并行工程在航天型號研制中的應(yīng)用與實踐

方建平、宋凱歌、米弘 /中國運載火箭技術(shù)研究院

航天工程與其它簡單工程裝備的開發(fā)和應(yīng)用不同，具有涉及單位多、系統(tǒng)和技術(shù)復(fù)雜、風(fēng)險性大、研制周期長等特點，其在長期的航天型號研制實踐中逐漸形成了一套具有中國特色的航天系統(tǒng)工程管理理念、體系和方法，為航天事業(yè)的成功提供了科學(xué)的理論和方法保證。

近年來，國家對航天工程和武器裝備需求越來越迫切，新型號研制呈井噴式發(fā)展，并且對研制周期有很強的剛性要求，高密度發(fā)射已經(jīng)常態(tài)化，傳統(tǒng)的型號串行研制管理模式已不能適應(yīng)航天快速發(fā)展的要求，必須在航天型號的系統(tǒng)工程管理中引入新的管理理念和方法，以滿足型號高強度研制和高密度發(fā)射的要求。

在某航天重大科技工程研制中，面對科技工程多專業(yè)、多學(xué)科之間的交叉耦合，新技術(shù)應(yīng)用帶來的技術(shù)和進度風(fēng)險等問題，該型號項目團隊通過采用并行工程的系統(tǒng)工程管理方法，實現(xiàn)了進度和質(zhì)量的完美統(tǒng)一，圓滿完成了階段任務(wù)，為航天型號研制管理作出了有益探索。

一、并行工程的發(fā)展

在20世紀七八十年代，美國制造業(yè)受到嚴重威脅，而日本制造業(yè)在國際上占據(jù)了統(tǒng)治地位。為重振其霸主地位，美國針對制造業(yè)的核心競爭力新產(chǎn)品開發(fā)問題舉辦了專題會議，并首次提出了并行工程的概念。此后美國防御分析研究所（IDA）受美國國防部的指示對并行工程及其用于武器系統(tǒng)的可行性進行調(diào)查研究，并于1988年12月公布了著名的R-338研究報告，首次全面而深入地對并行工程的思想和理論體系進行了系統(tǒng)闡述，給出了并行工程嚴格的定義，建立了并行工程的應(yīng)用框架，為制造企業(yè)應(yīng)用和實施并行工程提供了重要的理論指導(dǎo)。其擺脫了傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)工作觀念，強調(diào)在產(chǎn)品的早期開發(fā)階段對產(chǎn)品及其相關(guān)過程（包括支持過程和制造過程）進行并行、一體化設(shè)計，以提高產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計能力。

根據(jù)IDA的定義，并行工程是集成、并行地設(shè)計產(chǎn)品及其相關(guān)過程的系統(tǒng)化方法。在工程實施過程中采取適當(dāng)?shù)墓芾矸椒ǎ固幱诓煌兄齐A段的一項或多項作業(yè)能同時進行（并行），以達到縮短工程周期、提高工程績效的目的。并行工程作為一種系統(tǒng)化的方法和思想，要求在產(chǎn)品設(shè)計的同時能同步考慮產(chǎn)品全生命周期的各項有關(guān)活動，包括設(shè)計、制造裝配、調(diào)試檢驗、維護維修、進度、質(zhì)量、成本、可靠性等。

并行工程在國外一些先進工業(yè)國家中已得到廣泛應(yīng)用，并取得了顯著效益，其領(lǐng)域包括汽車、飛機、計算機、機械及電子等行業(yè)。歐美和日本的國防項目也都應(yīng)用了并行工程，如波音公司從企業(yè)管理層面尋求突破，以集成化產(chǎn)品開發(fā)組織管理模式打響了“并行戰(zhàn)役”的第一槍，其強調(diào)面向開發(fā)的集成性和一體化的協(xié)調(diào)溝通，波音777從設(shè)計到試飛僅用了5年且一次成功，開發(fā)進度提前了一年半；洛克希德·馬丁公司采用并行工程使新導(dǎo)彈研發(fā)周期從5年縮短為2年。并行工程于20世紀90年代傳入我國立刻引起高度重視，得到了國家科委、863／CIMS專家委員會、研究機構(gòu)和電子、機械、航空、航天等領(lǐng)域企業(yè)的重點關(guān)注，并在產(chǎn)品研制中進行了應(yīng)用。

二、并行工程在航天型號研制中的應(yīng)用

1.集成開發(fā)團隊的組織管理模式

產(chǎn)品開發(fā)過程的并行規(guī)劃、產(chǎn)品設(shè)計、制造方法及技術(shù)，需要通過良好的管理組織應(yīng)用到實際中。并行工程特別強調(diào)在產(chǎn)品的早期設(shè)計階段綜合考慮與它相關(guān)的各下游過程，以及各項產(chǎn)品創(chuàng)新和開發(fā)活動的并行交叉與一體化。這就需要企業(yè)管理方式、組織模式和企業(yè)文化方面的支持，對實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)過程的并行化具有重要的意義。

并行工程將產(chǎn)品開發(fā)的各種活動作為一個集成的過程，從全局優(yōu)化的角度出發(fā)對該集成過程進行管理和控制，并不斷改進和提高已有的產(chǎn)品開發(fā)過程，以減少不必要的設(shè)計環(huán)節(jié)，使產(chǎn)品開發(fā)過程更合理有效。在產(chǎn)品開發(fā)早期階段，發(fā)現(xiàn)問題要及早修改，消除設(shè)計隱患，并在產(chǎn)品投產(chǎn)前進行多次的設(shè)計迭代和仿真，以確保設(shè)計的正確性。

航天型號研制體系組織架構(gòu)從上到下依照總體、分系統(tǒng)、單機的樹形結(jié)構(gòu)（見圖1），各分系統(tǒng)單位按專業(yè)進行分工，每一個方框都是由一個獨立的單位負責(zé)研制，橫向支持單位還包括生產(chǎn)、試驗等單位，而縱向向下延伸到元器件、原材料，管理層級可多達十幾級。通?？v向與橫向設(shè)計和管理要求主要通過任務(wù)書及文件的形式層層傳遞，但由于研制單位和管理層級眾多，流程過長，導(dǎo)致這種串行研制模式的周期較長，再加上傳遞衰減，使得從頂層傳遞下來的要求往往無法在最底層得到有效落實。

為了縮短航天型號項目管理鏈條和研制周期，需在現(xiàn)有組織架構(gòu)下組建集成產(chǎn)品開發(fā)團隊（IPT），即在實施集成產(chǎn)品開發(fā)過程中，以并行工程為思想，打破傳統(tǒng)按單位、部門劃分的組織方式，由項目負責(zé)人按照產(chǎn)品開發(fā)對象、任務(wù)及目標組建跨組織的產(chǎn)品開發(fā)隊伍。

IPT協(xié)同開發(fā)矩陣管理（見圖2）打破了單位和部門間的界限，其根據(jù)任務(wù)情況從各單位、各系統(tǒng)抽調(diào)核心人員組成跨部門、跨單位、多專業(yè)的IPT，成員一般由設(shè)計、工藝、標準化、計劃調(diào)度、經(jīng)費管理、質(zhì)量管理、物資等研制生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的核心成員組成，并采用項目負責(zé)人制。項目負責(zé)人即團隊負責(zé)人，由項目總體設(shè)計單位或牽頭單位確定，負責(zé)項目整體策劃與指揮協(xié)調(diào)，對實施過程中出現(xiàn)的技術(shù)、質(zhì)量、進度、經(jīng)費、資源保障等重大問題進行決策。

圖1 航天型號研制體系架構(gòu)

圖2 IPT協(xié)同開發(fā)矩陣管理結(jié)構(gòu)

IPT的組建以任務(wù)為目標，隨任務(wù)的提出而設(shè)立，隨任務(wù)的完成而終結(jié)，團隊成員可結(jié)合任務(wù)進展情況進行動態(tài)調(diào)整。IPT成員組織關(guān)系隸屬于原單位，但在任務(wù)期間同時接受IPT項目負責(zé)人的考核。

一個航天型號在不同任務(wù)階段可組成若干個不同的IPT，這種上下游高效協(xié)同的工作模式可大大縮短文件傳遞的環(huán)節(jié)和時間。而且，團隊各專業(yè)在協(xié)同開發(fā)環(huán)境和數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)的支撐下，可實現(xiàn)總體設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計和單機設(shè)計并行，設(shè)計和試驗準備并行，設(shè)計與制造和工藝及生產(chǎn)準備并行，產(chǎn)品試制與試驗和飛行試驗準備并行。IPT管理和技術(shù)的高度統(tǒng)一，也為各項管理要求的“縱向到底、橫向到邊”的落實創(chuàng)造了條件。

2.協(xié)同開發(fā)環(huán)境及數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)

根據(jù)并行工程團隊成員的組建，大量信息交流及全面采用三維數(shù)字化設(shè)計、制造和協(xié)調(diào)等特點，必須建立統(tǒng)一的項目信息管理平臺和數(shù)字化集成協(xié)同研制平臺實施統(tǒng)一管理。通過數(shù)字化協(xié)同平臺的建立，可使跨部門的IPT 成員在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標準下全面考慮產(chǎn)品在設(shè)計階段的工藝性、可裝配性、可檢驗性等，將原來設(shè)計、工藝、制造等多個流程中相互獨立串行的工作并行起來，實現(xiàn)多個知識信息流的協(xié)同處理和多項作業(yè)的協(xié)同實施。IPT 團隊成員可以進行設(shè)計信息傳遞、變更通知、資源共享等，使信息可以及時、充分共享，并以此為基礎(chǔ)作出有效的群體決策，從而實現(xiàn)對風(fēng)險因素的協(xié)同和動態(tài)監(jiān)控。

典型的航天型號集成研制平臺架構(gòu)如圖3所示，主要由集成協(xié)同研制（設(shè)計）平臺和集成產(chǎn)品制造平臺構(gòu)成。前者在底層產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的支持下，集成各專業(yè)數(shù)字化設(shè)計平臺（結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣系統(tǒng)設(shè)計等）、仿真驗證平臺（模態(tài)及動力學(xué)仿真、彈道、制導(dǎo)和姿控一體化仿真等）、數(shù)字化工藝設(shè)計及制造平臺（工藝及工裝設(shè)計、加工及裝配仿真等），以實現(xiàn)多專業(yè)、多學(xué)科數(shù)字化快速協(xié)同設(shè)計；后者與數(shù)字化工藝及制造緊耦合，在完成數(shù)字工藝設(shè)計及制造仿真后實現(xiàn)產(chǎn)品模型數(shù)字化下廠及產(chǎn)品生產(chǎn)過程管控。

隨著信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，各種開發(fā)和仿真工具得到廣泛應(yīng)用，為集成研制平臺提供了良好支撐，但當(dāng)前高效協(xié)同開發(fā)的最大障礙是各單位、各系統(tǒng)采用的工具和標準不統(tǒng)一。因此，規(guī)范協(xié)同研制流程，統(tǒng)一開發(fā)標準、接口和規(guī)范是集成協(xié)同產(chǎn)品研制和制造的關(guān)鍵。

3.研制流程優(yōu)化與重構(gòu)

按照航天型號研制程序，航天武器裝備研制一般按照方案階段（方案論證和方案設(shè)計）、初樣階段、試樣階段、定型階段和批生產(chǎn)階段劃分。由于航天型號研制的復(fù)雜性，為了確保滿足航天型號嚴格的技術(shù)狀態(tài)控制及高質(zhì)量與可靠性要求，通常在一個研制階段的所有工作結(jié)束后需按研制程序完成階段研制總結(jié)及評審，才能轉(zhuǎn)入下一研制階段，如圖4所示。

圖3 航天型號集成協(xié)同研制平臺架構(gòu)

圖4 航天武器型號串行研制流程

實踐證明，這種串行研制流程是正確的，嚴格按其實施能有效保證型號質(zhì)量。但這種研制模式在保證型號高成功率的同時，也大大增加了型號的研制周期，與國家和用戶急迫的進度要求不相匹配。因此，需要對傳統(tǒng)研制流程進行優(yōu)化，一般采用如圖5所示的并行研制流程，其核心思想是將原來串行開展的2個研制階段的部分研制工作交叉并行開展，以達到縮短研制周期的目的。

圖5（a）是針對航天重大武器型號所采用的一種研制流程。在研制過程中，方案與初樣研制并行開展，即通過IPT的集成產(chǎn)品開發(fā)，系統(tǒng)和單機、部段并行開展詳細設(shè)計，一方面可以在方案階段及早暴露設(shè)計問題，另一方面可提前確定產(chǎn)品元器件和原材料的選用，并能在完成技術(shù)審查后提前開展元器件和原材料的采購及備料。

方案轉(zhuǎn)段完成后，在確認設(shè)計的基礎(chǔ)上，快速將產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計模型及相關(guān)要求下達給生產(chǎn)單位開展生產(chǎn)，這樣可大幅縮短研制周期。同樣，在初樣研制后期，由于各系統(tǒng)完成初樣地面試驗的先后順序不同，所以先完成的單機及系統(tǒng)在經(jīng)過狀態(tài)確認后就可提前啟動試樣和飛行產(chǎn)品的元器件與原材料備料，甚至可以將初樣和試樣（包括飛行產(chǎn)品）的元器件在方案階段后期一起備料，初樣轉(zhuǎn)段前只需要補充采購部分有技術(shù)狀態(tài)變化的元器件和原材料即可，這樣對長周期備料的產(chǎn)品而言可以節(jié)約8～9個月的時間。另外，在試樣研制時開展定型工作策劃，試樣飛行試驗成功后即可投產(chǎn)定型飛行試驗產(chǎn)品，如果用戶需求明確，抽檢及批生產(chǎn)產(chǎn)品可與定型飛行試驗產(chǎn)品同批投產(chǎn)，以使武器裝備早日服役。

圖5 航天武器型號并行研制流程

圖5（b）是針對短平快的戰(zhàn)術(shù)武器所普遍采用的一種研制流程。在上述并行研制流程的基礎(chǔ)上，進一步將初樣與試樣研制階段合并為工程研制階段，地面試驗產(chǎn)品與研制飛行試驗產(chǎn)品同批投產(chǎn)、地面試驗與飛行試驗并行，在完成一定數(shù)量的試飛后，即可開展小批量產(chǎn)品試制，并將定型飛行與批抽檢飛行合并或統(tǒng)籌考慮，通常3～5年即可完成武器系統(tǒng)的研制。

三、并行工程的質(zhì)量控制

航天型號已有一套標準的質(zhì)量體系進行質(zhì)量管控及質(zhì)量保證，而采用并行工程管理模式對質(zhì)量的控制提出了更高的要求，需要結(jié)合并行工程管理模式采取重點管控措施，確保并行工程管理模式實施過程中，在節(jié)省研制周期的同時不影響產(chǎn)品質(zhì)量。

1.開展協(xié)同設(shè)計仿真和試驗仿真

在方案和初樣研制階段的各專業(yè)IPT集成開發(fā)過程中，要及早考慮并改善制造、裝配、試驗等環(huán)節(jié)的質(zhì)量。利用集成研制平臺中的仿真平臺開展多專業(yè)、多學(xué)科的聯(lián)合仿真，以確保設(shè)計的正確性和接口的協(xié)調(diào)性。尤其是針對探索性和創(chuàng)新性很強的型號，地面試驗環(huán)境和條件往往不能覆蓋飛行環(huán)境，導(dǎo)致地面試驗無法得到驗證。因此，只能依靠數(shù)學(xué)仿真手段進行驗證，在必要情況下需集中多家國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的優(yōu)勢單位開展背靠背的仿真校驗，通過多輪仿真縮小仿真差異，進而驗證仿真模型和方法的正確性。

針對策劃要開展的地面試驗，設(shè)計單位和試驗單位也需同步開展試驗仿真，一方面檢驗試驗條件是否覆蓋飛行條件，確保地面試驗邊界條件正確、試驗方法充分有效、試驗一次成功；另一方面通過將仿真試驗與地面試驗結(jié)果對比，以檢驗仿真模型的正確性。

2.飛行產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)確認和并行生產(chǎn)狀態(tài)控制

技術(shù)狀態(tài)控制是航天型號研制質(zhì)量控制的關(guān)鍵。由于航天產(chǎn)品生產(chǎn)周期長，在并行工程研制模式下，地面研制試驗尚在進行中就需要投產(chǎn)飛行試驗產(chǎn)品。為了確保飛行產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)受控，避免或減少產(chǎn)品更改，需在飛行試驗產(chǎn)品投產(chǎn)前設(shè)置技術(shù)狀態(tài)確認控制節(jié)點。在方案轉(zhuǎn)初樣后，各系統(tǒng)列出影響飛行試驗產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)確認的標志性試驗，如電氣系統(tǒng)綜合試驗、匹配試驗、電磁兼容試驗，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靜力、振動及熱試驗，總體的模態(tài)試驗等，在這些標志性試驗完成后，各系統(tǒng)以方案轉(zhuǎn)段為技術(shù)狀態(tài)基線梳理技術(shù)狀態(tài)變化，確定產(chǎn)品生產(chǎn)基線，形成飛行試驗產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)確認報告，經(jīng)“兩總”及專家組審查后，正式投產(chǎn)飛行試驗產(chǎn)品。

此時，其它設(shè)計參數(shù)獲取及驗證性試驗仍在進行中，甚至其它地面試驗產(chǎn)品仍然在生產(chǎn)，這樣就出現(xiàn)了地面試驗產(chǎn)品和飛行試驗產(chǎn)品同時在線生產(chǎn)但技術(shù)狀態(tài)不一致的局面，如何控制產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)便成為并行研制模式下提前投產(chǎn)飛行試驗產(chǎn)品的新課題。因此，型號必須出臺專門的管理辦法，將飛試產(chǎn)品圖紙單獨標識，以確保2個狀態(tài)并行在線生產(chǎn)的產(chǎn)品狀態(tài)受控。

3.三維數(shù)字化設(shè)計的技術(shù)狀態(tài)控制

為了適應(yīng)數(shù)字化設(shè)計的潮流及型號產(chǎn)品研制快速、靈活的要求，在IPT并行研制模式下，IPT團隊放棄傳統(tǒng)的二維圖紙出圖、會簽和下廠方式，而是在完成產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計后將三維模型直接下廠進行生產(chǎn)制造。為了確保數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)及模型傳遞過程技術(shù)狀態(tài)受控，必須制定三維模型設(shè)計制造管理辦法和數(shù)字化大綱，明確數(shù)字化設(shè)計和生產(chǎn)全過程的質(zhì)量管控要求。

在某項目研制過程中，IPT將三維設(shè)計軟件和航天協(xié)調(diào)研制平臺（AVIDM）相結(jié)合，對數(shù)字化模型進行技術(shù)狀態(tài)控制，并在協(xié)同開發(fā)過程中利用CATIA軟件的VPM模型管理工具進行管理，VPM相當(dāng)于產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)庫。完成一個版本的產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計后，將模型上傳到AVIDM系統(tǒng)并對三維模型進行版本控制，AVIDM相當(dāng)于產(chǎn)品的產(chǎn)品庫，所有下廠的三維模型必須從AVIDM下載、刻盤并按管理辦法進行標識和傳遞。

4.并行工程管理過程中需重點注意的問題

在并行工程管理實施過程中，需要在以下4個方面重點關(guān)注，以便能夠讓并行管理發(fā)揮更好的效果。

一是并行工程強調(diào)團隊成員的協(xié)同和協(xié)調(diào)工作，必須以項目團隊的目標為最高目標，打破原有單位和部門利益的分割，強化團隊成員的主動和擔(dān)當(dāng)意識、協(xié)作精神和合作觀念。

二是重視和加強IPT研制平臺和標準建設(shè)，研制平臺包括協(xié)同研制平臺、仿真驗證平臺、生產(chǎn)制造平臺、信息管理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)，尤其要加強生產(chǎn)制造平臺以及設(shè)計與制造的數(shù)字化接口建設(shè)。要自頂向下建立和完善標準，統(tǒng)一各種研制工具、IPT設(shè)計標準、數(shù)字化生產(chǎn)制造標準、設(shè)計和仿真接口標準、設(shè)計和生產(chǎn)接口標準，進而為團隊的高效協(xié)同創(chuàng)造條件。

三是要從設(shè)計、生產(chǎn)、試驗等各個環(huán)節(jié)全面統(tǒng)籌和實施并行管理，生產(chǎn)和試驗人員要盡早介入并加入IPT。在設(shè)計階段，工藝人員參與IPT確定產(chǎn)品的元器件、原材料，產(chǎn)品的可制造性和工藝性、總裝工藝流程、生產(chǎn)設(shè)備和資源需求，并行開展生產(chǎn)和裝配工裝設(shè)計。同時，試驗人員參加IPT同步制定試驗方案，開展試驗工裝設(shè)計、試驗設(shè)備需求和試驗準備。

四是元器件、原材料選用審查與設(shè)計并行。按照型號物資實施統(tǒng)一管理、集中采購要求，在方案設(shè)計階段就要對設(shè)計人員進行元器件、原材料選用培訓(xùn)，嚴格落實有關(guān)航天物資管理要求；在產(chǎn)品設(shè)計的初期，物資人員需加入IPT，以便對供應(yīng)商資質(zhì)、元器件等級、器件和材料是否在目錄內(nèi)、國產(chǎn)化率是否滿足要求等進行審查并給出相關(guān)建議，避免后期更改、二次訂貨造成進度推遲。

四、航天并行工程發(fā)展趨勢

1.組織結(jié)構(gòu)和研制流程趨向于扁平化

隨著航天企業(yè)改革的推進，航天項目管理將向項目制和事業(yè)部管理模式轉(zhuǎn)變，打破專業(yè)分工和利益藩籬，進一步減少管理層級、簡化研制流程，實現(xiàn)扁平化管理，以最大程度上實現(xiàn)高效協(xié)同研制，降低企業(yè)成本，提升企業(yè)競爭力。

2.生產(chǎn)方式數(shù)字化、智能化

以信息化、數(shù)字化為主導(dǎo)方向，全面打通數(shù)字化設(shè)計和制造通道，實現(xiàn)設(shè)計開發(fā)三維化、試驗驗證虛擬化、加工制造數(shù)字化、總裝集成可視化、數(shù)據(jù)資源產(chǎn)品化，推動航天生產(chǎn)方式向數(shù)字化、智能化、柔性化、精細化方向發(fā)展。

3.異地多團隊聯(lián)合開發(fā)

航天項目往往是大協(xié)作工程，涉及全國多地域、多單位，隨著并行工程在航天型號應(yīng)用的深入和接口標準的統(tǒng)一，位于不同地域的單位或合作企業(yè)將可以在統(tǒng)一虛擬環(huán)境中實施新產(chǎn)品的集成開發(fā)，各地域研發(fā)成員實時通信，并在同一個系統(tǒng)中開展產(chǎn)品開發(fā)、決策、活動的協(xié)調(diào)以及產(chǎn)品信息共享等。

在當(dāng)前軍民融合發(fā)展的大趨勢下，航天企業(yè)也面臨著競爭激烈、需求多變的市場環(huán)境，快速的產(chǎn)品開發(fā)對于企業(yè)快速有效地響應(yīng)市場、提高企業(yè)核心競爭力具有重要意義。同時，國家對航天武器型號的迫切需求以及高密度研制發(fā)射的常態(tài)化，使得并行工程的應(yīng)用成為未來航天型號研制的大趨勢。▲