数字化条件下飞机制造业新型管理标准研究

岳祺琦 冯冰 聂小华

摘 要：数字化条件下管理标准与飞机研制活动脱节问题严重。本文通过分析管理标准的基本概念和航空管理标准的现状；剖析了数字化条件下飞机研制活动的特征，基于系统动力学理论，进行数字化条件下飞机研制动态系统的结构、反馈、行为和状态分析，并建立数学模型，提出数字化条件下新型管理标准的特征、要素和流程；结合HB 8525-2017及民机机头典型结构件设计制造并行流程进行新型管理标准剖析。通过厂所初步实践认为，新型管理标准将是一种解决管理标准与飞机研制活动脱节问题的有效途径。

关键词：数字化条件，飞机制造，系统动力学，新型管理标准

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.21.002

Exploration of New Management Standards for Aircraft Manufacturing Industry under the Condition of Digitization

YUE Qi-qi1 FENG Bing1 NIE Xiao-hua2

（1. Avic China Aero-polytechnology Establishment； 2. National Key Laboratory of Strength and Structural Integrity， Aircraft Strength Research Institute of China）

Abstract： Under the condition of digitization， there is a serious problem of disconnection between management standards and aircraft development activities. The paper analyzes the basic concepts of management standards and the current situation of aviation management standards， and analyzes the characteristics of aircraft development activities under the condition of digitization. Based on the theory of system dynamics， the paper analyzes the structure， feedback， behavior and state of aircraft development dynamic system， establishes a mathematical model， and puts forward the characteristics， elements and processes of new management standards under digital conditions. The paper analyzes the new management standards combined with HB 8525-2017 and the parallel process of design and manufacturing of typical structural parts of civil aircraft nose. Through the preliminary practice of factories， the new management standards will be an effective way to solve the problem of disconnection between the management standards and aircraft development activities.

Keywords： digitization condition， aircraft manufacturing， system dynamics， new management standards

0 引 言

數字化条件下的飞机科研生产活动一方面呈现出IPT联合定义、并行工程、敏捷制造、成熟度控制、数字化协同管理、VR/AR/MR/AI、智能制造、数字孪生等先进发展趋势；另一方面，在飞机研制生产活动的规范化与流程效率，数据规范化和数据治理、数据发放与反馈机制、厂所及配套单位协调等方面还存在大量急需解决的问题。这些问题的原因是多方面的，但是非常重要的一条，就是作为规范飞机科研生产活动的主要手段——管理标准，在标准体系、形式、内容、使用等方面，均已严重滞后并难以满足飞机科研生产活动的需要。管理标准与飞机科研生产活动严重脱节的问题，已经成为制约我国飞机制造业数字化转型升级的关键瓶颈之一。研究数字化条件下新型管理标准的特征，以改造和重构管理标准，适应数字化条件下飞机科研生产活动需求并推动相关问题解决，十分必要和急迫。

1 管理标准的基本概念及发展现状

1.1 管理标准的基本概念

依据GB/T 20000.1-2014《标准化工作指南 第1部分：标准化和相关活动的通用词汇》[1-2]，标准被定义为：通过标准化活动，按照规定程序经协调一致制定，为各种活动或其结果提供规则、指南或特性，供共同使用和重复使用的文件。标准化是为了在既定范围内获得最佳秩序，促进共同效益，对现实问题或潜在问题确立共同使用和重复使用的条款以及编制、发布和应用文件的活动。关于标准的类别，GB/T 20000.1-2014中分为基础标准、术语标准、符号标准、试验标准、规范标准、指南标准、产品标准、过程标准、服务标准、接口标准、数据待定标准等。

管理标准的概念，在GB/T 15498-2003《企业标准体系 管理标准和工作标准体系》[3]中明确：管理标准是对企业标准化领域中需要协调统一的管理事项所制定的标准。工作标准是对企业标准化领域中需要协调统一的工作事项所制定的标准。航空工业行业标准分类中，按标准性质分为技术标准、管理标准和工作标准。本文所指管理标准的范畴，主要是指涉及产品研制生产管理标准与技术管理标准，不涉及企业战略、财务管理等管理标准。

1.2 我国航空管理标准发展现状

我国航空工业发展已有几十年的历史，在管理标准方面开展了大量的工作。在航空行业标准体系中，由于历史原因，有的管理标准独立存在，有的管理标准则作为技术管理标准或纳入技术标准规划和发展，都在当时都发挥了重要作用，推动着整个行业协调发展。

通过对现行有效的航空行业标准初步分析，主要类型有：流程和程序类、技术状态管理类、研制生产与项目管理类、质量管理与合格评定类、供应商管理类、文档和图样管理类。现有航空行业管理标准具有以下特点：一是管理标准的概念和范围不够明晰。目前有些管理标准作为技术管理标准纳入在技术标准范畴，有些管理标准与基础标准、工作标准等有交叉，存在认识上的差异。本文开展研究的管理标准，主要是以流程和程序类管理标准为主，兼顾技术状态管理、研制生产与项目管理等相关标准。二是尚未体现出管理标准的发展趋势。结合国外管理标准的发展趋势，未来管理标准与飞机研制生产流程紧密结合，逐步走向“嵌入式”标准。现有管理标准基本按照传统要求，以标准文本形式简略地约定管理程序或一般要求，文字要求多，工程技术人员执行或操作不方便、不好用；数字化条件下设计制造并行流程类标准较少，面临数字化条件下的发展转变。

2 数字化条件下飞机研制活动特征及分析

2.1 数字化条件下飞机研制活动的特征和趋势

数字化已改变并将继续深刻改变飞机制造业。数字化技术作为一种先进的生产力，将持续深刻改变飞机制造业的生产关系。分析数字化条件下飞机研制活动特征和趋势，主要包括：

一是高度并行协同的联合研制模式。自美国波音777飞机实现全机数字化设计制造以来，特别是洛克希德·马丁公司JSF项目创建全球虚拟企业、数字化研发和生产以来，设计时间减少50%，工装数量减少90%，零件部数量减少50%，制造时间从15个月减少为5个月，树立了全球飞机制造业数字化生产方式标杆。波音公司飞机研制程序更是集中体现了产品定义阶段对设计、工艺、仿真、虚拟装配等的高度集成和验证。国内民机设计也已采取联合定义（IPT团队），军机新研和改型大多已探索实施并行工程。数字化条件下，高度并行协同的联合研制模式大势所趋。

二是数字化改进流程和重构流程体系。数字化是一场深刻的技术革命，在初期一般是应用计算机技术以改进工作、缩短周期和提高效率；更深入地，数字化将使得飞机研制生产全过程更为透明、柔性和扁平，促进流程再造、流程优化和流程系统重构。空客公司以管理和流程为框架，以方法、要求和指南等为内容，建立全球统一业务流程体系（AOPM，Airbus Operational Process Map），在A350超宽体客机研制过程中，在全球范围内统一协同平台、统一方法和流程、统一工具，实现全球300余家供应商协同、并行，研制周期缩短30%（见图1）。波音公司实现标准更好地与设计系统的集成，便于设计人员使用，建立数字化的标准制定和发布系统PSDD（Product Standard as Digital Data）。

三是数字化催化组织和生产方式深刻变革。数字化不断催生企业、行业乃至整个产业链的资源整合和组织调整，将彻底改变传统的设计、制造、试验和管理模式、手段、流程和组织，将改造设计体系、制造体系、技术体系和管理体系，重构整个飞机制造业生产系统。

四是以“流程”和“数据”为核心的管理活动融合。数字化以数据的生成、加工、传输、反馈、使用、存储为基础，以数据规范化、统一化为前提，以数据共享和数据治理为手段，以单一数据源管理为纽帶，以数据技术取代传统技术，以数据作为设计制造试验等唯一依据，使得管理行为紧密地围绕“流程”和“数据”为核心，进行充分甚至无缝融合。

五是软件、标准、手册、指南、工具等高度集成。波音公司构建全球协同环境（GCE），在787系列型号研制中支撑全球合作伙伴、供应商高效协作，将软件、流程、活动和管理标准、手册、指南紧密结合，辅以数字化技术平台和软件，成为数字化条件下飞机科研生产效率提升的重要途径。空客公司在A350开发过程应用的ISAMI软件，针对飞行器结构强度专业开发及手册、指南、流程、方法、数据集成，实现强度分析自动化和标准化，为强度工程师提供快速强度校核工具和易扩充的标准化统一平台（见图2）。

2.2 基于系统动力学的飞机研制动态系统分析与建模

系统动力学（system dynamics，SD）是系统科学理论与计算机仿真紧密结合、研究系统反馈结构与行为的一门科学，是系统科学与管理科学的一个重要分支。由美国Jay W福雷斯特在《系统原理》[4]中提出。系统动力学认为，系统的行为模式与特性主要取决于其内部的结构。反馈是指X影响Y，反过来Y通过一系列的因果链来影响X；不能通过孤立分析X与Y或Y与X的联系来分析系统的行为，只有把整个系统作为一个反馈系统才能得出正确的结论。“反馈”是系统动力学一个非常重要的概念。系统动力学研究处理复杂系统问题的方法是定性与定量结合、系统综合推理的方法。飞机制造业作为典型的复杂产品制造产业，已经成为人所共知的大型复杂系统。而数字化条件下的飞机研制生产活动，又呈现出新的复杂动态系统的特征。基于系统动力学理论，分析如下：

一是工业组织、技术、资金、资源、人和流程相结合的动态系统。数字化条件下，飞机研制生产中的各种生产要素包括人，紧密交叉融合在一起，形成组织、技术、资金、资源、人、流程等结合一体的复杂系统。在需求、设计、制造、试验、试飞、生产、运行、保障等全生命周期中，计划、组织、协调、指挥和控制活动层级多，大量的变更、协调和接口关系，共同形成了一个时时变化、复杂动态的系统。

二是反馈系统和以流程为核心的“反馈回路”。数字化条件下的飞机研制生产活动是一个典型的“反馈”（feedback）系统——即系统的状态受到其过去行为的影响。例如初步设计向详细设计的转段评审，前者的系统输出直接作为后者的系统输入而施加影响；例如飞机设计变更对下游流程和状态的影响等。飞机研制生产活动更加趋于周期缩短、成本节约和提高效率（系统目标），而使得该反馈系统本质上属于负反馈系统——即系统是在运行过程中为接近和寻求目标而不断反应的系统。

三是“振荡行为”和“寻的行为”并存的系统行为。负反馈系统的典型行为是“寻的”行为，这是人为因素造成的，促进系统不断趋近目标的努力结果。但因数字化条件下飞机研制生产活动的多变量、复杂性、时间延时或风险因素等，造成系统行为常会出现“振荡行为”——即系统行为短暂失控而偏离目标上下波动。例如某型号研制因遇到技术关键，研制和技术攻关历时多年，就是典型的技术因素造成系统振荡。

四是系统状态取决于特定目标下的流程设计、纠偏和控制准则。系统的状态取决于系统的结构和控制。在数字化条件下飞机研制生产活动中，系统的结构典型地表现为以过程和数据为核心的流程设计，系统的控制典型表现为纠偏和控制准则。改变流程设计或改变管理规则都将改进或升级系统状态。

数字化条件下的飞机研制生产系统是一个非线性因素作用下的高阶复杂时变系统。从某种意义上可以说，数字化条件下的飞机研制生产系统状态水平，取决于飞机科研流程设计水平和管理标准水平，而两者又是同生共存于一体的。基于上述分析，对数字化条件下飞机科研生产活动系统进行系统动力学建模。

在数字化条件下的飞机科研生产系统中，将缩短周期、降低成本和提高效率作为飞机数字化研制系统的目标，将飞机研制流程作为主体表征系统的状态，将管理规则和纠偏作为调控系统状态的手段。则整个系统呈现典型的振荡系统的行为模式与结构，并存在系统延迟（见图3）。

以飞机设计制造并行为例，进行设计制造并行流程系统的行为模型与结构案例式细化，可以得出图4的结构与关系。可以看出，以流程为主体的系统状态下，管理规则的定义和改变具有统一性和协调性的特征，即管理规则一体性地附着在流程主体上发挥作用，影响着系统的整个行为和状态。基于上述判断，对数字化条件下飞机研制动态系统分析如下：

流程系统：多组流程按照一定关系组成的有机整体，用集合表达。

流程系统是整个系统的核心，其工程含义是指设计、制造、试验、试飞、生产、运行、保障等流程、分流程、子流程及更细的各级流程及其关系。

管理规则的工程含义是在一定目的下，对一定流程或活动对象、在指定地点和时间、指定人员和方法条件下，开展飞机研制生产活动的规则的总和。对管理规则的界定，主要是考虑数字化条件下，大量飞机科研生产活动在计算机、网络中执行和传递，趋于扁平、透明和公开，管理规则必须要素完整且可执行，才能实现管理标准与流程系统嵌入和融合一体。

系统状态：一定管理规则下流程系统的行为和状态，用矩阵表达。

式中：L是指系统的状态和水平；M是指管理标准；F是指流程系统。

3 數字化条件下新型管理标准特征及剖析

3.1 数字化条件下新型管理标准特征分析

数字化条件下，管理标准的目的和作用正在发生重要的改变。根据系统动力学分析过程及上文研究，新型管理标准将是管理规则的具体表征，发挥数字化条件下飞机研制生产流程驱动的重要作用。

管理标准将呈现以流程为主体，为满足流程目标而制定的多要素标准特征。在数字化条件下，以飞机研制生产流程为主体，以流程目标为要求，将流程、目标、对象、地点、时间、人员和方法等流程实现的多要素和规则集成定义，并以数据包、软件、平台、工具等应用手段嵌入飞机研制生产过程，达到“管理标准即流程”“执行管理标准即执行流程”的目的和效果。新型管理标准的特征如下：

一是数字化条件。即计算机、网络、数字技术等数字化基础设施和专业技术工具，形成非大量依靠人力而是依赖计算机执行的能力，是施行新型管理标准的基础条件。二是以流程为主体、以流程目标为要求。破除企业和组织壁垒，以流程为主体进行新型管理标准界定，管理标准对流程目标负责。三是“嵌入式”应用手段。从以文本和纸质应用，转向管理标准“嵌入式”应用，即管理标准无缝嵌入到飞机研制生产流程。四是管理标准目标与流程目标一致性。新型管理标准的研究和制定，立足于流程的设计目标，即管理标准对流程目标负责。新型管理标准并不改变“标准”的本质定义和法律描述，而是从定位、目的、作用、形式、使用等方面进行面向应用的改变。新型管理标准中，要素和规则突破传统规定或有限要素，面向以实用为导向的多要素集成。在标准规范性要素中，至少应包含的内容如表1所示。

新型管理標准的研究、制定与使用流程如图5所示，其中主要活动包括：飞机研制生产流程分析与设计，以流程为主体的管理标准体系设计，并行流程的场景分析，新型管理标准编制，新型管理标准征求意见与反馈，新型管理标准试用与反馈，新型管理标准发布与使用，以流程为主体的管理标准体系，飞机研制生产流程改造与升级。

3.2 数字化条件下新型管理标准剖析

对飞机设计制造整体流程进行建模分析，引入设计数据/模型成熟度概念，以及设计数据向制造环节发放和反馈机制，进行新型管理标准的案例分析。以新型管理标准特征为基础，以设计制造并行流程进行新型管理标准多要素设计，如表2所示。

4 结 语

本文分析了管理标准的基本概念、发展趋势和我国航空管理标准的现状；研究了数字化条件下飞机研制活动的特征，基于系统动力学理论，进行数字化条件下飞机研制动态系统的结构、反馈、行为和状态分析，并建立数学模型；提出数字化条件下新型管理标准的主要特征和流程；结合HB 8525-2017及民机机头结构件设计制造并行流程进行新型管理标准剖析。

参考文献

[1]Standardization and related activities—General vocabulary： ISO/IEC Guide2：2004[S].

[2]全国标准化原理与方法标准化技术委员会（SAC/TC 286）.标准化工作指南 第1部分：标准化和相关活动的通用词汇：GB/T 20000.1-2014[S].北京：中国标准出版社，2014.

[3]中国标准化协会企业标准化分会.企业标准体系 管理标准和工作标准体系：GB/T 15498-2003[S].北京：中国标准出版社，2003.

[4]钟永光，贾晓菁，钱颖，等，系统动力学（第二版）[M].北京：科学出版社，2009.

作者简介

岳祺琦，硕士，高级工程师，主要从事航空标准化、标准数字化技术、产品数据管理研究工作。

（责任编辑：袁文静）