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(yùn)載火箭技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)部 劉靖東

很多人都認(rèn)為總裝是飛機(jī)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(shí)總裝在飛機(jī)眾多技術(shù)中只占很小的比例?？湛虯320型飛機(jī)的總裝線只有機(jī)身、機(jī)翼、發(fā)動機(jī)和起落架，分為總裝、噴漆、調(diào)試和試飛4個(gè)部分，空客把這四大件運(yùn)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(jià)值不超過整機(jī)價(jià)值的2%。

另一個(gè)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(jī)等在不同型號上的通用；同時(shí)，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(jì)生產(chǎn)，從而大幅度降低了產(chǎn)品成本?！矮C鷹”9運(yùn)載火箭的發(fā)射費(fèi)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(jià)格昂貴的飛行器研制做到了物美價(jià)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(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)的半自律性子系統(tǒng)，并按照某種規(guī)則將獨(dú)立設(shè)計(jì)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(qiáng)，模塊化的應(yīng)用范圍不斷拓寬，目前已涉及設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和組織架構(gòu)等方面。

1.設(shè)計(jì)模塊化

模塊系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)依賴設(shè)計(jì)規(guī)則、獨(dú)立實(shí)驗(yàn)和模塊測試。設(shè)計(jì)規(guī)則確立了模塊結(jié)構(gòu)、界面和測試協(xié)議；獨(dú)立實(shí)驗(yàn)是為了尋找到設(shè)計(jì)所蘊(yùn)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(jī)制，利用現(xiàn)有的測試技術(shù)對各種設(shè)計(jì)進(jìn)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(jì)規(guī)則界定，其由結(jié)構(gòu)、界面、標(biāo)準(zhǔn)3個(gè)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(xì)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(jì)規(guī)則。設(shè)計(jì)規(guī)則一旦確定，每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)和改進(jìn)就可以獨(dú)立于其它模塊進(jìn)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(jìn)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(jì)、制造模塊，企業(yè)圍繞產(chǎn)品或功能的模塊化進(jìn)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(gè)企業(yè)層面組織模塊化的實(shí)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(jī)企業(yè)內(nèi)部或下屬企業(yè)進(jìn)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(jī)企業(yè)的一部分。但隨著整機(jī)企業(yè)邊界不斷擴(kuò)大，企業(yè)內(nèi)部組織成本遞增，整機(jī)企業(yè)把零部件業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)包出去，集中力量進(jìn)行整機(jī)設(shè)計(jì)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(jì)到生產(chǎn)的大而全的過程，將資源分散于各個(gè)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(shí)，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(shí)期航天型號研制指明了方向。

1.逐級細(xì)化模塊，強(qiáng)化規(guī)則管控

模塊化理論要求集成商重點(diǎn)關(guān)注模塊界面劃分、設(shè)計(jì)規(guī)則、集成驗(yàn)證規(guī)則的制定，弱化對模塊內(nèi)部技術(shù)細(xì)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(jìn)行更為精細(xì)的模塊分解，逐級、逐層細(xì)化至有效、可控、優(yōu)化的模塊層級，明確每個(gè)模塊層級的設(shè)計(jì)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(xì)分程度不同，系統(tǒng)集成商獲取系統(tǒng)信息、制定設(shè)計(jì)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(qiáng)調(diào)模塊分解而掉入模塊化的“陷阱”。

2.加強(qiáng)獨(dú)立測試，注重集成驗(yàn)證

模塊化理論認(rèn)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(shí)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(gè)模塊的技術(shù)總和，才能有效地控制各個(gè)模塊，集成商的控制力主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)規(guī)則和集成測試。

因此，航天型號研制要加強(qiáng)模塊集成商，尤其是型號總體單位的總體設(shè)計(jì)和集成驗(yàn)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(jì)和驗(yàn)證，著力加強(qiáng)總體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的分析、建模、仿真、評估等能力，強(qiáng)化系統(tǒng)集成環(huán)節(jié)的仿真驗(yàn)證和試驗(yàn)驗(yàn)證能力，確保設(shè)計(jì)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(jìn)行全要素管理

模塊化理論要求企業(yè)將組織機(jī)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(jìn)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(dá)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(jì)劃、經(jīng)費(fèi)、質(zhì)量、人員等要素的一體化管控模式。

4.引入模塊競爭，擴(kuò)大集成空間

模塊化理論強(qiáng)調(diào)模塊供應(yīng)商獨(dú)立、自發(fā)地進(jìn)行創(chuàng)新活動，同一個(gè)模塊可有多個(gè)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(jìn)度、成本最優(yōu)，在將系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分解到各模塊的同時(shí)，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(jī)、組件、元器件研制層面引入競爭機(jī)制，確保模塊的充分競爭和有效演進(jìn)，擴(kuò)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(rèn)為，模塊化設(shè)計(jì)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(xiǎn)、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(jī)技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)品開發(fā)，建立完善的分系統(tǒng)、單機(jī)仿真中心和實(shí)驗(yàn)室，與生產(chǎn)部門整合，形成專業(yè)突出、技術(shù)先進(jìn)、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?？傮w單位專注于總體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成，負(fù)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(jī)成熟產(chǎn)品、成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行總體和系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，建立完善的總體、系統(tǒng)仿真中心及實(shí)驗(yàn)室，集成分系統(tǒng)、單機(jī)的數(shù)字模型進(jìn)行總體和系統(tǒng)性能仿真，集成分系統(tǒng)、單機(jī)的實(shí)物產(chǎn)品進(jìn)行總體和系統(tǒng)性能試驗(yàn)驗(yàn)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(bǔ)、優(yōu)勢互補(bǔ)、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(jì)的啟示

中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)部作為航天運(yùn)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(jì)、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(dú)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(shí)現(xiàn)、可測試的模塊設(shè)計(jì)要求，形成涵蓋體系、領(lǐng)域、型號、系統(tǒng)、關(guān)鍵單機(jī)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(xì)定義接口系統(tǒng)和測試準(zhǔn)則，確保包括機(jī)械、電氣、軟件以及人機(jī)、機(jī)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(gè)系統(tǒng)進(jìn)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(xì)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(shí)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(qiáng)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(jì)資源按照模塊體系進(jìn)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(jì)知識等技術(shù)資源進(jìn)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(diǎn)開展設(shè)計(jì)工作，減少低層次、低水平重復(fù)勞動，促進(jìn)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(shí)，無論是專業(yè)廠所，還是總體設(shè)計(jì)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(jī)遇和挑戰(zhàn)，重新評估企業(yè)和產(chǎn)品技術(shù)的價(jià)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(jìn)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。