■ 馮潼能/中國航發(fā)商發(fā)

對于像航空發(fā)動機這樣的復雜技術產品研發(fā)項目，需要管理龐大、復雜的數(shù)據(jù)和信息。不僅要解決復雜的工程技術問題，而且還要建立高效的組織團隊和有效的成本控制手段，這一切對于項目管理而言無疑是個巨大的挑戰(zhàn)。經驗和實踐表明，只有建立結構化、模塊化的集成體系架構，方能有效地解決此類復雜研發(fā)項目的管理問題。

現(xiàn)代航空發(fā)動機產品技術復雜、研制過程長，需要眾多協(xié)作方參與，研發(fā)項目需要管理龐大、復雜的數(shù)據(jù)和信息，只有利用結構化、模塊化的集成體系架構，才能實現(xiàn)對項目和產品的業(yè)務信息和技術信息進行有組織的收集和共享。

實現(xiàn)復雜產品的集成架構，首先應實現(xiàn)項目管理的結構化，即將復雜的項目任務分解成層次化的樹形結構，既要表達模塊的獨立性也要表達模塊間的關系。傳統(tǒng)的分解結構包括產品分解結構（Product Breakdown Structure，PBS）、工作分解結構（Work Breakdown Structure，WBS）、組織分解結構（Organization Breakdown Structure，OBS）、成本分解結構（Cost Breakdown Structure，CBS）等。這些架構通常都是由不同的團隊按不同的標準和用途獨立構建的，彼此不能有效地關聯(lián)，無法進行統(tǒng)一有效的管理，這是復雜技術產品研發(fā)項目管理面臨的最大困難。集成這些架構的關鍵是建立模塊化的產品分解結構，再根據(jù)產品模塊配置相應的工作任務包，建立相應的工作團隊，分配相應的資源并進行成本分解，從而達到集成架構的目的。

模塊化的設計思想是目前解決復雜技術產品研發(fā)的有效手段。模塊化的產品設計能夠顯著降低產品的復雜性，有效地提高產品的可靠性和維修性，同時還可有效地進行專業(yè)分工，使每個模塊部件都能采用最新的技術并由最好的團隊研發(fā)。模塊化不僅是為了管理的便利，更是為了適應復雜技術產品研發(fā)的趨勢。

目前，國際上主流飛機制造商波音公司、空客公司等的產品結構的劃分都是基于模塊的，國內的C919 飛機也采用模塊化思想指導其產品結構的劃分。在波音737-700 飛機的研制中，波音公司構建了基于模塊化構型控制的數(shù)字化制造信息管理系統(tǒng)（DCAC/MRM）進行生產流程再造。這一系統(tǒng)以全面采用產品數(shù)據(jù)管理、流程管理、簡化構型管理、精簡物料管理、實現(xiàn)單一數(shù)據(jù)源等技術，數(shù)字化技術的應用進一步深化。其后波音公司在研制波音787 飛機中，采用了基于產品全生命周期管理（PLM）的全球協(xié)同環(huán)境（Global Collaboration Environment，GCE），通過應用統(tǒng)一的數(shù)字化平臺、統(tǒng)一的方法和統(tǒng)一的流程，實現(xiàn)了135 個工作地點、180 個供應商的數(shù)字化協(xié)同，使波音787 飛機的協(xié)同研制工作順利進行。波音公司的GCE 支持全球多個國家上百家企業(yè)進行協(xié)同研制，真正實現(xiàn)了從一個制造企業(yè)向系統(tǒng)集成商轉型，其基本原理也是基于模塊化的集成架構體系。

產品的結構化與模塊化

產品分解結構是最常用的架構管理工具，按用途可分為研發(fā)用產品分解結構、生產制造用產品分解結構、服務用產品分解結構等，本文僅以研發(fā)用產品分解結構為例說明。

產品分解結構的實用表現(xiàn)形式(如報表、結構樹等)又稱為物料清單（Bill of Materials，BOM）。相應地，研發(fā)用產品分解結構、生產制造用產品分解結構、服務用產品分解結構的實用表現(xiàn)形式又稱為工程BOM（EBOM）、制造BOM（MBOM）、服務BOM（SBOM）等，而模塊化產品分解結構即是模塊化BOM。

復雜產品研發(fā)的本身可以理解為子系統(tǒng)及其關系所構成的復雜系統(tǒng)。系統(tǒng)與體系架構的關系如E.雷克廷（E. Rechtin）所描述：“系統(tǒng)的基本要素是關系、界面、形式、配合和功能。體系的基本要素是結構、簡化、折中和平衡?！?/p>

模塊化是指解決復雜問題時自頂向下逐層把復雜系統(tǒng)劃分成若干子系統(tǒng)即模塊的過程，模塊是相對獨立的子系統(tǒng)，同樣具有關系、界面、形式、配合和功能等系統(tǒng)的基本要素，有多種屬性反映其內部特性。

模塊具有以下特點：模塊具有半自律性；模塊之間按一定規(guī)則相互聯(lián)系；通過模塊組合，可構成復雜的系統(tǒng)和過程；在實際的工程應用中，模塊通常按方式定義；模塊是產品所需要的、可重用的零組件和相關元素的邏輯組合；模塊包括了該模塊產品定義的所有數(shù)據(jù)：零組件模型、相關元素、規(guī)范、技術通報等；模塊主要用于構型管理，是一個用于管理的抽象對象，不僅僅是指實物對象；模塊可用來滿足選項的功能要求。

復雜的航空產品一般使用的產品分解結構、工作分解結構、組織分解結構、成本分解結構等來進行架構管理，為達到集成架構管理的目的，必須建立結構化、模塊化的架構體系。模塊化的產品架構是在產品研發(fā)的系統(tǒng)工程過程中逐步建立和完善的。

將復雜產品或過程按照一定的聯(lián)系規(guī)則分解為可進行獨立設計開發(fā)的半自律性子系統(tǒng)的工作稱為“模塊化分解”。模塊化后的數(shù)據(jù)有如下的特點：在模塊內部參數(shù)、特征和任務高度依賴。而模塊之間是相互獨立的，通過接口關系來建立模塊間關系。對于產品研發(fā)來說，模塊的獨立性和依賴性可以通過設計和任務矩陣來確定。模塊化產品結構管理的優(yōu)勢在于模塊的重用性和可配置性。

模塊化產品架構是一個邏輯上的產品結構，它按照產品的研制目標和業(yè)務需求定義了產品規(guī)范、模塊規(guī)范和模塊接口規(guī)范。模塊化架構必須考慮產品的性能、價格、質量的期望值，以及產品的交付成本和進度，同時還要適應產品的研發(fā)體制和資源限制。

模塊化架構由兩部分定義組成：一部分是將產品規(guī)定的功能分解成子功能和承載這些功能的組件；另一部分是這些組件的接口規(guī)范。完整的產品由組件及其接口關系組成。接口規(guī)范在可配置產品設計中尤為重要，它允許產品替換組件，配置成不同的類型而不需要做額外的工作。

航空發(fā)動機構型項的劃分方法研究

構型項的概念與用途

由于航空航天產品過于復雜，人員和專業(yè)分工細，需要分解成不同的工作來完成。模塊化管理有助于將復雜的工作分解，在實際的航空航天產品研發(fā)中，產品的構型管理的模塊化是和產品模塊化高度相關的，產品模塊化是和產品的構型項（CI）劃分一致的，也稱為模塊化產品構型管理。

目前在復雜技術產品構型管理（尤其是航空領域）里所說的CI，泛指模塊化構型管理里的模塊劃分形成的能夠單獨管理的模塊，與通用構型管理標準中所指的CI定義和用途有所差異，是為適應復雜技術產品構型管理衍生出的技術。CI的劃分是實現(xiàn)模塊化管理的基礎，目前國外的波音、空客，國內的商飛、西飛、成飛等公司在其新產品研制中均采用了基于CI的模塊化構型管理。

傳統(tǒng)的產品裝配是將產品整體看成一棵完整的倒樹表達（即總裝—部裝—組件—裝配件—零件），既表示裝配關系也表示層級、功能、結構分解。這樣的結構對構型管理中更改的管理造成很大影響，如果零件或裝配件更改，組件也得更改直至追溯整機更改，方能達到構型管理中的一致性要求(這種現(xiàn)象也稱為“更改擴散”或“更改爆炸”)，這在實際操作中是無法實現(xiàn)的。

為解決以上問題，必須施行簡化的構型管理，將復雜的產品按功能和結構分離面拆解成一個個小型模塊（即CI）。產品是通過CI以及CI之間的關系構成，每一個CI都表示為一個可分開研制的實體，它至少完成一個最終使用功能，各個CI具有相當?shù)莫毩⑿?，可以獨立地指派給一個工作包。

CI的劃分本質上是基于產品的功能劃分，但實際劃分時還需考慮到具體產品特點，如結構分離面、更改的影響范圍、產品集成方法、裝配、試驗、外包分工等很多因素，是相當復雜的工作?？傊?，CI的劃分要達到CI內部關系高度聚合、外部低耦合，CI之間接口的復雜性在產品系統(tǒng)內應是最小的，高復雜性常常引起風險和成本的增加。一個CI的所有子裝配件應具有共同的功能、任務、安裝和研發(fā)要求。

在產品研發(fā)中，實際影響全局的更改很少，零部件關系在CI內部集中，更改的影響也大部分集中在CI內部，可有效防止更改無序擴散，大大簡化構型管理的難度?？梢院蚖BS、OBS做集成配套，一個WBS可含一個或多個CI，一個CI由一個人或一個集成產品團隊（IPT）主責完成，理順關系。

構型項的用途可以概括為：用于承載特定的功能需求；可獨立的用于構型驗證和確認；用于產品構型配置；用于建立產品架構；用于控制供應商構型管理；用于防止工程更改的無序擴散。

對于復雜系統(tǒng)，初步選擇CI一般限于工作分解結構的主部件，其主要功能設計部件一般都列為CI。當系統(tǒng)設計進展時，復雜項目進一步劃分為組件時可進一步優(yōu)化和細化CI，CI的建立是航空產品系統(tǒng)工程運作的結果，一般到產品的詳細設計階段時已基本固化。

航空發(fā)動機CI的建立過程與方法

CI的建立過程如下：

● 輸入條件為總體技術方案、研制工作分解結構、各系統(tǒng)技術方案、工藝裝配方案、分工表、外包部件工作說明書、部件接口控制文件等；

● 根據(jù)ATA章節(jié)段定義進行產品結構頂層和中間層分解，并確定構型項，形成構型項結構樹文件；

● 明確裝配流程、設計分離面和工藝分離面；

● 在設計定型結束前，CI結構樹按照方案設計要求進行完善并固化。

基于CI的產品結構劃分方法如下：

● 產品結構樹建立時必須考慮設計的變動最??；

● 產品結構的組織方式需將產品的不變部分與可變部分分開；

● 鏈接方式可分為頂層、可配置層、和底層，如圖1所示。

CI劃分的一般原則：

● 從產品研制的工作分解結構的單元中選擇構型項，確保構型項對工作分解結構的可追溯性；

● 系統(tǒng)規(guī)范、研制規(guī)范（或采購規(guī)范）及相關文檔中明確的項目；

● 跨單位、跨部門研制的項目；

● 需單獨交付的項目，如外包項目；

● 可單獨安裝的項目；

● 重要的設計與制造分離面；

圖1 產品結構分層

● 總體技術方案中明確的選裝項目；

● 選裝項目安裝時，可被替換的項目；

● 進行單獨的更改控制部件/組件；

● 進行多構型、系列化、模塊化設計的項目；

● 設計或研制采用新的或改進的技術，具有高風險特征的項目；

● 與其他項目有復雜或重要接口的項目；

● 保障與維修狀況特殊的項目；

● 有外場和裝配互換性要求的項目；

● 關鍵、重要的組件（特性分類）；

● 配套的軟件項目；

● 對于具有共同組件、子系統(tǒng)、或支持要求的系統(tǒng)，在兩個系統(tǒng)的共同的裝配件層內，每一個共同項目都應設置為一個CI；

● 一個多相似的系統(tǒng)，其獨有的唯一組件應標識為那個系統(tǒng)的CI。

根據(jù)CI劃分原則，渦扇發(fā)動機高壓壓氣機CI劃分示例，如圖2所示。

圖2 CI劃分示例

集成架構建立方法研究

航空產品研發(fā)的WBS 分為通用工作分解結構和具體工作分解結構。通用工作分解結構主要是將航空產品研發(fā)中的設計、研制、生產、試驗、取證和維修過程中需要做的工作按類別進行分解，這些活動很多必須按照整機進行，不能分配到特定的部件，如設計和認證原則、技術預研、性能、噪聲控制、適航、“四性”設計、結構試驗、飛行試驗、地面保障、技術出版物等。通用工作分解結構不是針對具體產品，而是一類產品研發(fā)工作的匯總，是研發(fā)企業(yè)研發(fā)過程中形成的經驗和慣例，通用工作分解結構工作相對固化，與具體的項目管理工作聯(lián)系不是很緊密，不是項目管理重點關注的目標。

項目管理重點一般不是通用工作分解結構，使用的工作分解結構通常需要考慮PBS、功能分解結構（FBS）等，這種專門為項目開發(fā)的工作分解結構稱為具體工作分解結構，對于具體的項目而言，通常所說的WBS即為具體工作分解結構。進行架構集成的也指此類工作分解結構。

WBS在每個層次上表現(xiàn)為工作包。工作包是項目管理工具，是設置、監(jiān)測和控制項目所必需的。PBS與WBS集成的關鍵就是WBS的工作包與PBS部件的關聯(lián)方法。

圖3 WBS與PBS集成示例

圖4 集成架構示意圖

企業(yè)的核心是產品，因此企業(yè)的工作主要圍繞產品展開，集成架構也必然以PBS為核心，WBS、CBS都應該圍繞PBS進行。PBS是產品的層次化分解結構，如硬件項、軟件項和信息項，用于產品邏輯和功能的分解過程。PBS與WBS密切相關，WBS必然要包含PBS。通過WBS的工作包，把WBS與PBS關聯(lián)起來，就是把項目管理對象與產品設計對象關聯(lián)起來，從而達到產品集成架構的目的，如圖3所示。

CBS和組織分解結構(OBS)、基礎資源分解結構（IBS）都應該是圍繞WBS的工作包來進行的。CBS為工作包提供成本分配、核算。OBS和IBS為WBS工作包的實施提供人力和物質保障。集成架構的實現(xiàn)首先以PBS為核心完成PBS與WBS的集成，進而以WBS為核心完成OBS、IBS的集成，如圖4所示。

結束語

復雜技術產品的研發(fā)是一種高投入、高風險的工作，其項目管理一直是艱巨和困難的任務。隨著高技術產品的日益復雜，復雜技術產品研發(fā)超期、超預算屢見不鮮，除了技術原因外，缺乏有效的項目管理手段也是重要的原因。傳統(tǒng)的按專業(yè)進行的架構分解無法進行統(tǒng)一管理和關聯(lián)是造成項目管理困難的重要原因。雖然隨著互聯(lián)網技術的發(fā)展，復雜技術產品研發(fā)的架構集成成為可能，但不可否認的是復雜技術產品項目管理的成敗仍然依賴工程技術與管理體系的完善以及工程技術與信息技術的結合能力。