飛機研發方案設計定義（商用飛機高度複雜產品的研發管理）

2023-10-15 17:24:08 2

2010 年底，來自空客公司的 漢斯-亨利奇·阿爾特菲爾德（Hans-Henrich Altfeld）博士，出版了《商用飛機項目—高度複雜產品的研發管理》一書。該書在國內由唐長紅等人翻譯，中文版於 2013 年由航空工業出版社出版。

中文版將書名翻譯為： 「複雜高端產品的研發管理」，自感不妥。

漢斯-亨利奇，參與了 「空中巨無霸」——空客 A380 的整個研製過程。針對 A380 這樣的極端複雜產品，漢斯-亨利奇 提出了解決其研發管理問題的思路。他沒有局限於《項目管理》、《系統工程》、《供應鏈管理》等一些具體的管理技術，而是深入到各個管理技術之間的結合部，就 「綜合管理」 進行了深入探討。

02 System of Systems

首先，我們引入 「體系」 (SoS，System of Systems)的概念。簡單來說，體系是由多個系統（含複雜系統）組合而成的大系統。

2005 年，美國成立了 2 個體系研究中心，一個是體系工程研究中心 (SOSECE，SoS Engineering Center of Excellence)，另一個是美國老道名大學 (Old Dominate University) 的國家體系研究中心 (NCOSE，National Centers of SoS Engineering)。他們在體系研究方面取得了大量成果。

根據 「System of Systems」 的字面意思，體系是 「系統之系統」。它區別於一般系統的主要特點是：

體系規模龐大，結構複雜，由各分系統協作集成；

體系內各分系統可獨立運行、完成各自功能；

體系內各分系統在實現共同目標時相互依賴，可提供超越分系統的全新功能。

而 「體系工程」，區別於一般 「系統工程」 的主要特點是：狹義的系統工程一般關注單一複雜系統，而體系工程則用於解決體系中多個複雜系統的集成。

在不同領域和應用背景下，體系的定義也不完全相同。在航空運輸領域，典型的商用飛機體系層級如下圖所示。

03 複雜產品研製過程

我們對商用飛機的體系結構有了初步了解之後，讓我們回到商用飛機的研製過程。

商用飛機是複雜產品，其全生命周期包括立項論證、研製、生產、使用、退役等幾個階段，這裡我們重點關注 「研製」 過程。

SAE 發布的相關標準，將飛機研製劃分為概念設計、初步設計、詳細設計、確認驗證等階段。

這裡我們對研製過程的簡單介紹，是為了更好的理解研發管理過程。至於每個研製階段的進入退出標準、開展的具體工作，不是本文重點，這裡不再贅述。

04 複雜性體現在哪裡？

我們多次提到 「複雜產品」、「複雜系統」 的概念，那麼商用飛機的 「複雜性」，究竟體現在哪裡呢？

A. 結構複雜性

商用飛機的研發是典型的體系工程，是飛控系統、航電系統、液壓系統、電源系統、飛機結構、發動機等多個複雜系統的集成。各系統之間的信號交聯、安裝幹涉、協同工作，進一步加劇了飛機研製的複雜性。

註：結構複雜性中的「結構」，非特指飛機機械結構，也包括人員結構、工作組成等內容。

讓我們舉兩個例子來理解這種複雜性。波音 777 項目，共計產生約 75000 張圖紙，450 萬個零件，投入了 6500 名員工（不含供應商的人力投入）。空客 A380 項目也產生了 79000 張圖紙，投入了 6000 名員工。商用飛機的零件數量是一輛汽車的數百倍甚至上千倍，其 「複雜性」 不言而喻。

而且，現代商用飛機的研發，不再是一國行為。例如空客公司就是歐洲四國組建而來，中國C919飛機供應商遍布全球。因此文化多元、背景差異、語言障礙，都為結構性複雜帶來了挑戰。

此外，為滿足航空公司和適航審定的要求，商用飛機項目對安全性和重量的要求，達到了近乎苛刻的程度。其冗餘設計、非相似設計、隔離設計、減重設計，無疑增加了設計的複雜程度。

B. 動態複雜性

由於新技術的應用、設計經驗缺乏等原因，商用飛機的研製過程，很難避免 「設計更改」 的發生。結構設計、電子部件設計、軟體設計等，往往要經過多輪的迭代（返工），才能到達一定的成熟度。

現在商用飛機的研發周期相對較長，通常為 5-8 年。我們研製的產品能否滿足 5-8 年之後的市場需求，存在較多不確定性。英法聯合設計的 「協和」 號飛機，其油耗巨大。最初由於燃油價格較低，用戶對飛機油耗並不敏感。後來石油危機爆發，燃油價格巨幅上漲，直接導致大量用戶取消了訂單。

而且，由於飛機的研發周期比較長，一名飛機設計師在整個職業生涯中，最多經歷 3-4 個飛機型號的研製過程，而新的工具和技術推陳出新，設計師所要完成的新任務層出不窮，這使其經驗積累和延續變得越來越難。現如今，航空製造業崗位的競爭力，不斷受到網際網路、人工智慧等新興行業的挑戰，人員流動和人才流失，加劇了飛機設計經驗積累的難度。

此外，商用飛機的採購雖然是市場行為，但部分交易往往帶有政治色彩。國際政治風雲形勢的變化，航空運輸行業的景氣程度，航空公司的運營情況，均會對商用飛機的市場需求產生決定性影響。而商用飛機長周期研製和進度容易拖後的特點，使其影響更加錯綜複雜。

C. 風險較難管控

在飛機研製項目不多的情況下，航空製造單位不得不增加培訓方面的投資，以提高員工的熟練程度，了解各種工作的基本原理，掌握最新的方法和工具。但即便如此，飛機項目的長周期研製，使得培養經驗豐富的人才，變得十分困難。這已成為部分航空航天項目屢屢失敗和風險失控的根本原因。

此外，商用飛機的投資額驚人，當波音 747 開始研製時，其預計的研製成本是波音公司淨資產的 3 倍多。一旦資金鍊斷裂，其風險是致命的。上世紀 90 年代，飛機製造商 Fokker 公司，在研製小型飛機 F70 時，就遇到了資金問題，導致公司破產。2017 年，龐巴迪在 C 系列項目上，由於難以承受的財務壓力，也不得不與空客合作，而空客持有 C 系列 50.01% 的股份。

C 系列 CS100 型飛機如下圖所示。

D. 小結

我們已經把商用飛機研發的 「複雜性」，分為 「結構複雜性」、「動態複雜性」 和 「風險較難管控」。逐一解決這些複雜性問題，是商用飛機研發管理的重點，也是本文的核心內容。

05 減小「結構複雜性」

針對商用飛機的 「結構複雜性」 問題，漢斯-亨利奇形象地提出 「Slicing the Elephant」 （分割大象）的理論。針對複雜項目中龐大的數據和信息，採用結構化的體系架構，將複雜對象簡單化，同時結合 系統工程、需求管理（V&V）等工具和方法，以減小結構複雜性，支持產品的研發管理。

結構化的體系架構一般分為：分解結構和順序結構。分解結構一般採用自上而下的分解樹的形式，將一個模塊逐層分解為多個模塊。常見的有：

產品分解結構（PBS，Product Breakdown Structure）；

工作分解結構（WBS，Work Breakdown Structure）；

組織分解結構（OBS，Organization Breakdown Structure）；

成本分解結構（CBS，Cost Breakdown Structure）等。

順序結構一般採用自前向後的輸入輸出的形式，通常採用時間作為水平軸。常見的有：

製造過程架構（BPA，Build Process Architecture）；

進度計劃（Schedule Planning）等

PBS、WBS、OBS 和 進度計劃 等，對於減小結構複雜性至關重要，這裡進行簡要說明。

A. 產品分解結構 PBS

PBS 以產品本身作為分解對象，採用分區的方式，將飛機分解成越來越小的區域，直到零部件。PBS 是進行 WBS 工作分解的前提條件。

下圖給出了商用飛機研製過程中的頂層需求文件，和相應的產品分解結構示意圖。

註：圖中，TLARD 是頂層飛機級需求文件，TLSRD 是頂層系統級需求文件，TLStrRD 是頂層結構需求文件。

通常我們會按照 ATA 章節號，將飛機分解為不同的系統和不同的結構部件。例如 ATA22 是自動飛行控制系統，ATA27 是飛控系統，ATA57 是飛機機翼等。

B. 工作分解結構 WBS

WBS 以交付產品為導向進行工作分解。與 PBS 區別在於：PBS 是對產品本身的分解，而 WBS 面向過程，以產品為導向，是對工作任務的分解。

在商用飛機研發管理過程中，WBS 以產品分解結構 PBS 為基礎，將產品設計、製造、試驗、取證、維修過程中的工作類別及工作內容，逐層進行細化分解。

WBS 在每個層次上表現為 「工作包」，較高層次工作包的工作說明文件，通常稱之為 「SOW」。SOW 對所要完成的工作、輸入輸出、分工情況、完成節點等進行說明。

C. 組織分解結構 OBS

OBS 基於產品研製需求，識別人力資源各層級組織架構。OBS 按照工作分工和工作類別進行定義，它應列出項目成員、各級負責人以及人員之間的匯報關係，並把人員與 WBS 中的工作包有條理的聯繫起來，形成關係矩陣。

同樣的，PBS 和 OBS 也可以形成關係矩陣。PBS 中的某一產品分解項，應與OBS 中的某一團隊聯繫起來。

PBS、OBS、WBS三者之間的關係如下圖所示。

項目過程中的任務責任矩陣，即建立了 WBS 與 OBS 的關聯。每一項任務和活動，均由 OBS 中的一個節點執行。雖然 OBS 很難與其他分解結構保持一致，但應儘量使 OBS 與 PBS 建立直觀的對應關係。

D. 項目計劃

複雜產品研製過程中，應編制綜合性的項目計劃。計劃應包括：項目目標和要求、項目資源、項目角色和職責、技術路徑、進度安排、依賴關係、更改管理、風險分析等。

項目計劃可以按照時間順序來編制，相比於各種靜態分解結構，項目計劃是一個動態的過程。在飛機研發的早期階段，受制於有限的資源配置，不需要非常詳細的進度計劃。

空客 A380 在 2000 年至 2005 年之間，所需的工程師數量如下圖所示。

當研發進入初步設計或詳細設計階段，項目所需的工程師數量驟增。此時應增加資源配置，制定詳細的項目計劃，加強集成管理和綜合協調。

通常我們使用甘特圖，來表示項目計劃內容和重要裡程碑。在制定計劃過程中，應重視活動之間的依賴性，合理安排關鍵路徑，儘量並行開展工作，以縮短研製周期。

06 減小「動態複雜性」和「風險」

針對商用飛機研製過程中的 「設計更改」 問題，可在全機範圍內實施構型控制。通過識別、記錄飛機功能特性和物理特徵，控制其更改過程，以減少返工次數。當更改提出之後，應確定利益相關方，評估更改影響，並根據影響等級確定控制過程的嚴苛程度。

針對商用飛機研發周期長的問題，應通過並行工作、建立基線、協同辦公、建立多職能團隊等方式，儘量縮短研製周期，實現 「快速」 研製。

針對人員流動和人才流失帶來的經驗積累困難。除了建立職業生涯中的上升路徑和績效激勵等傳統措施之外，培養員工從事航空事業的自豪感和自信心，也是極為重要的一個方面，尤其在中國這樣的國家。

針對研製過程中的風險，可應用傳統的項目管理方法進行風險管理。有效地識別複雜產品研製中的技術風險、市場風險、過程風險，對風險進行評估和排序，制定風險減緩的計劃和措施，並持續進行風險監控和報告。

07 總結

本文針對商用飛機這樣的高度複雜產品，簡要分析了其 「複雜性」 的來源，結合漢斯-亨利奇在 A380 研製過程中的經驗，解讀了減少商用飛機研製 「複雜性」 的方法和理念。

本人認識有限，錯誤之處，請批評指正。

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