊化。早期歐美航空航天產(chǎn)品研制幾乎都是在整機企業(yè)內(nèi)部或下屬企業(yè)進行生產(chǎn)，一級、二級甚至三級、四級零部件企業(yè)都屬于整機企業(yè)的一部分。但隨著整機企業(yè)邊界不斷擴大，企業(yè)內(nèi)部組織成本遞增，整機企業(yè)把零部件業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)包出去，集中力量進行整機設(shè)計研發(fā)和最后組裝等環(huán)節(jié)。

二、對我國航天型號研制的啟示

航天型號系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、產(chǎn)品層次復(fù)雜、專業(yè)技術(shù)復(fù)雜，多采用集合式生產(chǎn)，追求從設(shè)計到生產(chǎn)的大而全的過程，將資源分散于各個環(huán)節(jié)。管理工作以“型號”為中心，模式復(fù)雜、環(huán)節(jié)眾多、協(xié)調(diào)復(fù)雜。面對當(dāng)前型號日益增多、技術(shù)日益多樣、生產(chǎn)日益復(fù)雜、任務(wù)日益繁重的現(xiàn)實，部分航天企業(yè)核心能力不足的問題逐漸顯現(xiàn)。模塊化理論以系統(tǒng)工程和標(biāo)準(zhǔn)化為方法論基礎(chǔ)，為新時期航天型號研制指明了方向。

1.逐級細化模塊，強化規(guī)則管控

模塊化理論要求集成商重點關(guān)注模塊界面劃分、設(shè)計規(guī)則、集成驗證規(guī)則的制定，弱化對模塊內(nèi)部技術(shù)細節(jié)的掌控。

因此，航天型號研制應(yīng)在當(dāng)前系統(tǒng)分解的基礎(chǔ)上進行更為精細的模塊分解，逐級、逐層細化至有效、可控、優(yōu)化的模塊層級，明確每個模塊層級的設(shè)計和測試規(guī)則，特別是性能類、環(huán)境類、幾何類接口信息。需要指出的是，模塊細分程度不同，系統(tǒng)集成商獲取系統(tǒng)信息、制定設(shè)計規(guī)則的難度也不同，集成測試的成本也不同，因此不能一味地強調(diào)模塊分解而掉入模塊化的“陷阱”。

2.加強獨立測試，注重集成驗證

模塊化理論認為模塊化的不完整、不完善問題往往是在相關(guān)模塊集中在一起，并作為整體功能失常時才會暴露出來。模塊集成商必須具有足夠的控制力或掌握各個模塊的技術(shù)總和，才能有效地控制各個模塊，集成商的控制力主要體現(xiàn)在設(shè)計規(guī)則和集成測試。

因此，航天型號研制要加強模塊集成商，尤其是型號總體單位的總體設(shè)計和集成驗證能力，特別是對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、界面、標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計和驗證，著力加強總體設(shè)計環(huán)節(jié)的分析、建模、仿真、評估等能力，強化系統(tǒng)集成環(huán)節(jié)的仿真驗證和試驗驗證能力，確保設(shè)計規(guī)則的完備性、準(zhǔn)確性，確保總體性能優(yōu)化。

3.以模塊為對象進行全要素管理

模塊化理論要求企業(yè)將組織機構(gòu)、人員配置、資源配備、業(yè)務(wù)流程等相關(guān)職權(quán)按照模塊單元進行分配，通過權(quán)力分配與模塊封裝形成包括主導(dǎo)模塊、職能模塊、經(jīng)營模塊等在內(nèi)的職權(quán)模塊，以達到權(quán)力下放并最終調(diào)動員工積極性的目的。

因此，航天型號研制需改變當(dāng)前以行政指令為主的管控模式，通過市場交易、內(nèi)部市場等方式逐步建立以產(chǎn)品模塊、技術(shù)模塊為對象，涵蓋計劃、經(jīng)費、質(zhì)量、人員等要素的一體化管控模式。

4.引入模塊競爭，擴大集成空間

模塊化理論強調(diào)模塊供應(yīng)商獨立、自發(fā)地進行創(chuàng)新活動，同一個模塊可有多個參與者，供應(yīng)商和集成商之間要通過市場選擇確定最終的系統(tǒng)組合，以確保模塊研制性能、進度、成本最優(yōu)，在將系統(tǒng)風(fēng)險分解到各模塊的同時，保證了系統(tǒng)整體創(chuàng)新速度。

因此，航天型號研制應(yīng)更多地引入模塊供應(yīng)商，也就是更多地在分系統(tǒng)、單機、組件、元器件研制層面引入競爭機制，確保模塊的充分競爭和有效演進，擴大總體、系統(tǒng)的有效選擇空間。

5.同類專業(yè)聚集，提升核心能力

模塊化理論認為，模塊化設(shè)計與生產(chǎn)最終將導(dǎo)致組織的模塊化。對于復(fù)雜產(chǎn)品企業(yè)而言，不論金字塔型、信息同化型還是信息異化型組織模式，都能夠有效發(fā)展企業(yè)核心能力、降低技術(shù)風(fēng)險、減少研制成本、縮短開發(fā)周期。

當(dāng)前，航天型號研制形成了越來越清晰的專業(yè)層次界面。按照模塊化發(fā)展趨勢，專業(yè)廠所專注于分系統(tǒng)、單機技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)品開發(fā)，建立完善的分系統(tǒng)、單機仿真中心和實驗室，與生產(chǎn)部門整合，形成專業(yè)突出、技術(shù)先進、反應(yīng)快捷、系列產(chǎn)品、批生產(chǎn)、成本低廉的專業(yè)類科研聯(lián)合體。總體單位專注于總體設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計與集成，負責(zé)總體類專業(yè)技術(shù)開發(fā)，在充分掌握分系統(tǒng)、單機成熟產(chǎn)品、成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上進行總體和系統(tǒng)方案設(shè)計，建立完善的總體、系統(tǒng)仿真中心及實驗室，集成分系統(tǒng)、單機的數(shù)字模型進行總體和系統(tǒng)性能仿真，集成分系統(tǒng)、單機的實物產(chǎn)品進行總體和系統(tǒng)性能試驗驗證，與總裝總測聯(lián)系更加緊密，形成總體類科研聯(lián)合體。這些科研聯(lián)合體適應(yīng)模塊化、專業(yè)化、協(xié)同化、并行化的發(fā)展趨勢，形成自由組合、專業(yè)互補、優(yōu)勢互補、戰(zhàn)略結(jié)盟、反應(yīng)快捷的網(wǎng)狀化科研體系。

三、對總體設(shè)計的啟示

中國運載火箭技術(shù)研究院總體設(shè)計部作為航天運輸與型號研制總體單位，技術(shù)層級多、專業(yè)領(lǐng)域多，應(yīng)通過更為系統(tǒng)化的模塊分解、標(biāo)準(zhǔn)化的接口設(shè)計、通用化的模塊開發(fā)和組合化的模塊集成，形成航天型號研制技術(shù)平臺和產(chǎn)品系列，以滿足復(fù)雜、多變的研制需求。

首先，按照模塊化思路分解系統(tǒng)整體功能，把關(guān)系密切的功能要素聚合成獨立功能的模塊，逐層定義功能結(jié)構(gòu)形式，通過合理組合、優(yōu)化功能結(jié)構(gòu)布局將系統(tǒng)整體功能需求逐層轉(zhuǎn)化為可實現(xiàn)、可測試的模塊設(shè)計要求，形成涵蓋體系、領(lǐng)域、型號、系統(tǒng)、關(guān)鍵單機甚至是零組件等在內(nèi)的模塊化技術(shù)系統(tǒng)、產(chǎn)品體系架構(gòu)，并明確不同層級的技術(shù)和產(chǎn)品平臺。

其次，詳細定義接口系統(tǒng)和測試準(zhǔn)則，確保包括機械、電氣、軟件以及人機、機環(huán)、人環(huán)等在內(nèi)的各類物質(zhì)、能量、信息共享接口線性可疊加，而不是非線性耦合；將接口作為一個系統(tǒng)進行管理，盡可能采用通用和標(biāo)準(zhǔn)接口，通過制定不同模塊層級詳細的測試內(nèi)容和判據(jù)準(zhǔn)則避免過度測試，確保以最少測試量實現(xiàn)模塊測試的覆蓋性和集成測試的有效性。接口定義應(yīng)力求強內(nèi)聚、弱耦合，使模塊內(nèi)部功能、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但對外輸入、輸出簡單。系統(tǒng)應(yīng)將下級模塊作為黑箱，主要考慮模塊功能分解和外部接口，而基本不涉及內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)。

最后，將設(shè)計資源按照模塊體系進行整合，將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、產(chǎn)品模型、基本數(shù)據(jù)、設(shè)計知識等技術(shù)資源進行歸集，形成基于不同層級與專業(yè)的模塊化技術(shù)平臺，統(tǒng)一技術(shù)要素, 高起點開展設(shè)計工作，減少低層次、低水平重復(fù)勞動，促進技術(shù)共享，形成快速技術(shù)開發(fā)能力。

當(dāng)前，在傳統(tǒng)的資源配置方式、企業(yè)競爭模式和產(chǎn)業(yè)組織結(jié)構(gòu)發(fā)生重大改變的同時，無論是專業(yè)廠所，還是總體設(shè)計單位，都應(yīng)抓住航天科技工業(yè)快速發(fā)展帶來的前所未有的機遇和挑戰(zhàn)，重新評估企業(yè)和產(chǎn)品技術(shù)的價值鏈，審視產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和技術(shù)體系，找出優(yōu)勢環(huán)節(jié)，重新定位核心能力，進行資源重組和體制創(chuàng)新，以確保在市場競爭中占據(jù)優(yōu)勢。