2010 年底,来自空客公司的 汉斯-亨利奇·阿尔特菲尔德(Hans-Henrich Altfeld)博士,出版了《商用飞机项目—高度复杂产品的研发管理》一书。该书在国内由唐长红等人翻译,中文版于 2013 年由航空工业出版社出版。
中文版将书名翻译为: “复杂高端产品的研发管理”,自感不妥。
汉斯-亨利奇,参与了 “空中巨无霸”——空客 A380 的整个研制过程。针对 A380 这样的极端复杂产品,汉斯-亨利奇 提出了解决其研发管理问题的思路。他没有局限于《项目管理》、《系统工程》、《供应链管理》等一些具体的管理技术,而是深入到各个管理技术之间的结合部,就 “综合管理” 进行了深入探讨。
02 System of Systems首先,我们引入 “体系” (SoS,System of Systems)的概念。简单来说,体系是由多个系统(含复杂系统)组合而成的大系统。
2005 年,美国成立了 2 个体系研究中心,一个是体系工程研究中心 (SOSECE,SoS Engineering Center of Excellence),另一个是美国老道名大学 (Old Dominate University) 的国家体系研究中心 (NCOSE,National Centers of SoS Engineering)。他们在体系研究方面取得了大量成果。
根据 “System of Systems” 的字面意思,体系是 “系统之系统”。它区别于一般系统的主要特点是:
体系规模庞大,结构复杂,由各分系统协作集成;
体系内各分系统可独立运行、完成各自功能;
体系内各分系统在实现共同目标时相互依赖,可提供超越分系统的全新功能。
而 “体系工程”,区别于一般 “系统工程” 的主要特点是:狭义的系统工程一般关注单一复杂系统,而体系工程则用于解决体系中多个复杂系统的集成。
在不同领域和应用背景下,体系的定义也不完全相同。在航空运输领域,典型的商用飞机体系层级如下图所示。
03 复杂产品研制过程
我们对商用飞机的体系结构有了初步了解之后,让我们回到商用飞机的研制过程。
商用飞机是复杂产品,其全生命周期包括立项论证、研制、生产、使用、退役等几个阶段,这里我们重点关注 “研制” 过程。
SAE 发布的相关标准,将飞机研制划分为概念设计、初步设计、详细设计、确认验证等阶段。
这里我们对研制过程的简单介绍,是为了更好的理解研发管理过程。至于每个研制阶段的进入退出标准、开展的具体工作,不是本文重点,这里不再赘述。
04 复杂性体现在哪里?我们多次提到 “复杂产品”、“复杂系统” 的概念,那么商用飞机的 “复杂性”,究竟体现在哪里呢?
A. 结构复杂性
商用飞机的研发是典型的体系工程,是飞控系统、航电系统、液压系统、电源系统、飞机结构、发动机等多个复杂系统的集成。各系统之间的信号交联、安装干涉、协同工作,进一步加剧了飞机研制的复杂性。
注:结构复杂性中的“结构”,非特指飞机机械结构,也包括人员结构、工作组成等内容。
让我们举两个例子来理解这种复杂性。波音 777 项目,共计产生约 75000 张图纸,450 万个零件,投入了 6500 名员工(不含供应商的人力投入)。空客 A380 项目也产生了 79000 张图纸,投入了 6000 名员工。商用飞机的零件数量是一辆汽车的数百倍甚至上千倍,其 “复杂性” 不言而喻。
而且,现代商用飞机的研发,不再是一国行为。例如空客公司就是欧洲四国组建而来,中国C919飞机供应商遍布全球。因此文化多元、背景差异、语言障碍,都为结构性复杂带来了挑战。
此外,为满足航空公司和适航审定的要求,商用飞机项目对安全性和重量的要求,达到了近乎苛刻的程度。其冗余设计、非相似设计、隔离设计、减重设计,无疑增加了设计的复杂程度。
B. 动态复杂性
由于新技术的应用、设计经验缺乏等原因,商用飞机的研制过程,很难避免 “设计更改” 的发生。结构设计、电子部件设计、软件设计等,往往要经过多轮的迭代(返工),才能到达一定的成熟度。
现在商用飞机的研发周期相对较长,通常为 5-8 年。我们研制的产品能否满足 5-8 年之后的市场需求,存在较多不确定性。英法联合设计的 “协和” 号飞机,其油耗巨大。最初由于燃油价格较低,用户对飞机油耗并不敏感。后来石油危机爆发,燃油价格巨幅上涨,直接导致大量用户取消了订单。
而且,由于飞机的研发周期比较长,一名飞机设计师在整个职业生涯中,最多经历 3-4 个飞机型号的研制过程,而新的工具和技术推陈出新,设计师所要完成的新任务层出不穷,这使其经验积累和延续变得越来越难。现如今,航空制造业岗位的竞争力,不断受到互联网、人工智能等新兴行业的挑战,人员流动和人才流失,加剧了飞机设计经验积累的难度。
此外,商用飞机的采购虽然是市场行为,但部分交易往往带有政治色彩。国际政治风云形势的变化,航空运输行业的景气程度,航空公司的运营情况,均会对商用飞机的市场需求产生决定性影响。而商用飞机长周期研制和进度容易拖后的特点,使其影响更加错综复杂。
C. 风险较难管控
在飞机研制项目不多的情况下,航空制造单位不得不增加培训方面的投资,以提高员工的熟练程度,了解各种工作的基本原理,掌握最新的方法和工具。但即便如此,飞机项目的长周期研制,使得培养经验丰富的人才,变得十分困难。这已成为部分航空航天项目屡屡失败和风险失控的根本原因。
此外,商用飞机的投资额惊人,当波音 747 开始研制时,其预计的研制成本是波音公司净资产的 3 倍多。一旦资金链断裂,其风险是致命的。上世纪 90 年代,飞机制造商 Fokker 公司,在研制小型飞机 F70 时,就遇到了资金问题,导致公司破产。2017 年,庞巴迪在 C 系列项目上,由于难以承受的财务压力,也不得不与空客合作,而空客持有 C 系列 50.01% 的股份。
C 系列 CS100 型飞机如下图所示。
D. 小结
我们已经把商用飞机研发的 “复杂性”,分为 “结构复杂性”、“动态复杂性” 和 “风险较难管控”。逐一解决这些复杂性问题,是商用飞机研发管理的重点,也是本文的核心内容。
05 减小“结构复杂性”针对商用飞机的 “结构复杂性” 问题,汉斯-亨利奇形象地提出 “Slicing the Elephant” (分割大象)的理论。针对复杂项目中庞大的数据和信息,采用结构化的体系架构,将复杂对象简单化,同时结合 系统工程、需求管理(V&V)等工具和方法,以减小结构复杂性,支持产品的研发管理。
结构化的体系架构一般分为:分解结构和顺序结构。分解结构一般采用自上而下的分解树的形式,将一个模块逐层分解为多个模块。常见的有:
产品分解结构(PBS,Product Breakdown Structure);
工作分解结构(WBS,Work Breakdown Structure);
组织分解结构(OBS,Organization Breakdown Structure);
成本分解结构(CBS,Cost Breakdown Structure)等。
顺序结构一般采用自前向后的输入输出的形式,通常采用时间作为水平轴。常见的有:
制造过程架构(BPA,Build Process Architecture);
进度计划(Schedule Planning)等
PBS、WBS、OBS 和 进度计划 等,对于减小结构复杂性至关重要,这里进行简要说明。
A. 产品分解结构 PBS
PBS 以产品本身作为分解对象,采用分区的方式,将飞机分解成越来越小的区域,直到零部件。PBS 是进行 WBS 工作分解的前提条件。
下图给出了商用飞机研制过程中的顶层需求文件,和相应的产品分解结构示意图。
注:图中,TLARD 是顶层飞机级需求文件,TLSRD 是顶层系统级需求文件,TLStrRD 是顶层结构需求文件。
通常我们会按照 ATA 章节号,将飞机分解为不同的系统和不同的结构部件。例如 ATA22 是自动飞行控制系统,ATA27 是飞控系统,ATA57 是飞机机翼等。
B. 工作分解结构 WBS
WBS 以交付产品为导向进行工作分解。与 PBS 区别在于:PBS 是对产品本身的分解,而 WBS 面向过程,以产品为导向,是对工作任务的分解。
在商用飞机研发管理过程中,WBS 以产品分解结构 PBS 为基础,将产品设计、制造、试验、取证、维修过程中的工作类别及工作内容,逐层进行细化分解。
WBS 在每个层次上表现为 “工作包”,较高层次工作包的工作说明文件,通常称之为 “SOW”。SOW 对所要完成的工作、输入输出、分工情况、完成节点等进行说明。
C. 组织分解结构 OBS
OBS 基于产品研制需求,识别人力资源各层级组织架构。OBS 按照工作分工和工作类别进行定义,它应列出项目成员、各级负责人以及人员之间的汇报关系,并把人员与 WBS 中的工作包有条理的联系起来,形成关系矩阵。
同样的,PBS 和 OBS 也可以形成关系矩阵。PBS 中的某一产品分解项,应与OBS 中的某一团队联系起来。
PBS、OBS、WBS三者之间的关系如下图所示。
项目过程中的任务责任矩阵,即建立了 WBS 与 OBS 的关联。每一项任务和活动,均由 OBS 中的一个节点执行。虽然 OBS 很难与其他分解结构保持一致,但应尽量使 OBS 与 PBS 建立直观的对应关系。
D. 项目计划
复杂产品研制过程中,应编制综合性的项目计划。计划应包括:项目目标和要求、项目资源、项目角色和职责、技术路径、进度安排、依赖关系、更改管理、风险分析等。
项目计划可以按照时间顺序来编制,相比于各种静态分解结构,项目计划是一个动态的过程。在飞机研发的早期阶段,受制于有限的资源配置,不需要非常详细的进度计划。
空客 A380 在 2000 年至 2005 年之间,所需的工程师数量如下图所示。
当研发进入初步设计或详细设计阶段,项目所需的工程师数量骤增。此时应增加资源配置,制定详细的项目计划,加强集成管理和综合协调。
通常我们使用甘特图,来表示项目计划内容和重要里程碑。在制定计划过程中,应重视活动之间的依赖性,合理安排关键路径,尽量并行开展工作,以缩短研制周期。
06 减小“动态复杂性”和“风险”针对商用飞机研制过程中的 “设计更改” 问题,可在全机范围内实施构型控制。通过识别、记录飞机功能特性和物理特征,控制其更改过程,以减少返工次数。当更改提出之后,应确定利益相关方,评估更改影响,并根据影响等级确定控制过程的严苛程度。
针对商用飞机研发周期长的问题,应通过并行工作、建立基线、协同办公、建立多职能团队等方式,尽量缩短研制周期,实现 “快速” 研制。
针对人员流动和人才流失带来的经验积累困难。除了建立职业生涯中的上升路径和绩效激励等传统措施之外,培养员工从事航空事业的自豪感和自信心,也是极为重要的一个方面,尤其在中国这样的国家。
针对研制过程中的风险,可应用传统的项目管理方法进行风险管理。有效地识别复杂产品研制中的技术风险、市场风险、过程风险,对风险进行评估和排序,制定风险减缓的计划和措施,并持续进行风险监控和报告。
07 总结本文针对商用飞机这样的高度复杂产品,简要分析了其 “复杂性” 的来源,结合汉斯-亨利奇在 A380 研制过程中的经验,解读了减少商用飞机研制 “复杂性” 的方法和理念。
本人认识有限,错误之处,请批评指正。
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