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—高度複雜産品的研發管理》一書。該書在國内由唐長紅等人翻譯,中文版于 2013 年由航空工業出版社出版。
中文版将書名翻譯為: “複雜高端産品的研發管理”,自感不妥。
漢斯-亨利奇,參與了 “空中巨無霸”——空客 A380 的整個研制過程。針對 A380 這樣的極端複雜産品,漢斯-亨利奇 提出了解決其研發管理問題的思路。他沒有局限于《項目管理》、《系統工程》、《供應鍊管理》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” 進行了深入探讨。
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”。它區别于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;
體系内各分系統可獨立運行、完成各自功能;
體系内各分系統在實現共同目标時相互依賴,可提供超越分系統的全新功能。
而 “體系工程”,區别于一般 “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,而體系工程則用于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 複雜産品研制過程
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制過程。
商用飛機是複雜産品,其全生命周期包括立項論證、研制、生産、使用、退役等幾個階段,這裡我們重點關注 “研制” 過程。
SAE 發布的相關标準,将飛機研制劃分為概念設計、初步設計、詳細設計、确認驗證等階段。
這裡我們對研制過程的簡單介紹,是為了更好的理解研發管理過程。至于每個研制階段的進入退出标準、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 “複雜産品”、“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。各系統之間的信号交聯、安裝幹涉、協同工作,進一步加劇了飛機研制的複雜性。
注: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、工作組成等内容。
讓我們舉兩個例子來理解這種複雜性。波音 777 項目,共計産生約 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 項目也産生了 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,為滿足航空公司和适航審定的要求,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. 動态複雜性
由于新技術的應用、設計經驗缺乏等原因,商用飛機的研制過程,很難避免 “設計更改” 的發生。結構設計、電子部件設計、軟件設計等,往往要經過多輪的疊代(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。我們研制的産品能否滿足 5-8 年之後的市場需求,存在較多不确定性。英法聯合設計的 “協和” 号飛機,其油耗巨大。最初由于燃油價格較低,用戶對飛機油耗并不敏感。後來石油危機爆發,燃油價格巨幅上漲,直接導緻大量用戶取消了訂單。
而且,由于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,最多經曆 3-4 個飛機型号的研制過程,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,航空制造業崗位的競争力,不斷受到互聯網、人工智能等新興行業的挑戰,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,商用飛機的采購雖然是市場行為,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産生決定性影響。而商用飛機長周期研制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
在飛機研制項目不多的情況下,航空制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制,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 開始研制時,其預計的研制成本是波音公司淨資産的 3 倍多。一旦資金鍊斷裂,其風險是緻命的。上世紀 90 年代,飛機制造商 Fokker 公司,在研制小型飛機 F70 時,就遇到了資金問題,導緻公司破産。2017 年,龐巴迪在 C 系列項目上,由于難以承受的财務壓力,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”、“動态複雜性” 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,也是本文的核心内容。
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,采用結構化的體系架構,将複雜對象簡單化,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,支持産品的研發管理。
結構化的體系架構一般分為:分解結構和順序結構。分解結構一般采用自上而下的分解樹的形式,将一個模塊逐層分解為多個模塊。常見的有:
産品分解結構(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。
順序結構一般采用自前向後的輸入輸出的形式,通常采用時間作為水平軸。常見的有:
制造過程架構(BPA,Build Process Architecture);
進度計劃(Schedule Planning)等
PBS、WBS、OBS 和 進度計劃 等,對于減小結構複雜性至關重要,這裡進行簡要說明。
A. 産品分解結構 PBS
PBS 以産品本身作為分解對象,采用分區的方式,将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制過程中的頂層需求文件,和相應的産品分解結構示意圖。
注: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 章節号,将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 以交付産品為導向進行工作分解。與 PBS 區别在于:PBS 是對産品本身的分解,而 WBS 面向過程,以産品為導向,是對工作任務的分解。
在商用飛機研發管理過程中,WBS 以産品分解結構 PBS 為基礎,将産品設計、制造、試驗、取證、維修過程中的工作類别及工作内容,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 基于産品研制需求,識别人力資源各層級組織架構。OBS 按照工作分工和工作類别進行定義,它應列出項目成員、各級負責人以及人員之間的彙報關系,并把人員與 WBS 中的工作包有條理的聯系起來,形成關系矩陣。
同樣的,PBS 和 OBS 也可以形成關系矩陣。PBS 中的某一産品分解項,應與OBS 中的某一團隊聯系起來。
PBS、OBS、WBS三者之間的關系如下圖所示。
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緻,但應盡量使 OBS 與 PBS 建立直觀的對應關系。
D. 項目計劃
複雜産品研制過程中,應編制綜合性的項目計劃。計劃應包括:項目目标和要求、項目資源、項目角色和職責、技術路徑、進度安排、依賴關系、更改管理、風險分析等。
項目計劃可以按照時間順序來編制,相比于各種靜态分解結構,項目計劃是一個動态的過程。在飛機研發的早期階段,受制于有限的資源配置,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,來表示項目計劃内容和重要裡程碑。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,盡量并行開展工作,以縮短研制周期。
06 減小“動态複雜性”和“風險”針對商用飛機研制過程中的 “設計更改” 問題,可在全機範圍内實施構型控制。通過識别、記錄飛機功能特性和物理特征,控制其更改過程,以減少返工次數。當更改提出之後,應确定利益相關方,評估更改影響,并根據影響等級确定控制過程的嚴苛程度。
針對商用飛機研發周期長的問題,應通過并行工作、建立基線、協同辦公、建立多職能團隊等方式,盡量縮短研制周期,實現 “快速” 研制。
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。
針對研制過程中的風險,可應用傳統的項目管理方法進行風險管理。有效地識别複雜産品研制中的技術風險、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,并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産品,簡要分析了其 “複雜性” 的來源,結合漢斯-亨利奇在 A380 研制過程中的經驗,解讀了減少商用飛機研制 “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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