并行工程在航天型号研制中的应用与实践

2018-06-06方建平宋凯歌米弘中国运载火箭技术研究院

航天工业管理 2018年5期

方建平、宋凯歌、米弘 /中国运载火箭技术研究院

航天工程与其它简单工程装备的开发和应用不同，具有涉及单位多、系统和技术复杂、风险性大、研制周期长等特点，其在长期的航天型号研制实践中逐渐形成了一套具有中国特色的航天系统工程管理理念、体系和方法，为航天事业的成功提供了科学的理论和方法保证。

近年来，国家对航天工程和武器装备需求越来越迫切，新型号研制呈井喷式发展，并且对研制周期有很强的刚性要求，高密度发射已经常态化，传统的型号串行研制管理模式已不能适应航天快速发展的要求，必须在航天型号的系统工程管理中引入新的管理理念和方法，以满足型号高强度研制和高密度发射的要求。

在某航天重大科技工程研制中，面对科技工程多专业、多学科之间的交叉耦合，新技术应用带来的技术和进度风险等问题，该型号项目团队通过采用并行工程的系统工程管理方法，实现了进度和质量的完美统一，圆满完成了阶段任务，为航天型号研制管理作出了有益探索。

一、并行工程的发展

在20世纪七八十年代，美国制造业受到严重威胁，而日本制造业在国际上占据了统治地位。为重振其霸主地位，美国针对制造业的核心竞争力新产品开发问题举办了专题会议，并首次提出了并行工程的概念。此后美国防御分析研究所（IDA）受美国国防部的指示对并行工程及其用于武器系统的可行性进行调查研究，并于1988年12月公布了著名的R-338研究报告，首次全面而深入地对并行工程的思想和理论体系进行了系统阐述，给出了并行工程严格的定义，建立了并行工程的应用框架，为制造企业应用和实施并行工程提供了重要的理论指导。其摆脱了传统的产品开发工作观念，强调在产品的早期开发阶段对产品及其相关过程（包括支持过程和制造过程）进行并行、一体化设计，以提高产品的创新设计能力。

根据IDA的定义，并行工程是集成、并行地设计产品及其相关过程的系统化方法。在工程实施过程中采取适当的管理方法，使处于不同研制阶段的一项或多项作业能同时进行（并行），以达到缩短工程周期、提高工程绩效的目的。并行工程作为一种系统化的方法和思想，要求在产品设计的同时能同步考虑产品全生命周期的各项有关活动，包括设计、制造装配、调试检验、维护维修、进度、质量、成本、可靠性等。

并行工程在国外一些先进工业国家中已得到广泛应用，并取得了显著效益，其领域包括汽车、飞机、计算机、机械及电子等行业。欧美和日本的国防项目也都应用了并行工程，如波音公司从企业管理层面寻求突破，以集成化产品开发组织管理模式打响了“并行战役”的第一枪，其强调面向开发的集成性和一体化的协调沟通，波音777从设计到试飞仅用了5年且一次成功，开发进度提前了一年半；洛克希德·马丁公司采用并行工程使新导弹研发周期从5年缩短为2年。并行工程于20世纪90年代传入我国立刻引起高度重视，得到了国家科委、863／CIMS专家委员会、研究机构和电子、机械、航空、航天等领域企业的重点关注，并在产品研制中进行了应用。

二、并行工程在航天型号研制中的应用

1.集成开发团队的组织管理模式

产品开发过程的并行规划、产品设计、制造方法及技术，需要通过良好的管理组织应用到实际中。并行工程特别强调在产品的早期设计阶段综合考虑与它相关的各下游过程，以及各项产品创新和开发活动的并行交叉与一体化。这就需要企业管理方式、组织模式和企业文化方面的支持，对实现产品开发过程的并行化具有重要的意义。

并行工程将产品开发的各种活动作为一个集成的过程，从全局优化的角度出发对该集成过程进行管理和控制，并不断改进和提高已有的产品开发过程，以减少不必要的设计环节，使产品开发过程更合理有效。在产品开发早期阶段，发现问题要及早修改，消除设计隐患，并在产品投产前进行多次的设计迭代和仿真，以确保设计的正确性。

航天型号研制体系组织架构从上到下依照总体、分系统、单机的树形结构（见图1），各分系统单位按专业进行分工，每一个方框都是由一个独立的单位负责研制，横向支持单位还包括生产、试验等单位，而纵向向下延伸到元器件、原材料，管理层级可多达十几级。通常纵向与横向设计和管理要求主要通过任务书及文件的形式层层传递，但由于研制单位和管理层级众多，流程过长，导致这种串行研制模式的周期较长，再加上传递衰减，使得从顶层传递下来的要求往往无法在最底层得到有效落实。

为了缩短航天型号项目管理链条和研制周期，需在现有组织架构下组建集成产品开发团队（IPT），即在实施集成产品开发过程中，以并行工程为思想，打破传统按单位、部门划分的组织方式，由项目负责人按照产品开发对象、任务及目标组建跨组织的产品开发队伍。

IPT协同开发矩阵管理（见图2）打破了单位和部门间的界限，其根据任务情况从各单位、各系统抽调核心人员组成跨部门、跨单位、多专业的IPT，成员一般由设计、工艺、标准化、计划调度、经费管理、质量管理、物资等研制生产各个环节的核心成员组成，并采用项目负责人制。项目负责人即团队负责人，由项目总体设计单位或牵头单位确定，负责项目整体策划与指挥协调，对实施过程中出现的技术、质量、进度、经费、资源保障等重大问题进行决策。

图1 航天型号研制体系架构

图2 IPT协同开发矩阵管理结构

IPT的组建以任务为目标，随任务的提出而设立，随任务的完成而终结，团队成员可结合任务进展情况进行动态调整。IPT成员组织关系隶属于原单位，但在任务期间同时接受IPT项目负责人的考核。

一个航天型号在不同任务阶段可组成若干个不同的IPT，这种上下游高效协同的工作模式可大大缩短文件传递的环节和时间。而且，团队各专业在协同开发环境和数据支持系统的支撑下，可实现总体设计、系统设计和单机设计并行，设计和试验准备并行，设计与制造和工艺及生产准备并行，产品试制与试验和飞行试验准备并行。IPT管理和技术的高度统一，也为各项管理要求的“纵向到底、横向到边”的落实创造了条件。

2.协同开发环境及数据支持系统

根据并行工程团队成员的组建，大量信息交流及全面采用三维数字化设计、制造和协调等特点，必须建立统一的项目信息管理平台和数字化集成协同研制平台实施统一管理。通过数字化协同平台的建立，可使跨部门的IPT 成员在统一的数据交换标准下全面考虑产品在设计阶段的工艺性、可装配性、可检验性等，将原来设计、工艺、制造等多个流程中相互独立串行的工作并行起来，实现多个知识信息流的协同处理和多项作业的协同实施。IPT 团队成员可以进行设计信息传递、变更通知、资源共享等，使信息可以及时、充分共享，并以此为基础作出有效的群体决策，从而实现对风险因素的协同和动态监控。

典型的航天型号集成研制平台架构如图3所示，主要由集成协同研制（设计）平台和集成产品制造平台构成。前者在底层产品数据管理的支持下，集成各专业数字化设计平台（结构设计、电气系统设计等）、仿真验证平台（模态及动力学仿真、弹道、制导和姿控一体化仿真等）、数字化工艺设计及制造平台（工艺及工装设计、加工及装配仿真等），以实现多专业、多学科数字化快速协同设计；后者与数字化工艺及制造紧耦合，在完成数字工艺设计及制造仿真后实现产品模型数字化下厂及产品生产过程管控。

随着信息技术的蓬勃发展，各种开发和仿真工具得到广泛应用，为集成研制平台提供了良好支撑，但当前高效协同开发的最大障碍是各单位、各系统采用的工具和标准不统一。因此，规范协同研制流程，统一开发标准、接口和规范是集成协同产品研制和制造的关键。

3.研制流程优化与重构

按照航天型号研制程序，航天武器装备研制一般按照方案阶段（方案论证和方案设计）、初样阶段、试样阶段、定型阶段和批生产阶段划分。由于航天型号研制的复杂性，为了确保满足航天型号严格的技术状态控制及高质量与可靠性要求，通常在一个研制阶段的所有工作结束后需按研制程序完成阶段研制总结及评审，才能转入下一研制阶段，如图4所示。

图3 航天型号集成协同研制平台架构

图4 航天武器型号串行研制流程

实践证明，这种串行研制流程是正确的，严格按其实施能有效保证型号质量。但这种研制模式在保证型号高成功率的同时，也大大增加了型号的研制周期，与国家和用户急迫的进度要求不相匹配。因此，需要对传统研制流程进行优化，一般采用如图5所示的并行研制流程，其核心思想是将原来串行开展的2个研制阶段的部分研制工作交叉并行开展，以达到缩短研制周期的目的。

图5（a）是针对航天重大武器型号所采用的一种研制流程。在研制过程中，方案与初样研制并行开展，即通过IPT的集成产品开发，系统和单机、部段并行开展详细设计，一方面可以在方案阶段及早暴露设计问题，另一方面可提前确定产品元器件和原材料的选用，并能在完成技术审查后提前开展元器件和原材料的采购及备料。

方案转段完成后，在确认设计的基础上，快速将产品的数字化设计模型及相关要求下达给生产单位开展生产，这样可大幅缩短研制周期。同样，在初样研制后期，由于各系统完成初样地面试验的先后顺序不同，所以先完成的单机及系统在经过状态确认后就可提前启动试样和飞行产品的元器件与原材料备料，甚至可以将初样和试样（包括飞行产品）的元器件在方案阶段后期一起备料，初样转段前只需要补充采购部分有技术状态变化的元器件和原材料即可，这样对长周期备料的产品而言可以节约8～9个月的时间。另外，在试样研制时开展定型工作策划，试样飞行试验成功后即可投产定型飞行试验产品，如果用户需求明确，抽检及批生产产品可与定型飞行试验产品同批投产，以使武器装备早日服役。

图5 航天武器型号并行研制流程

图5（b）是针对短平快的战术武器所普遍采用的一种研制流程。在上述并行研制流程的基础上，进一步将初样与试样研制阶段合并为工程研制阶段，地面试验产品与研制飞行试验产品同批投产、地面试验与飞行试验并行，在完成一定数量的试飞后，即可开展小批量产品试制，并将定型飞行与批抽检飞行合并或统筹考虑，通常3～5年即可完成武器系统的研制。

三、并行工程的质量控制

航天型号已有一套标准的质量体系进行质量管控及质量保证，而采用并行工程管理模式对质量的控制提出了更高的要求，需要结合并行工程管理模式采取重点管控措施，确保并行工程管理模式实施过程中，在节省研制周期的同时不影响产品质量。

1.开展协同设计仿真和试验仿真

在方案和初样研制阶段的各专业IPT集成开发过程中，要及早考虑并改善制造、装配、试验等环节的质量。利用集成研制平台中的仿真平台开展多专业、多学科的联合仿真，以确保设计的正确性和接口的协调性。尤其是针对探索性和创新性很强的型号，地面试验环境和条件往往不能覆盖飞行环境，导致地面试验无法得到验证。因此，只能依靠数学仿真手段进行验证，在必要情况下需集中多家国内相关领域的优势单位开展背靠背的仿真校验，通过多轮仿真缩小仿真差异，进而验证仿真模型和方法的正确性。

针对策划要开展的地面试验，设计单位和试验单位也需同步开展试验仿真，一方面检验试验条件是否覆盖飞行条件，确保地面试验边界条件正确、试验方法充分有效、试验一次成功；另一方面通过将仿真试验与地面试验结果对比，以检验仿真模型的正确性。

2.飞行产品技术状态确认和并行生产状态控制

技术状态控制是航天型号研制质量控制的关键。由于航天产品生产周期长，在并行工程研制模式下，地面研制试验尚在进行中就需要投产飞行试验产品。为了确保飞行产品技术状态受控，避免或减少产品更改，需在飞行试验产品投产前设置技术状态确认控制节点。在方案转初样后，各系统列出影响飞行试验产品技术状态确认的标志性试验，如电气系统综合试验、匹配试验、电磁兼容试验，结构系统的静力、振动及热试验，总体的模态试验等，在这些标志性试验完成后，各系统以方案转段为技术状态基线梳理技术状态变化，确定产品生产基线，形成飞行试验产品技术状态确认报告，经“两总”及专家组审查后，正式投产飞行试验产品。

此时，其它设计参数获取及验证性试验仍在进行中，甚至其它地面试验产品仍然在生产，这样就出现了地面试验产品和飞行试验产品同时在线生产但技术状态不一致的局面，如何控制产品技术状态便成为并行研制模式下提前投产飞行试验产品的新课题。因此，型号必须出台专门的管理办法，将飞试产品图纸单独标识，以确保2个状态并行在线生产的产品状态受控。

3.三维数字化设计的技术状态控制

为了适应数字化设计的潮流及型号产品研制快速、灵活的要求，在IPT并行研制模式下，IPT团队放弃传统的二维图纸出图、会签和下厂方式，而是在完成产品数字化设计后将三维模型直接下厂进行生产制造。为了确保数字化产品设计、生产及模型传递过程技术状态受控，必须制定三维模型设计制造管理办法和数字化大纲，明确数字化设计和生产全过程的质量管控要求。

在某项目研制过程中，IPT将三维设计软件和航天协调研制平台（AVIDM）相结合，对数字化模型进行技术状态控制，并在协同开发过程中利用CATIA软件的VPM模型管理工具进行管理，VPM相当于产品的设计开发库。完成一个版本的产品数字化设计后，将模型上传到AVIDM系统并对三维模型进行版本控制，AVIDM相当于产品的产品库，所有下厂的三维模型必须从AVIDM下载、刻盘并按管理办法进行标识和传递。

4.并行工程管理过程中需重点注意的问题

在并行工程管理实施过程中，需要在以下4个方面重点关注，以便能够让并行管理发挥更好的效果。

一是并行工程强调团队成员的协同和协调工作，必须以项目团队的目标为最高目标，打破原有单位和部门利益的分割，强化团队成员的主动和担当意识、协作精神和合作观念。

二是重视和加强IPT研制平台和标准建设，研制平台包括协同研制平台、仿真验证平台、生产制造平台、信息管理系统以及数据支持系统，尤其要加强生产制造平台以及设计与制造的数字化接口建设。要自顶向下建立和完善标准，统一各种研制工具、IPT设计标准、数字化生产制造标准、设计和仿真接口标准、设计和生产接口标准，进而为团队的高效协同创造条件。

三是要从设计、生产、试验等各个环节全面统筹和实施并行管理，生产和试验人员要尽早介入并加入IPT。在设计阶段，工艺人员参与IPT确定产品的元器件、原材料，产品的可制造性和工艺性、总装工艺流程、生产设备和资源需求，并行开展生产和装配工装设计。同时，试验人员参加IPT同步制定试验方案，开展试验工装设计、试验设备需求和试验准备。

四是元器件、原材料选用审查与设计并行。按照型号物资实施统一管理、集中采购要求，在方案设计阶段就要对设计人员进行元器件、原材料选用培训，严格落实有关航天物资管理要求；在产品设计的初期，物资人员需加入IPT，以便对供应商资质、元器件等级、器件和材料是否在目录内、国产化率是否满足要求等进行审查并给出相关建议，避免后期更改、二次订货造成进度推迟。