數字化條件下飛機制造業新型管理標準研究

岳祺琦 馮冰 聶小華

摘 要：數字化條件下管理標準與飛機研制活動脫節問題嚴重。本文通過分析管理標準的基本概念和航空管理標準的現狀；剖析了數字化條件下飛機研制活動的特征，基于系統動力學理論，進行數字化條件下飛機研制動態系統的結構、反饋、行為和狀態分析，并建立數學模型，提出數字化條件下新型管理標準的特征、要素和流程；結合HB 8525-2017及民機機頭典型結構件設計制造并行流程進行新型管理標準剖析。通過廠所初步實踐認為，新型管理標準將是一種解決管理標準與飛機研制活動脫節問題的有效途徑。

關鍵詞：數字化條件，飛機制造，系統動力學，新型管理標準

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.21.002

Exploration of New Management Standards for Aircraft Manufacturing Industry under the Condition of Digitization

YUE Qi-qi1 FENG Bing1 NIE Xiao-hua2

（1. Avic China Aero-polytechnology Establishment； 2. National Key Laboratory of Strength and Structural Integrity， Aircraft Strength Research Institute of China）

Abstract： Under the condition of digitization， there is a serious problem of disconnection between management standards and aircraft development activities. The paper analyzes the basic concepts of management standards and the current situation of aviation management standards， and analyzes the characteristics of aircraft development activities under the condition of digitization. Based on the theory of system dynamics， the paper analyzes the structure， feedback， behavior and state of aircraft development dynamic system， establishes a mathematical model， and puts forward the characteristics， elements and processes of new management standards under digital conditions. The paper analyzes the new management standards combined with HB 8525-2017 and the parallel process of design and manufacturing of typical structural parts of civil aircraft nose. Through the preliminary practice of factories， the new management standards will be an effective way to solve the problem of disconnection between the management standards and aircraft development activities.

Keywords： digitization condition， aircraft manufacturing， system dynamics， new management standards

0 引 言

數字化條件下的飛機科研生產活動一方面呈現出IPT聯合定義、并行工程、敏捷制造、成熟度控制、數字化協同管理、VR/AR/MR/AI、智能制造、數字孿生等先進發展趨勢；另一方面，在飛機研制生產活動的規范化與流程效率，數據規范化和數據治理、數據發放與反饋機制、廠所及配套單位協調等方面還存在大量急需解決的問題。這些問題的原因是多方面的，但是非常重要的一條，就是作為規范飛機科研生產活動的主要手段——管理標準，在標準體系、形式、內容、使用等方面，均已嚴重滯后并難以滿足飛機科研生產活動的需要。管理標準與飛機科研生產活動嚴重脫節的問題，已經成為制約我國飛機制造業數字化轉型升級的關鍵瓶頸之一。研究數字化條件下新型管理標準的特征，以改造和重構管理標準，適應數字化條件下飛機科研生產活動需求并推動相關問題解決，十分必要和急迫。

1 管理標準的基本概念及發展現狀

1.1 管理標準的基本概念

依據GB/T 20000.1-2014《標準化工作指南 第1部分：標準化和相關活動的通用詞匯》[1-2]，標準被定義為：通過標準化活動，按照規定程序經協調一致制定，為各種活動或其結果提供規則、指南或特性，供共同使用和重復使用的文件。標準化是為了在既定范圍內獲得最佳秩序，促進共同效益，對現實問題或潛在問題確立共同使用和重復使用的條款以及編制、發布和應用文件的活動。關于標準的類別，GB/T 20000.1-2014中分為基礎標準、術語標準、符號標準、試驗標準、規范標準、指南標準、產品標準、過程標準、服務標準、接口標準、數據待定標準等。

管理標準的概念，在GB/T 15498-2003《企業標準體系 管理標準和工作標準體系》[3]中明確：管理標準是對企業標準化領域中需要協調統一的管理事項所制定的標準。工作標準是對企業標準化領域中需要協調統一的工作事項所制定的標準。航空工業行業標準分類中，按標準性質分為技術標準、管理標準和工作標準。本文所指管理標準的范疇，主要是指涉及產品研制生產管理標準與技術管理標準，不涉及企業戰略、財務管理等管理標準。

1.2 我國航空管理標準發展現狀

我國航空工業發展已有幾十年的歷史，在管理標準方面開展了大量的工作。在航空行業標準體系中，由于歷史原因，有的管理標準獨立存在，有的管理標準則作為技術管理標準或納入技術標準規劃和發展，都在當時都發揮了重要作用，推動著整個行業協調發展。

通過對現行有效的航空行業標準初步分析，主要類型有：流程和程序類、技術狀態管理類、研制生產與項目管理類、質量管理與合格評定類、供應商管理類、文檔和圖樣管理類。現有航空行業管理標準具有以下特點：一是管理標準的概念和范圍不夠明晰。目前有些管理標準作為技術管理標準納入在技術標準范疇，有些管理標準與基礎標準、工作標準等有交叉，存在認識上的差異。本文開展研究的管理標準，主要是以流程和程序類管理標準為主，兼顧技術狀態管理、研制生產與項目管理等相關標準。二是尚未體現出管理標準的發展趨勢。結合國外管理標準的發展趨勢，未來管理標準與飛機研制生產流程緊密結合，逐步走向“嵌入式”標準。現有管理標準基本按照傳統要求，以標準文本形式簡略地約定管理程序或一般要求，文字要求多，工程技術人員執行或操作不方便、不好用；數字化條件下設計制造并行流程類標準較少，面臨數字化條件下的發展轉變。

2 數字化條件下飛機研制活動特征及分析

2.1 數字化條件下飛機研制活動的特征和趨勢

數字化已改變并將繼續深刻改變飛機制造業。數字化技術作為一種先進的生產力，將持續深刻改變飛機制造業的生產關系。分析數字化條件下飛機研制活動特征和趨勢，主要包括：

一是高度并行協同的聯合研制模式。自美國波音777飛機實現全機數字化設計制造以來，特別是洛克希德·馬丁公司JSF項目創建全球虛擬企業、數字化研發和生產以來，設計時間減少50%，工裝數量減少90%，零件部數量減少50%，制造時間從15個月減少為5個月，樹立了全球飛機制造業數字化生產方式標桿。波音公司飛機研制程序更是集中體現了產品定義階段對設計、工藝、仿真、虛擬裝配等的高度集成和驗證。國內民機設計也已采取聯合定義（IPT團隊），軍機新研和改型大多已探索實施并行工程。數字化條件下，高度并行協同的聯合研制模式大勢所趨。

二是數字化改進流程和重構流程體系。數字化是一場深刻的技術革命，在初期一般是應用計算機技術以改進工作、縮短周期和提高效率；更深入地，數字化將使得飛機研制生產全過程更為透明、柔性和扁平，促進流程再造、流程優化和流程系統重構。空客公司以管理和流程為框架，以方法、要求和指南等為內容，建立全球統一業務流程體系（AOPM，Airbus Operational Process Map），在A350超寬體客機研制過程中，在全球范圍內統一協同平臺、統一方法和流程、統一工具，實現全球300余家供應商協同、并行，研制周期縮短30%（見圖1）。波音公司實現標準更好地與設計系統的集成，便于設計人員使用，建立數字化的標準制定和發布系統PSDD（Product Standard as Digital Data）。

三是數字化催化組織和生產方式深刻變革。數字化不斷催生企業、行業乃至整個產業鏈的資源整合和組織調整，將徹底改變傳統的設計、制造、試驗和管理模式、手段、流程和組織，將改造設計體系、制造體系、技術體系和管理體系，重構整個飛機制造業生產系統。

四是以“流程”和“數據”為核心的管理活動融合。數字化以數據的生成、加工、傳輸、反饋、使用、存儲為基礎，以數據規范化、統一化為前提，以數據共享和數據治理為手段，以單一數據源管理為紐帶，以數據技術取代傳統技術，以數據作為設計制造試驗等唯一依據，使得管理行為緊密地圍繞“流程”和“數據”為核心，進行充分甚至無縫融合。

五是軟件、標準、手冊、指南、工具等高度集成。波音公司構建全球協同環境（GCE），在787系列型號研制中支撐全球合作伙伴、供應商高效協作，將軟件、流程、活動和管理標準、手冊、指南緊密結合，輔以數字化技術平臺和軟件，成為數字化條件下飛機科研生產效率提升的重要途徑。空客公司在A350開發過程應用的ISAMI軟件，針對飛行器結構強度專業開發及手冊、指南、流程、方法、數據集成，實現強度分析自動化和標準化，為強度工程師提供快速強度校核工具和易擴充的標準化統一平臺（見圖2）。

2.2 基于系統動力學的飛機研制動態系統分析與建模

系統動力學（system dynamics，SD）是系統科學理論與計算機仿真緊密結合、研究系統反饋結構與行為的一門科學，是系統科學與管理科學的一個重要分支。由美國Jay W福雷斯特在《系統原理》[4]中提出。系統動力學認為，系統的行為模式與特性主要取決于其內部的結構。反饋是指X影響Y，反過來Y通過一系列的因果鏈來影響X；不能通過孤立分析X與Y或Y與X的聯系來分析系統的行為，只有把整個系統作為一個反饋系統才能得出正確的結論。“反饋”是系統動力學一個非常重要的概念。系統動力學研究處理復雜系統問題的方法是定性與定量結合、系統綜合推理的方法。飛機制造業作為典型的復雜產品制造產業，已經成為人所共知的大型復雜系統。而數字化條件下的飛機研制生產活動，又呈現出新的復雜動態系統的特征。基于系統動力學理論，分析如下：

一是工業組織、技術、資金、資源、人和流程相結合的動態系統。數字化條件下，飛機研制生產中的各種生產要素包括人，緊密交叉融合在一起，形成組織、技術、資金、資源、人、流程等結合一體的復雜系統。在需求、設計、制造、試驗、試飛、生產、運行、保障等全生命周期中，計劃、組織、協調、指揮和控制活動層級多，大量的變更、協調和接口關系，共同形成了一個時時變化、復雜動態的系統。

二是反饋系統和以流程為核心的“反饋回路”。數字化條件下的飛機研制生產活動是一個典型的“反饋”（feedback）系統——即系統的狀態受到其過去行為的影響。例如初步設計向詳細設計的轉段評審，前者的系統輸出直接作為后者的系統輸入而施加影響；例如飛機設計變更對下游流程和狀態的影響等。飛機研制生產活動更加趨于周期縮短、成本節約和提高效率（系統目標），而使得該反饋系統本質上屬于負反饋系統——即系統是在運行過程中為接近和尋求目標而不斷反應的系統。

三是“振蕩行為”和“尋的行為”并存的系統行為。負反饋系統的典型行為是“尋的”行為，這是人為因素造成的，促進系統不斷趨近目標的努力結果。但因數字化條件下飛機研制生產活動的多變量、復雜性、時間延時或風險因素等，造成系統行為常會出現“振蕩行為”——即系統行為短暫失控而偏離目標上下波動。例如某型號研制因遇到技術關鍵，研制和技術攻關歷時多年，就是典型的技術因素造成系統振蕩。

四是系統狀態取決于特定目標下的流程設計、糾偏和控制準則。系統的狀態取決于系統的結構和控制。在數字化條件下飛機研制生產活動中，系統的結構典型地表現為以過程和數據為核心的流程設計，系統的控制典型表現為糾偏和控制準則。改變流程設計或改變管理規則都將改進或升級系統狀態。

數字化條件下的飛機研制生產系統是一個非線性因素作用下的高階復雜時變系統。從某種意義上可以說，數字化條件下的飛機研制生產系統狀態水平，取決于飛機科研流程設計水平和管理標準水平，而兩者又是同生共存于一體的。基于上述分析，對數字化條件下飛機科研生產活動系統進行系統動力學建模。

在數字化條件下的飛機科研生產系統中，將縮短周期、降低成本和提高效率作為飛機數字化研制系統的目標，將飛機研制流程作為主體表征系統的狀態，將管理規則和糾偏作為調控系統狀態的手段。則整個系統呈現典型的振蕩系統的行為模式與結構，并存在系統延遲（見圖3）。

以飛機設計制造并行為例，進行設計制造并行流程系統的行為模型與結構案例式細化，可以得出圖4的結構與關系。可以看出，以流程為主體的系統狀態下，管理規則的定義和改變具有統一性和協調性的特征，即管理規則一體性地附著在流程主體上發揮作用，影響著系統的整個行為和狀態。基于上述判斷，對數字化條件下飛機研制動態系統分析如下：

流程系統：多組流程按照一定關系組成的有機整體，用集合表達。

流程系統是整個系統的核心，其工程含義是指設計、制造、試驗、試飛、生產、運行、保障等流程、分流程、子流程及更細的各級流程及其關系。

管理規則的工程含義是在一定目的下，對一定流程或活動對象、在指定地點和時間、指定人員和方法條件下，開展飛機研制生產活動的規則的總和。對管理規則的界定，主要是考慮數字化條件下，大量飛機科研生產活動在計算機、網絡中執行和傳遞，趨于扁平、透明和公開，管理規則必須要素完整且可執行，才能實現管理標準與流程系統嵌入和融合一體。

系統狀態：一定管理規則下流程系統的行為和狀態，用矩陣表達。

式中：L是指系統的狀態和水平；M是指管理標準；F是指流程系統。

3 數字化條件下新型管理標準特征及剖析

3.1 數字化條件下新型管理標準特征分析

數字化條件下，管理標準的目的和作用正在發生重要的改變。根據系統動力學分析過程及上文研究，新型管理標準將是管理規則的具體表征，發揮數字化條件下飛機研制生產流程驅動的重要作用。

管理標準將呈現以流程為主體，為滿足流程目標而制定的多要素標準特征。在數字化條件下，以飛機研制生產流程為主體，以流程目標為要求，將流程、目標、對象、地點、時間、人員和方法等流程實現的多要素和規則集成定義，并以數據包、軟件、平臺、工具等應用手段嵌入飛機研制生產過程，達到“管理標準即流程”“執行管理標準即執行流程”的目的和效果。新型管理標準的特征如下：

一是數字化條件。即計算機、網絡、數字技術等數字化基礎設施和專業技術工具，形成非大量依靠人力而是依賴計算機執行的能力，是施行新型管理標準的基礎條件。二是以流程為主體、以流程目標為要求。破除企業和組織壁壘，以流程為主體進行新型管理標準界定，管理標準對流程目標負責。三是“嵌入式”應用手段。從以文本和紙質應用，轉向管理標準“嵌入式”應用，即管理標準無縫嵌入到飛機研制生產流程。四是管理標準目標與流程目標一致性。新型管理標準的研究和制定，立足于流程的設計目標，即管理標準對流程目標負責。新型管理標準并不改變“標準”的本質定義和法律描述，而是從定位、目的、作用、形式、使用等方面進行面向應用的改變。新型管理標準中，要素和規則突破傳統規定或有限要素，面向以實用為導向的多要素集成。在標準規范性要素中，至少應包含的內容如表1所示。

新型管理標準的研究、制定與使用流程如圖5所示，其中主要活動包括：飛機研制生產流程分析與設計，以流程為主體的管理標準體系設計，并行流程的場景分析，新型管理標準編制，新型管理標準征求意見與反饋，新型管理標準試用與反饋，新型管理標準發布與使用，以流程為主體的管理標準體系，飛機研制生產流程改造與升級。

3.2 數字化條件下新型管理標準剖析

對飛機設計制造整體流程進行建模分析，引入設計數據/模型成熟度概念，以及設計數據向制造環節發放和反饋機制，進行新型管理標準的案例分析。以新型管理標準特征為基礎，以設計制造并行流程進行新型管理標準多要素設計，如表2所示。

4 結 語

本文分析了管理標準的基本概念、發展趨勢和我國航空管理標準的現狀；研究了數字化條件下飛機研制活動的特征，基于系統動力學理論，進行數字化條件下飛機研制動態系統的結構、反饋、行為和狀態分析，并建立數學模型；提出數字化條件下新型管理標準的主要特征和流程；結合HB 8525-2017及民機機頭結構件設計制造并行流程進行新型管理標準剖析。

參考文獻

[1]Standardization and related activities—General vocabulary： ISO/IEC Guide2：2004[S].

[2]全國標準化原理與方法標準化技術委員會（SAC/TC 286）.標準化工作指南 第1部分：標準化和相關活動的通用詞匯：GB/T 20000.1-2014[S].北京：中國標準出版社，2014.

[3]中國標準化協會企業標準化分會.企業標準體系 管理標準和工作標準體系：GB/T 15498-2003[S].北京：中國標準出版社，2003.

[4]鐘永光，賈曉菁，錢穎，等，系統動力學（第二版）[M].北京：科學出版社，2009.

作者簡介

岳祺琦，碩士，高級工程師，主要從事航空標準化、標準數字化技術、產品數據管理研究工作。

（責任編輯：袁文靜）