航空工艺技术
AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY
1999年　第3期　No.3 1999



浅谈并行工程原理及其在项目研制中的应用
Concurrent Engineering Principle and Its Application in Project Development
武洪臣　白瑞金
　　［摘要］　叙述了并行工程方法的起源和发展过程，并通过具体课题概述了并行工程的基本原理及在项目研制过程中的应用方法。
　　关键词： 工程设计　研制开发　并行工程

　　［ABSTRACT］　The origine and development process of concurrent engineering method are described. The basic principle of concurrent engineering and the application method in the project development process are introduced through the project in practice.
　　Keywords: Engineering design　Development　Concurrent engineering

1　并行工程的起源和效益
　　并行工程(Concurrent Engineering, CE)是在需求牵引和技术推动下产生并结合现有技术基础发展起来的新技术，80年代末首先出现于美国。本世纪60年代，系统工程方法在美国的工程管理体制上发挥了巨大作用，最典型的例子就是“阿波罗”登月计划的实施，如此庞大的项目(涉及千百所大学、研究单位和数以万计的工作人员)，没有系统工程管理是难以实现的。然而，从80年代开始，美国的整个经济遭到了日本的全面挑战，这促使美国人研究日本人致胜的原因。日本从60年代开始大力推行QC(Quality Control)小组，进入70年代后，更在全国范围内推行全面质量控制(TQC)，不但从大企业推向中小企业，还从第二产业(制造业)推向第三产业，从而极大地改善了产品和服务质量，使其在世界范围内的竞争力大大加强。
　　80年代中期，随着东欧的剧变和苏联的解体，世界格局发生了新的变化，西方国家在要求战斗力保持不变的情况下开始削减经费，因而对武器装备的研制提出了更高的要求：必须提高质量，节省投资，缩短周期。为此，美国首先参照日本的经验，在武器装备的研制中推行全面质量管理(TQM)。通过几年实践发现效果不甚理想，因为美国的社会文化背景与东方国家有很大差异，一方面，要美国职工组织QC小组，视厂如家，不断提出节省成本、提高质量的合理化建议是比较困难的；另一方面，要求美国企业主对职工终身雇用，使企业成为“大家庭”也是难以实现的。然而，尽管TQM的效果不明显，但不少企业在原来实施系统工程管理的基础上吸取了TQM中合理的内在核心要素，发展成了兼有系统工程管理(SEM)和全面质量管理(TQM)特点与优点的新技术――并行工程。
　　并行工程出现后，美国在90年代的新武器系统和民用产品的研制中都推行了这一方法，如波音公司、IBM公司、PW公司等均竞相采用，且成效显著。对几家公司的调查结果见表1。
　　美国空军的一般统计及综合分析表明，采用并行工程的效益体现在以下几个方面：
　　(1)改善了产品质量。制造缺陷下降87%，外场故障率下降83%。
　　(2)缩短了研制和生产准备时间。产品研制时间缩短60%，生产准备时间减少10%。
　　(3)改善了工程过程。工程更改与图纸更改减少15倍，早期的生产工程更改量减少50%，备件贮存减少60%，工程原型机的制造工作量减少3倍，废品和返工减少87%。
　　并行工程与传统工程方法相比，工程更改量有明显减少，且大部分更改在产品交付以前完成，见图1。


图1　采用与未采用并行工程的工程更改量比较
Fig.1　Comparison of engineering changes with 
and without concurrent engineering
表1　几家公司推行并行工程的效益

公 司 名 称应用并行
工程项目费 用 效 益研 制 周 期 效 益质　量　效　益
原麦道公司　反应堆，导弹，飞机　在反应堆和导弹项目上节省60%　某高速飞机的初步设计阶段由45周减少到8周；TAV-8B设计周期缩短18个月　TAV-8B飞机制造中，废品减少58%，返工费下降29%，由不协调发生的费用下降38%，每单元缺陷减少70%，图纸更改量减少68%
波音公司(弹
道导弹分部)　武器装备的研制　工时费用下降28美元/工时，报价费用下降30%　部件、器件的生产准备时间缩短30%；部件的设计分析时间缩短90%　器材缺陷从12%下降到0；99%的部件无缺陷运行
AT&T　新电路包产品　修理费用下降40%　总过程时间缩短46%　缺陷减少30%～87%
Hwictt-Packard
(仪器分部)　仪器，设备　制造成本下降42%　研制周期缩短35%　产品外场故障减少60%；废品和返工减少75%
IBM　计算机，电子产品　装配工时费用下降45%　设计周期缩短40%　工程更改减少，可靠性和可测试性得以保证


2　并行工程的实施过程
2.1　与传统研制过程的比较
　　传统的工程设计是按阶段顺序进行的，对一个新产品的开发大多采用所谓“抛过墙式”的序列化设计开发过程，见图2。产品从上一部门递交给下一部门(例如，设计开发部→工艺部→制造加工部→总装测试部等)，各部门都按自己的需求修改，很少考虑到下一部门的需求(可制造性，可装配性，可测试性，可维修性等)。即使有所考虑(如很有经验的设计人员)，也不可能把下一个后续过程的要求详尽地反映出来。由于这种传统的序列化研制过程不能在设计的早期反映产品在整个生命周期内的各种需求，使所制造的产品存在较多的缺陷，也就导致从概念设计到工艺过程设计的多次修改，而且在不同的环节中重复这一过程，造成了对原设计的大量改动，甚至是产品的返工，延长了产品的开发周期。据统计，产品成本的70%是在概念设计阶段确定的，但概念设计的修改费用占总费用的比例很小，而产品序列化研制过程的设计修改费用将大大增加，详细设计修改的费用是概念设计修改的10倍；生产工艺制造阶段修改的费用是详细设计修改的10倍，所以序列化研制方法难以适应激烈的市场竞争。


图2　传统序列化研制过程
Fig.2　Traditional sequence development process
　　并行工程是一种用来综合、协调产品的设计及其相关过程――包括制造和保障过程――的系统化方法。这种方法使研制人员从一开始就考虑从方案设计直到产品报废整个周期的所有要素。这种设计开发过程允许不同的研制阶段并行进行，且有一段搭接时间(见图3)，其特点是：


图3　并行研制过程
Fig.3　Concurrent development process
　　(1)在每一后续阶段开始时，前一阶段尚未结束；
　　(2)在后续阶段刚开始时，绝大多数信息是单向传输的(由上向下流动)，但经过一段时间后就变成双向的了，亦即在两个阶段的人员之间有了信息交流；
　　(3)当后续阶段发现以前的阶段存在问题时，可及时反馈信息，以便对上一阶段的设计进行修改。同时，前一阶段应将现行方案提交给后一阶段的工作人员，以便观察是否会产生矛盾和不协调的问题。
　　因此，采用并行的研制过程必须要求不同研制阶段的所有成员都能了解所研制产品的总目标和技术要求。虽然这个过程中的每一阶段的周期延长了，但由于减少了返工和修改量，因而能使产品的整个开发周期大大缩短。
　　通常认为，并行工程的实施要素有5个方面：
　　. 把用户需求转化为完整的产品和过程要求的规范化方法；
　　. 交互作用、协调的并行研制过程；
　　. 多学科(多专业)的集成产品开发团队(IPT)；
　　. 综合的计算机辅助环境；
　　. 人员的培训。
2.2　并行工程的实施方法
　　确定产品要求是产品研制的基础，也是研制过程中最重要而又最困难的一环。并行工程为人们提供了一种科学、规范化的方法来确定产品的综合要求，这就是“质量功能展开”或“质量功能布置”(Quality Function Development, QFD)。QFD于1972年在日本获得了承认，但直至1987年才被美国的许多公司采纳，它采用一种矩阵技术来改进其设计过程，为产品研制(包括生产)的每个阶段提供了将用户需求转换成相应技术要求的方法，其规范化流程见图4。一般需产生以下5个矩阵：用户需求(产品规划)矩阵；设计(部、零件展开)矩阵；产品特性矩阵；生产采购规划矩阵；质量控制矩阵。下文以一下具体产品“新型等离子喷涂系统”的研制为例来简要说明如何将用户需求通过矩阵与技术要求联系起来。


图4　QFD的规范化流程图
Fig.4　Standard flow chart of QFD
2.2.1　确定用户的需求
　　了解用户的需求是非常重要的，必须真正把握此项第一手资料，并按重要程度对需求项目排序。重要度可划分为5个等级(相应地按5个分数档1～5分记分，分数越高越重要)：
　　(1)对用户的重要性很低；
　　(2)对用户的重要性低；
　　(3)对用户有一定的重要性；
　　(4)对用户重要；
　　(5)对用户非常重要。
2.2.2　制作规划矩阵
　　根据用户需求确定相应的设计特性，并构成产品的“规划矩阵”，见图5。图中填写的内容主要用作举例说明，不一定确切。下文对该矩阵加以说明。



图5　研制等离子喷涂设备用的产品规划矩阵
Fig.5　Product plan matrix for developing plasma spraying equipment
　　(1)第1栏，用户需求。
　　一般应作市场调查以掌握用户需求的第一手资料，其重要性评价要相应记分。
　　(2)第2栏，产品设计特性。
　　把产品的各种特性作为矩阵的水平行，这些特性必须尽可能直接反映用户的需求，且要以可测试的术语来表达，以便进行监控，并应定期与目标值相比较。
　　(3)第3栏，用户需求与产品特性的关系。
　　该栏用来确定用户需求与产品设计特性的关系。鉴于用户的各种需求与每个特性之间的相关程度不同，一般要用一套符号(其数值用统计方法确定)来反映相关程度的强弱。
　　(4)第4栏，产品特性之间的关系。
　　产品的各设计特性之间也有着必然的联系，即一个特性的变化会影响到另一特性。这种关系可以用规划矩阵上部尖顶形式的“质量屋”来反映，这可使设计者非常方便和直观地看到各设计特性之间的关系。
　　(5)第5栏，市场评价。
　　QFD的关键在于弄清什么是用户所希望的，这些意见是QFD规划的基础。因此，应进行广泛的市场调查来评价现有产品的特性，亦即了解用户的满意度。根据Noriaki Kano提出的模型(图6)，用户满意度定义为3个级别：级别1为预期的或当然的质量条目，以第三象限延伸至第四象限的曲线表示，用户可能并不向供应商提起这些条目(就像设备的管路不应漏水，旅馆房间应有肥皂等)，这些起码的当然质量如果达到了要求，不能带来用户的满意，但如果供应商把它们忽略了，将会引起用户的强烈不满；级别2为规范质量条目，以第三象限延伸至第一象限的直线表示，这些条目用户往往描述得比较细致，如果产品能具备这些功能，用户就会满意，否则不满；级别3称为兴趣点或质量兴奋点，以第二象限延伸至第一象限的曲线表示，用户一般很少表达这方面的希望或要求，这些条目反映的功能实现不了，也不会引起用户的不满，但若能实现，将会使用户感到意外的满意。满意度量化以后可用数字表示(一般为1～5递增)，并填在矩阵的市场评价栏里，以便了解本公司产品在各方面满足用户的程度。对于新开发的产品，应多寻求那些具有兴奋点的质量条目，以期获得更高的用户满意度。


图6　用户满意度概念
Fig.6　Concept of satisfied degree of user
　　(6)第6栏，技术评价。
　　对现有产品，将其技术特性的量值以客观的可度量参数列在矩阵的下部，以比较各种产品的特点。
　　(7)第7栏，确定竞争目标。
　　竞争策略的确定，是在考虑了现有产品(包括本单位产品和市场上的同类产品)的竞争能力评价后，研制单位在新产品开发中所选择的方针策略。在确定竞争策略时，要考虑的因素有：用户需求重要度的高低；在这些领域中，本单位的过去和现状；与产品特性相关的成本与进度；竞争对手的潜在能力等。最后，应根据市场和用户的需求确定产品各项指标的目标值(从1～5递增)，并记录下来。
　　(8)第8栏，确定各项技术要求的指标。
　　选定了竞争策略后，便可为每个技术要求确定具体指标。这些目标产品的技术要求指标应是可测量的量化值或容易判定的，以便在各研制阶段予以监测。
　　(9)第9栏，计算技术要求的重要度。
　　技术要求的重要度可按下式计算：
　　(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)
式中：Zj――第j个技术要求的重要度；
　　　Wi――第i个用户要求的重要性评分；
　　　Rij――关系矩阵中第i个用户要求与第j个设计特性之间的相关度；
　　　m――用户需求项总数；
　　　n――产品设计特性总数。
　　(10)第10栏，技术难度。
　　技术难度一般也分为1～5等，数值越大，难度越高。技术难度一般由确定技术要求的综合产品研制小组商定。
　　(11)第11栏，选择需进一步展开的技术要求。
　　对那些重要度高、技术难度大的技术要求，应该进一步展开，以便在各阶段中均得以控制，并在规划矩阵的第11栏中填入“Y”。
　　以上就是构成产品规划矩阵的规范化步骤。按图4的流程，采取类似步骤可依次生成设计(部、零件展开)矩阵、产品特性矩阵以及生产采购规划矩阵。
2.2.3　对产品要求的管理
　　对产品要求的管理必须贯穿于产品研制的全过程。因此要组建由多个专业的顶层技术与管理人员组成的多功能小组。该小组的任务不仅应当提出和确定技术要求和设计方案，而且还要对产品的整个研制过程进行跟踪以随时协调解决问题。近年来，国外在大型设备的研制中组建了大量的综合产品研制小组，如PW公司在研制F-119的过程中组建了100个IPT小组，洛克希德飞机公司在研制F-22的过程中按几个层次(飞行器系统、6个主要分系统及下属产品)组建成了84个IPT小组，而在波音-777的研制中，这样的小组多达238个，均取得了满意的效果。
2.2.4　利用综合的计算机辅助环境设计制造产品
　　综合的计算机环境通常是指CAD/CAM/CALS三位一体的计算机辅助设计制造和后勤保障的成套软件包。目前CAD/CAM国内外均已相当成熟，但计算机辅助采办和后勤保障(CALS)尚在开发中。即使如此，仍可用现有的CAD/CAM对产品进行开发研制，尽量使用100%的三维数字化产品设计，这样，在发图前就能进行电子样机模拟。尤其是设备中的机械部分，应进行数字化预安装，以检查各部件的干涉、配合等情况，也可用计算机进行重量、应力等的分析计算。与采用物理样机相比，可大大提高产品合格率并降低费用。
　　以上只是并行工程方法在项目研制中的简要说明，对于复杂的大型型号任务来说，情况要复杂得多。

3　结束语
　　并行工程作为现代化制造技术的发展方向，日益受到各国工业界和学术界的高度重视。经过近10年的发展，并行工程方法和技术逐渐在国外的航空、计算机、汽车、电子等行业获得成功的应用，取得了显著的效益。最成功的例子是波音-777的研制成功，整个开发周期仅用了约4年的时间，真正实现了无图纸加工，更改工作量很少，若用传统方法至少需花13～14年的时间。我国863?CIMS项目已把并行工程列为重要研究课题之一。当然，在学习国外先进的管理经验时，应该看到，我国在型号研制的体制、环境、资源条件、人员素质等方面与国外有很大差别，但国外的先进经验对我国现代化工程系统和新产品的研制工作必将有所帮助，因而值得我们认真研究和借鉴。

　　致谢：在本文的整理过程中，北京航空工艺研究所邓宏筹研究员提出了许多宝贵意见，在此表示衷心感谢。
作者单位：北京航空工艺研究所
参考文献
　　1　潘雪增主编.并行工程原理及应用.北京：清华大学出版社，1997
　　2　美国系统工程管理.王若松，章国栋，阮镰，隋士光译.北京：航空工业出版社，1991
(责编　文　洵)　
