面向復雜產(chǎn)品的精益設計平臺研究及應用

李彩偉 何冰梅 王恩青

復雜產(chǎn)品是指客戶需求復雜、產(chǎn)品組織復雜、技術(shù)原理復雜、制造過程復雜、項目管理復雜、影響因素復雜的一類產(chǎn)品，如船舶、航天器、飛機、武器系統(tǒng)等，這類產(chǎn)品包含大量的用戶定制的零部件，需要融合多種知識和技能。復雜產(chǎn)品制造業(yè)是國民經(jīng)濟和國家安全的重要基礎，發(fā)揮著舉足輕重的作用，提高我國復雜產(chǎn)品制造業(yè)的國際競爭力，對實現(xiàn)世界制造大國、制造強國具有重大意義

21世紀制造業(yè)面臨新環(huán)境：知識、技術(shù)、產(chǎn)品更新周期越來越短；客戶對產(chǎn)品性能和質(zhì)量的要求越來越高；產(chǎn)品知識含量不斷提高；全球化的協(xié)同制造與競爭越來越激烈等。新環(huán)境對復雜產(chǎn)品制造業(yè)也提出了更強烈的挑戰(zhàn)，比如，研制周期更短，質(zhì)量更高，成本更低，服務更好，知識含量更大；多學科團隊異地協(xié)同設計與加工生產(chǎn)；全生命周期項目管理。另一方面，在新環(huán)境下，新一代信息技術(shù)的應用使得生產(chǎn)流程被嚴格控制，產(chǎn)品設計決定了產(chǎn)品大部分成本，復雜產(chǎn)品設計階段決定了83%以上的產(chǎn)品成本，產(chǎn)品設計完成之后，其成本在之后的階段中降低的空間相當有限。目前，我國與發(fā)達國家在復雜產(chǎn)品制造業(yè)上存在很大差距。復雜產(chǎn)品成為各國繼續(xù)保持競爭優(yōu)勢的重要領域。如何能夠在短時間內(nèi)設計出適應市場需求、具有良好綜合性能的復雜產(chǎn)品，對于企業(yè)的生存和發(fā)展有著重要意義。

一、復雜產(chǎn)品設計存在的問題

精益設計是精益生產(chǎn)的基礎，產(chǎn)品的品質(zhì)是設計、生產(chǎn)出來的，不是靠檢驗出來的，一個產(chǎn)品質(zhì)量的好壞在設計時已經(jīng)決定了。一方面，目前一些企業(yè)雖然建立了相應的質(zhì)量體系，但沒有有效的手段、方法和平臺將質(zhì)量深入到產(chǎn)品設計與研發(fā)過程中。另一方面，對于涉及多學科的復雜產(chǎn)品的設計，各設計人員多是分頭并行開發(fā)，耦合協(xié)同較少，設計深度較淺，大量設計不足、隱患、問題在系統(tǒng)驗證、確認階段時發(fā)現(xiàn)，延長了產(chǎn)品交付時間。同時，由于歷史原因，企業(yè)存在設計人員的兩極分化，一端是老一代設計人員，一端是新一代設計人員，老一代設計人員積累了大量的產(chǎn)品設計研發(fā)經(jīng)驗、方法等知識，由于缺乏必要的知識管理手段，這些知識都散落、隱藏在老一代設計人員手中、頭腦中，沒有形成有效的企業(yè)智力資產(chǎn)。

目前，我國與發(fā)達國家在復雜產(chǎn)品制造業(yè)上存在很大差距。復雜產(chǎn)品成為各國繼續(xù)保持競爭優(yōu)勢的重要領域。如何能夠在短時間內(nèi)設計出適應市場需求、具有良好綜合性能的復雜產(chǎn)品，對于企業(yè)的生存和發(fā)展有著重要意義。

面向復雜產(chǎn)品，構(gòu)建集系統(tǒng)工程、知識工程、綜合設計為一體的可擴展、可開放、可定制的精益設計平臺，實現(xiàn)設計過程中知識、經(jīng)驗的提煉、管理與共享，將質(zhì)量管理體系融入到設計研發(fā)活動中，為多專業(yè)協(xié)同創(chuàng)造基礎條件，各專業(yè)按照設計科研流程分配任務，設計、管理等不同的用戶，以不同的方式對設計研發(fā)過程進行精細的檢查、監(jiān)督和閉環(huán)，基于綜合設計系統(tǒng)開發(fā)數(shù)字化樣機系統(tǒng)，并在線開展集成仿真驗證，根據(jù)仿真結(jié)果返回優(yōu)化修改，如此迭代，直到滿足設計需求，大大提升產(chǎn)品設計質(zhì)量和設計效率，精益設計平臺的開發(fā)與應用將提升制造業(yè)產(chǎn)品設計能力，促進科研模式轉(zhuǎn)型。

二、精益設計平臺

（一） 平臺總體架構(gòu)

精益設計平臺是精益設計體系的組成部分，同時也是精益設計體系的載體?；谙到y(tǒng)工程，精益設計平臺把設計流程、工具、知識、質(zhì)量、資源、數(shù)據(jù)集成在一起，以知識工程為支撐，以過程質(zhì)量為把控，形成一個完整的產(chǎn)品設計管理和技術(shù)平臺，平臺總體架構(gòu)圖如圖1所示。

平臺形成了“抱臂雙循環(huán)”模式，第一，知識工程系統(tǒng)進行知識梳理，在研發(fā)管理系統(tǒng)中與研發(fā)流程進行知識關聯(lián)，在綜合設計體系中執(zhí)行設計任務時進行知識推送，并將設計仿真系統(tǒng)中產(chǎn)生的新知識沉淀到知識工程系統(tǒng)中，完成第一個循環(huán)；第二，質(zhì)量管理系統(tǒng)中進行質(zhì)量策略梳理，在研發(fā)管理系統(tǒng)中形成質(zhì)量策劃，在綜合設計系統(tǒng)中執(zhí)行設計任務時進行質(zhì)量管控并將質(zhì)量問題歸零，把形成的舉一反三的質(zhì)量知識返回到質(zhì)量管理系統(tǒng)中，完成第二個循環(huán)。

平臺門戶把各種應用系統(tǒng)資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源統(tǒng)一集成到一個平臺之下，根據(jù)每個用戶使用特點和角色的不同，形成個性化的應用界面，并通過對事件和消息的處理和傳輸，把用戶有機地聯(lián)系在一起。

研發(fā)管理系統(tǒng)形成整個設計過程管理與控制的基礎，進行產(chǎn)品設計策劃與WBS分解、指標及質(zhì)量策劃、知識關聯(lián)，承載產(chǎn)品設計流程，支持設計策劃的規(guī)范化標準化及設計協(xié)同。

綜合設計系統(tǒng)是產(chǎn)品設計的執(zhí)行環(huán)境，將知識化和仿真化相關的工具和技術(shù)、規(guī)范與標準、人才和組織和知識化工程資源庫集成起來，形成知識和仿真驅(qū)動的數(shù)字化協(xié)同設計系統(tǒng)，包含設計流程管理、協(xié)同任務管理、快速設計、協(xié)同仿真、多學科集成、過程數(shù)據(jù)管理、工程資源管理等功能。

質(zhì)量管理系統(tǒng)專注于復雜產(chǎn)品設計過程的質(zhì)量管控，基于設計過程質(zhì)量管控要素形成質(zhì)量基礎庫，形成面向WBS的質(zhì)量策劃、過程預防、過程控制、指標管理、歸零改進、追溯監(jiān)控于一體的質(zhì)量信息化解決方案，促進質(zhì)量控制與研發(fā)過程緊密結(jié)合，包含質(zhì)量策劃管理、質(zhì)量監(jiān)控與分析評估、指標管理、過程質(zhì)量控制、質(zhì)量數(shù)據(jù)管理等功能。

知識工程系統(tǒng)以知識與流程、設計相融合的思想為指導，結(jié)合知識挖掘、知識管理、知識推送、知識創(chuàng)新等技術(shù)，將知識與設計流程聯(lián)系起來，建立與產(chǎn)品研發(fā)設計對應的知識體系，真正實現(xiàn)知識的積累與應用，實現(xiàn)平臺能力建設，包含知識采集、知識處理、知識搜索、知識應用、知識維護等功能。

數(shù)據(jù)中心包括數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)協(xié)同及數(shù)據(jù)集成接口。數(shù)據(jù)管理實現(xiàn)平臺對過程數(shù)據(jù)的總體管控，形成統(tǒng)一的管理標準和內(nèi)在的數(shù)據(jù)邏輯，通過以數(shù)據(jù)總線為核心的多維數(shù)據(jù)應用框架和譜系結(jié)構(gòu)，滿足不同應用需求對不同類別數(shù)據(jù)的存儲、共享、查詢、調(diào)用等。數(shù)據(jù)協(xié)同基于標準數(shù)據(jù)管理格式實現(xiàn)產(chǎn)品設計研發(fā)全生命周期對不同業(yè)務系統(tǒng)協(xié)同數(shù)據(jù)的獲取與統(tǒng)一管理，解決數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一帶來的信息集成困難，通過數(shù)據(jù)集成接口實現(xiàn)協(xié)同設計、仿真、試驗與制造以及綜合管理信息化之間的信息集成與信息共享。

（二）各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)關系

精益研發(fā)平臺各子系統(tǒng)之間具有緊密的數(shù)據(jù)關系，如圖2所示。

“研發(fā)管理系統(tǒng)”與“綜合設計系統(tǒng)”：研發(fā)管理系統(tǒng)完成產(chǎn)品的頂層策劃及WBS分解，把工作包輸入到綜合設計系統(tǒng)；綜合設計系統(tǒng)完成任務后，把工作包提交回研發(fā)管理系統(tǒng)。

“研發(fā)管理系統(tǒng)”與“質(zhì)量管理系統(tǒng)”：研發(fā)管理系統(tǒng)從質(zhì)量管理系統(tǒng)中獲取產(chǎn)品質(zhì)量管理策劃方案，形成質(zhì)量評審計劃及指標；質(zhì)量管理系統(tǒng)從研發(fā)管理系統(tǒng)中獲取質(zhì)量評審計劃及指標。

“研發(fā)管理系統(tǒng)”與“知識工程系統(tǒng)”：研發(fā)管理系統(tǒng)進行工作包定義時，從知識工程系統(tǒng)中獲取任務伴隨知識；工作包完成后，研發(fā)管理系統(tǒng)把完成后的工作包（包括輸入、輸出、資料、伴隨知識、產(chǎn)生的新知識等）作為一個完整的知識包提交給知識工程系統(tǒng)。

“綜合設計系統(tǒng)”與“知識工程系統(tǒng)”：知識工程系統(tǒng)把伴隨知識推送給綜合設計系統(tǒng)；知識工程系統(tǒng)從綜合設計系統(tǒng)中獲取知識，完成知識的積累。

“綜合設計系統(tǒng)”與“質(zhì)量管理系統(tǒng)”：綜合設計系統(tǒng)從質(zhì)量管理系統(tǒng)中獲取到質(zhì)量管理的活動要求；質(zhì)量管理系統(tǒng)從綜合設計系統(tǒng)中收集質(zhì)量數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制與評估。

（三）平臺與其他系統(tǒng)的集成

平臺通過系統(tǒng)集成接口與其它工具及相關系統(tǒng)（如項目管理PM系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM系統(tǒng)、試驗數(shù)據(jù)管理TDM系統(tǒng)）等進行交互，總體集成框架如圖3所示。

項目管理PM系統(tǒng)負責項目整體策劃與管控，按照質(zhì)量體系要求確定項目階段劃分與關鍵任務時間節(jié)點要求，精益設計平臺完成任務的分解、細化與執(zhí)行，并將任務完成情況反饋給PM系統(tǒng)。

精益設計平臺除了接受來自項目管理PM系統(tǒng)的研發(fā)設計工作任務書之外，還接受來自產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM系統(tǒng)發(fā)起的產(chǎn)品設計變更任務，并在任務執(zhí)行過程中獲取PDM系統(tǒng)中的上下游輸入輸出數(shù)據(jù)以及歷史產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息，在任務執(zhí)行結(jié)束后將研發(fā)設計結(jié)果數(shù)據(jù)提交至PDM系統(tǒng)進行管理。

精益設計平臺將與試驗相關的任務傳遞至TDM系統(tǒng)，并將與此試驗任務相關的產(chǎn)品數(shù)據(jù)（來自PDM）、仿真數(shù)據(jù)（來自SDM）、其他步驟試驗數(shù)據(jù)（來自TDM）以及相關試驗流程、方法、規(guī)范等知識（來自研發(fā)平臺知識工程子系統(tǒng)）推送給相關試驗人員，試驗結(jié)束后將與此試驗相關的試驗結(jié)果數(shù)據(jù)納入TDM系統(tǒng)進行管理，如有知識可以沉淀則納入知識工程子系統(tǒng)進行管理。

三、平臺應用及效果

在實際應用中，結(jié)合企業(yè)現(xiàn)狀和應用需求，以精益設計平臺為基礎，構(gòu)建企業(yè)產(chǎn)品設計平臺框架體系，某特種裝備精益設計平臺應用場景如圖4所示。

通過特種裝備精益研發(fā)平臺的實施，形成了全單位統(tǒng)一的覆蓋裝備研發(fā)全生命周期的平臺，跳出以往“規(guī)劃評估是一套，能力目標是一套，運行維護是一套，立項建設是一套”的傳統(tǒng)裝備研發(fā)模式；實現(xiàn)了裝備型號研制模式由仿制改型衍生發(fā)展到自主創(chuàng)新的轉(zhuǎn)變，應對新一代裝備型號研制周期大幅度壓縮的要求；實現(xiàn)了研發(fā)工作模式由分散、獨立、串行向集成、協(xié)同、并行模式的轉(zhuǎn)變，解決了知識管理和能力建設不足的問題，實現(xiàn)了研發(fā)項目規(guī)范化管理和落實質(zhì)量體系要求。

精益化是企業(yè)發(fā)展過程中的必然選擇。面向復雜產(chǎn)品的精益設計平臺從設計環(huán)節(jié)開始應用精益思想消除浪費環(huán)節(jié)，在相對可控的前提下避免浪費的發(fā)生，實現(xiàn)了研發(fā)流程和質(zhì)量管理的緊密結(jié)合，避免許多企業(yè)的研發(fā)過程和質(zhì)量管理兩張皮現(xiàn)象，實時對研發(fā)設計過程中的質(zhì)量問題報警；集成了設計和仿真工具軟件，形成了標準的業(yè)務流程模板庫，實現(xiàn)了快速設計，提升了設計結(jié)果的正確性和穩(wěn)定性；實現(xiàn)了知識管理以及流程與知識、設計工具之間融合，解決了過去其他知識管理軟件存在的對研發(fā)支撐不足的問題。

面向復雜產(chǎn)品的精益設計平臺的應用實現(xiàn)了項目導向型向產(chǎn)品化、平臺支撐型的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了個人差異化科研向流程化、科學化轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)了由經(jīng)驗引導型向知識支撐型轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了由結(jié)合質(zhì)量型向深度融合型轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了單專業(yè)攻關向多專業(yè)協(xié)同轉(zhuǎn)變。這將提升企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力，大幅度縮減產(chǎn)品設計周期，確保產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本，解決研制隊伍年輕化帶來的能力建設和知識傳承問題。