基于集成产品开发模式的协同设计实践

◎中国运载火箭技术研究院研究发展中心 彭小波等

航天预研产品研制面临着激烈的市场竞争以及周期、成本、质量和资源等限制条件，迫切需要研究适用于产品研制过程的创新管理模式，从而提升产品研发效率和市场竞争力。国际领先的航天产品创新团队都采用了基于集成产品开发（IPD）的并行工程模式开展创新产品研制，并取得了令世人瞩目的成绩。笔者通过对波音787、鬼怪工程部、臭鼬工厂和SpaceX 公司的IPD 模式的分析，结合航天某项目特点，探索适用于该项目和我国航天预研产品研制的管理模式，并创新预研产品研制管理体制机制，从而全面保障产品研制过程，为中国运载火箭技术研究院市场化转型和新体系建设提供有力支撑。

IPD 是一套先进的成熟研发管理思想、模式和方法，其实质是以产品为核心，通过在产品开发过程中打破单位“壁垒”，组建跨单位、多专业的协同研制团队，基于并行工程的产品研制管理体系快速、低成本、高质量地完成产品开发。IPD 模式的核心包括以产品为核心（以产品为核心目标的里程碑式管理机制），异步开发模式（并行工程），组建跨部门、跨系统的协同研制团队，搭建支持资源重用的开发环境以及柔性的结构化预研产品研制流程5 个方面要素。

对IPD 过程的管理需要围绕这5 个方面要素展开，通过里程碑式的管理机制控制产品研发进度节点，建立基于并行工程的产品协同研制体系，打通产品研制上下游环节之间的数据链路，利用组建的跨部门、跨系统的协同研制团队打破专业之间的“壁垒”，形成高效信息共享通道，缩短信息传递周期，从而在预研产品结构化研制流程与创新需求中建立平衡点，充分发挥项目团队的创新能力，最终完成产品研制工作。

一、适用于航天产品研制的IPD模式

目前，IPD 模式在国内外航天航空创新产品研制过程中得到了较多应用，也取得了较好的效果。但多数IPD 模式都是注重产品数字化设计过程，适用于航天产品研制的IPD 模式需要更加注重产品全生命周期内的全程协同，需要把产品设计、工艺设计、工装设计和物流采购的并行工程贯穿于项目始终，从而实现产品研制全过程的协同与优化。因此，适用于航天产品研制的IPD模式需要具备以下几个方面的特征。

1．里程碑式的结构化产品研制流程

以我国航天50多年研制经验为基础，以系统工程思想为指导，借鉴波音、SpaceX 和庞巴迪公司的成功理念，在项目研制3 个阶段（概念论证、样机研制和集成演示验证）的基础上进行细分，确定从概念论证到飞行试验的研制环节，并在设立多个里程碑节点的同时，设定每个节点的里程碑目标、输入条件和输出物，通过精细化管理模式推进项目进程，最终形成适用于预研产品研制的结构化流程。通过结构化流程固化节点要求，结合表格化进度控制和每周每日行动计划项目，全面保障项目研制计划节点的顺利推进，如图1所示。

图1 里程碑式结构化产品研制流程示意图

2．矩阵式管理与“微团队”结合的团队组织模式

航天集成产品开发团队的组建需要打破单位界限，实现从金字塔层级式管理模式向网络化扁平式的集成产品开发团队管理模式转变。传统的金字塔式管理模式将人员、技术和组织三者割裂开来，造成管理部门层级众多，不能集成优势资源力量，影响协同工作效率。

航天产品IPD 的实施过程需要采用网络化扁平式管理模式，在将人员、技术和组织三者合而为一的基础上，建立全生命周期集成产品开发团队的扁平式管理模式，通过集成产品管理团队对集成产品开发团队和集成产品开发“微团队”进行管理，以克服管理模式层级众多带来的缺陷，如图2所示。

为了提高团队协同效率，缩短信息传递链路，需要把基于专业分工的矩阵式管理与“微团队”的组织模式结合，建立涵盖产品研制相关专业的“微团队”，并基于“微团队”进行产品研制过程的任务分解、技术协同和质量控制，从而全面提升研发效率。

图2 网络化扁平式管理模式示意图

3．基于网络的协同机制和管理规范体系

在传统基于人的协同模式下，工作的分配、协调都是由人来控制的，很难实现跨单位、多专业的大规模协同。航天产品IPD 模式需要构建基于网络的协同方法，通过计算机管理工作流程，以使研制任务和全系统技术状态协调及时准确，从而保证产品设计、性能分析、工艺设计、工装设计及物流采购等存在的问题能够在源头被发现和解决，如图3所示。

通过建立集成产品开发过程管理的规范体系，建立精益研发的管理方法，形成了基于知识工程的设计模式、基于三维设计的全生命周期质量管理体系、人力资源统计调度方法和表格化计划进度控制等规范体系。根据项目里程碑节点要求进行人力资源需求的统计分析，并综合工作项目、技术难度、专业差异和熟练系数等因素确定项目人员爬坡计划，利用专业分析工具分析人力资源使用状况，从而进行科学调配。

4．以行动计划表和例会为载体的PDCA 管控机制

制定IPD 实施过程中的相关管理制度和规范体系，根据IPD实施目标和集成产品开发团队成员的专业技术能力，按照项目各阶段的里程碑节点把所有计划分解到集成产品开发“微团队”，以工时作为工作分解计量单位，通过“红绿灯”进展状态检查表、每日全飞行器样机状态协调等方式监控项目进展和实施情况。集成产品管理团队的周例会和日例会是确定项目行动计划的核心工具，通过例会和项目行动计划实现PDCA 的闭环管理过程。

二、具体项目实施过程

以某项目的研制为例，项目团队积极实践创新管理模式，采用了IPD 的创新管理模式开展项目研制工作。该项目中A 结构机构的IPD 实施过程打破了航天产品设计、工艺设计、工装设计、试验分析等专业“壁垒”，采用跨部门多专业联合的“蜂窝式”微团队加“积木式”模块化整体架构的组织管理模式，开展产品全生命周期协同设计和制造。通过对A 结构机构实施IPD 模式建立了基于模型定义（MBD）的全三维数字化设计平台，形成了设计规范体系和质量控制标准，以及基于知识工程的设计模板和基础设计库资源，固化了产品研制流程，探索了组建跨系统、多专业集成产品开发团队的途径。

1．创新产品研制的并行工程模式

在传统的产品研制过程中，设计、工艺和工装人员进入项目研制流程的关系如图4所示。A结构机构IPD 的实施过程探索了适用于航天预研产品研制的并行工程模式，采用了创新的全生命周期并行的研制模式，利用纵横结合的管理方法实现产品研制资源和技术能力应用的效率最大化，构建了融合产品设计和制造过程的研制流程，如图5所示。

图3 基于网络协同的并行产品研制模式示意图

2．基于三维模型定义的产品设计规范体系

航天结构机构产品设计模式在我国航天50多年的发展历程中，从二维CAD 图纸逐步进入了三维数字化设计时代，采用三维数字样机设计加二维图纸制造的模式消除了产品设计过程中的不协调问题，缩短了产品研制周期，降低了研制成本。目前，国内外知名航天航空企业大多采用这种产品设计制造模式。中国商用飞机有限责任公司的大型客机项目（C919）全面采用了基于MBD 的设计理念，国内其它航空航天产品研制也正在逐步引入基于MBD 的思想。基于MBD的设计技术是以三维产品模型为基础，集成了包括三维空间尺寸公差标注、制造要求标注在内的特征信息，满足了信息系统对产品特征描述、共享的直接传递要求，并实现了对产品信息的分类管理。

通过A结构机构的IPD实践，项目团队建立了基于MBD 全三维数字化设计的规范体系，包括《关联设计规范》、《三维建模规范》、《三维装配规范》、《电缆敷设设计手册》、《航电设备建模规范》、《标准件库建模规范》、《材料库建模规范》和《MBD 信息标注规范》等，涵盖了三维模型建立，标注了原材料规范、分析数据、测试需求信息以及产品尺寸与公差范围、制造工艺和精度要求等生产工艺约束条件，保证了MBD信息在设计、生产、试验等上下游环节间传递的一致性。

3．支持知识工程的产品协同设计机制

为了在结构化与非结构化产品研制流程中寻求最佳解决方案，项目团队大量采用了基于知识工程的设计手册、设计模板和设计资源库，保证了协同设计状态的一致性和产品设计质量。详细设计指导手册从关联设计、三维建模、模型装配、材料选择、材料特性、工艺可行性和标准件选用等方面详细规定了A 结构机构的设计要求，涵盖了项目实施过程中需要的大量知识。项目团队还编写了《A 结构机构的强度分析准则》，翻译整理了《美国航天结构设计准则》。

通过A 结构机构的IPD 实践，项目团队建立了基于MBD的零件设计、组件设计、钣金件设计、机加件设计和电缆管路设计等三维建模模板，以及标准件库、航天航空材料库、成品件库、电接插件库等设计资源库。

4．多专业协同“微团队”组织架构

组建了包含航天航空设计人员、工艺设计人员、工装设计人员、物流采购人员的集成产品开发“微团队”，以探索高效的在线协同设计模式。利用集成产品开发“微团队”替代单个主管设计人员，利用在线协同设计模式提升在线协同设计能力。通过多层级“微团队”的管理模式显著减少系统之间和专业之间的信息交换过程，压缩信息传递链路，打通了产品上下游环节的信息共享和交互通道，真正实现了以产品为核心的IPD 项目实施目标。

通过集成产品开发“微团队”打破专业和单位“壁垒”，由包含产品全生命周期相关专业的技术人员具体负责面向制造的相关子系统优化设计，从而实现了从宏观到细节、由外部到内部的接口协调模式。构建矩阵式多层级团队实现了“1-N-1”接口协调模式，显著减少了信息传递环节，扩大了信息共享渠道。

5．贯穿全生命周期的质量管控方法

在IPD 实施过程中初步建立了贯穿产品全生命周期的质量管控体系，包括责任落实、工具手段和流程方法等3 个方面。

图4 传统研制模式阶段示意图

图5 基于IPD模式的阶段示意图

由于A 结构机构的集成产品开发团队涉及单位多、人员多，为保证产品质量管控，在设计过程中首先要层层落实责任制。将整个团队按系统划分，在每个系统下分设大组、小组，做到系统负责人、团队负责人、大组长、小组长责任的层层落实，并将责任主体落实到具体设计人员身上。大组长负责各部段接口协调，小组长完成组内人员技术、管理协调，保证问题能及时协调、上报。

为保证设计质量，在三维产品设计、数模状态管控和生产现场等阶段形成了一系列技术状态管理制度，从制度上保证了技术状态变化的可控。

一是应用设计模板工程数据集。在A 结构机构的数字化设计中提出工程数据集的概念，即将所有设计、制造、采购信息全部集成在三维数模中，作为设计制造的唯一数据源。消除了传统由“三维协同几何参考、二维图尺寸协调”提供多个数据源容易引起不一致性的弊端，相对于传统设计方法具有明显优势。

二是应用三维协同设计数据质量表格化的检查方法。为了加快工程数据发放速度，采取了表格化的质量控制技术进行审签，其具体流程如图6所示。

三维模型质量检查单与传统的三级审签相比较，将校对内容进行了量化与具体化，能够有效保证签署的质量。实践证明，这种方法可以大幅度缩短细节设计时间并降低返工率，切实提高了产品质量。

三是应用工程数据集发放单。

在A 结构机构模型下厂过程中采用工程数据集发放单作为工程指令，有效解决了三维数模设计版本的更改问题。发放单分为首页和次页，首页供审签使用，次页用于进行参考性描述和更改描述。

图6 三维设计质量检查流程

工程数据集发放单是三维数模的有效性识别标签，只有审签齐全的发放单才可以随对应数模下厂。发放单在审签完成后被扫描成电子文件加载在协同设计平台之下，与三维模型成为一体，利于工艺准备。

四是现场跟产。生产现场采用纯三维数模装配技术。为了确保产品质量，项目团队根据三维设计制造数据源的特点，编制了《生产现场工作手册》，对生产过程中的关键装配工序进行装配前技术状态检查，装配过程中进行全程跟踪记录，做到总体要求、设计要求、零件加工问题、装配问题等所有技术状态的协调一致且可视化，有力保证了产品质量。

三、实施效果

通过IPD 模式的实施，某项目中A 结构机构仅用280 天就完成了从产品方案论证到总装的全过程，显著缩短了产品设计和制造周期；在产品零件生产、部段装配过程中未发现重大设计不合理、不协调问题，对确保任务完成起到了积极的推动作用。同时，该项目采用的IPD 模式也与其它型号进行了经验交流，得到了推广应用。◄