民用飛機生產(chǎn)體系需求定義過程研究

李 民 郝 蓮

（1.上海飛機制造有限公司，上海 201324；2.上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210）

0 引言

建立與民機產(chǎn)品相適應(yīng)的生產(chǎn)體系在民機研制過程中舉足輕重，它既是飛機研發(fā)項目商業(yè)成功的基礎(chǔ)，也是民機制造商實現(xiàn)靈活配置產(chǎn)品戰(zhàn)略的必要條件。民機產(chǎn)品的復(fù)雜性，決定了民機產(chǎn)品生產(chǎn)體系(Production System)的復(fù)雜性。同時，飛機制造技術(shù)的不斷發(fā)展和市場需求的瞬息萬變也對生產(chǎn)體系不斷提出更高要求：

1)組成飛機的零件數(shù)量越來越龐大、生產(chǎn)資源全球化、協(xié)作關(guān)系復(fù)雜。一架A380 客機由全世界30 個國家、1 500 家公司生產(chǎn)的超過400 萬個獨立零部件組成；

2)市場瞬息萬變，需要快速的市場響應(yīng)能力。2017 年波音737 系列飛機年中實現(xiàn)每月47 架產(chǎn)能，全年交付529 架；

3)具備用戶信賴的質(zhì)量體系。采用行業(yè)認可的質(zhì)量標準(如AS9100)，實現(xiàn)對產(chǎn)品的質(zhì)量期望，規(guī)范供應(yīng)鏈管理；

4)提高生產(chǎn)效率、降低制造成本的新技術(shù)應(yīng)用能力。如采用自動化鉆鉚和柔性工裝的裝配技術(shù)，采用MBD/MBI等基于模型的數(shù)字化制造技術(shù)，實現(xiàn)CAX/PDM/ERP/MES 高度集成的信息化管理；

5)為滿足新材料、新技術(shù)的運用，建立新的制造工藝能力。如復(fù)合材料、先進金屬材料的成形和加工，3D打印技術(shù)的使用等。

在以往的民機項目中并未建立適用于生產(chǎn)體系定義、設(shè)計、實施和驗證等的流程，由于缺乏對目標生產(chǎn)體系的準確定義，方案與利益攸關(guān)方需要脫節(jié)，方案實施結(jié)果缺乏驗證，最終圍繞特定民機產(chǎn)品形成的生產(chǎn)體系難以滿足各方的期望，有時不得不再啟動另一個項目來滿足生產(chǎn)要求，失去了掌握市場主動權(quán)的先機。最為重要的是，以往生產(chǎn)體系建設(shè)中并未充分考慮交付能力與投資強度、統(tǒng)一控制與資源協(xié)作這類問題。

本文借助系統(tǒng)工程方法探索以需求為牽引對生產(chǎn)體系開展正向設(shè)計的方法，在充分研究民機產(chǎn)品、生產(chǎn)體系及相互關(guān)系的前提下，借鑒目前廣泛用于飛機產(chǎn)品需求定義的思路，提出了利益攸關(guān)方模型和基礎(chǔ)功能模型，將風(fēng)險分析引入生產(chǎn)需求定義過程。綜合考慮民機產(chǎn)品系列化發(fā)展、全生命周期管理、先進制造技術(shù)使用、采購及供應(yīng)商控制等因素，給出了需求來源模板。

1 生產(chǎn)體系正向設(shè)計分析

生產(chǎn)體系是將輸入資源轉(zhuǎn)換為期望產(chǎn)出的過程，民機產(chǎn)品生產(chǎn)體系為實體類的轉(zhuǎn)換過程。

國際知名民機主制造商根據(jù)電子工業(yè)協(xié)會(EIA)的標準Processes for Engineering a System(EIA-632)，應(yīng)用“飛機產(chǎn)品系統(tǒng)”(如圖1 所示架構(gòu))的概念，將生產(chǎn)體系視為制造使能產(chǎn)品，是民機項目需要交付的產(chǎn)品之一，也是最終產(chǎn)品實現(xiàn)的關(guān)鍵組成部分。

圖1 飛機產(chǎn)品系統(tǒng)通用組成架構(gòu)

鑒于以上分析，嘗試將用于最終產(chǎn)品(飛機)的研制方法和工具用于生產(chǎn)體系這一產(chǎn)品的研制，基于需求的工程(Requirement Based Engineering，簡稱RBE)方法即是其中之一，它以需求為牽引面向復(fù)雜產(chǎn)品開展正向設(shè)計。

RBE的基本方法步驟如圖2 所示。

圖2 RBE方法步驟

將RBE方法用于生產(chǎn)體系，按照“需求-設(shè)計-驗證”的總體思路實施，本文僅討論需求定義過程。參照Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems(SAE ARP 4754A)所建議的飛機產(chǎn)品的相關(guān)過程，分析飛機和生產(chǎn)體系兩類產(chǎn)品對象，發(fā)現(xiàn)如下差異：

1)飛機產(chǎn)品是一個實物，所有需求都面向它的最終狀態(tài)；生產(chǎn)體系是一系列生產(chǎn)過程的集成，需求既面向過程輸出能力，也面向過程控制能力；

2)飛機的安全性需求決定了功能研制保證等級(FDAL)的概念，確定了對需求確認/驗證的嚴苛程度要求；生產(chǎn)體系沒有安全性概念，在需求確認/驗證時沒有確定置信度的來源；

3)飛機的功能分解可以參照國際ATA規(guī)范進行；生產(chǎn)體系缺乏功能分解的概念或規(guī)范；

4)飛機需求的層級劃分采用“飛機級-系統(tǒng)級-設(shè)備級”的方式，各層級的界面易于區(qū)分；生產(chǎn)體系需求如果考慮依據(jù)加工方式，卻無對應(yīng)的標準，各層級的界面不易于區(qū)分；

5)飛機需求通過設(shè)計落實于方案；生產(chǎn)體系需求有可能落實于管理程序或制度，成為工作要求或管理要求。

由此可見，飛機產(chǎn)品所適用的方法無法直接用于生產(chǎn)體系。嘗試解決這些差異，在生產(chǎn)體系正向設(shè)計的需求定義中引入利益攸關(guān)方模型和基礎(chǔ)功能模型兩個概念。

利益攸關(guān)方模型解決滿足用戶對產(chǎn)品的品種、質(zhì)量、數(shù)量、價格、服務(wù)和交貨期方面要求。

基礎(chǔ)功能模型解決產(chǎn)品對生產(chǎn)體系系統(tǒng)的創(chuàng)新、質(zhì)量、彈性(應(yīng)變能力)、成本、繼承性(剛性)和按期交貨等方面要求。創(chuàng)新、彈性和繼承性(剛性)，是由外部環(huán)境提出的，是使系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境要求的能力，質(zhì)量、成本和按期交貨，是按照生產(chǎn)過程運行規(guī)律合理組織生產(chǎn)過程所體現(xiàn)的能力。

2 利益攸關(guān)方模型

圖3 生產(chǎn)體系利益攸關(guān)方模型

生產(chǎn)體系利益攸關(guān)方是對生產(chǎn)體系的形式、活動、結(jié)果具有影響能力的個人、群體或組織。本文在研究飛機產(chǎn)品利益攸關(guān)方的基礎(chǔ)上，針對生產(chǎn)體系特征，提出生產(chǎn)體系利益攸關(guān)方模型，如圖3 所示。此模型既包含了生產(chǎn)體系的主要相關(guān)方，也包含了各方對生產(chǎn)體系可能提出期望的方面。以該模型作為輸入，進一步分析可以獲得完整的利益攸關(guān)方清單。然后通過調(diào)查、對比、分析等手段開展利益攸關(guān)方需要識別。

綜上所述，各利益攸關(guān)方對生產(chǎn)體系的需要一般體現(xiàn)在以下幾個方面：1)生產(chǎn)速率滿足產(chǎn)品市場需求和交付需求；2)生產(chǎn)過程滿足產(chǎn)品功能和性能的要求；3)使用成熟的生產(chǎn)技術(shù)/工藝技術(shù)實施產(chǎn)品方案；4)通過供應(yīng)鏈管理，建立了保證產(chǎn)品持續(xù)生產(chǎn)的貨源；5)合理的生產(chǎn)成本保證產(chǎn)品具有價格競爭力；6)具有一定程度的柔性化，降低產(chǎn)品設(shè)計變更、改型和實現(xiàn)系列化生產(chǎn)所需代價。

除此以外，新產(chǎn)品的生產(chǎn)體系顯然必須遵守組織原有的質(zhì)量保證體系和工藝體系的要求。再者，在保持共通性方面，盡可能兼顧已有產(chǎn)品和未來產(chǎn)品的需求，適當(dāng)前瞻性的運用新的制造技術(shù)和生產(chǎn)管理技術(shù)。

從內(nèi)容來看，利益攸關(guān)方需要既可以是針對具體功能特征(如：性能、實現(xiàn)方式和管理要求等)提出的期望，也可以將生產(chǎn)體系作為一個整體，表明它在設(shè)計、建立和運行過程中受到的客觀條件限制(如：適航法規(guī)或運輸條件等)。

3 基礎(chǔ)功能模型

對于民用飛機這類產(chǎn)品對象，多年的研究已形成了較為一致的產(chǎn)品基礎(chǔ)功能——載人和裝貨、從起點運動到終點、提供公共資源、確保安全和支持運營，以此為基礎(chǔ)分解形成主要功能，再分解形成功能和子功能，但對于生產(chǎn)體系這類產(chǎn)品對象，尚無如此的共識。

確定生產(chǎn)體系的基礎(chǔ)功能和功能分解方法，首先想采用成熟的“人機料法環(huán)”方法，但仔細分析則發(fā)現(xiàn)它更偏向于生產(chǎn)現(xiàn)場的準備配套，用于需求分析時無法體現(xiàn)正向設(shè)計的理念。如采用“零件-裝配-測試-交付”的分解方式，雖然從功能的角度易于理解，但也是面向生產(chǎn)現(xiàn)場交付物，反映的是生產(chǎn)結(jié)果，而無法反映生產(chǎn)過程和生產(chǎn)現(xiàn)場以外的內(nèi)容?；趯ιa(chǎn)體系特征的研究，本文提出民機生產(chǎn)體系的通用基礎(chǔ)功能包含5 項，分別為：“F1 將設(shè)計輸入轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品”“F2 為生產(chǎn)過程提供質(zhì)量保證”“F3提供生產(chǎn)能力”“F4 配套生產(chǎn)所需物料”和“F5 管理和監(jiān)控生產(chǎn)過程”。如圖4 所示，這些基礎(chǔ)功能間存在一定的相互關(guān)系：F1 是核心功能，其他功能為F1 服務(wù)。

圖4 生產(chǎn)體系基礎(chǔ)功能模型

基于生產(chǎn)體系的基礎(chǔ)功能，對各種不同的需要進行權(quán)衡和綜合，轉(zhuǎn)化為需求，再確定滿足需求的功能(邏輯)方案，以細化功能架構(gòu)、功能特征與功能接口。

生產(chǎn)體系功能自基礎(chǔ)功能向下分解，隨著生產(chǎn)體系需求定義詳盡程度的提升而漸進明細。在功能分解過程中，建議既要體現(xiàn)產(chǎn)品集成過程中上下游之間天然的需求關(guān)系(例如：飛機總裝與大部件裝配)，也應(yīng)集中體現(xiàn)生產(chǎn)體系實現(xiàn)過程中交付物的特性(例如：生產(chǎn)線以及滿足特定要求的車間等)。對于功能分解的技術(shù)過程，本文僅提出觀點，不做詳細敘述。

4 生產(chǎn)體系需求定義過程

4.1 生產(chǎn)體系需求定義

以上述生產(chǎn)體系利益攸關(guān)方模型和基礎(chǔ)功能模型為輸入，運用系統(tǒng)工程的分析方法，經(jīng)長期研究和反復(fù)演算，提出基于利益攸關(guān)方模型和基礎(chǔ)功能模型的、確定生產(chǎn)體系需求定義技術(shù)過程的方法，如圖5 所示，同時給出過程所需的模型/模板，用于指導(dǎo)確定生產(chǎn)體系需求定義。

圖5 中，生產(chǎn)體系需求定義過程自前向后，是一個通過識別利益攸關(guān)方需要然后轉(zhuǎn)化為需求的正向過程。自下向上，是一個通過識別風(fēng)險應(yīng)對需要然后轉(zhuǎn)化為需求的風(fēng)險管理過程。每輪需求捕獲的結(jié)果，都將作為下一輪識別利益攸關(guān)方需要和開展風(fēng)險分析的輸入，通過迭代最終獲得需要-需求-風(fēng)險三者的均衡。

過程內(nèi)產(chǎn)生的輸出“功能架構(gòu)和功能清單”，本質(zhì)上屬于生產(chǎn)系統(tǒng)的邏輯方案，它反映了生產(chǎn)系統(tǒng)的功能定義和功能接口，將與“需求”一起作為制定生產(chǎn)系統(tǒng)實施方案的輸入。

圖5 生產(chǎn)體系需求定義過程

將生產(chǎn)系統(tǒng)的早期風(fēng)險分析與需求定義相結(jié)合，是該過程的重要特點。同時，它也是為提高需求捕獲完整性，在實踐中形成的理論創(chuàng)新。

4.2 將利益攸關(guān)方需要轉(zhuǎn)化為需求

將利益攸關(guān)方需要轉(zhuǎn)化為需求涉及的技術(shù)活動包括：“識別利益攸關(guān)方”、“識別需要”、“捕獲需求”和“功能分析”。

“識別利益攸關(guān)方”，它以“項目范圍”和“利益攸關(guān)方模型”為輸入，識別與飛機生產(chǎn)相關(guān)的所有組織或個人，形成“利益攸關(guān)方清單”，清單中應(yīng)對利益攸關(guān)方的優(yōu)先級進行排序。模型為識別活動提供了基本框架和思維方向。根據(jù)不同項目的特殊性，可以進一步深入分析，并考慮模型以外利益攸關(guān)方的可能性，最大程度確保完整性。

“識別需要”，它以“利益攸關(guān)方清單”為輸入，分析各方對生產(chǎn)體系的期望或限制，形成“利益攸關(guān)方需要”。識別需要的過程應(yīng)反復(fù)與利益攸關(guān)方進行主動交互，確保各方理解的一致性。為避免需要之間存在明顯矛盾或互相制約的情況，應(yīng)對需要進行初步的綜合，包括合并、取舍和妥協(xié)。

“捕獲需求”，它以“利益攸關(guān)方需要”和“基礎(chǔ)功能”為輸入，按照“基礎(chǔ)功能”進行初次的權(quán)衡分析，被接受的需要將轉(zhuǎn)化為“需求”。應(yīng)注意的是，有些需求是與功能相關(guān)的，有些則是面向整個生產(chǎn)體系的。生產(chǎn)體系需求根據(jù)類別來確定適用的管理要求，分類方式詳見4.4 小節(jié)。

“功能分析”，它以“需求”為輸入，形成關(guān)于生產(chǎn)體系的初步定義(邏輯方案)，進而獲得詳細的“功能架構(gòu)和功能清單”。與“基礎(chǔ)功能”相比，此時的“功能架構(gòu)和功能清單”將是一個足以反映生產(chǎn)體系特征的功能定義文件，也是后續(xù)生產(chǎn)體系實施方案(物理方案)的設(shè)計輸入。另外，功能分析的結(jié)果可能會再次觸發(fā)“識別需要”，這種迭代確保了利益攸關(guān)方需要在生產(chǎn)體系的實施過程中被漸進明細，需求完整性不斷提高。

4.3 將風(fēng)險應(yīng)對需要轉(zhuǎn)化為需求

生產(chǎn)體系是一個多要素、多過程集成的系統(tǒng)，它的運行將會受到內(nèi)、外部環(huán)境波動和不確定因素的影響。為了消除和減弱這些影響，對生產(chǎn)體系開展風(fēng)險管理是必要的。有些風(fēng)險應(yīng)在生產(chǎn)體系設(shè)計階段作為需求被納入考慮，這部分需求實際來源于風(fēng)險應(yīng)對的需要，反映了目標生產(chǎn)體系預(yù)期的安全程度，其作用非常類似于飛機產(chǎn)品的安全性需求。

將風(fēng)險應(yīng)對需要轉(zhuǎn)化為需求涉及的技術(shù)活動包括：“風(fēng)險分析”、“捕獲需求”和“功能分析”。

“風(fēng)險分析”，它以“功能架構(gòu)和功能清單”為輸入，以將目標生產(chǎn)體系失效風(fēng)險降至可接受程度為目標，通過對生產(chǎn)體系方案中的關(guān)鍵過程、過程關(guān)鍵因子的風(fēng)險識別，制定風(fēng)險應(yīng)對措施，形成“風(fēng)險應(yīng)對需要”。

“捕獲需求”和“功能分析”，與4.2 小節(jié)中相應(yīng)技術(shù)活動基本相似。不同點在于“捕獲需求”的輸入從“利益攸關(guān)方需要”變?yōu)榱恕帮L(fēng)險應(yīng)對需要”。生產(chǎn)體系方案為了滿足這部分來源于風(fēng)險的衍生需求，功能架構(gòu)和功能清單可能會發(fā)生變化，這將再次觸發(fā)“風(fēng)險分析”進行迭代。

根據(jù)美國國防部(DoD)發(fā)布的Manufacturing Management Program Guide(MIL-HDBK-896A)，對生產(chǎn)體系的早期風(fēng)險識別圍繞制造可行性評估來進行，包括：1)當(dāng)前不具備的生產(chǎn)工藝和制造技術(shù)；2)關(guān)鍵/長周期物料及生產(chǎn)設(shè)備；3)生產(chǎn)方案對可行性、產(chǎn)品性能、成本、進度的影響；4)生產(chǎn)速率和生產(chǎn)加速曲線；5)生產(chǎn)試驗項目；6)關(guān)鍵性/戰(zhàn)略性物料；7)生產(chǎn)瓶頸和限制因素。

因此，關(guān)于生產(chǎn)體系的風(fēng)險應(yīng)對需要一般集中在下列方面：

1)新工藝/新技術(shù)的應(yīng)急方案和替代方案的要求；2)新工藝/新技術(shù)的研發(fā)過程控制要求和成熟度評估要求；3)長周期物料或生產(chǎn)設(shè)備的應(yīng)急方案的要求；4)對試生產(chǎn)項目/生產(chǎn)試驗的要求；5)針對關(guān)鍵性/戰(zhàn)略性物料的貨源監(jiān)控和管理要求；6)記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為成本、進度分析提供支持的要求；7)對生產(chǎn)體系實施監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)和消除生產(chǎn)瓶頸的要求；8)生產(chǎn)速率實現(xiàn)過程(生產(chǎn)提速)的要求。

4.4 生產(chǎn)體系需求分類

4754A為不同功能研制保證等級(FDAL)的需求建議了不同的確認/驗證方法，然而對于生產(chǎn)體系需求，并沒有置信度被廣泛認可的方法建議。同時生產(chǎn)體系需求本身的特殊性，也決定了其需求管理的特殊性?；谏鲜鲈?，本文提出為生產(chǎn)體系需求定義分類，以便將來基于類別定義不同需求管理方式的思路。

生產(chǎn)體系需求定義過程將產(chǎn)生三類需求：性能需求(Performance Requirements)、專業(yè)要求(Specialty Requirements)和強制要求(Mandatory Requirements)。專業(yè)要求和強制要求統(tǒng)稱為約束(Constraints)。約束是一種特殊類型的需求，既可以納入需求管理實施確認/驗證，也可以僅僅在相關(guān)設(shè)計文件中注明，最后通過其他技術(shù)過程來驗證是否實現(xiàn)。

性能需求以數(shù)值的方式定量反映相關(guān)功能所需達到的能力指標，例如：年生產(chǎn)能力、生產(chǎn)周期、裝配自動化率等。

專業(yè)要求一般來自內(nèi)部，它以定性的方式反映了項目受到的專業(yè)約束和管理約束，例如：采用特定的先進制造技術(shù)、使用模塊化裝配的生產(chǎn)方式等。

強制要求通常來自外部，它反映了項目受到的剛性約束，這些需求在生產(chǎn)體系的設(shè)計過程必須被滿足，例如：安全環(huán)保法律法規(guī)、適航局方的要求、當(dāng)前的行業(yè)水平和可利用資源等。

按這種分類方式，典型的生產(chǎn)體系需求將可能來自以下所關(guān)注的方面，如表1 所示。

表1 生產(chǎn)體系需求

5 結(jié)論

本文提出的用于民用飛機生產(chǎn)體系需求定義的方法和理論，可以指導(dǎo)需求管理人員如何捕獲利益攸關(guān)方需要，然后通過“需要-需求-功能”和“風(fēng)險-需求-功能”的兩個閉環(huán)進行迭代，最終完成對生產(chǎn)體系的性能需求以及約束的定義。該過程是需求捕獲和需求確認的綜合。

生產(chǎn)體系需求定義的完整性依賴于功能架構(gòu)的完整性。文中提及的概念“生產(chǎn)體系基礎(chǔ)功能”，此功能定義的合理性將在實踐中持續(xù)被證明和完善。再者，本文提出的關(guān)于生產(chǎn)體系的功能分解建議亦需在后續(xù)的工作中探索出具體的要求和方法。