基于用戶參與的復雜重型裝備協同研發模式

陳星宇，吳 鋒，張宏斌

(1.西安交通大學 管理學院，陜西 西安 710049；2.效率工程與過程控制教育部重點實驗室，陜西 西安 710049)

0 前言

復雜重型裝備是繼大規模定制之后，產品工程領域提出的又一重要概念，它是指具有客戶需求模糊、生產環境復雜、項目控制復雜、技術需求復雜、制造工藝復雜、設備維護困難等特點的裝備系統[1]，大型工程機械、火箭、飛船、動車組等影響國計民生的大型裝備都是其典型代表[2]。研發和設計階段決定了復雜重型裝備整體性能和總成本，對于提高其管理水平(成本、效率和質量)具有重要意義，同時，對于提升我國復雜裝備的研發能力也會產生積極的影響。

然而，與傳統大規模制造產品相比，復雜重型裝備具有高度復雜性和深度耦合性的特點[3]，表現為由大量定制化的系統和子系統通過復雜的物理、能量和信息接口組合而成，具有顯著的層次化和非線性特征；子系統數量龐大，系統要素間存在多重耦合關系，包括設計參數耦合、物理結構耦合、研發任務耦合、研發組織耦合等；關鍵系統和零部件標準化程度低。受這些要素的影響，復雜重型裝備往往設計組織交互困難，難以并行設計，對設計質量、周期和成本造成嚴重影響。

另一方面，隨著市場競爭的日益激烈，企業的生產經營圍繞的中心主題經歷了以生產和產品為中心，到以客戶為中心的轉變。為了適應這一轉變過程，就需要引入“用戶參與”這個概念。用戶參與指的是用戶積極而負責地參與組織的一種行為[4]，這是當今企業在產品設計研發過程中不可或缺的要素。對于企業來說，讓用戶從簽訂產品訂單開始就參與產品設計，了解產品的制造進展情況，從而在后期可以為用戶提供基于網絡的產品全生命周期的優質服務和技術支持。這樣，才能夠真正實現以客戶為中心的企業生產經營戰略，并且實現企業產品設計生產管理模式的創新。從最初的獨立設計、獨立制造，到目前的研發制造集成，并且向著產品的全生命周期管理的方向發展[5]。

針對復雜重型裝備在研發設計過程中高度復雜性的特點，以及企業生產經營圍繞中心主體的轉變，本文對用戶參與創新與產學研用多主體聯合復雜重型裝備網絡協同模式進行研究，主要包括四個部分。

(1)產、學、研聯合的知識共享與技術開發機制；

(2)用戶參與創新的復雜重型裝備研發模式；

(3)針對復雜重型裝備的跨組織協同設計理論與方法；

(4)基于復雜重型裝備自適應設計技術的大數據協同設計模式。

1 產、學、研多主體聯合的知識共享與技術開發機制

復雜重型裝備是知識和技術密集型的高技術產品，其領域知識多、更新快，從而導致知識積累困難、創新程度不夠。企業在管理、產品研發、試驗等領域有著豐富的經驗，但是這些零散、非結構化、不系統、不規范的經驗并不能得到有效地利用和共享。因此，本文提出結合復雜重型裝備產品的研發特點，建立全面的、體系化的復雜重型裝備知識工程，應用知識管理等工具構建知識體系和共享機制。同時，結合產、學、研多主體在研發設計過程中的領域知識構建技術開發機制。

1.1 知識共享機制

通過知識獲取將各個應用系統、基礎數據庫中的數據資源抽取到知識資源池內，經過過濾和處理形成知識庫、資源庫、數據庫，然后進行統一管理，為各業務系統和工具軟件提供豐富的知識應用，最后通過知識反饋進行評估和改進，形成閉環的過程和持續改進提升。并且建立完善的知識管理保障體系，通過規章制度和激勵機制，促進員工對知識的積累、分享和應用，以保證知識管理系統的高效、持續且有序的運行。

知識工程平臺首先對復雜重型裝備研發過程中相關的數據資源進行交換、整合與歸類，然后通過知識管理子系統利用多種知識表示方法實現對知識的結構化存儲以及智能管理，之后通過知識推理、知識推送為用戶提供知識的檢索和知識推送，最后運用知識反饋檢查知識庫系統的應用效果，形成閉環的改進提升[6]，同時加強知識創新與知識再生。

1.2 技術開發機制

本文提出的技術開發機制主要從三個方面實施。

(1)知識獲取。結合復雜重型裝備研發，構建并梳理其研發專業知識體系。對信息化系統中現有復雜重型裝備研發的相關知識，以及散落在設計人員手中的知識資源進行整合。將其歸類整理后，根據知識的來源、專業、產品、表現形式、屬性等維度來對知識進行管理，建立知識的多維分類體系，統一構建各專業知識庫和相應的資源庫、數據庫。對各類型的知識進行深度挖掘，從機器智能和人工維護兩個層面對知識進行整理、清洗、轉換，最后形成顯性的結構化知識。其中挖掘的對象包括文本、各應用系統、數據庫、數據中心等知識源。以典型的專業設計流程為對象，對其進行研發流程梳理，分析研發工作任務及關聯知識，進行研發工作的分解，從而提高既有知識對現有研發業務的支撐能力，利用知識管理系統的支撐和優化構建基于研發流程的工作任務和知識的關聯。

(2)知識管理。通過語義識別技術和自適應學習技術，基于復雜重型裝備研發特點把知識資源池中海量的知識進行多維度自動分類，同時基于知識本體論構建知識超級詞表關系，形成知識地圖，建立知識之間的語義關聯關系[7]，形成面向復雜重型裝備全生命周期的知識體系。同時構建相應的知識分享機制和評價機制，提高知識的利用率。基于知識管理系統，建立專業知識的一體化應用，實現知識管理系統與企業內知識源的信息化系統集成，將各個系統中的知識進行收集和處理，進行知識持續管理。

(3)知識創新。由于新技術、新方法、新手段和新理論的層出不窮，因此建立一套符合企業自身的知識運維體系至關重要。這樣能夠對新知識進行快速調整和維護，使得復雜重型裝備知識體系能夠持續的改進與創新，能夠主動促使企業不斷學習，成為學習型和知識型的企業，有利于知識的創新和再生。對于知識創新，建立知識創新廣場，聚集復雜重型裝備方面的多領域專家庫，通過知識創新廣場為各級人員持續提供知識資源，擴大視野，提供業務能力。

如圖1所示為在知識共享機制和技術開發機制共同作用下建立的知識工程系統框架圖。

圖1 知識工程系統

2 用戶參與創新的復雜重型裝備研發模式

針對用戶的每一個調整，設計部門可以及時跟進調整，并與制造廠和零部件供應商溝通方案調整的可操作性，進而實現設計環節的快速高效聯動。通過研究用戶參與創新機制，確保設計人員與用戶實時交互，指導復雜重型裝備物理樣機和數字樣機修正，提高裝備整體性能。

對于復雜重型裝備制造企業而言，最大的挑戰是如何在創新和研發過程中連結內部和外部知識，而用戶正是外部知識的來源。用戶在創新過程中是積極的參與者和知識的共同創造者[8]，用戶參與的創新是協同研發的重要結果。在通過對設計院、制造企業實地調研之后，本文基于Gronlund等人的關口模型[9]，提出了復雜重型裝備的四階段用戶參與創新的研發過程模型，如圖2所示。本模型明確了創新和研發過程中每個階段的活動以及參與者，通過分析可以看出，在創新研發的每個過程用戶都有參與，在有的階段甚至處于主導地位。

圖2 用戶參與創新的研發過程模型

此外，針對如何有效地實現用戶創新，本文提出方案

(1)簡化平臺設計的流程，切實降低用戶參與創新的成本。由于空間、時間等因素的制約，絕大部分用戶參與創新的過程是通過線上平臺進行，如果要提高用戶參與的積極性和效率，那么簡化平臺的操作和流程是至關重要的，這樣可以有效地減少用戶花費的時間和精力。

(2)建立契約保障機制，形成長期的用戶參與。通過建立明確的契約機制，保障有效的用戶參與[10]。例如，企業可以和用戶擬定明確的條款或合作協議來維持用戶的參與，同時也可以保障用戶的利益。在這種契約保障的機制下，對于用戶來說，在參與創新的過程中可以更加高效直接地表達對于產品的需求；對于企業來說，用戶參與創新可以有效地提高研發的效率、縮短產品研發的生命周期。因此，這種契約關系對于雙方來說都有足夠的利益獲取。此外，要在契約機制中引進風險管控[11], 對各方的風險進行預測, 進一步規范參與者的責任和義務, 將風險納入到平臺運行的制度中[12]。

(3)升級創新研發平臺，整合上下游資源。針對復雜重型裝備的供應鏈結構簡單、穩定等特點，優化升級創新研發平臺，并且將各級利益相關者納入其中作為載體，以此實現平臺內部渠道的優化。此外，還要將供應鏈上的合作者都引入企業的信息系統中，利用企業的信息技術和云端平臺對用戶反饋、市場情況等信息整合到平臺上，從而可以有效地實現供應鏈系統內的信息整合。

3 針對復雜重型裝備的跨組織協同研發平臺

復雜重型裝備具有性能要求嚴格、設計更改頻繁、產品構型眾多、內部結構復雜等特點，所以其研發過程既是一項龐大的系統工程技術，又是一種極其復雜的管理技術。對于其研發過程來說，項目組異地、跨組織導致項目決策相對于項目狀態滯后，執行效率低；研發業務流程不夠清晰規范，單次設計循環的代價過高，設計過程和結果難以重現。此外，企業的業務流程沒有整合到管理平臺中，管理人員無法對業務活動的狀態和進度進行實時監控。因此，企業要基于復雜重型裝備的研發過程，通過信息技術和互聯網等手段構建各個專業線上系統，與業務應用緊密融合，形成復雜重型裝備過程研發體系，全面監控研發過程中的資源使用、任務進度、數據狀態，全面提高企業的研發效率，從而更好、更快地研發出高質量、高可靠性的復雜重型裝備。

針對當前復雜重型裝備研發的現狀，借鑒國內外成熟、先進的設計思想和技術，構建一套實用性強、靈活性高、可擴展的基于系統工程的協同研發平臺，如圖3所示。

圖3 協同研發平臺

具體實現目標

(1)建立以任務為核心的設計仿真流程管理系統，實現硬件和軟件的設計仿真的多專業過程協同，能夠有效支撐多專業、多部門的協作和資源的合理分配，保證研發狀態和進度的有效控制。

(2)基于工程師統一工作平臺，通過多種集成方式對相關設計、仿真工具軟件(如CAD、CAE、EDA等)和自主研發程序進行集成，實現跨學科的數據流通，提高設計效率，進一步實現多學科協同研發。

(3)基于知識驅動的模塊化設計，將設計仿真過程中的規則和方法封裝為知識組件后，在后臺驅動各種軟件完成建模、計算、分析、數據處理等軟件操作過程，減少繁瑣的手工操作，提高工作效率，同時通過工程模塊的封裝實現知識的積累和重用，降低人員技術門檻[13]。

(4)為企業提供一個數字化的協同研發環境，不斷擴充完善系統，從而實現系統的實用化和可持續發展，為設計能力奠定堅實的基礎。

4 基于復雜重型裝備自適應設計技術的大數據協同設計模式

4.1 信息化建設和應用中顯現的問題

當前企業、科研院所投入了巨大的財力、人力，引進了大量的商業軟件，如設計軟件、仿真軟件及數據管理系統、制造執行系統等大型信息化系統。同時，隨著研發業務數量的不斷增長，對產品質量、研發效率要求的不斷提高，研發過程中信息化建設和應用的問題逐漸顯現。

(1)信息化軟硬件資源利用率低。缺乏硬件資源管理和調度手段，不能充分發揮硬件資源共享優勢，應用效率偏低；軟件資源分配缺乏合理性，使用過程中沒有應用高效準確的數據整合。

(2)設計數據等資源復用率低。企業研發信息數據資源，例如設計用基礎性數據的缺乏，對后續工藝、生產、物資管理等環節帶來不便，產品設計復用率較低，整體研發水平和能力難以提升。

(3)工程研發流程規范性差。目前多是以人員口頭告知的方式進行設計工作的派發，無法實現信息化協同模式，沒有結合業務實際發揮設計軟件和研發平臺一體化優勢。因此，本文擬構建大數據管理體系，通過知識精準推送模型在協同設計平臺中將大數據和信息高效傳遞給研發協同的相關角色，實現數據實時共享，以方便產品研發任務的進行。

4.2 構建復雜重型裝備協同平臺中的大數據管理體系

(1)研發過程管理。研發過程管理將流程管理與項目管理融為一體，用于推進系統研發任務的有效管理。通過可視化的任務定義、流程定義、資源分配，以流程引導產品研發，同時建立自頂向下的研發機制，有效形成研發過程模型。同時對研發過程中資源、進度、狀態進行全面監控和修正。通過協同研發過程管理，構建復雜重型裝備研發過程體系。同時依據復雜重型裝備研發過程構建全數字化的研發流程，實現概念設計、初步設計、詳細設計等階段的信息統一流轉和管理。

(2)過程數據管理。在研發過程中會產生大量的結構化數據、非結構化數據，將研發過程中產生的相關數據與研發過程任務相結合，通過過程數據管理打通過程數據上下游的數據關系、數據狀態，實現數據源的統一和數據可追溯。同時通過數據處理，能夠及時發現數據中隱含的信息和知識，為知識中心和智能決策系統提供基礎數據，全面指導產品研發。通過對研發過程數據的整體性和層次性管理，最終形成研發過程數據體系。

(3)數字化統一工作環境。數字化統一工作環境為工程師提供統一的任務、流程、數據、軟件、文檔等模塊[14]，能夠結合各專業的工程研發經驗知識對各類設計、分析模型和商用軟件或自編程序進行集成和封裝，將設計流程形成標準的專業設計分析模板，形成以知識應用指導產品創新，同時根據研發需求以“向導化”的方式，將專業設計分析模板構建為具備不同專業特色的專用設計分析系統，大幅度降低專業軟件及自研軟件的使用難度，減少設計分析工作中的重復工作量。

(4)建立統一的研發數據中心。通過數據關聯管理、動態建模等技術實現對數據的分類、集成、存儲和管理，并進一步實現數據的關聯更改和歷程管理，保證數據同步和協調。

本文構建了基于數據的復雜重型裝備協同研發平臺，如圖4所示。

圖4 基于數據的協同研發平臺

5 結論

本文針對復雜重型裝備的網絡協同研發模式進行了研究，主要貢獻為

(1)將用戶參與創新加入其中，構建了新型的研發模式。

(2)本文構建了產、學、研多主體聯合的知識共享與技術開發機制，同時建立了全面的、體系化的復雜重型裝備知識工程。

(3)本文提出了基于復雜重型裝備自適應設計技術的大數據協同設計模式，有利于產品研發效率以及產品質量的提高。

隨著工業互聯網的深入發展，提高對于數據的分析和應用能力對于企業來說具有重要的現實意義。由于復雜重型裝備的特殊性[15]，對其產品研發過程仍然需要繼續研究并改進，如何能夠提高供應鏈效率、降低生產制造成本；如何制定最優的生產計劃、庫存策略等問題仍然是未來關注的重點。