面向復雜產品的精益設計平臺研究及應用

李彩偉 何冰梅 王恩青

復雜產品是指客戶需求復雜、產品組織復雜、技術原理復雜、制造過程復雜、項目管理復雜、影響因素復雜的一類產品，如船舶、航天器、飛機、武器系統等，這類產品包含大量的用戶定制的零部件，需要融合多種知識和技能。復雜產品制造業是國民經濟和國家安全的重要基礎，發揮著舉足輕重的作用，提高我國復雜產品制造業的國際競爭力，對實現世界制造大國、制造強國具有重大意義

21世紀制造業面臨新環境：知識、技術、產品更新周期越來越短；客戶對產品性能和質量的要求越來越高；產品知識含量不斷提高；全球化的協同制造與競爭越來越激烈等。新環境對復雜產品制造業也提出了更強烈的挑戰，比如，研制周期更短，質量更高，成本更低，服務更好，知識含量更大；多學科團隊異地協同設計與加工生產；全生命周期項目管理。另一方面，在新環境下，新一代信息技術的應用使得生產流程被嚴格控制，產品設計決定了產品大部分成本，復雜產品設計階段決定了83%以上的產品成本，產品設計完成之后，其成本在之后的階段中降低的空間相當有限。目前，我國與發達國家在復雜產品制造業上存在很大差距。復雜產品成為各國繼續保持競爭優勢的重要領域。如何能夠在短時間內設計出適應市場需求、具有良好綜合性能的復雜產品，對于企業的生存和發展有著重要意義。

一、復雜產品設計存在的問題

精益設計是精益生產的基礎，產品的品質是設計、生產出來的，不是靠檢驗出來的，一個產品質量的好壞在設計時已經決定了。一方面，目前一些企業雖然建立了相應的質量體系，但沒有有效的手段、方法和平臺將質量深入到產品設計與研發過程中。另一方面，對于涉及多學科的復雜產品的設計，各設計人員多是分頭并行開發，耦合協同較少，設計深度較淺，大量設計不足、隱患、問題在系統驗證、確認階段時發現，延長了產品交付時間。同時，由于歷史原因，企業存在設計人員的兩極分化，一端是老一代設計人員，一端是新一代設計人員，老一代設計人員積累了大量的產品設計研發經驗、方法等知識，由于缺乏必要的知識管理手段，這些知識都散落、隱藏在老一代設計人員手中、頭腦中，沒有形成有效的企業智力資產。

目前，我國與發達國家在復雜產品制造業上存在很大差距。復雜產品成為各國繼續保持競爭優勢的重要領域。如何能夠在短時間內設計出適應市場需求、具有良好綜合性能的復雜產品，對于企業的生存和發展有著重要意義。

面向復雜產品，構建集系統工程、知識工程、綜合設計為一體的可擴展、可開放、可定制的精益設計平臺，實現設計過程中知識、經驗的提煉、管理與共享，將質量管理體系融入到設計研發活動中，為多專業協同創造基礎條件，各專業按照設計科研流程分配任務，設計、管理等不同的用戶，以不同的方式對設計研發過程進行精細的檢查、監督和閉環，基于綜合設計系統開發數字化樣機系統，并在線開展集成仿真驗證，根據仿真結果返回優化修改，如此迭代，直到滿足設計需求，大大提升產品設計質量和設計效率，精益設計平臺的開發與應用將提升制造業產品設計能力，促進科研模式轉型。

二、精益設計平臺

（一） 平臺總體架構

精益設計平臺是精益設計體系的組成部分，同時也是精益設計體系的載體。基于系統工程，精益設計平臺把設計流程、工具、知識、質量、資源、數據集成在一起，以知識工程為支撐，以過程質量為把控，形成一個完整的產品設計管理和技術平臺，平臺總體架構圖如圖1所示。

平臺形成了“抱臂雙循環”模式，第一，知識工程系統進行知識梳理，在研發管理系統中與研發流程進行知識關聯，在綜合設計體系中執行設計任務時進行知識推送，并將設計仿真系統中產生的新知識沉淀到知識工程系統中，完成第一個循環；第二，質量管理系統中進行質量策略梳理，在研發管理系統中形成質量策劃，在綜合設計系統中執行設計任務時進行質量管控并將質量問題歸零，把形成的舉一反三的質量知識返回到質量管理系統中，完成第二個循環。

平臺門戶把各種應用系統資源、數據資源、信息資源統一集成到一個平臺之下，根據每個用戶使用特點和角色的不同，形成個性化的應用界面，并通過對事件和消息的處理和傳輸，把用戶有機地聯系在一起。

研發管理系統形成整個設計過程管理與控制的基礎，進行產品設計策劃與WBS分解、指標及質量策劃、知識關聯，承載產品設計流程，支持設計策劃的規范化標準化及設計協同。

綜合設計系統是產品設計的執行環境，將知識化和仿真化相關的工具和技術、規范與標準、人才和組織和知識化工程資源庫集成起來，形成知識和仿真驅動的數字化協同設計系統，包含設計流程管理、協同任務管理、快速設計、協同仿真、多學科集成、過程數據管理、工程資源管理等功能。

質量管理系統專注于復雜產品設計過程的質量管控，基于設計過程質量管控要素形成質量基礎庫，形成面向WBS的質量策劃、過程預防、過程控制、指標管理、歸零改進、追溯監控于一體的質量信息化解決方案，促進質量控制與研發過程緊密結合，包含質量策劃管理、質量監控與分析評估、指標管理、過程質量控制、質量數據管理等功能。

知識工程系統以知識與流程、設計相融合的思想為指導，結合知識挖掘、知識管理、知識推送、知識創新等技術，將知識與設計流程聯系起來，建立與產品研發設計對應的知識體系，真正實現知識的積累與應用，實現平臺能力建設，包含知識采集、知識處理、知識搜索、知識應用、知識維護等功能。

數據中心包括數據管理、數據協同及數據集成接口。數據管理實現平臺對過程數據的總體管控，形成統一的管理標準和內在的數據邏輯，通過以數據總線為核心的多維數據應用框架和譜系結構，滿足不同應用需求對不同類別數據的存儲、共享、查詢、調用等。數據協同基于標準數據管理格式實現產品設計研發全生命周期對不同業務系統協同數據的獲取與統一管理，解決數據格式不統一帶來的信息集成困難，通過數據集成接口實現協同設計、仿真、試驗與制造以及綜合管理信息化之間的信息集成與信息共享。

（二）各系統之間的數據關系

精益研發平臺各子系統之間具有緊密的數據關系，如圖2所示。

“研發管理系統”與“綜合設計系統”：研發管理系統完成產品的頂層策劃及WBS分解，把工作包輸入到綜合設計系統；綜合設計系統完成任務后，把工作包提交回研發管理系統。

“研發管理系統”與“質量管理系統”：研發管理系統從質量管理系統中獲取產品質量管理策劃方案，形成質量評審計劃及指標；質量管理系統從研發管理系統中獲取質量評審計劃及指標。

“研發管理系統”與“知識工程系統”：研發管理系統進行工作包定義時，從知識工程系統中獲取任務伴隨知識；工作包完成后，研發管理系統把完成后的工作包（包括輸入、輸出、資料、伴隨知識、產生的新知識等）作為一個完整的知識包提交給知識工程系統。

“綜合設計系統”與“知識工程系統”：知識工程系統把伴隨知識推送給綜合設計系統；知識工程系統從綜合設計系統中獲取知識，完成知識的積累。

“綜合設計系統”與“質量管理系統”：綜合設計系統從質量管理系統中獲取到質量管理的活動要求；質量管理系統從綜合設計系統中收集質量數據進行質量控制與評估。

（三）平臺與其他系統的集成

平臺通過系統集成接口與其它工具及相關系統（如項目管理PM系統、產品數據管理PDM系統、試驗數據管理TDM系統）等進行交互，總體集成框架如圖3所示。

項目管理PM系統負責項目整體策劃與管控，按照質量體系要求確定項目階段劃分與關鍵任務時間節點要求，精益設計平臺完成任務的分解、細化與執行，并將任務完成情況反饋給PM系統。

精益設計平臺除了接受來自項目管理PM系統的研發設計工作任務書之外，還接受來自產品數據管理PDM系統發起的產品設計變更任務，并在任務執行過程中獲取PDM系統中的上下游輸入輸出數據以及歷史產品數據信息，在任務執行結束后將研發設計結果數據提交至PDM系統進行管理。

精益設計平臺將與試驗相關的任務傳遞至TDM系統，并將與此試驗任務相關的產品數據（來自PDM）、仿真數據（來自SDM）、其他步驟試驗數據（來自TDM）以及相關試驗流程、方法、規范等知識（來自研發平臺知識工程子系統）推送給相關試驗人員，試驗結束后將與此試驗相關的試驗結果數據納入TDM系統進行管理，如有知識可以沉淀則納入知識工程子系統進行管理。

三、平臺應用及效果

在實際應用中，結合企業現狀和應用需求，以精益設計平臺為基礎，構建企業產品設計平臺框架體系，某特種裝備精益設計平臺應用場景如圖4所示。

通過特種裝備精益研發平臺的實施，形成了全單位統一的覆蓋裝備研發全生命周期的平臺，跳出以往“規劃評估是一套，能力目標是一套，運行維護是一套，立項建設是一套”的傳統裝備研發模式；實現了裝備型號研制模式由仿制改型衍生發展到自主創新的轉變，應對新一代裝備型號研制周期大幅度壓縮的要求；實現了研發工作模式由分散、獨立、串行向集成、協同、并行模式的轉變，解決了知識管理和能力建設不足的問題，實現了研發項目規范化管理和落實質量體系要求。

精益化是企業發展過程中的必然選擇。面向復雜產品的精益設計平臺從設計環節開始應用精益思想消除浪費環節，在相對可控的前提下避免浪費的發生，實現了研發流程和質量管理的緊密結合，避免許多企業的研發過程和質量管理兩張皮現象，實時對研發設計過程中的質量問題報警；集成了設計和仿真工具軟件，形成了標準的業務流程模板庫，實現了快速設計，提升了設計結果的正確性和穩定性；實現了知識管理以及流程與知識、設計工具之間融合，解決了過去其他知識管理軟件存在的對研發支撐不足的問題。

面向復雜產品的精益設計平臺的應用實現了項目導向型向產品化、平臺支撐型的轉變，實現了個人差異化科研向流程化、科學化轉型，實現了由經驗引導型向知識支撐型轉變，實現了由結合質量型向深度融合型轉變，實現了單專業攻關向多專業協同轉變。這將提升企業的技術創新能力，大幅度縮減產品設計周期，確保產品質量，降低產品成本，解決研制隊伍年輕化帶來的能力建設和知識傳承問題。