价值驱动设计在商用飞机概念设计阶段中的应用

陈诚

摘要：中国的商用大飞机项目近几年取得了长足的发展，宽体客机也已立项，但是面临严峻的市场考验和成本压力，只在满足适航规章的前提下获得技术成功是不够的。商用飞机的经济性成为了飞机能否为制造商和用户带来合理利润，最终取得商业成功的最关键因素。为了探索飞机经济性设计，本文在介绍价值驱动设计定义与流程的基础之上，比较价值驱动设计与传统系统工程的区别，并将价值驱动设计理念应用到民用客机概念设计阶段，为探索该阶段经济性设计方法提供支撑。

Abstract： China commercial aircraft project has achieved great development in recent years and the wide-body aircraft project is started. However， facing the severe market challenge and cost pressures， it is not enough to achieve technical success under the condition of satisfying the airworthiness regulations. The commercial aircraft economy has become the most critical factor to bring reasonable profit to the manufacturer and users and achieve commercial success finally. In order to explore the aircraft economy design， this paper introduces the definition and the process of value driven design and compares the difference between value driven design and traditional system engineering. In order to support the exploration of economy design method in conceptual design stage， the concept of value driven design is applied to civil aircraft conceptual design stage.

关键词：价值驱动设计；系统工程；商用飞机；概念设计

Key words： value driven design；system engineering；commercial aircraft；conceptual design

中图分类号：V214.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）21-0184-04

1 简介

当下，世界上的大型复杂系统项目面临着相似的困境——预算超额，交付延期。对于国际商用航空制造业，波音公司的梦想客机B787项目延迟交付两年，预算超出25亿美元[1]。相同的，空客公司的空中巨无霸A380延期交付两年，预算超出20亿欧元[2]。对于其他大型工程项目，相似的情况屡见不鲜[3]。对这些项目的考察表明，目前的系统工程方法并不再简单适用。项目的需求往往在项目开始前就已经确定，但研发出的产品却并不符合这些需求。虽然项目都设立了相应的风险管理团队，项目成员也都认真执行风险管理规定，但是在几乎所有的项目上都无法避免重要延期的发生。有理论指出，预算超额和交付延期并不是随机出现的不可控因素，而是复杂系统开发的自然结果，与系统工程水平一致[4]。应用在系统工程过程中的大量边际方法、流程和工具并没有带来效益。多目标优化和多学科优化的研究和工具发展带来的影响也远远无法改变现状。

为了降低大型复杂项目成本，促进项目按时保质交付，国外研究人员在将经济学应用到工程业的过程中不断发展并最终提出了价值驱动设计（Value Driven Design， VDD）方法作为解决办法。2005年，美国航空航天学会系统工程科学委员会（AIAA Systems Engineering Technical Committee，AIAA SE TC）与AIAA经济性科学委员会（AIAA Economics TC）及AIAA多学科优化科学委员会（AIAA Multidisciplinary Optimization TC）的專家一起组成了价值驱动设计委员会，专门研究价值驱动设计方法、流程和工具[5]。

对于商用飞机而言，全寿命周期成本的65%在概念设计阶段已经确定[6]。如果在概念设计阶段没有做好成本分析，没有做出合适的项目进度规划，在后续阶段付出更大的精力与努力也将收效甚微。本文首先介绍价值驱动设计的定义及流程，主要讨论比较价值驱动设计与传统系统工程的区别，并在此基础上，将价值驱动设计思想引入商用飞机概念设计阶段，阐述价值驱动设计在概念设计阶段降低项目成本，保证项目进度的作用。

2 价值驱动设计定义与过程

AIAA价值驱动设计委员会将价值驱动设计初步定义为“使用需求灵活性、正式优化和数学价值模型来平衡性能、成本、进度和其他重要的指标从而尽可能的产生最好的结果的一种改良设计方法”[7]。虽然被定义为一种方法，事实上价值驱动设计并不是某个确定的方法或程序，而是旨在超越传统系统工程（Traditional Systems Engineering， TSE）思维模式的一种新的系统工程思维模式，在这种模式下将会产生大量的新方法和新程序[8]。

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价值驱动设计的过程用图2的循环图展示出来。设计过程一般从选择设计变量开始，设计团队在设计空间中选择一个点（即设计矢量）来尝试初步设计，设计矢量描述了一个设计方案的大致轮廓。随后，设计者将设计矢量详细地表示出来，即转化为相应的构型（也称产品定义或部件定义）。工程师使用基于物理模型的工具评估对象属性，分析产生对设计目标的第二描述—属性矢量。Simon把定义与分析阶段描述为将工程语言（即设计变量）转化为联系客户的语言（即属性）的过程[9]。这个过程刚好与在产品需求分析阶段将市场客户需求转变为提供给工程师的技术需求的过程相反。

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價值驱动设计与传统系统工程的最大区别在于“评估”过程。在传统系统工程中，“评估”过程用来决定性能是否满足需求。如果满足，循环结束；否则，另一个循环开始或者宣布项目失败。价值驱动设计使用目标函数或价值模型评估属性，为每个性能集给出一个评分，若现有构型比之前某个尝试评分低，则进入下一个循环；若现有构型比之前任何尝试都好，设计团队可以接受该构型或通过进一步循环来产生更好的设计。在获得评分后的“优化改进”过程中，设计者使用设计矢量、属性矢量和评估结果值在设计空间范围内推测如何改变初始设计矢量以获得更好的设计。需要注意的是，优良的产品往往是设计出来而不是通过某种特定模型或方法固定获得的。作为优化思维而非具体方法，价值驱动设计不强迫设计者使用正式优化方法。在设计循环的每次迭代中，设计者可以通过判断自由推测并选择新的设计变量。

3 价值驱动设计与传统系统工程比较

价值驱动设计与传统系统工程的主要不同在于设计结果的评估和优化过程，为了使系统和元件设计工程师在整个解空间中获得最优设计，价值驱动设计专注于将需求灵活性以及分级优化贯穿所有子系统评估和优化过程中。另外，价值驱动设计将成本分析放在需求定义阶段，使项目管理者从项目开始时就对成本有更好的了解和控制。相较于传统系统工程对飞机延伸属性提需求的方式，价值驱动设计用标量目标函数处理延伸属性。两者区别简述如表1。

在传统系统工程中，如果每个子系统均满足需求，整个系统也将会满足最终需求。运用传统系统工程概念的工程师尝试给每个子系统分配特殊性能指标值。然而，随着系统复杂性的增加，子系统的复杂性及子系统相互交联的结构复杂性也会大大增加，把众多子系统以这种方式融合到一起非常困难甚至不可能。相比而言，价值驱动设计引入了“松耦合”（loose coupling）的概念。“松耦合”是一种以允许各子系统至少可以半独立的发展而不是紧密融合的形式融合各子系统的耦合方式。这个概念为工程师设计和开发具有更高复杂性的系统提供支撑。价值驱动设计通过给每个子系统分配一个性能指标范围的方式优化整个系统性能。使用性能指标范围而不是某个明确的性能指标值来限定子系统开发能够帮助系统工程师或项目管理者更好地评估改变子系统性能所带来的影响。在实际工程中，提高某些子系统的性能并不能提升整体系统的价值，反而增加系统和子系统成本和复杂性，而降低某些子系统性能带来的整体影响并不大，使用这种方法发现这些潜在的子系统，为降低系统成本和复杂性打开一个可权衡空间，支持项目管理者决策，确保系统工程师能够优化整个系统功能成本比。子系统性能指标范围的概念也将减少硬性技术需求的数量，这为子系统乃至整个系统发展提供更多灵活性和创新机会，有助于降低项目风险，提高在约定计划时间内和预算框架下交付满足整体性能的系统的可能性。

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另一个很大的不同是，价值驱动设计把成本作为独立变量（Cost As an Independent Variable CAIV）过程从传统系统工程谈判过程的最后一步转变到需求定义阶段中。在目前有关系统工程的谈判中，用户首先提出需求，供应商将客户需求转化为技术需求，最后双方议价并签约。由于系统复杂性过高，供应商多数时候不能满足所有需求，这导致用户和供应商协商删减需求或者确定满足使用者需求的额外资金。现在使用的CAIV过程往往在后续的谈判中体现出来。价值驱动设计把这些协商转移到需求发展过程中，引入性能空间的概念给供应商提供一个更加现实的目标空间，使用户对他们将要接收的系统有更加清楚的认识，同时确保系统工程师能够直接与客户接触商议，从而使得在初始设计之前及在系统螺旋发展的全过程中商定系统性能和成本取舍。

另外，价值驱动设计还改变了设计者处理“延伸属性”的方法。延伸属性是产品、系统或其原件与项目进度或成本相关的属性。系统属性是元件属性的函数，系统的延伸属性也是元件延伸属性的函数。延伸属性的典型例子包括重量、所有性能属性、可靠性、维修性、安全性和相似保障性属性以及成本的所有方面。从整个项目的角度来说，计划进度和技术风险也是延伸属性。在价值驱动设计框架下，无论在系统层级还是元件层级，都没有需求应用于延伸属性。也就是说，不会给设计者传递诸如重要阈值、目标重量等类似的需求。取而代之的是，每个工程团队（系统团队、子系统团队等）都有一个目标函数，该函数为标量函数，将团队的所有属性集转化为一个评分。团队的任务是在满足所有非延伸属性的需求的同时创造一种能够获得最高分值的设计。同样的，系统和元件有各自的目标函数，工程师可以通过目标函数来监控元件属性状态和系统集成属性状态，并采取合适的措施来维持系统平衡。

4 价值驱动的商用飞机概念设计流程

图2的循环适用于系统部件的详细设计或者整个系统的概念设计。Daniel P. Raymer在《Aircraft Design： A Conceptual Approach》一书中提出了一个经典的商用飞机概念设计流程[10]，本节以此流程为基础，将价值驱动设计的理念应用到商用飞机概念设计中，流程如图4所示。

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图4描述了价值驱动的商用飞机概念设计阶段的流程。概念设计由潜在客户提出的需求或公司产生的新概念开始。通过探究技术可行性，设计团队获得概念设计变量空间，包括航程、配重、起飞和着陆距离、速度等诸多设计变量的可选择范围。概念草图确定飞机发动机个数、尾翼布局等基本外观，在后续的概念设计阶段迭代过程中，如无重大变化，飞机的基本外观布置不做改變。概念设计的设计迭代从确定概念构型开始，概念构型确定飞机机翼、机身、尾翼等各部分的尺寸，获得飞机的三视图。性能分析侧重飞机性能的确定，获得空气动力学、重量、推力等方面的参数。性能分析一方面通过物理分析软件，如FLUENT，CAD等获得飞机的气动力、结构、强度等方面的物理参数，另一方面则通过数学模型获得如重量、所需推力等数学参数。在进行性能分析的同时，设计人员可以以历史数据为基础结合实际市场情况统计分析飞机成本，获得相应功能的成本。此外，为了对设计备选方案进行价值评估，还需要获得各个子系统及功能的权重值，这可以通过专家打分的方式或者历史数据回归分析获得。在确定概念构型、飞机性能、功能成本和功能权重的基础上，价值评估过程通过数学价值模型进行评估并给出相应的设计评分。设计团队如接受该设计结果则概念设计阶段迭代结束，进入初始设计阶段，如不接受设计结果则进行构型、性能优化后进入下一轮设计迭代。图中阴影框显示了价值驱动设计流程相较传统设计流程多出的环节。

5 结语

本文阐述了价值驱动设计的概念，详细描述了一般的价值驱动设计流程，深入比较了价值驱动设计与传统系统工程的区别，并将价值驱动设计理念应用到飞机概念设计阶段流程中，为未来进行具体价值设计的研究提供理论基础。未来的研究可以先以飞机某个系统作为突破点，研究飞机单个系统的功能成本比值，进而可以将方法推广到整机的所有系统，同时加入对重量成本及时间成本的考虑，获得实际运用的整套整机价值评估方法。

参考文献：

[1]Schofield A.. End Of Year Is New Goal For 787 First Flight. [online] Available at： http：//aviacaonoticias.wordpress.com/2009/08/28/end-of-year-is-new-goal-for-787-first-flight/ retrieve on Mar 1， 2017.

[2]Shannon D.. Airbus reveals latest A380 delay will cost EADS ？褷2.8 billion in pre-tax earnings 2006-2010. [online] Available at： https：//www.flightglobal.com/news/articles/airbus-reveals-latest-a-delay-will-cost-eads-billion-in-pre-tax-earnings--209671/ retrieve on Mar 1， 2017.

[3]Eveker K.. The Budgetary Implications of NASA's Current Plans for Space Exploration. [online] Available at： https：//www.cbo.gov/publication/20537？index=10051 retrieve on Mar 1， 2017.

[4]Collopy P.D.. Adverse Impact of Extensive Attribute Requirements on the Design of Complex Systems[J]. AIAA Paper， 2007， 2007-7820.

[5]Dahlgren J. Real Options and Value Driven Design in Spiral Development [J]. INCOSE International Symposium， 2006， 16（1）： 1308-1317.

[6]叶叶沛.民用飞机经济性[M].成都：西南交通大学出版社，2013.

[7]Cheung J.M.W.， Scanlan J.P. and Wiseall S.S.. An aerospace component cost modeling study for value driven design. Proceedings from the 1st CIRP Industrial Product-Service Systems Conference， Cranfield， UK， 2009.

[8]Collopy P.D.. Hollingsworth P. Value-Driven Design. Paper presented at the 9th AIAA Aviation Technology， Integration， and Operations Conference， Hilton Head， South Carolina， 2009.

[9]Simon H. The science of Design： Creating the artificial [M]. Cambridge， Massachusetts： The MIT Press， 1996.

[10]Raymer D. Aircraft design： a conceptual approach [M]. Washington： American Institute of Aeronautics and Astronautics， 2012.