價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)在商用飛機(jī)概念設(shè)計(jì)階段中的應(yīng)用

陳誠(chéng)

摘要：中國(guó)的商用大飛機(jī)項(xiàng)目近幾年取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，寬體客機(jī)也已立項(xiàng)，但是面臨嚴(yán)峻的市場(chǎng)考驗(yàn)和成本壓力，只在滿足適航規(guī)章的前提下獲得技術(shù)成功是不夠的。商用飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性成為了飛機(jī)能否為制造商和用戶帶來合理利潤(rùn)，最終取得商業(yè)成功的最關(guān)鍵因素。為了探索飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)，本文在介紹價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)定義與流程的基礎(chǔ)之上，比較價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)系統(tǒng)工程的區(qū)別，并將價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到民用客機(jī)概念設(shè)計(jì)階段，為探索該階段經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)方法提供支撐。

Abstract： China commercial aircraft project has achieved great development in recent years and the wide-body aircraft project is started. However， facing the severe market challenge and cost pressures， it is not enough to achieve technical success under the condition of satisfying the airworthiness regulations. The commercial aircraft economy has become the most critical factor to bring reasonable profit to the manufacturer and users and achieve commercial success finally. In order to explore the aircraft economy design， this paper introduces the definition and the process of value driven design and compares the difference between value driven design and traditional system engineering. In order to support the exploration of economy design method in conceptual design stage， the concept of value driven design is applied to civil aircraft conceptual design stage.

關(guān)鍵詞：價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)；系統(tǒng)工程；商用飛機(jī)；概念設(shè)計(jì)

Key words： value driven design；system engineering；commercial aircraft；conceptual design

中圖分類號(hào)：V214.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）21-0184-04

1 簡(jiǎn)介

當(dāng)下，世界上的大型復(fù)雜系統(tǒng)項(xiàng)目面臨著相似的困境——預(yù)算超額，交付延期。對(duì)于國(guó)際商用航空制造業(yè)，波音公司的夢(mèng)想客機(jī)B787項(xiàng)目延遲交付兩年，預(yù)算超出25億美元[1]。相同的，空客公司的空中巨無霸A380延期交付兩年，預(yù)算超出20億歐元[2]。對(duì)于其他大型工程項(xiàng)目，相似的情況屢見不鮮[3]。對(duì)這些項(xiàng)目的考察表明，目前的系統(tǒng)工程方法并不再簡(jiǎn)單適用。項(xiàng)目的需求往往在項(xiàng)目開始前就已經(jīng)確定，但研發(fā)出的產(chǎn)品卻并不符合這些需求。雖然項(xiàng)目都設(shè)立了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管理團(tuán)隊(duì)，項(xiàng)目成員也都認(rèn)真執(zhí)行風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)定，但是在幾乎所有的項(xiàng)目上都無法避免重要延期的發(fā)生。有理論指出，預(yù)算超額和交付延期并不是隨機(jī)出現(xiàn)的不可控因素，而是復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)的自然結(jié)果，與系統(tǒng)工程水平一致[4]。應(yīng)用在系統(tǒng)工程過程中的大量邊際方法、流程和工具并沒有帶來效益。多目標(biāo)優(yōu)化和多學(xué)科優(yōu)化的研究和工具發(fā)展帶來的影響也遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法改變現(xiàn)狀。

為了降低大型復(fù)雜項(xiàng)目成本，促進(jìn)項(xiàng)目按時(shí)保質(zhì)交付，國(guó)外研究人員在將經(jīng)濟(jì)學(xué)應(yīng)用到工程業(yè)的過程中不斷發(fā)展并最終提出了價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)（Value Driven Design， VDD）方法作為解決辦法。2005年，美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)系統(tǒng)工程科學(xué)委員會(huì)（AIAA Systems Engineering Technical Committee，AIAA SE TC）與AIAA經(jīng)濟(jì)性科學(xué)委員會(huì)（AIAA Economics TC）及AIAA多學(xué)科優(yōu)化科學(xué)委員會(huì)（AIAA Multidisciplinary Optimization TC）的專家一起組成了價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)委員會(huì)，專門研究?jī)r(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法、流程和工具[5]。

對(duì)于商用飛機(jī)而言，全壽命周期成本的65%在概念設(shè)計(jì)階段已經(jīng)確定[6]。如果在概念設(shè)計(jì)階段沒有做好成本分析，沒有做出合適的項(xiàng)目進(jìn)度規(guī)劃，在后續(xù)階段付出更大的精力與努力也將收效甚微。本文首先介紹價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的定義及流程，主要討論比較價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)系統(tǒng)工程的區(qū)別，并在此基礎(chǔ)上，將價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)思想引入商用飛機(jī)概念設(shè)計(jì)階段，闡述價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)在概念設(shè)計(jì)階段降低項(xiàng)目成本，保證項(xiàng)目進(jìn)度的作用。

2 價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)定義與過程

AIAA價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)委員會(huì)將價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)初步定義為“使用需求靈活性、正式優(yōu)化和數(shù)學(xué)價(jià)值模型來平衡性能、成本、進(jìn)度和其他重要的指標(biāo)從而盡可能的產(chǎn)生最好的結(jié)果的一種改良設(shè)計(jì)方法”[7]。雖然被定義為一種方法，事實(shí)上價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)并不是某個(gè)確定的方法或程序，而是旨在超越傳統(tǒng)系統(tǒng)工程（Traditional Systems Engineering， TSE）思維模式的一種新的系統(tǒng)工程思維模式，在這種模式下將會(huì)產(chǎn)生大量的新方法和新程序[8]。

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價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的過程用圖2的循環(huán)圖展示出來。設(shè)計(jì)過程一般從選擇設(shè)計(jì)變量開始，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)空間中選擇一個(gè)點(diǎn)（即設(shè)計(jì)矢量）來嘗試初步設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)矢量描述了一個(gè)設(shè)計(jì)方案的大致輪廓。隨后，設(shè)計(jì)者將設(shè)計(jì)矢量詳細(xì)地表示出來，即轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的構(gòu)型（也稱產(chǎn)品定義或部件定義）。工程師使用基于物理模型的工具評(píng)估對(duì)象屬性，分析產(chǎn)生對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的第二描述—屬性矢量。Simon把定義與分析階段描述為將工程語言（即設(shè)計(jì)變量）轉(zhuǎn)化為聯(lián)系客戶的語言（即屬性）的過程[9]。這個(gè)過程剛好與在產(chǎn)品需求分析階段將市場(chǎng)客戶需求轉(zhuǎn)變?yōu)樘峁┙o工程師的技術(shù)需求的過程相反。

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價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)系統(tǒng)工程的最大區(qū)別在于“評(píng)估”過程。在傳統(tǒng)系統(tǒng)工程中，“評(píng)估”過程用來決定性能是否滿足需求。如果滿足，循環(huán)結(jié)束；否則，另一個(gè)循環(huán)開始或者宣布項(xiàng)目失敗。價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)使用目標(biāo)函數(shù)或價(jià)值模型評(píng)估屬性，為每個(gè)性能集給出一個(gè)評(píng)分，若現(xiàn)有構(gòu)型比之前某個(gè)嘗試評(píng)分低，則進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)；若現(xiàn)有構(gòu)型比之前任何嘗試都好，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以接受該構(gòu)型或通過進(jìn)一步循環(huán)來產(chǎn)生更好的設(shè)計(jì)。在獲得評(píng)分后的“優(yōu)化改進(jìn)”過程中，設(shè)計(jì)者使用設(shè)計(jì)矢量、屬性矢量和評(píng)估結(jié)果值在設(shè)計(jì)空間范圍內(nèi)推測(cè)如何改變初始設(shè)計(jì)矢量以獲得更好的設(shè)計(jì)。需要注意的是，優(yōu)良的產(chǎn)品往往是設(shè)計(jì)出來而不是通過某種特定模型或方法固定獲得的。作為優(yōu)化思維而非具體方法，價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)不強(qiáng)迫設(shè)計(jì)者使用正式優(yōu)化方法。在設(shè)計(jì)循環(huán)的每次迭代中，設(shè)計(jì)者可以通過判斷自由推測(cè)并選擇新的設(shè)計(jì)變量。

3 價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)系統(tǒng)工程比較

價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)系統(tǒng)工程的主要不同在于設(shè)計(jì)結(jié)果的評(píng)估和優(yōu)化過程，為了使系統(tǒng)和元件設(shè)計(jì)工程師在整個(gè)解空間中獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)，價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)專注于將需求靈活性以及分級(jí)優(yōu)化貫穿所有子系統(tǒng)評(píng)估和優(yōu)化過程中。另外，價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)將成本分析放在需求定義階段，使項(xiàng)目管理者從項(xiàng)目開始時(shí)就對(duì)成本有更好的了解和控制。相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)工程對(duì)飛機(jī)延伸屬性提需求的方式，價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)用標(biāo)量目標(biāo)函數(shù)處理延伸屬性。兩者區(qū)別簡(jiǎn)述如表1。

在傳統(tǒng)系統(tǒng)工程中，如果每個(gè)子系統(tǒng)均滿足需求，整個(gè)系統(tǒng)也將會(huì)滿足最終需求。運(yùn)用傳統(tǒng)系統(tǒng)工程概念的工程師嘗試給每個(gè)子系統(tǒng)分配特殊性能指標(biāo)值。然而，隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，子系統(tǒng)的復(fù)雜性及子系統(tǒng)相互交聯(lián)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性也會(huì)大大增加，把眾多子系統(tǒng)以這種方式融合到一起非常困難甚至不可能。相比而言，價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)引入了“松耦合”（loose coupling）的概念?！八神詈稀笔且环N以允許各子系統(tǒng)至少可以半獨(dú)立的發(fā)展而不是緊密融合的形式融合各子系統(tǒng)的耦合方式。這個(gè)概念為工程師設(shè)計(jì)和開發(fā)具有更高復(fù)雜性的系統(tǒng)提供支撐。價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)通過給每個(gè)子系統(tǒng)分配一個(gè)性能指標(biāo)范圍的方式優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)性能。使用性能指標(biāo)范圍而不是某個(gè)明確的性能指標(biāo)值來限定子系統(tǒng)開發(fā)能夠幫助系統(tǒng)工程師或項(xiàng)目管理者更好地評(píng)估改變子系統(tǒng)性能所帶來的影響。在實(shí)際工程中，提高某些子系統(tǒng)的性能并不能提升整體系統(tǒng)的價(jià)值，反而增加系統(tǒng)和子系統(tǒng)成本和復(fù)雜性，而降低某些子系統(tǒng)性能帶來的整體影響并不大，使用這種方法發(fā)現(xiàn)這些潛在的子系統(tǒng)，為降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜性打開一個(gè)可權(quán)衡空間，支持項(xiàng)目管理者決策，確保系統(tǒng)工程師能夠優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)功能成本比。子系統(tǒng)性能指標(biāo)范圍的概念也將減少硬性技術(shù)需求的數(shù)量，這為子系統(tǒng)乃至整個(gè)系統(tǒng)發(fā)展提供更多靈活性和創(chuàng)新機(jī)會(huì)，有助于降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)，提高在約定計(jì)劃時(shí)間內(nèi)和預(yù)算框架下交付滿足整體性能的系統(tǒng)的可能性。

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另一個(gè)很大的不同是，價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)把成本作為獨(dú)立變量（Cost As an Independent Variable CAIV）過程從傳統(tǒng)系統(tǒng)工程談判過程的最后一步轉(zhuǎn)變到需求定義階段中。在目前有關(guān)系統(tǒng)工程的談判中，用戶首先提出需求，供應(yīng)商將客戶需求轉(zhuǎn)化為技術(shù)需求，最后雙方議價(jià)并簽約。由于系統(tǒng)復(fù)雜性過高，供應(yīng)商多數(shù)時(shí)候不能滿足所有需求，這導(dǎo)致用戶和供應(yīng)商協(xié)商刪減需求或者確定滿足使用者需求的額外資金?，F(xiàn)在使用的CAIV過程往往在后續(xù)的談判中體現(xiàn)出來。價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)把這些協(xié)商轉(zhuǎn)移到需求發(fā)展過程中，引入性能空間的概念給供應(yīng)商提供一個(gè)更加現(xiàn)實(shí)的目標(biāo)空間，使用戶對(duì)他們將要接收的系統(tǒng)有更加清楚的認(rèn)識(shí)，同時(shí)確保系統(tǒng)工程師能夠直接與客戶接觸商議，從而使得在初始設(shè)計(jì)之前及在系統(tǒng)螺旋發(fā)展的全過程中商定系統(tǒng)性能和成本取舍。

另外，價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)還改變了設(shè)計(jì)者處理“延伸屬性”的方法。延伸屬性是產(chǎn)品、系統(tǒng)或其原件與項(xiàng)目進(jìn)度或成本相關(guān)的屬性。系統(tǒng)屬性是元件屬性的函數(shù)，系統(tǒng)的延伸屬性也是元件延伸屬性的函數(shù)。延伸屬性的典型例子包括重量、所有性能屬性、可靠性、維修性、安全性和相似保障性屬性以及成本的所有方面。從整個(gè)項(xiàng)目的角度來說，計(jì)劃進(jìn)度和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)也是延伸屬性。在價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)框架下，無論在系統(tǒng)層級(jí)還是元件層級(jí)，都沒有需求應(yīng)用于延伸屬性。也就是說，不會(huì)給設(shè)計(jì)者傳遞諸如重要閾值、目標(biāo)重量等類似的需求。取而代之的是，每個(gè)工程團(tuán)隊(duì)（系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)、子系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)等）都有一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，該函數(shù)為標(biāo)量函數(shù)，將團(tuán)隊(duì)的所有屬性集轉(zhuǎn)化為一個(gè)評(píng)分。團(tuán)隊(duì)的任務(wù)是在滿足所有非延伸屬性的需求的同時(shí)創(chuàng)造一種能夠獲得最高分值的設(shè)計(jì)。同樣的，系統(tǒng)和元件有各自的目標(biāo)函數(shù)，工程師可以通過目標(biāo)函數(shù)來監(jiān)控元件屬性狀態(tài)和系統(tǒng)集成屬性狀態(tài)，并采取合適的措施來維持系統(tǒng)平衡。

4 價(jià)值驅(qū)動(dòng)的商用飛機(jī)概念設(shè)計(jì)流程

圖2的循環(huán)適用于系統(tǒng)部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)或者整個(gè)系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)。Daniel P. Raymer在《Aircraft Design： A Conceptual Approach》一書中提出了一個(gè)經(jīng)典的商用飛機(jī)概念設(shè)計(jì)流程[10]，本節(jié)以此流程為基礎(chǔ)，將價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的理念應(yīng)用到商用飛機(jī)概念設(shè)計(jì)中，流程如圖4所示。

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圖4描述了價(jià)值驅(qū)動(dòng)的商用飛機(jī)概念設(shè)計(jì)階段的流程。概念設(shè)計(jì)由潛在客戶提出的需求或公司產(chǎn)生的新概念開始。通過探究技術(shù)可行性，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)獲得概念設(shè)計(jì)變量空間，包括航程、配重、起飛和著陸距離、速度等諸多設(shè)計(jì)變量的可選擇范圍。概念草圖確定飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)個(gè)數(shù)、尾翼布局等基本外觀，在后續(xù)的概念設(shè)計(jì)階段迭代過程中，如無重大變化，飛機(jī)的基本外觀布置不做改變。概念設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)迭代從確定概念構(gòu)型開始，概念構(gòu)型確定飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身、尾翼等各部分的尺寸，獲得飛機(jī)的三視圖。性能分析側(cè)重飛機(jī)性能的確定，獲得空氣動(dòng)力學(xué)、重量、推力等方面的參數(shù)。性能分析一方面通過物理分析軟件，如FLUENT，CAD等獲得飛機(jī)的氣動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等方面的物理參數(shù)，另一方面則通過數(shù)學(xué)模型獲得如重量、所需推力等數(shù)學(xué)參數(shù)。在進(jìn)行性能分析的同時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以以歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)結(jié)合實(shí)際市場(chǎng)情況統(tǒng)計(jì)分析飛機(jī)成本，獲得相應(yīng)功能的成本。此外，為了對(duì)設(shè)計(jì)備選方案進(jìn)行價(jià)值評(píng)估，還需要獲得各個(gè)子系統(tǒng)及功能的權(quán)重值，這可以通過專家打分的方式或者歷史數(shù)據(jù)回歸分析獲得。在確定概念構(gòu)型、飛機(jī)性能、功能成本和功能權(quán)重的基礎(chǔ)上，價(jià)值評(píng)估過程通過數(shù)學(xué)價(jià)值模型進(jìn)行評(píng)估并給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)評(píng)分。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)如接受該設(shè)計(jì)結(jié)果則概念設(shè)計(jì)階段迭代結(jié)束，進(jìn)入初始設(shè)計(jì)階段，如不接受設(shè)計(jì)結(jié)果則進(jìn)行構(gòu)型、性能優(yōu)化后進(jìn)入下一輪設(shè)計(jì)迭代。圖中陰影框顯示了價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)流程相較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程多出的環(huán)節(jié)。

5 結(jié)語

本文闡述了價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的概念，詳細(xì)描述了一般的價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)流程，深入比較了價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)系統(tǒng)工程的區(qū)別，并將價(jià)值驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到飛機(jī)概念設(shè)計(jì)階段流程中，為未來進(jìn)行具體價(jià)值設(shè)計(jì)的研究提供理論基礎(chǔ)。未來的研究可以先以飛機(jī)某個(gè)系統(tǒng)作為突破點(diǎn)，研究飛機(jī)單個(gè)系統(tǒng)的功能成本比值，進(jìn)而可以將方法推廣到整機(jī)的所有系統(tǒng)，同時(shí)加入對(duì)重量成本及時(shí)間成本的考慮，獲得實(shí)際運(yùn)用的整套整機(jī)價(jià)值評(píng)估方法。

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