陳誠

摘要：中國的商用大飛機項目近幾年取得了長足的發(fā)展，寬體客機也已立項，但是面臨嚴(yán)峻的市場考驗和成本壓力，只在滿足適航規(guī)章的前提下獲得技術(shù)成功是不夠的。商用飛機的經(jīng)濟性成為了飛機能否為制造商和用戶帶來合理利潤，最終取得商業(yè)成功的最關(guān)鍵因素。為了探索飛機經(jīng)濟性設(shè)計，本文在介紹價值驅(qū)動設(shè)計定義與流程的基礎(chǔ)之上，比較價值驅(qū)動設(shè)計與傳統(tǒng)系統(tǒng)工程的區(qū)別，并將價值驅(qū)動設(shè)計理念應(yīng)用到民用客機概念設(shè)計階段，為探索該階段經(jīng)濟性設(shè)計方法提供支撐。

Abstract： China commercial aircraft project has achieved great development in recent years and the wide-body aircraft project is started. However， facing the severe market challenge and cost pressures， it is not enough to achieve technical success under the condition of satisfying the airworthiness regulations. The commercial aircraft economy has become the most critical factor to bring reasonable profit to the manufacturer and users and achieve commercial success finally. In order to explore the aircraft economy design， this paper introduces the definition and the process of value driven design and compares the difference between value driven design and traditional system engineering. In order to support the exploration of economy design method in conceptual design stage， the concept of value driven design is applied to civil aircraft conceptual design stage.

關(guān)鍵詞：價值驅(qū)動設(shè)計；系統(tǒng)工程；商用飛機；概念設(shè)計

Key words： value driven design；system engineering；commercial aircraft；conceptual design

中圖分類號：V214.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）21-0184-04

1 簡介

當(dāng)下，世界上的大型復(fù)雜系統(tǒng)項目面臨著相似的困境——預(yù)算超額，交付延期。對于國際商用航空制造業(yè)，波音公司的夢想客機B787項目延遲交付兩年，預(yù)算超出25億美元[1]。相同的，空客公司的空中巨無霸A380延期交付兩年，預(yù)算超出20億歐元[2]。對于其他大型工程項目，相似的情況屢見不鮮[3]。對這些項目的考察表明，目前的系統(tǒng)工程方法并不再簡單適用。項目的需求往往在項目開始前就已經(jīng)確定，但研發(fā)出的產(chǎn)品卻并不符合這些需求。雖然項目都設(shè)立了相應(yīng)的風(fēng)險管理團隊，項目成員也都認真執(zhí)行風(fēng)險管理規(guī)定，但是在幾乎所有的項目上都無法避免重要延期的發(fā)生。有理論指出，預(yù)算超額和交付延期并不是隨機出現(xiàn)的不可控因素，而是復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)的自然結(jié)果，與系統(tǒng)工程水平一致[4]。應(yīng)用在系統(tǒng)工程過程中的大量邊際方法、流程和工具并沒有帶來效益。多目標(biāo)優(yōu)化和多學(xué)科優(yōu)化的研究和工具發(fā)展帶來的影響也遠遠無法改變現(xiàn)狀。

為了降低大型復(fù)雜項目成本，促進項目按時保質(zhì)交付，國外研究人員在將經(jīng)濟學(xué)應(yīng)用到工程業(yè)的過程中不斷發(fā)展并最終提出了價值驅(qū)動設(shè)計（Value Driven Design， VDD）方法作為解決辦法。2005年，美國航空航天學(xué)會系統(tǒng)工程科學(xué)委員會（AIAA Systems Engineering Technical Committee，AIAA SE TC）與AIAA經(jīng)濟性科學(xué)委員會（AIAA Economics TC）及AIAA多學(xué)科優(yōu)化科學(xué)委員會（AIAA Multidisciplinary Optimization TC）的專家一起組成了價值驅(qū)動設(shè)計委員會，專門研究價值驅(qū)動設(shè)計方法、流程和工具[5]。

對于商用飛機而言，全壽命周期成本的65%在概念設(shè)計階段已經(jīng)確定[6]。如果在概念設(shè)計階段沒有做好成本分析，沒有做出合適的項目進度規(guī)劃，在后續(xù)階段付出更大的精力與努力也將收效甚微。本文首先介紹價值驅(qū)動設(shè)計的定義及流程，主要討論比較價值驅(qū)動設(shè)計與傳統(tǒng)系統(tǒng)工程的區(qū)別，并在此基礎(chǔ)上，將價值驅(qū)動設(shè)計思想引入商用飛機概念設(shè)計階段，闡述價值驅(qū)動設(shè)計在概念設(shè)計階段降低項目成本，保證項目進度的作用。

2 價值驅(qū)動設(shè)計定義與過程

AIAA價值驅(qū)動設(shè)計委員會將價值驅(qū)動設(shè)計初步定義為“使用需求靈活性、正式優(yōu)化和數(shù)學(xué)價值模型來平衡性能、成本、進度和其他重要的指標(biāo)從而盡可能的產(chǎn)生最好的結(jié)果的一種改良設(shè)計方法”[7]。雖然被定義為一種方法，事實上價值驅(qū)動設(shè)計并不是某個確定的方法或程序，而是旨在超越傳統(tǒng)系統(tǒng)工程（Traditional Systems Engineering， TSE）思維模式的一種新的系統(tǒng)工程思維模式，在這種模式下將會產(chǎn)生大量的新方法和新程序[8]。

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價值驅(qū)動設(shè)計的過程用圖2的循環(huán)圖展示出來。設(shè)計過程一般從選擇設(shè)計變量開始，設(shè)計團隊在設(shè)計空間中選擇一個點（即設(shè)計矢量）來嘗試初步設(shè)計，設(shè)計矢量描述了一個設(shè)計方案的大致輪廓。隨后，設(shè)計者將設(shè)計矢量詳細地表示出來，即轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的構(gòu)型（也稱產(chǎn)品定義或部件定義）。工程師使用基于物理模型的工具評估對象屬性，分析產(chǎn)生對設(shè)計目標(biāo)的第二描述—屬性矢量。Simon把定義與分析階段描述為將工程語言（即設(shè)計變量）轉(zhuǎn)化為聯(lián)系客戶的語言（即屬性）的過程[9]。這個過程剛好與在產(chǎn)品需求分析階段將市場客戶需求轉(zhuǎn)變?yōu)樘峁┙o工程師的技術(shù)需求的過程相反。

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價值驅(qū)動設(shè)計與傳統(tǒng)系統(tǒng)工程的最大區(qū)別在于“評估”過程。在傳統(tǒng)系統(tǒng)工程中，“評估”過程用來決定性能是否滿足需求。如果滿足，循環(huán)結(jié)束；否則，另一個循環(huán)開始或者宣布項目失敗。價值驅(qū)動設(shè)計使用目標(biāo)函數(shù)或價值模型評估屬性，為每個性能集給出一個評分，若現(xiàn)有構(gòu)型比之前某個嘗試評分低，則進入下一個循環(huán)；若現(xiàn)有構(gòu)型比之前任何嘗試都好，設(shè)計團隊可以接受該構(gòu)型或通過進一步循環(huán)來產(chǎn)生更好的設(shè)計。在獲得評分后的“優(yōu)化改進”過程中，設(shè)計者使用設(shè)計矢量、屬性矢量和評估結(jié)果值在設(shè)計空間范圍內(nèi)推測如何改變初始設(shè)計矢量以獲得更好的設(shè)計。需要注意的是，優(yōu)良的產(chǎn)品往往是設(shè)計出來而不是通過某種特定模型或方法固定獲得的。作為優(yōu)化思維而非具體方法，價值驅(qū)動設(shè)計不強迫設(shè)計者使用正式優(yōu)化方法。在設(shè)計循環(huán)的每次迭代中，設(shè)計者可以通過判斷自由推測并選擇新的設(shè)計變量。

3 價值驅(qū)動設(shè)計與傳統(tǒng)系統(tǒng)工程比較

價值驅(qū)動設(shè)計與傳統(tǒng)系統(tǒng)工程的主要不同在于設(shè)計結(jié)果的評估和優(yōu)化過程，為了使系統(tǒng)和元件設(shè)計工程師在整個解空間中獲得最優(yōu)設(shè)計，價值驅(qū)動設(shè)計專注于將需求靈活性以及分級優(yōu)化貫穿所有子系統(tǒng)評估和優(yōu)化過程中。另外，價值驅(qū)動設(shè)計將成本分析放在需求定義階段，使項目管理者從項目開始時就對成本有更好的了解和控制。相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)工程對飛機延伸屬性提需求的方式，價值驅(qū)動設(shè)計用標(biāo)量目標(biāo)函數(shù)處理延伸屬性。兩者區(qū)別簡述如表1。

在傳統(tǒng)系統(tǒng)工程中，如果每個子系統(tǒng)均滿足需求，整個系統(tǒng)也將會滿足最終需求。運用傳統(tǒng)系統(tǒng)工程概念的工程師嘗試給每個子系統(tǒng)分配特殊性能指標(biāo)值。然而，隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，子系統(tǒng)的復(fù)雜性及子系統(tǒng)相互交聯(lián)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性也會大大增加，把眾多子系統(tǒng)以這種方式融合到一起非常困難甚至不可能。相比而言，價值驅(qū)動設(shè)計引入了“松耦合”（loose coupling）的概念?！八神詈稀笔且环N以允許各子系統(tǒng)至少可以半獨立的發(fā)展而不是緊密融合的形式融合各子系統(tǒng)的耦合方式。這個概念為工程師設(shè)計和開發(fā)具有更高復(fù)雜性的系統(tǒng)提供支撐。價值驅(qū)動設(shè)計通過給每個子系統(tǒng)分配一個性能指標(biāo)范圍的方式優(yōu)化整個系統(tǒng)性能。使用性能指標(biāo)范圍而不是某個明確的性能指標(biāo)值來限定子系統(tǒng)開發(fā)能夠幫助系統(tǒng)工程師或項目管理者更好地評估改變子系統(tǒng)性能所帶來的影響。在實際工程中，提高某些子系統(tǒng)的性能并不能提升整體系統(tǒng)的價值，反而增加系統(tǒng)和子系統(tǒng)成本和復(fù)雜性，而降低某些子系統(tǒng)性能帶來的整體影響并不大，使用這種方法發(fā)現(xiàn)這些潛在的子系統(tǒng)，為降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜性打開一個可權(quán)衡空間，支持項目管理者決策，確保系統(tǒng)工程師能夠優(yōu)化整個系統(tǒng)功能成本比。子系統(tǒng)性能指標(biāo)范圍的概念也將減少硬性技術(shù)需求的數(shù)量，這為子系統(tǒng)乃至整個系統(tǒng)發(fā)展提供更多靈活性和創(chuàng)新機會，有助于降低項目風(fēng)險，提高在約定計劃時間內(nèi)和預(yù)算框架下交付滿足整體性能的系統(tǒng)的可能性。

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另一個很大的不同是，價值驅(qū)動設(shè)計把成本作為獨立變量（Cost As an Independent Variable CAIV）過程從傳統(tǒng)系統(tǒng)工程談判過程的最后一步轉(zhuǎn)變到需求定義階段中。在目前有關(guān)系統(tǒng)工程的談判中，用戶首先提出需求，供應(yīng)商將客戶需求轉(zhuǎn)化為技術(shù)需求，最后雙方議價并簽約。由于系統(tǒng)復(fù)雜性過高，供應(yīng)商多數(shù)時候不能滿足所有需求，這導(dǎo)致用戶和供應(yīng)商協(xié)商刪減需求或者確定滿足使用者需求的額外資金?，F(xiàn)在使用的CAIV過程往往在后續(xù)的談判中體現(xiàn)出來。價值驅(qū)動設(shè)計把這些協(xié)商轉(zhuǎn)移到需求發(fā)展過程中，引入性能空間的概念給供應(yīng)商提供一個更加現(xiàn)實的目標(biāo)空間，使用戶對他們將要接收的系統(tǒng)有更加清楚的認識，同時確保系統(tǒng)工程師能夠直接與客戶接觸商議，從而使得在初始設(shè)計之前及在系統(tǒng)螺旋發(fā)展的全過程中商定系統(tǒng)性能和成本取舍。

另外，價值驅(qū)動設(shè)計還改變了設(shè)計者處理“延伸屬性”的方法。延伸屬性是產(chǎn)品、系統(tǒng)或其原件與項目進度或成本相關(guān)的屬性。系統(tǒng)屬性是元件屬性的函數(shù)，系統(tǒng)的延伸屬性也是元件延伸屬性的函數(shù)。延伸屬性的典型例子包括重量、所有性能屬性、可靠性、維修性、安全性和相似保障性屬性以及成本的所有方面。從整個項目的角度來說，計劃進度和技術(shù)風(fēng)險也是延伸屬性。在價值驅(qū)動設(shè)計框架下，無論在系統(tǒng)層級還是元件層級，都沒有需求應(yīng)用于延伸屬性。也就是說，不會給設(shè)計者傳遞諸如重要閾值、目標(biāo)重量等類似的需求。取而代之的是，每個工程團隊（系統(tǒng)團隊、子系統(tǒng)團隊等）都有一個目標(biāo)函數(shù)，該函數(shù)為標(biāo)量函數(shù)，將團隊的所有屬性集轉(zhuǎn)化為一個評分。團隊的任務(wù)是在滿足所有非延伸屬性的需求的同時創(chuàng)造一種能夠獲得最高分值的設(shè)計。同樣的，系統(tǒng)和元件有各自的目標(biāo)函數(shù)，工程師可以通過目標(biāo)函數(shù)來監(jiān)控元件屬性狀態(tài)和系統(tǒng)集成屬性狀態(tài)，并采取合適的措施來維持系統(tǒng)平衡。

4 價值驅(qū)動的商用飛機概念設(shè)計流程

圖2的循環(huán)適用于系統(tǒng)部件的詳細設(shè)計或者整個系統(tǒng)的概念設(shè)計。Daniel P. Raymer在《Aircraft Design： A Conceptual Approach》一書中提出了一個經(jīng)典的商用飛機概念設(shè)計流程[10]，本節(jié)以此流程為基礎(chǔ)，將價值驅(qū)動設(shè)計的理念應(yīng)用到商用飛機概念設(shè)計中，流程如圖4所示。

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圖4描述了價值驅(qū)動的商用飛機概念設(shè)計階段的流程。概念設(shè)計由潛在客戶提出的需求或公司產(chǎn)生的新概念開始。通過探究技術(shù)可行性，設(shè)計團隊獲得概念設(shè)計變量空間，包括航程、配重、起飛和著陸距離、速度等諸多設(shè)計變量的可選擇范圍。概念草圖確定飛機發(fā)動機個數(shù)、尾翼布局等基本外觀，在后續(xù)的概念設(shè)計階段迭代過程中，如無重大變化，飛機的基本外觀布置不做改變。概念設(shè)計的設(shè)計迭代從確定概念構(gòu)型開始，概念構(gòu)型確定飛機機翼、機身、尾翼等各部分的尺寸，獲得飛機的三視圖。性能分析側(cè)重飛機性能的確定，獲得空氣動力學(xué)、重量、推力等方面的參數(shù)。性能分析一方面通過物理分析軟件，如FLUENT，CAD等獲得飛機的氣動力、結(jié)構(gòu)、強度等方面的物理參數(shù)，另一方面則通過數(shù)學(xué)模型獲得如重量、所需推力等數(shù)學(xué)參數(shù)。在進行性能分析的同時，設(shè)計人員可以以歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)結(jié)合實際市場情況統(tǒng)計分析飛機成本，獲得相應(yīng)功能的成本。此外，為了對設(shè)計備選方案進行價值評估，還需要獲得各個子系統(tǒng)及功能的權(quán)重值，這可以通過專家打分的方式或者歷史數(shù)據(jù)回歸分析獲得。在確定概念構(gòu)型、飛機性能、功能成本和功能權(quán)重的基礎(chǔ)上，價值評估過程通過數(shù)學(xué)價值模型進行評估并給出相應(yīng)的設(shè)計評分。設(shè)計團隊如接受該設(shè)計結(jié)果則概念設(shè)計階段迭代結(jié)束，進入初始設(shè)計階段，如不接受設(shè)計結(jié)果則進行構(gòu)型、性能優(yōu)化后進入下一輪設(shè)計迭代。圖中陰影框顯示了價值驅(qū)動設(shè)計流程相較傳統(tǒng)設(shè)計流程多出的環(huán)節(jié)。

5 結(jié)語

本文闡述了價值驅(qū)動設(shè)計的概念，詳細描述了一般的價值驅(qū)動設(shè)計流程，深入比較了價值驅(qū)動設(shè)計與傳統(tǒng)系統(tǒng)工程的區(qū)別，并將價值驅(qū)動設(shè)計理念應(yīng)用到飛機概念設(shè)計階段流程中，為未來進行具體價值設(shè)計的研究提供理論基礎(chǔ)。未來的研究可以先以飛機某個系統(tǒng)作為突破點，研究飛機單個系統(tǒng)的功能成本比值，進而可以將方法推廣到整機的所有系統(tǒng)，同時加入對重量成本及時間成本的考慮，獲得實際運用的整套整機價值評估方法。

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