基于系統(tǒng)工程的一體化構(gòu)型管理

邱晞 王立新 鐘進 惠巍 楊懿

一、引言

隨著制造工程體系的不斷發(fā)展，不同制造行業(yè)所涉及的專業(yè)領(lǐng)域均一直在細致化、專精化，航空工業(yè)中由多方共同完成一架飛機的研制模式已成為趨勢。同時，航空工業(yè)是一種高度復雜，涉及眾多專業(yè)領(lǐng)域的制造行業(yè)，在飛機產(chǎn)品發(fā)展過程中，其自身所涉及的大專業(yè)中，總體設(shè)計可細分出布局、布置、氣動、性能、操穩(wěn)、外形等子專業(yè)，強度設(shè)計可細分出靜強度、動強度、疲勞、載荷等子專業(yè)，環(huán)控設(shè)計可細分出燃油、管路、線纜、液壓等子專業(yè)，制造過程設(shè)計可細分出零件、裝配、數(shù)控、增材、復材等子專業(yè)，隨之帶來的問題是，制造一個架飛機產(chǎn)品時協(xié)同研制的復雜度不斷增加，如何完成這諸多專業(yè)之間的統(tǒng)一的技術(shù)狀態(tài)控制已成為業(yè)內(nèi)的一個關(guān)注焦點，因此構(gòu)型管理的作用就更顯得尤為重要。

近些年，國內(nèi)航空企業(yè)雖然紛紛采用了各種產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM（Product Data Management）＼產(chǎn)品生命周期管理PLM（Product Lifecycle Management）等軟件管理數(shù)據(jù)，但難以做到對技術(shù)狀態(tài)全過程嚴格和閉環(huán)的控制，導致在各個環(huán)節(jié)技術(shù)狀態(tài)的不連貫，產(chǎn)品交付時仍要進行構(gòu)型審核。因此，我們提出一種從系統(tǒng)工程視角進行一體化構(gòu)型控制的方法，旨在著力打造一個可適應于現(xiàn)代企業(yè)且擴展型巨大的構(gòu)型管理模式。

二、構(gòu)型管理在國內(nèi)的發(fā)展歷程

（一）國內(nèi)構(gòu)型管理的發(fā)展歷程

隨著系統(tǒng)工程方法在我國航空工業(yè)中的不斷應用和發(fā)展，圍繞促進航空工業(yè)升級的要求，全方位、多層次推動系統(tǒng)工程方法在工業(yè)領(lǐng)域的覆蓋滲透，其構(gòu)型管理也在不斷的進化，目前，國內(nèi)構(gòu)型管理主要經(jīng)歷了以下幾個階段：

階段一：人工報表管理時代

在Y7、MA60型號中以傳統(tǒng)基于人工報表管理的模式，通過表單記錄產(chǎn)品零部件的有效性，應用起來非常繁瑣低效，此時基于計算機的管理還未普及，尚未步入數(shù)據(jù)的信息化進程。

階段二：計算機數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化管理時代（批架次有效性管理）

得益于計算機技術(shù)的發(fā)展與普及，在MA600及某重點型號的生產(chǎn)研制中，將傳統(tǒng)的人工報表錄入到計算機中，以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)BOM（物料清單）的形式進行管控，在產(chǎn)品零部件、生產(chǎn)過程上記錄有效性，進而在計算機中進行篩選，避免了人工報表過程中出現(xiàn)各種人為錯誤。經(jīng)過多年應用后發(fā)現(xiàn)在此過程中，各個部門的協(xié)作交流是基于零件級別的對話，繁多的工程更改導致越來越多的有效性變化，各個專業(yè)的人員都為繁瑣的工程更改控制所累。此種模式其特征在于產(chǎn)品零部件、裝配指令AO（Assembly Order）、加工指令FO（Fabrication Order）都會跟一個R（1～9999）類似的有效性區(qū)間段，其后在這一模式基礎(chǔ)上又延伸出更改單、補充裝配指令AAO（Add Assembly Order）等的有效性，并使用產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM系統(tǒng)對產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行電子化管理。由于此種構(gòu)型管理模式記錄和運算模式非常的復雜，且有效性的更改都是由人來控制，出錯的幾率非常大，難以全面、及時的反映不同架次的技術(shù)狀態(tài)。

隨著需求的變化和構(gòu)型理論的發(fā)展， ARJ21、MA600等國內(nèi)飛機在研制時期出現(xiàn)兩種發(fā)動機配置，分別采用A＼B兩種狀態(tài)來表述，其A＼B狀態(tài)的發(fā)動機不具有批架次有效性，即在批架次有效性管理的基礎(chǔ)上，融入部分配置管理的概念，由于PDM系統(tǒng)的管理邏輯的不完整，無法全面的反映兩種狀態(tài)的技術(shù)參數(shù)，至今還在不斷處理突發(fā)問題。

階段三：計算機數(shù)據(jù)模塊化管理時代（配置構(gòu)型管理）

飛機研制的產(chǎn)品數(shù)據(jù)量隨著多樣化需求而變的更加復雜，更簡化且扁平的模塊化管理思路應運而生，即配置構(gòu)型管理。以C919及一些直升機型號為典型，將產(chǎn)品模塊化，在模塊記錄其有效性，模塊內(nèi)包含的零組件無有效性。具體是將產(chǎn)品在設(shè)計端就劃分為可變配置項VCI（Variable Configuration Item）組件單元，并在VCI上寫有效性區(qū)間段，其下的產(chǎn)品零組件不再寫有效性，更改時，以升版及換號進行調(diào)整。其中VCI的劃分不考慮制造分離面。

隨著管理模式的發(fā)展，去除有效性，以全面模塊化配置為核心進行設(shè)計行為、生產(chǎn)行為、物流行為、財控行為等的模塊化控制，以構(gòu)型選配為基礎(chǔ)完成整個設(shè)計制造過程的管控的全構(gòu)型配置理念開始萌發(fā)，并且已經(jīng)成為構(gòu)型管理新的探索方向。目前以MA700飛機為典型，在MA700飛機的研制過程中完全摒除區(qū)間段有效性，產(chǎn)品設(shè)計以構(gòu)型項CI（Configuration Item）＼配置方案CS（Configuration Solution）＼設(shè)計模塊DM（Design Module）進行選配，制造端工藝設(shè)計以裝配模塊CA（Configuration Assembly）＼裝配方案PCI（Process Configuration Item）＼裝配清單AOL（AO List）進行選配，此種新的配置構(gòu)型管理模式，技術(shù)上邁進了一大步。

從宏觀角度可以看出，構(gòu)型管理的進化，使業(yè)務人員從管理顆粒度為零件在向組件級別提升，從單一設(shè)計認同向需求、制造認同進化，并以更扁平的結(jié)構(gòu)，更簡化的方式來進行研發(fā)與生產(chǎn)協(xié)同。

（二）構(gòu)型控制定義

以上詳細描述了國內(nèi)構(gòu)型管理的發(fā)展歷程，構(gòu)型理念發(fā)展的早期，更多的是在對產(chǎn)品及其衍生數(shù)據(jù)的構(gòu)型，下面我們拋開慣性思維的枷鎖，將構(gòu)型拓展到整個工程領(lǐng)域所包含的全部專業(yè)領(lǐng)域，從本質(zhì)上重新審視構(gòu)型管理并給出一種定義為參考。構(gòu)型是指在一個確定的時間或給定的某一個條件，由相關(guān)文件、數(shù)據(jù)所描述的需求狀態(tài)、設(shè)計狀態(tài)、制造狀態(tài)、供應狀態(tài)、財控狀態(tài)、資源狀態(tài)、人力狀態(tài)等等構(gòu)成狀態(tài)集合，即工程相關(guān)的全部工程行為的某一技術(shù)狀態(tài)集合。

企業(yè)從初始需求分解就開始貫徹構(gòu)型管理，以構(gòu)型管理驅(qū)動所有的設(shè)計、生產(chǎn)、交付、財控、物流、更改、維護、報廢等控制行為，可以看出從客戶選型即牽引出一系列其后的過程，所以我們將這種模式稱為一體化構(gòu)型管理。

三、基于系統(tǒng)工程的構(gòu)型管理方法

結(jié)合航空工業(yè)構(gòu)型的發(fā)展歷史，吸取以往構(gòu)型管理所體現(xiàn)出的優(yōu)點，參照飛機產(chǎn)品專業(yè)多、生命周期復雜的特性，采用系統(tǒng)工程的角度來進行構(gòu)型管理，構(gòu)建一個基于系統(tǒng)工程構(gòu)型矩陣來管理數(shù)據(jù)技術(shù)狀態(tài)的模型。

（一）系統(tǒng)工程矩陣

在系統(tǒng)工程的領(lǐng)域，參考系統(tǒng)工程立方體表述，如圖1所示：

將行為抽象成日常研制中出現(xiàn)的各種專業(yè)工作行為（系統(tǒng)工程的特點之一是所有專業(yè)行為并行開展，例如，當一個產(chǎn)品設(shè)計人員在進行產(chǎn)品外形設(shè)計時候，會同時考慮到其結(jié)構(gòu)能否被加工、裝配，其結(jié)構(gòu)強度符合的材料能否被供應，故此在宏觀上所有的專業(yè)是同時開展工作，具體在實際操作中由于人因因素，所有專業(yè)行為并不會完全同時開始，在此先討論理論模型）。

再一步，我們將系統(tǒng)工程RFLP（黑盒為R與白盒為F、L）的整個過程劃分為兩個階段，RFL為做某件事情的方案階段，P為執(zhí)行階段，同時細分每個專業(yè)行為的數(shù)據(jù)成長顆粒，那么以時間上數(shù)據(jù)成長的角度進行劃分。

在某一工程時間，或者某一條件模型進行切片，得到如圖2：

這里可以看出，通過時間、指定條件的過濾，我們可以得出不同技術(shù)狀態(tài)的數(shù)據(jù)集，稱之為系統(tǒng)工程矩陣中的一個構(gòu)型。

（二）構(gòu)型的簡化-專業(yè)簇

制造一架飛機需要參與的專業(yè)非常之多，當代的管理顆粒度和專業(yè)細分程度還無法令所有專業(yè)并行參與研制的程度，所以為了簡化構(gòu)型控制，需要對專業(yè)進行簇合并，相近功能的專業(yè)合并為一個簇（相近的專業(yè)互相依存但相互獨立，由多專業(yè)的耦合產(chǎn)生的涌現(xiàn)性要素，分離并獨立成新的專業(yè)進行控制），最終對這若干個簇進行構(gòu)型管理。簇合并是根據(jù)目前業(yè)務工作劃分的一種合并方式（如訂單簇、需求簇、設(shè)計簇、制造簇、維修簇、財務簇、人力簇、供應簇、適航簇等等，圖1中的狀態(tài)、靜態(tài)、動態(tài)、拓撲、需求也是一種簇劃分形式），此處為舉例但非必然的合并方式。

通過上述手段，我們將工作中所涉及的所有專業(yè)進行分類，制定出需要進行管控的簇及子專業(yè)，對簇進行構(gòu)型控制管理，并且隨著更多的專業(yè)細分，此系統(tǒng)工程矩陣具備對簇及專業(yè)進行無限擴展的能力。

（三）系統(tǒng)工程構(gòu)型矩陣

以上我們完成了在系統(tǒng)工程構(gòu)型矩陣截面的歸納，接著再進行縱向狀態(tài)軸的歸納。

下面以四個典型的專業(yè)簇進行縱向劃分舉例：

繼續(xù)對方案階段進行細分，以制造方案MS和制造實現(xiàn)MP兩部分與實際業(yè)務進行對照：

以制造簇與實際業(yè)務進行對照舉例：（每一個專業(yè)簇都有自身的RFLP）

制造需求分析：即在初始需求中對制造環(huán)節(jié)的需求進行分解，例如加工需求、裝配需求、數(shù)控需求等。

制造功能設(shè)計：即對產(chǎn)品的組合裝配過程進行理想過程定義。

制造邏輯設(shè)計：即對制造過程進行制造單元化設(shè)計（即制造任務），如劃分虛擬制造站位，制定其加工、裝配流程，且分配制造需求到制造單元上，最終定義出理想的加工裝配流程圖（此環(huán)節(jié)重點在于對產(chǎn)品的所有交付過程及消耗時間進行定義，即工藝路線、工藝規(guī)劃流程圖）。

制造執(zhí)行：在加工裝配流程的基礎(chǔ)上，將具體的制造單元劃分給指定的內(nèi)、外部生產(chǎn)單元（此環(huán)節(jié)重點在于將制造單元指派給具體的物理站位/供應商，創(chuàng)建出貼合實際的生產(chǎn)流程圖，并進行虛擬生產(chǎn)，確認每個物理站位下具體的操作過程，即工程指令），之后進行物理生產(chǎn)執(zhí)行。

至此，我們完成了縱向狀態(tài)軸基于系統(tǒng)工程的定義，即截面為專業(yè)簇的集合，縱向為數(shù)據(jù)成長狀態(tài)，數(shù)據(jù)以各個簇中RFLP進行分離定義具體構(gòu)成數(shù)據(jù)，并進行記錄、控制、調(diào)用。

（四）矩陣的應用-模塊單元化

在飛機的整個研制、批產(chǎn)過程中，產(chǎn)品設(shè)計人員、制造人員、維修人員等等需要根據(jù)自身的業(yè)務需要，對產(chǎn)品進行重組，形成方便業(yè)務人員在自身業(yè)務領(lǐng)域組織生產(chǎn)維修行為或獨立核算的單元體，例如：針對制造環(huán)節(jié)根據(jù)制造條件重組制造（裝配）單元，方便進行生產(chǎn)組織及供應劃分；在維修環(huán)節(jié)根據(jù)維修條件重組維修單元，以便可以快速維修；在成本控制環(huán)節(jié)根據(jù)最低成本的運營原則進行重組，方便進行成本控制。整個模塊單元化分兩個步驟完成：

第一步.劃分工程單元：通過對產(chǎn)品進行多專業(yè)聯(lián)合評審，將其劃分為多個專業(yè)協(xié)調(diào)并使用的不需再細分的最小工程單元（實物是一個組件或零件）。

第二步.重組簇單元：業(yè)務人員在各自的專業(yè)簇領(lǐng)域，以最小工程單元為基礎(chǔ)進行重新組合，形成自身領(lǐng)域可協(xié)調(diào)使用的模塊單元體。例如將工程單元按照業(yè)務需要分配至針對設(shè)計簇、制造簇、維修簇、成本簇等所對應的設(shè)計單元、制造單元、維修單元、成本單元等（這里以四個典型簇進行舉例說明，每一個簇實質(zhì)是產(chǎn)品在本簇中的工程單元合集，連接定義單獨另置一個工程單元），這里的簇單元類似于一個任務托盤（只有工程單元是產(chǎn)品本身），過程如圖3所示：

工程單元EU的本質(zhì)是多專業(yè)協(xié)調(diào)后產(chǎn)品切分的最小結(jié)構(gòu)（最細致可以到零件），簇的本質(zhì)是強關(guān)聯(lián)性專業(yè)集合，簇單元的本質(zhì)是強關(guān)聯(lián)性工程單元EU集合。在矩陣縱向上，這些數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)工程劃分為方案階段和執(zhí)行階段（RFL是對方案格子的縱向深化細分，由于管理顆粒度和復雜度，暫不納入構(gòu)型管理范疇）。

構(gòu)型控制要素：（聯(lián)合定義工程單元EU）

橫截面：專業(yè)簇內(nèi)，定義簇的單元，以此為一個構(gòu)型控制要素，例如設(shè)計單元DU、制造單元MU；

縱向：依照系統(tǒng)工程劃分的方案階XS（X表示任意專業(yè)簇）與執(zhí)行階段XP，以此為另外兩個構(gòu)型控制要素。

通過控制構(gòu)型控制要素，完成整個系統(tǒng)工程構(gòu)型矩陣的記錄、控制、變化、衍生。

根據(jù)基于系統(tǒng)工程的構(gòu)型矩陣，制定出業(yè)務流程的空間矩陣，此業(yè)務矩陣也可看作初步的企業(yè)運轉(zhuǎn)模型；若出現(xiàn)各種工程工作初期時候考慮不周的情況，需要對構(gòu)型的專業(yè)、簇、工程單元進行調(diào)整和補充。

四、結(jié)束語

通過系統(tǒng)工程和構(gòu)型理念的發(fā)展和融合，將會顯著的減少各個專業(yè)之間的協(xié)調(diào)難度。基于系統(tǒng)工程的一體化構(gòu)型管理，不再著重于產(chǎn)品本身，而是聚焦于產(chǎn)品從需求到交付的一系列研制工程行為本身，進行構(gòu)型控制的同時也統(tǒng)一了各種數(shù)據(jù)源，將各個專業(yè)知識融匯到一套體系中進行管理，保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和一致性，方便數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)回溯。目前MA700飛機的研制模式正在向全面多專業(yè)配置構(gòu)型的方向發(fā)展。

基于系統(tǒng)工程的一體化構(gòu)型管理，難點在于專業(yè)劃分及合并，現(xiàn)階段我們還無法實現(xiàn)飛行器設(shè)計制造行業(yè)的全專業(yè)耦合仿真，可企及的是多數(shù)專業(yè)的耦合仿真和部分專業(yè)的非耦合仿真，如此大背景下，如何合理的細分專業(yè)行為與合并成簇顯得尤為重要，需要更多的行業(yè)專家一起來研究和發(fā)展。

若說系統(tǒng)工程理論是企業(yè)發(fā)展的指導，一體化構(gòu)型管理則是系統(tǒng)工程進行多專業(yè)協(xié)作的骨骼，論其發(fā)展，構(gòu)型管理在將來有可能會打破BOM管理、更改管理、數(shù)據(jù)管理、人力管理、財務管理、維護管理、供應管理等多種現(xiàn)有專業(yè)分塊管理的模式，成為一種更成熟且全面的新模式。

作者單位：航空工業(yè)西安飛機工業(yè)（集團）有限責任公司 邱晞、王立新

航空工業(yè)信息技術(shù)中心 鐘進、惠巍、楊懿