航空復雜裝備協(xié)同研制供應商參與模式?jīng)Q策研究

陳洪轉， 莊雪松， 李　婷， 朱明旭

(南京航空航天大學 經(jīng)濟與管理學院，江蘇 南京 211106)

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航空復雜裝備協(xié)同研制供應商參與模式?jīng)Q策研究

陳洪轉， 莊雪松， 李婷， 朱明旭

(南京航空航天大學 經(jīng)濟與管理學院，江蘇 南京 211106)

為確定航空復雜裝備協(xié)同研制中不同供應商的參與模式，根據(jù)主制造商研制的信息積累過程，提出知識累積函數(shù)，考慮供應商的依賴度與協(xié)同度，提出設計返工函數(shù)來形式化供應商研制的返工進程，在此基礎上，建立供應商參與協(xié)同研制模型，通過構造考慮研制時間和研制成本的全局收益變量，對供應商最優(yōu)參與時間及其與主制造商的信息交流次數(shù)問題進行研究，得出不同供應商最優(yōu)參與模式的判定條件，最后通過算例驗證該結論的適用性，為航空復雜裝備的研制提供參考。

航空復雜裝備協(xié)同研制； 知識累積函數(shù)； 設計返工函數(shù)； 最優(yōu)參與時間； 信息交流次數(shù)

現(xiàn)今，復雜裝備作為提升國家科學技術競爭實力和綜合國力的重要手段，受到了越來越多的國家和企業(yè)的關注和重視，以航空產(chǎn)品為代表的復雜裝備鮮明體現(xiàn)了現(xiàn)代高科技工業(yè)的發(fā)展水準，成為當前我國高新技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主導產(chǎn)業(yè)，突出反映一個國家的綜合國力和核心競爭力。航空復雜裝備具有系統(tǒng)結構復雜、技術領域廣泛、研制生產(chǎn)過程復雜等特征，它是一類高附加值、高成本、高科技含量、客戶定制化的產(chǎn)品和系統(tǒng)，其研制是一項龐大的系統(tǒng)工程。因此，傳統(tǒng)的制造商與供應商的供應關系已不能滿足其研制的需求，伴隨而來的“主制造商-供應商”戰(zhàn)略協(xié)同模式成為其主流研制模式[1]。在該模式下，為保證航空復雜裝備研制的順利進行，一方面航空復雜裝備的高技術、高投入等特征決定了其研制過程實質(zhì)是主制造商供應商多主體的并行協(xié)同過程，因此協(xié)同研制中供應商的科學參與時機是首要解決的問題；另一方面主制造商與各級供應商協(xié)同研制中如何實現(xiàn)共享知識信息，對研制中的任務數(shù)據(jù)、進度數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)等信息進行有效的溝通和交流，實現(xiàn)戰(zhàn)略合作，成為并行推進研制的關鍵制約因素。這兩方面構成了航空復雜裝備研制過程中供應商參與模式的兩個基本問題，即供應商何時參與研制活動，以及參與后與主制造商的交流程度如何決策，同時也成為眾多學者研究的熱點。

供應商參與模式的科學決策將有效降低研制風險，提高研制效率。研究指出制造商與供應商的協(xié)同合作有助于縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本和提高研發(fā)質(zhì)量[2]。金興明[3]將并行工程應用到航空電子產(chǎn)品的研制中，指出供應商在設計之初就需加入到產(chǎn)品的協(xié)同合作中。侯亮等[4]論述了企業(yè)間實施協(xié)同開發(fā)的重要性，在此基礎上提出了“產(chǎn)品協(xié)同開發(fā)鏈”的概念，并指出供應商何時、以何種方式參與產(chǎn)品開發(fā)是協(xié)同開發(fā)項目實施的重點。因此，供應商的參與模式問題是影響協(xié)同合作的關鍵因素，其參與模式選擇也成為了學者們的研究熱點。Krishnan等[5]提出產(chǎn)品開發(fā)設計任務的3種參與模式：串行、部分重疊和并行。徐巖等[6]為確定在產(chǎn)品并行開發(fā)過程中，下游階段工作的啟動時刻與交流次數(shù)，引入信息熵的概念,對信息進行量化，并結合多層次模糊綜合評判方法,確定下游階段事件啟動時刻和交流次數(shù)的算法模型；馬文建[7]為確定在并行產(chǎn)品開發(fā)中下游設計活動的最優(yōu)介入時間及交流次數(shù)，基于對設計活動的技術創(chuàng)新程度和上游信息對下游設計活動的重要程度,提出了知識累積函數(shù)和設計返工函數(shù)，建立了確定下游活動最優(yōu)介入時間的信息單向傳遞的并行產(chǎn)品開發(fā)模型；衡思迎[8]根據(jù)上游設計信息和下游反饋信息，給出了并行設計的重疊度模型，并在此基礎上計算下游活動的啟動時刻與交流次數(shù)。因此，結合航空復雜裝備的研制過程機理，運用科學的判斷方法，給出供應商串行、部分重疊以及并行等多種參與模式下的最優(yōu)參與時間，判斷協(xié)同交流次數(shù)，是復雜裝備戰(zhàn)略協(xié)同，提高協(xié)同效率，降低協(xié)同成本的重要決策問題。

本文結合現(xiàn)有的研究成果和航空復雜裝備協(xié)同研制的需求，從航空復雜裝備研制過程出發(fā)，考慮參與主體的執(zhí)行度與航空復雜裝備的復雜度，引入各參與主體的依賴度與協(xié)同度，基于主制造商供應商協(xié)同創(chuàng)新研制活動，不斷積累知識信息，進而提高自身成熟度的研制機理，提出并構建知識累積函數(shù)來表示主制造商研制活動的信息積累過程；基于供應商參與協(xié)同創(chuàng)新研制活動，根據(jù)主制造商研制活動的信息反饋，指導自身研制活動，保證研制進程減少返工的機理，提出設計返工函數(shù)來形式化供應商研制活動的設計返工進程，構建供應商參與模式?jīng)Q策模型，構造考慮研制時間和研制成本的全局收益變量，研究供應商的最優(yōu)參與時間和最優(yōu)信息交流次數(shù)，并進一步分析給出供應商選擇不同最優(yōu)參與模式的判定條件，進而完善復雜裝備主制造商供應商的協(xié)同合作關鍵問題，為航空復雜裝備研制過程的合理規(guī)劃提供決策參考。

1　航空復雜裝備協(xié)同研制機理分析

1.1協(xié)同下的航空復雜裝備研制過程

在航空復雜裝備“主制造商-供應商”協(xié)同研制的生產(chǎn)系統(tǒng)中，主制造商處于核心地位，對各級供應商具有一定的控制權，各級供應商依據(jù)與主制造商的依賴程度，分為戰(zhàn)略合作伙伴、核心供應商以及一般供應商，負責航空復雜裝備不同系統(tǒng)、設備或零件的研制，進行分布式并行創(chuàng)新設計。在協(xié)同研制系統(tǒng)中，航空復雜裝備的協(xié)同過程是基于產(chǎn)品研制階段成熟度并行推進的協(xié)同研制過程[9]，按照階段成熟度，一般將航空復雜裝備的全生命周期過程分為市場調(diào)研和可行性論證、設計、生產(chǎn)制造以及系列生產(chǎn)4個階段；從具體研制過程來看，主制造商的研制活動主要分為建立產(chǎn)品構想、市場分析、頂層規(guī)范、基本概念確定、構建基線確定等14個節(jié)點[10]。不同節(jié)點上產(chǎn)品的結構信息、幾何信息、工藝信息等成熟度不同，各級供應商參與協(xié)同研制過程的時間以及與主制造商的交流程度，即供應商選擇參與的模式也不同。因此，研制活動的階段成熟度是航空復雜裝備協(xié)同研制過程中的關鍵因素，直接影響著供應商的參與模式?jīng)Q策問題。Krishan等[8]從知識管理的角度，提出使用知識累積函數(shù)描述設計活動階段成熟度的動態(tài)變化過程，因此，本文借鑒該思想，提出了復雜裝備協(xié)同研制中的知識累積函數(shù)，根據(jù)研制進程中的知識累積函數(shù)科學判斷供應商的參與模式。

1.2主制造商供應商協(xié)同研制中的知識累積

主制造商供應商的協(xié)同研制實質(zhì)是各參與主體間知識交流與積累的過程[11]，主制造商由于各參與主體自身技術能力和管理能力的不同，造成研制進程的差異，這種差異會影響研制活動完成的時間和質(zhì)量[12]，故引入執(zhí)行度參數(shù)，執(zhí)行度是指主制造商依據(jù)所具有的研制能力、協(xié)調(diào)管理能力而對研制產(chǎn)品的推進能力。若以w表示執(zhí)行度，則0≤w≤1。同時，不同復雜程度的研制活動會影響主制造商研制的可執(zhí)行度[13]。故引入復雜度參數(shù)，復雜度指航空復雜裝備研制工藝的復雜性及技術的創(chuàng)新度。若以k表示復雜度，則0≤k≤1。

隨著研制的進行，主制造商的知識累積率逐漸升高(如圖1)。以f(t)表示主制造商研制活動的知識累積率，那么當研制活動結束時，f(t)=1，并且始終有0≤f(t)≤1。

圖1　主制造商研制活動知識累積函數(shù)示意圖

定義1知識累積率。在主制造商供應商協(xié)同研制過程中，設主制造商研制活動的完成時間為T，若已知航空復雜裝備的復雜度為k，主制造商研制的執(zhí)行度為w，則主制造商在研制時間到t時的知識累積率為

(1)

其中，0≤t≤T，α為設計活動的知識累積演化路徑指數(shù)，決定了知識累積函數(shù)的形狀，α>0。

性質(zhì)2當0<α<1時，在研制初期主制造商知識快速累積，在系列生產(chǎn)后期階段主制造商需要投入大量資源，經(jīng)過多重工藝，實現(xiàn)產(chǎn)品從原材料狀態(tài)到成品狀態(tài)的過渡，周期長，因此，知識累積在后期相對緩慢，形成一條上凸線，如圖1中研制活動A所示。

當α=1時，知識累積率是線性函數(shù)，表示知識累積率隨時間呈線性變化，這是一種均勻化的狀態(tài)。

當α>1時，在研制初期主制造商知識累積緩慢，后期累積呈現(xiàn)加速的趨勢，形成一條下凸線，如圖1中研制活動B所示。在航空復雜裝備的市場調(diào)研和可行性論證以及設計階段，需要對市場進行細致調(diào)研，了解客戶的個性化需求，并將抽象的、模糊的需求轉化為具體、準確、可實現(xiàn)的性能及功能要求，加之復雜裝備的復雜度很高，其市場調(diào)研和可行性論證需要耗費大量的工作時間，表現(xiàn)為一個緩慢的知識累積進程，但當可行性論證階段結束，產(chǎn)品的基本概念確定，進入設計階段后，其知識累積速度將明顯加快。

1.3主制造商供應商協(xié)同研制中的信息交流

主制造商供應商戰(zhàn)略協(xié)同的過程是信息交流的過程[14]。如圖2所示，供應商在與主制造商完成第1次信息交流后，根據(jù)主制造商研制活動的信息，供應商工作Δt時間后，與主制造商進行第2次信息交流，此時由于主制造商研制信息更新的影響，供應商在已完成的工作中可能有部分工作需要根據(jù)接受到的最新信息進行修改，在修改完后繼續(xù)進行，避免設計錯誤的累積；當供應商工作Δt時間后，與主制造商再進行第3次信息交流，重復此過程直到主制造商協(xié)同創(chuàng)新活動全部完成。

圖2　供應商參與航空復雜裝備研制過程示意圖

1.4供應商協(xié)同研制活動的設計返工

在航空復雜裝備協(xié)同研制中，當供應商提前參與時，由于供應商獲得信息不完善必將引起研制過程的迭代，進而導致了重復設計和研制，這種重復設計和研制被稱為設計返工[15]。不同的供應商負責航空復雜裝備不同系統(tǒng)、設備和零件研制，而不同供應商的研制活動由于與主制造商依賴度的差異化勢必會引起不同的設計迭代過程，故引入依賴度參數(shù)，依賴度指供應商研制活動對主制造商研制信息的依賴程度。若以m表示依賴度，則0≤m≤1。同時，在“主制造商-供應商”戰(zhàn)略協(xié)同模式下，供應商的努力程度和合作程度在很大程度上決定了供應商研制活動的進度和效率水平[16]，故引入?yún)f(xié)同度參數(shù)，協(xié)同度是指供應商自身的努力程度及其與主制造商的合作程度。若以u表示協(xié)同度，則0≤u≤1。

隨著知識累積率的提高，供應商的設計返工率越來越低(如圖3所示)，如果以g(t)表示供應商的設計返工率，始終有0≤g(t)≤1。

圖3　供應商研制活動設計返工函數(shù)示意圖

定義2設計返工率。在主制造商供應商協(xié)同研制過程中，若已知供應商的協(xié)同度為u，供應商研制活動對主制造商研制活動的依賴度為m，則在主制造商研制時間到t時，供應商參與到協(xié)同研制中去，此時供應商研制活動的設計返工率為

(2)

其中，0≤t≤T，β決定了設計返工函數(shù)的形狀，β>0，特殊地，當β=0時，設計返工函數(shù)為一直線，其含義為主制造商研制活動的知識累積程度對供應商研制活動開展的影響為常數(shù)，不隨知識累積程度大小而變化。

性質(zhì)3在航空復雜裝備研制過程中，供應商研制活動的平均返工率與依賴度m成正比，與協(xié)同度u成反比，并且在m與u一定的情況下，β越大，則期望平均返工率越小。

2　供應商參與模式?jīng)Q策模型構建

2.1模型的相關假設

根據(jù)航空復雜裝備研制過程與主制造商供應商的協(xié)同模式特征，本文作出以下假定。

假設1為研究供應商參與模式的方便性，假定該項目由一個主制造商和一個供應商協(xié)同完成,主制造商與供應商之間存在著信息依賴與聯(lián)系。

假設2假設信息交流是單向傳遞，即供應商研制活動的開展需要主制造商的某些研制信息，而主制造商研制活動的正常開展不需要供應商的研制信息。

2.2模型構建與求解

在供應商提前參與航空復雜裝備的研制過程中(如圖2所示)，供應商每個Δt內(nèi)的時間分為兩部分：一部分為設計返工時間(供應商根據(jù)主制造商最新研制信息需進行設計返工的時間)；另一部分則為有效工作時間。由式(2)可以得到。

1)設計返工時間。

(3)

2)有效工作時間。

(4)

其中，ti=t0+(i-1)Δt,i=1,2,…,n-1 。

供應商提前參與航空復雜裝備研制過程產(chǎn)生的增量利潤為

π=aTEffect-TReworkc-(n-1)(b1+b2)。

(5)

其中，aTEffect是航空復雜裝備在市場上的利潤(a為航空復雜裝備的單位時間市場邊際利潤率)，TReworkc為供應商的設計返工成本(c為供應商設計返工的單位時間成本)，(n-1)(b1+b2)為主制造商和供應商付出的信息交流成本(b1、b2分別為主制造商和供應商的單位信息交流成本)。

為分析方便起見，結合式(1)、(2)，本文只考慮α=1,β=1，此時主制造商研制活動的知識累積函數(shù)和供應商的設計返工函數(shù)均為線性：

(6)

代入式(3)、(4)，分別求得供應商在T-t0時間段內(nèi)的有效工作時間和無效工作時間分別為

(7)

(8)

為使供應商提前參與協(xié)同研制過程獲得全局收益最大，結合式(5)、(7)、(8)，則問題轉化為如下最優(yōu)化問題。

(9)

解得：

(10)

證明由式(10)得

證畢。

證明由式(9)目標函數(shù)對t0求偏導，并令其為0：

其一階條件為

證畢。

由此可知，在航空復雜裝備協(xié)同研制過程中，主制造商與供應商過度頻繁的信息交流不會有效減少供應商的參與時間，縮短研制周期。相反，會由于過多的交流造成資源的浪費，增加了研制成本。

綜合定理1、2，供應商的最優(yōu)參與時間受多個因素的影響，在實際研制過程中，應根據(jù)具體情況(k、w、u、m、b1、b2、a、c的具體大小)確定供應商的最優(yōu)參與時間，選擇合適的參與模式，提高航空復雜裝備的研制效率。

2.3模型分析

在“主制造商-供應商”模式下，供應商可以采取3種不同的參與模式。

(11)

式(11)說明在滿足該條件下，供應商只能采取串行參與模式。一方面，由于航空復雜裝備復雜度很高，供應商沒有獲得足夠多主制造商研制信息的情況下提前參與，造成研制活動極大的不確定性，產(chǎn)生過高的設計返工率；另一方面，由于供應商協(xié)同度非常低，其努力程度及合作程度對研制過程影響很小，一般采取串行執(zhí)行模式。

(12)

式(12)說明主制造商的執(zhí)行度與供應商的協(xié)同度很高。采取并行參與模式的大都為戰(zhàn)略合作伙伴，其可為航空復雜裝備主制造商帶來先進技術、管理經(jīng)驗，降低研制風險。

3)供應商采取部分重疊參與模式的條件：

當不滿足式(11)、(12)時，供應商采取部分重疊參與模式，采取該模式的大都為核心供應商。

3　算例分析

在飛機起落架制造過程中，主制造商負責起落架結構的設計，供應商負責起落架液壓控制系統(tǒng)的設計。液壓控制系統(tǒng)需要根據(jù)飛機起落架總體對液壓系統(tǒng)所提出的操縱要求、性能品質(zhì)要求、可靠性要求進行設計。

1)將產(chǎn)品復雜度k簡化為5個等級，分別為k1=0.2；k2=0.4；k3=0.6；k4=0.8;k5=0.9，起落架設計的復雜度取k2=0.4。

2)主制造商的執(zhí)行度w簡化為5個等級，分別為w1=0.2；w2=0.4；w3=0.6；w4=0.8;w5=0.9，主制造商的執(zhí)行度取w4=0.8。

3)將供應商對主制造商的依賴度m簡化為5個等級，m1=0.2；m2=0.4；m3=0.6；m4=0.8;m5=0.9起落架液壓控制系統(tǒng)的設計對于起落架結構的設計很依賴，取m4=0.8。

4)將供應商的協(xié)同度u簡化為5個等級，分別為u1=0.2；u2=0.4；u3=0.6；u4=0.8;u5=0.9，供應商的協(xié)同度取u1=0.2。

在飛機正式研制之前，飛機制造商與客戶簽訂合同，根據(jù)客戶要求，初步確定各個階段的設計程序與時間，對于起落架的設計，經(jīng)過查閱相關資料獲得各項參數(shù)，見表1。

表1　相關參數(shù)

將上述參數(shù)值代入式(10)，可得如下結果。

主制造商與供應商最優(yōu)的信息交流次數(shù)為n*=5.87≈6次。

主制造商供應商信息交流的平均時間間隔為：

由式(7)、(8)，供應商的無效設計時間及有效設計時間：TRework=3.872d；TEffect=18.128 d。

由式(5)，協(xié)同研制增量收益π*=27 338元。

其中，主制造商額外的成本為

A1=(n*-1)b1=2 500元。

1)供應商最優(yōu)參與時間為第8天，即在主制造商投入研制的8 d后開始投入起落架的協(xié)同過程，一方面，主制造商進行起落架的設計有了一定的知識積累，此時供應商進行液壓控制系統(tǒng)的設計，設計返工幾率較小，設計返工時間僅為3.872 d；另一方面，通過供應商的提前參與，相比于串行參與模式，研制周期減少了18.128 d。

2)供應商的最優(yōu)交流次數(shù)為6次。主制造商與供應商平均每4 d需要進行信息交流與溝通，一方面在主制造商的信息指導下，供應商的設計返工時間減少；另一方面，交流次數(shù)控制要在一定范圍內(nèi)，因為過多的交流次數(shù)會產(chǎn)生過高的交流成本。

3)供應商采取部分重疊參與模式，并在最優(yōu)參與時間和最優(yōu)交流次數(shù)下，供應鏈的增量收益為27 338元。此外，信息交流成本是增量收益的減函數(shù)，隨著主制造商與供應商之間的信息交流成本的減小，增量收益逐步增大，這也意味著在航空復雜裝備研制過程中，如果主制造商與供應商之間能建立一個互通往來的免費平臺，對雙方都是很有益處的。

4　結束語

在航空復雜裝備協(xié)同研制過程中，如何正確判定不同供應商選擇何種參與模式是其基本的問題，而學者對這方面的研究尤其是航空復雜裝備的協(xié)同研制供應商參與問題研究不夠完善。針對這一不足，本文從分析航空復雜裝備研制機理出發(fā)，根據(jù)主制造商研制信息積累過程，考慮主制造商的執(zhí)行度以及航空復雜裝備的復雜度，構建了航空復雜裝備研制知識累積函數(shù)；依據(jù)供應商研制活動設計返工機理，考慮供應商的依賴度與協(xié)同度，構建了航空復雜裝備的設計返工函數(shù)來表征供應商研制的返工進程，在此基礎上，建立供應商參與協(xié)同研制模型，基于考慮研制時間和研制成本的全局收益變量最大化為目標，研究得出航空復雜裝備的復雜度、主制造商的執(zhí)行度、供應商的依賴度、協(xié)同度等因素與供應商最優(yōu)參與時間的關系；信息交流次數(shù)與最優(yōu)參與時間的關系；供應商選擇3種參與模式的判定條件。最后通過算例驗證了其適用性，為航空復雜裝備的實際研制過程提供參考及建議。

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A Decision-making Study of Pattern of Supplier Involvement in Collaborative R&D of Aviation Complex Equipment

CHEN Hongzhuan, ZHUANG Xuesong, LI Ting, ZHU Mingxu

(College of Economics and Management，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106，China)

In order to determine the different patterns of supplier involvement in collaborative R&D process of aviation complex equipment, the knowledge accumulation function is established according to the information accumulation process of main manufacturers, the rework function is established based on supplier's collaborative degree and dependence degree. Then, a model is established about supplier involvement aiming for involvement time of the supplier and information communication frequency by constructing the global gain variables considering trade-off between product development time and cost, and the criteria for different patterns of supplier involvement obtained. Finally, an example is given to verify the result, which can provide guidance for practical application.

collaborative R&D of aviation complex equipment; knowledge accumulation function; rework function; optimal involvement time; communication frequency

2015- 05- 11

國家自然科學基金資助項目(71372080，71573115)；中央高校基本科研業(yè)務專項資助項目(NJ 20160083)

陳洪轉(1977-),女，山東省人，教授，博導，主要研究方向為復雜裝備供應鏈協(xié)同創(chuàng)新與優(yōu)化.

10.3969/j.issn.1007- 7375.2016.04.022

F406

A

1007-7375(2016)04- 0146- 07