基于用戶參與的復雜重型裝備協(xié)同研發(fā)模式

陳星宇，吳 鋒，張宏斌

(1.西安交通大學 管理學院，陜西 西安 710049；2.效率工程與過程控制教育部重點實驗室，陜西 西安 710049)

0 前言

復雜重型裝備是繼大規(guī)模定制之后，產(chǎn)品工程領域提出的又一重要概念，它是指具有客戶需求模糊、生產(chǎn)環(huán)境復雜、項目控制復雜、技術需求復雜、制造工藝復雜、設備維護困難等特點的裝備系統(tǒng)[1]，大型工程機械、火箭、飛船、動車組等影響國計民生的大型裝備都是其典型代表[2]。研發(fā)和設計階段決定了復雜重型裝備整體性能和總成本，對于提高其管理水平(成本、效率和質量)具有重要意義，同時，對于提升我國復雜裝備的研發(fā)能力也會產(chǎn)生積極的影響。

然而，與傳統(tǒng)大規(guī)模制造產(chǎn)品相比，復雜重型裝備具有高度復雜性和深度耦合性的特點[3]，表現(xiàn)為由大量定制化的系統(tǒng)和子系統(tǒng)通過復雜的物理、能量和信息接口組合而成，具有顯著的層次化和非線性特征；子系統(tǒng)數(shù)量龐大，系統(tǒng)要素間存在多重耦合關系，包括設計參數(shù)耦合、物理結構耦合、研發(fā)任務耦合、研發(fā)組織耦合等；關鍵系統(tǒng)和零部件標準化程度低。受這些要素的影響，復雜重型裝備往往設計組織交互困難，難以并行設計，對設計質量、周期和成本造成嚴重影響。

另一方面，隨著市場競爭的日益激烈，企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營圍繞的中心主題經(jīng)歷了以生產(chǎn)和產(chǎn)品為中心，到以客戶為中心的轉變。為了適應這一轉變過程，就需要引入“用戶參與”這個概念。用戶參與指的是用戶積極而負責地參與組織的一種行為[4]，這是當今企業(yè)在產(chǎn)品設計研發(fā)過程中不可或缺的要素。對于企業(yè)來說，讓用戶從簽訂產(chǎn)品訂單開始就參與產(chǎn)品設計，了解產(chǎn)品的制造進展情況，從而在后期可以為用戶提供基于網(wǎng)絡的產(chǎn)品全生命周期的優(yōu)質服務和技術支持。這樣，才能夠真正實現(xiàn)以客戶為中心的企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營戰(zhàn)略，并且實現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品設計生產(chǎn)管理模式的創(chuàng)新。從最初的獨立設計、獨立制造，到目前的研發(fā)制造集成，并且向著產(chǎn)品的全生命周期管理的方向發(fā)展[5]。

針對復雜重型裝備在研發(fā)設計過程中高度復雜性的特點，以及企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營圍繞中心主體的轉變，本文對用戶參與創(chuàng)新與產(chǎn)學研用多主體聯(lián)合復雜重型裝備網(wǎng)絡協(xié)同模式進行研究，主要包括四個部分。

(1)產(chǎn)、學、研聯(lián)合的知識共享與技術開發(fā)機制；

(2)用戶參與創(chuàng)新的復雜重型裝備研發(fā)模式；

(3)針對復雜重型裝備的跨組織協(xié)同設計理論與方法；

(4)基于復雜重型裝備自適應設計技術的大數(shù)據(jù)協(xié)同設計模式。

1 產(chǎn)、學、研多主體聯(lián)合的知識共享與技術開發(fā)機制

復雜重型裝備是知識和技術密集型的高技術產(chǎn)品，其領域知識多、更新快，從而導致知識積累困難、創(chuàng)新程度不夠。企業(yè)在管理、產(chǎn)品研發(fā)、試驗等領域有著豐富的經(jīng)驗，但是這些零散、非結構化、不系統(tǒng)、不規(guī)范的經(jīng)驗并不能得到有效地利用和共享。因此，本文提出結合復雜重型裝備產(chǎn)品的研發(fā)特點，建立全面的、體系化的復雜重型裝備知識工程，應用知識管理等工具構建知識體系和共享機制。同時，結合產(chǎn)、學、研多主體在研發(fā)設計過程中的領域知識構建技術開發(fā)機制。

1.1 知識共享機制

通過知識獲取將各個應用系統(tǒng)、基礎數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)資源抽取到知識資源池內，經(jīng)過過濾和處理形成知識庫、資源庫、數(shù)據(jù)庫，然后進行統(tǒng)一管理，為各業(yè)務系統(tǒng)和工具軟件提供豐富的知識應用，最后通過知識反饋進行評估和改進，形成閉環(huán)的過程和持續(xù)改進提升。并且建立完善的知識管理保障體系，通過規(guī)章制度和激勵機制，促進員工對知識的積累、分享和應用，以保證知識管理系統(tǒng)的高效、持續(xù)且有序的運行。

知識工程平臺首先對復雜重型裝備研發(fā)過程中相關的數(shù)據(jù)資源進行交換、整合與歸類，然后通過知識管理子系統(tǒng)利用多種知識表示方法實現(xiàn)對知識的結構化存儲以及智能管理，之后通過知識推理、知識推送為用戶提供知識的檢索和知識推送，最后運用知識反饋檢查知識庫系統(tǒng)的應用效果，形成閉環(huán)的改進提升[6]，同時加強知識創(chuàng)新與知識再生。

1.2 技術開發(fā)機制

本文提出的技術開發(fā)機制主要從三個方面實施。

(1)知識獲取。結合復雜重型裝備研發(fā)，構建并梳理其研發(fā)專業(yè)知識體系。對信息化系統(tǒng)中現(xiàn)有復雜重型裝備研發(fā)的相關知識，以及散落在設計人員手中的知識資源進行整合。將其歸類整理后，根據(jù)知識的來源、專業(yè)、產(chǎn)品、表現(xiàn)形式、屬性等維度來對知識進行管理，建立知識的多維分類體系，統(tǒng)一構建各專業(yè)知識庫和相應的資源庫、數(shù)據(jù)庫。對各類型的知識進行深度挖掘，從機器智能和人工維護兩個層面對知識進行整理、清洗、轉換，最后形成顯性的結構化知識。其中挖掘的對象包括文本、各應用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)中心等知識源。以典型的專業(yè)設計流程為對象，對其進行研發(fā)流程梳理，分析研發(fā)工作任務及關聯(lián)知識，進行研發(fā)工作的分解，從而提高既有知識對現(xiàn)有研發(fā)業(yè)務的支撐能力，利用知識管理系統(tǒng)的支撐和優(yōu)化構建基于研發(fā)流程的工作任務和知識的關聯(lián)。

(2)知識管理。通過語義識別技術和自適應學習技術，基于復雜重型裝備研發(fā)特點把知識資源池中海量的知識進行多維度自動分類，同時基于知識本體論構建知識超級詞表關系，形成知識地圖，建立知識之間的語義關聯(lián)關系[7]，形成面向復雜重型裝備全生命周期的知識體系。同時構建相應的知識分享機制和評價機制，提高知識的利用率?；谥R管理系統(tǒng)，建立專業(yè)知識的一體化應用，實現(xiàn)知識管理系統(tǒng)與企業(yè)內知識源的信息化系統(tǒng)集成，將各個系統(tǒng)中的知識進行收集和處理，進行知識持續(xù)管理。

(3)知識創(chuàng)新。由于新技術、新方法、新手段和新理論的層出不窮，因此建立一套符合企業(yè)自身的知識運維體系至關重要。這樣能夠對新知識進行快速調整和維護，使得復雜重型裝備知識體系能夠持續(xù)的改進與創(chuàng)新，能夠主動促使企業(yè)不斷學習，成為學習型和知識型的企業(yè)，有利于知識的創(chuàng)新和再生。對于知識創(chuàng)新，建立知識創(chuàng)新廣場，聚集復雜重型裝備方面的多領域專家?guī)?，通過知識創(chuàng)新廣場為各級人員持續(xù)提供知識資源，擴大視野，提供業(yè)務能力。

如圖1所示為在知識共享機制和技術開發(fā)機制共同作用下建立的知識工程系統(tǒng)框架圖。

圖1 知識工程系統(tǒng)

2 用戶參與創(chuàng)新的復雜重型裝備研發(fā)模式

針對用戶的每一個調整，設計部門可以及時跟進調整，并與制造廠和零部件供應商溝通方案調整的可操作性，進而實現(xiàn)設計環(huán)節(jié)的快速高效聯(lián)動。通過研究用戶參與創(chuàng)新機制，確保設計人員與用戶實時交互，指導復雜重型裝備物理樣機和數(shù)字樣機修正，提高裝備整體性能。

對于復雜重型裝備制造企業(yè)而言，最大的挑戰(zhàn)是如何在創(chuàng)新和研發(fā)過程中連結內部和外部知識，而用戶正是外部知識的來源。用戶在創(chuàng)新過程中是積極的參與者和知識的共同創(chuàng)造者[8]，用戶參與的創(chuàng)新是協(xié)同研發(fā)的重要結果。在通過對設計院、制造企業(yè)實地調研之后，本文基于Gronlund等人的關口模型[9]，提出了復雜重型裝備的四階段用戶參與創(chuàng)新的研發(fā)過程模型，如圖2所示。本模型明確了創(chuàng)新和研發(fā)過程中每個階段的活動以及參與者，通過分析可以看出，在創(chuàng)新研發(fā)的每個過程用戶都有參與，在有的階段甚至處于主導地位。

圖2 用戶參與創(chuàng)新的研發(fā)過程模型

此外，針對如何有效地實現(xiàn)用戶創(chuàng)新，本文提出方案

(1)簡化平臺設計的流程，切實降低用戶參與創(chuàng)新的成本。由于空間、時間等因素的制約，絕大部分用戶參與創(chuàng)新的過程是通過線上平臺進行，如果要提高用戶參與的積極性和效率，那么簡化平臺的操作和流程是至關重要的，這樣可以有效地減少用戶花費的時間和精力。

(2)建立契約保障機制，形成長期的用戶參與。通過建立明確的契約機制，保障有效的用戶參與[10]。例如，企業(yè)可以和用戶擬定明確的條款或合作協(xié)議來維持用戶的參與，同時也可以保障用戶的利益。在這種契約保障的機制下，對于用戶來說，在參與創(chuàng)新的過程中可以更加高效直接地表達對于產(chǎn)品的需求；對于企業(yè)來說，用戶參與創(chuàng)新可以有效地提高研發(fā)的效率、縮短產(chǎn)品研發(fā)的生命周期。因此，這種契約關系對于雙方來說都有足夠的利益獲取。此外，要在契約機制中引進風險管控[11], 對各方的風險進行預測, 進一步規(guī)范參與者的責任和義務, 將風險納入到平臺運行的制度中[12]。

(3)升級創(chuàng)新研發(fā)平臺，整合上下游資源。針對復雜重型裝備的供應鏈結構簡單、穩(wěn)定等特點，優(yōu)化升級創(chuàng)新研發(fā)平臺，并且將各級利益相關者納入其中作為載體，以此實現(xiàn)平臺內部渠道的優(yōu)化。此外，還要將供應鏈上的合作者都引入企業(yè)的信息系統(tǒng)中，利用企業(yè)的信息技術和云端平臺對用戶反饋、市場情況等信息整合到平臺上，從而可以有效地實現(xiàn)供應鏈系統(tǒng)內的信息整合。

3 針對復雜重型裝備的跨組織協(xié)同研發(fā)平臺

復雜重型裝備具有性能要求嚴格、設計更改頻繁、產(chǎn)品構型眾多、內部結構復雜等特點，所以其研發(fā)過程既是一項龐大的系統(tǒng)工程技術，又是一種極其復雜的管理技術。對于其研發(fā)過程來說，項目組異地、跨組織導致項目決策相對于項目狀態(tài)滯后，執(zhí)行效率低；研發(fā)業(yè)務流程不夠清晰規(guī)范，單次設計循環(huán)的代價過高，設計過程和結果難以重現(xiàn)。此外，企業(yè)的業(yè)務流程沒有整合到管理平臺中，管理人員無法對業(yè)務活動的狀態(tài)和進度進行實時監(jiān)控。因此，企業(yè)要基于復雜重型裝備的研發(fā)過程，通過信息技術和互聯(lián)網(wǎng)等手段構建各個專業(yè)線上系統(tǒng)，與業(yè)務應用緊密融合，形成復雜重型裝備過程研發(fā)體系，全面監(jiān)控研發(fā)過程中的資源使用、任務進度、數(shù)據(jù)狀態(tài)，全面提高企業(yè)的研發(fā)效率，從而更好、更快地研發(fā)出高質量、高可靠性的復雜重型裝備。

針對當前復雜重型裝備研發(fā)的現(xiàn)狀，借鑒國內外成熟、先進的設計思想和技術，構建一套實用性強、靈活性高、可擴展的基于系統(tǒng)工程的協(xié)同研發(fā)平臺，如圖3所示。

圖3 協(xié)同研發(fā)平臺

具體實現(xiàn)目標

(1)建立以任務為核心的設計仿真流程管理系統(tǒng)，實現(xiàn)硬件和軟件的設計仿真的多專業(yè)過程協(xié)同，能夠有效支撐多專業(yè)、多部門的協(xié)作和資源的合理分配，保證研發(fā)狀態(tài)和進度的有效控制。

(2)基于工程師統(tǒng)一工作平臺，通過多種集成方式對相關設計、仿真工具軟件(如CAD、CAE、EDA等)和自主研發(fā)程序進行集成，實現(xiàn)跨學科的數(shù)據(jù)流通，提高設計效率，進一步實現(xiàn)多學科協(xié)同研發(fā)。

(3)基于知識驅動的模塊化設計，將設計仿真過程中的規(guī)則和方法封裝為知識組件后，在后臺驅動各種軟件完成建模、計算、分析、數(shù)據(jù)處理等軟件操作過程，減少繁瑣的手工操作，提高工作效率，同時通過工程模塊的封裝實現(xiàn)知識的積累和重用，降低人員技術門檻[13]。

(4)為企業(yè)提供一個數(shù)字化的協(xié)同研發(fā)環(huán)境，不斷擴充完善系統(tǒng)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的實用化和可持續(xù)發(fā)展，為設計能力奠定堅實的基礎。

4 基于復雜重型裝備自適應設計技術的大數(shù)據(jù)協(xié)同設計模式

4.1 信息化建設和應用中顯現(xiàn)的問題

當前企業(yè)、科研院所投入了巨大的財力、人力，引進了大量的商業(yè)軟件，如設計軟件、仿真軟件及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)等大型信息化系統(tǒng)。同時，隨著研發(fā)業(yè)務數(shù)量的不斷增長，對產(chǎn)品質量、研發(fā)效率要求的不斷提高，研發(fā)過程中信息化建設和應用的問題逐漸顯現(xiàn)。

(1)信息化軟硬件資源利用率低。缺乏硬件資源管理和調度手段，不能充分發(fā)揮硬件資源共享優(yōu)勢，應用效率偏低；軟件資源分配缺乏合理性，使用過程中沒有應用高效準確的數(shù)據(jù)整合。

(2)設計數(shù)據(jù)等資源復用率低。企業(yè)研發(fā)信息數(shù)據(jù)資源，例如設計用基礎性數(shù)據(jù)的缺乏，對后續(xù)工藝、生產(chǎn)、物資管理等環(huán)節(jié)帶來不便，產(chǎn)品設計復用率較低，整體研發(fā)水平和能力難以提升。

(3)工程研發(fā)流程規(guī)范性差。目前多是以人員口頭告知的方式進行設計工作的派發(fā)，無法實現(xiàn)信息化協(xié)同模式，沒有結合業(yè)務實際發(fā)揮設計軟件和研發(fā)平臺一體化優(yōu)勢。因此，本文擬構建大數(shù)據(jù)管理體系，通過知識精準推送模型在協(xié)同設計平臺中將大數(shù)據(jù)和信息高效傳遞給研發(fā)協(xié)同的相關角色，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時共享，以方便產(chǎn)品研發(fā)任務的進行。

4.2 構建復雜重型裝備協(xié)同平臺中的大數(shù)據(jù)管理體系

(1)研發(fā)過程管理。研發(fā)過程管理將流程管理與項目管理融為一體，用于推進系統(tǒng)研發(fā)任務的有效管理。通過可視化的任務定義、流程定義、資源分配，以流程引導產(chǎn)品研發(fā)，同時建立自頂向下的研發(fā)機制，有效形成研發(fā)過程模型。同時對研發(fā)過程中資源、進度、狀態(tài)進行全面監(jiān)控和修正。通過協(xié)同研發(fā)過程管理，構建復雜重型裝備研發(fā)過程體系。同時依據(jù)復雜重型裝備研發(fā)過程構建全數(shù)字化的研發(fā)流程，實現(xiàn)概念設計、初步設計、詳細設計等階段的信息統(tǒng)一流轉和管理。

(2)過程數(shù)據(jù)管理。在研發(fā)過程中會產(chǎn)生大量的結構化數(shù)據(jù)、非結構化數(shù)據(jù)，將研發(fā)過程中產(chǎn)生的相關數(shù)據(jù)與研發(fā)過程任務相結合，通過過程數(shù)據(jù)管理打通過程數(shù)據(jù)上下游的數(shù)據(jù)關系、數(shù)據(jù)狀態(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一和數(shù)據(jù)可追溯。同時通過數(shù)據(jù)處理，能夠及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中隱含的信息和知識，為知識中心和智能決策系統(tǒng)提供基礎數(shù)據(jù)，全面指導產(chǎn)品研發(fā)。通過對研發(fā)過程數(shù)據(jù)的整體性和層次性管理，最終形成研發(fā)過程數(shù)據(jù)體系。

(3)數(shù)字化統(tǒng)一工作環(huán)境。數(shù)字化統(tǒng)一工作環(huán)境為工程師提供統(tǒng)一的任務、流程、數(shù)據(jù)、軟件、文檔等模塊[14]，能夠結合各專業(yè)的工程研發(fā)經(jīng)驗知識對各類設計、分析模型和商用軟件或自編程序進行集成和封裝，將設計流程形成標準的專業(yè)設計分析模板，形成以知識應用指導產(chǎn)品創(chuàng)新，同時根據(jù)研發(fā)需求以“向導化”的方式，將專業(yè)設計分析模板構建為具備不同專業(yè)特色的專用設計分析系統(tǒng)，大幅度降低專業(yè)軟件及自研軟件的使用難度，減少設計分析工作中的重復工作量。

(4)建立統(tǒng)一的研發(fā)數(shù)據(jù)中心。通過數(shù)據(jù)關聯(lián)管理、動態(tài)建模等技術實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分類、集成、存儲和管理，并進一步實現(xiàn)數(shù)據(jù)的關聯(lián)更改和歷程管理，保證數(shù)據(jù)同步和協(xié)調。

本文構建了基于數(shù)據(jù)的復雜重型裝備協(xié)同研發(fā)平臺，如圖4所示。

圖4 基于數(shù)據(jù)的協(xié)同研發(fā)平臺

5 結論

本文針對復雜重型裝備的網(wǎng)絡協(xié)同研發(fā)模式進行了研究，主要貢獻為

(1)將用戶參與創(chuàng)新加入其中，構建了新型的研發(fā)模式。

(2)本文構建了產(chǎn)、學、研多主體聯(lián)合的知識共享與技術開發(fā)機制，同時建立了全面的、體系化的復雜重型裝備知識工程。

(3)本文提出了基于復雜重型裝備自適應設計技術的大數(shù)據(jù)協(xié)同設計模式，有利于產(chǎn)品研發(fā)效率以及產(chǎn)品質量的提高。

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的深入發(fā)展，提高對于數(shù)據(jù)的分析和應用能力對于企業(yè)來說具有重要的現(xiàn)實意義。由于復雜重型裝備的特殊性[15]，對其產(chǎn)品研發(fā)過程仍然需要繼續(xù)研究并改進，如何能夠提高供應鏈效率、降低生產(chǎn)制造成本；如何制定最優(yōu)的生產(chǎn)計劃、庫存策略等問題仍然是未來關注的重點。