从国外模块化的产业模式看航天企业创新之路

◎中国运载火箭技术研究院总体设计部 刘靖东

很多人都认为总装是飞机制造的核心技术，制造商通常会把总装技术留在公司内部，但其实总装在飞机众多技术中只占很小的比例。空客A320型飞机的总装线只有机身、机翼、发动机和起落架，分为总装、喷漆、调试和试飞4个部分，空客把这四大件运到位于天津的总装厂，由中方拼装后喷漆就可以了，创造的价值不超过整机价值的2%。

另一个典型的例子是SpaceX公司，其通过火箭部件的标准化和通用化，力求箭体结构、导航控制、发动机等在不同型号上的通用；同时，大量使用成熟技术和设备，缩短供应链，尽力做到子系统自己设计生产，从而大幅度降低了产品成本。“猎鹰”9运载火箭的发射费用为每枚5400万美元，极具市场竞争力。

那么是什么让空客把看似核心的系统集成、总装测试任务做到了低技术含量？又是什么让SpaceX公司把系统复杂、价格昂贵的飞行器研制做到了物美价廉？这背后的根源就是模块化，一种按照一定规则将复杂系统或过程分解为可进行独立设计的半自律性子系统，并按照某种规则将独立设计的子系统集成起来，构成更加复杂的系统或过程的方法。

一、模块化的基本概念

模块化理论可以追溯到20世纪五六十年代，源于工厂加工制造过程，随着市场变化的加剧和产品复杂性的增强，模块化的应用范围不断拓宽，目前已涉及设计、生产和组织架构等方面。

1.设计模块化

模块系统的正常运转依赖设计规则、独立实验和模块测试。设计规则确立了模块结构、界面和测试协议；独立实验是为了寻找到设计所蕴含的可能性，产生众多备选方案；模块测试则是作为一种选择机制，利用现有的测试技术对各种设计进行评估和选择。

不同模块之间的相互关系由系统设计规则界定，其由结构、界面、标准3个要素组成。结构确定模块系统的构成要素，界面详细规定模块的相互作用、位置安排、信息交换等，标准用来确保模块符合设计规则。设计规则一旦确定，每个模块的设计和改进就可以独立于其它模块进行。

2.生产模块化

生产模块化的核心是基于分工和专业化协作把生产过程或产品构件进行分解，再通过相互协作生产复杂产品的过程。生产模块化分为组件共享、互换、量体裁衣、混合、总线和组合6种方式。

3.组织模块化

为了降低成本，以更优化的方式设计、制造模块，企业围绕产品或功能的模块化进行部门或分公司的模块化，并通过外包、代工等活动结成企业联盟。

根据模块之间信息传递方式的不同，模块组织模式分为金字塔型（IBM型）、信息同化型（丰田型）和信息异化型（硅谷型）3种。

随着多个企业层面组织模块化的实现，使模块产品或模块组织兼容、嵌入到其它企业的产品或组织成为可能，从而引发了相关企业的跨产业重组，导致产业集群盛行，最终出现了产业模块化。早期欧美航空航天产品研制几乎都是在整机企业内部或下属企业进行生产，一级、二级甚至三级、四级零部件企业都属于整机企业的一部分。但随着整机企业边界不断扩大，企业内部组织成本递增，整机企业把零部件业务转包出去，集中力量进行整机设计研发和最后组装等环节。

二、对我国航天型号研制的启示

航天型号系统构成复杂、产品层次复杂、专业技术复杂，多采用集合式生产，追求从设计到生产的大而全的过程，将资源分散于各个环节。管理工作以“型号”为中心，模式复杂、环节众多、协调复杂。面对当前型号日益增多、技术日益多样、生产日益复杂、任务日益繁重的现实，部分航天企业核心能力不足的问题逐渐显现。模块化理论以系统工程和标准化为方法论基础，为新时期航天型号研制指明了方向。

1.逐级细化模块，强化规则管控

模块化理论要求集成商重点关注模块界面划分、设计规则、集成验证规则的制定，弱化对模块内部技术细节的掌控。

因此，航天型号研制应在当前系统分解的基础上进行更为精细的模块分解，逐级、逐层细化至有效、可控、优化的模块层级，明确每个模块层级的设计和测试规则，特别是性能类、环境类、几何类接口信息。需要指出的是，模块细分程度不同，系统集成商获取系统信息、制定设计规则的难度也不同，集成测试的成本也不同，因此不能一味地强调模块分解而掉入模块化的“陷阱”。

2.加强独立测试，注重集成验证

模块化理论认为模块化的不完整、不完善问题往往是在相关模块集中在一起，并作为整体功能失常时才会暴露出来。模块集成商必须具有足够的控制力或掌握各个模块的技术总和，才能有效地控制各个模块，集成商的控制力主要体现在设计规则和集成测试。

因此，航天型号研制要加强模块集成商，尤其是型号总体单位的总体设计和集成验证能力，特别是对系统的结构、界面、标准的设计和验证，着力加强总体设计环节的分析、建模、仿真、评估等能力，强化系统集成环节的仿真验证和试验验证能力，确保设计规则的完备性、准确性，确保总体性能优化。

3.以模块为对象进行全要素管理

模块化理论要求企业将组织机构、人员配置、资源配备、业务流程等相关职权按照模块单元进行分配，通过权力分配与模块封装形成包括主导模块、职能模块、经营模块等在内的职权模块，以达到权力下放并最终调动员工积极性的目的。

因此，航天型号研制需改变当前以行政指令为主的管控模式，通过市场交易、内部市场等方式逐步建立以产品模块、技术模块为对象，涵盖计划、经费、质量、人员等要素的一体化管控模式。

4.引入模块竞争，扩大集成空间

模块化理论强调模块供应商独立、自发地进行创新活动，同一个模块可有多个参与者，供应商和集成商之间要通过市场选择确定最终的系统组合，以确保模块研制性能、进度、成本最优，在将系统风险分解到各模块的同时，保证了系统整体创新速度。

因此，航天型号研制应更多地引入模块供应商，也就是更多地在分系统、单机、组件、元器件研制层面引入竞争机制，确保模块的充分竞争和有效演进，扩大总体、系统的有效选择空间。

5.同类专业聚集，提升核心能力

模块化理论认为，模块化设计与生产最终将导致组织的模块化。对于复杂产品企业而言，不论金字塔型、信息同化型还是信息异化型组织模式，都能够有效发展企业核心能力、降低技术风险、减少研制成本、缩短开发周期。

当前，航天型号研制形成了越来越清晰的专业层次界面。按照模块化发展趋势，专业厂所专注于分系统、单机技术开发和产品开发，建立完善的分系统、单机仿真中心和实验室，与生产部门整合，形成专业突出、技术先进、反应快捷、系列产品、批生产、成本低廉的专业类科研联合体。总体单位专注于总体设计、系统设计与集成，负责总体类专业技术开发，在充分掌握分系统、单机成熟产品、成熟技术的基础上进行总体和系统方案设计，建立完善的总体、系统仿真中心及实验室，集成分系统、单机的数字模型进行总体和系统性能仿真，集成分系统、单机的实物产品进行总体和系统性能试验验证，与总装总测联系更加紧密，形成总体类科研联合体。这些科研联合体适应模块化、专业化、协同化、并行化的发展趋势，形成自由组合、专业互补、优势互补、战略结盟、反应快捷的网状化科研体系。

三、对总体设计的启示

中国运载火箭技术研究院总体设计部作为航天运输与型号研制总体单位，技术层级多、专业领域多，应通过更为系统化的模块分解、标准化的接口设计、通用化的模块开发和组合化的模块集成，形成航天型号研制技术平台和产品系列，以满足复杂、多变的研制需求。

首先，按照模块化思路分解系统整体功能，把关系密切的功能要素聚合成独立功能的模块，逐层定义功能结构形式，通过合理组合、优化功能结构布局将系统整体功能需求逐层转化为可实现、可测试的模块设计要求，形成涵盖体系、领域、型号、系统、关键单机甚至是零组件等在内的模块化技术系统、产品体系架构，并明确不同层级的技术和产品平台。

其次，详细定义接口系统和测试准则，确保包括机械、电气、软件以及人机、机环、人环等在内的各类物质、能量、信息共享接口线性可叠加，而不是非线性耦合；将接口作为一个系统进行管理，尽可能采用通用和标准接口，通过制定不同模块层级详细的测试内容和判据准则避免过度测试，确保以最少测试量实现模块测试的覆盖性和集成测试的有效性。接口定义应力求强内聚、弱耦合，使模块内部功能、结构复杂，但对外输入、输出简单。系统应将下级模块作为黑箱，主要考虑模块功能分解和外部接口，而基本不涉及内部具体结构。

最后，将设计资源按照模块体系进行整合，将标准规范、产品模型、基本数据、设计知识等技术资源进行归集，形成基于不同层级与专业的模块化技术平台，统一技术要素, 高起点开展设计工作，减少低层次、低水平重复劳动，促进技术共享，形成快速技术开发能力。

当前，在传统的资源配置方式、企业竞争模式和产业组织结构发生重大改变的同时，无论是专业厂所，还是总体设计单位，都应抓住航天科技工业快速发展带来的前所未有的机遇和挑战，重新评估企业和产品技术的价值链，审视产品结构和技术体系，找出优势环节，重新定位核心能力，进行资源重组和体制创新，以确保在市场竞争中占据优势。