飞机研发方案设计定义（商用飞机高度复杂产品的研发管理）

2010 年底，来自空客公司的 汉斯-亨利奇·阿尔特菲尔德（Hans-Henrich Altfeld）博士，出版了《商用飞机项目—高度复杂产品的研发管理》一书。该书在国内由唐长红等人翻译，中文版于 2013 年由航空工业出版社出版。

中文版将书名翻译为： “复杂高端产品的研发管理”，自感不妥。

汉斯-亨利奇，参与了 “空中巨无霸”——空客 A380 的整个研制过程。针对 A380 这样的极端复杂产品，汉斯-亨利奇 提出了解决其研发管理问题的思路。他没有局限于《项目管理》、《系统工程》、《供应链管理》等一些具体的管理技术，而是深入到各个管理技术之间的结合部，就 “综合管理” 进行了深入探讨。

02 System of Systems

首先，我们引入 “体系” (SoS，System of Systems)的概念。简单来说，体系是由多个系统（含复杂系统）组合而成的大系统。

2005 年，美国成立了 2 个体系研究中心，一个是体系工程研究中心 (SOSECE，SoS Engineering Center of Excellence)，另一个是美国老道名大学 (Old Dominate University) 的国家体系研究中心 (NCOSE，National Centers of SoS Engineering)。他们在体系研究方面取得了大量成果。

根据 “System of Systems” 的字面意思，体系是 “系统之系统”。它区别于一般系统的主要特点是：

• 体系规模庞大，结构复杂，由各分系统协作集成；

• 体系内各分系统可独立运行、完成各自功能；

• 体系内各分系统在实现共同目标时相互依赖，可提供超越分系统的全新功能。

而 “体系工程”，区别于一般 “系统工程” 的主要特点是：狭义的系统工程一般关注单一复杂系统，而体系工程则用于解决体系中多个复杂系统的集成。

在不同领域和应用背景下，体系的定义也不完全相同。在航空运输领域，典型的商用飞机体系层级如下图所示。

03 复杂产品研制过程

我们对商用飞机的体系结构有了初步了解之后，让我们回到商用飞机的研制过程。

商用飞机是复杂产品，其全生命周期包括立项论证、研制、生产、使用、退役等几个阶段，这里我们重点关注 “研制” 过程。

SAE 发布的相关标准，将飞机研制划分为概念设计、初步设计、详细设计、确认验证等阶段。

这里我们对研制过程的简单介绍，是为了更好的理解研发管理过程。至于每个研制阶段的进入退出标准、开展的具体工作，不是本文重点，这里不再赘述。

04 复杂性体现在哪里？

我们多次提到 “复杂产品”、“复杂系统” 的概念，那么商用飞机的 “复杂性”，究竟体现在哪里呢？

A. 结构复杂性

商用飞机的研发是典型的体系工程，是飞控系统、航电系统、液压系统、电源系统、飞机结构、发动机等多个复杂系统的集成。各系统之间的信号交联、安装干涉、协同工作，进一步加剧了飞机研制的复杂性。

注：结构复杂性中的“结构”，非特指飞机机械结构，也包括人员结构、工作组成等内容。

让我们举两个例子来理解这种复杂性。波音 777 项目，共计产生约 75000 张图纸，450 万个零件，投入了 6500 名员工（不含供应商的人力投入）。空客 A380 项目也产生了 79000 张图纸，投入了 6000 名员工。商用飞机的零件数量是一辆汽车的数百倍甚至上千倍，其 “复杂性” 不言而喻。

而且，现代商用飞机的研发，不再是一国行为。例如空客公司就是欧洲四国组建而来，中国C919飞机供应商遍布全球。因此文化多元、背景差异、语言障碍，都为结构性复杂带来了挑战。

此外，为满足航空公司和适航审定的要求，商用飞机项目对安全性和重量的要求，达到了近乎苛刻的程度。其冗余设计、非相似设计、隔离设计、减重设计，无疑增加了设计的复杂程度。

B. 动态复杂性

由于新技术的应用、设计经验缺乏等原因，商用飞机的研制过程，很难避免 “设计更改” 的发生。结构设计、电子部件设计、软件设计等，往往要经过多轮的迭代（返工），才能到达一定的成熟度。

现在商用飞机的研发周期相对较长，通常为 5-8 年。我们研制的产品能否满足 5-8 年之后的市场需求，存在较多不确定性。英法联合设计的 “协和” 号飞机，其油耗巨大。最初由于燃油价格较低，用户对飞机油耗并不敏感。后来石油危机爆发，燃油价格巨幅上涨，直接导致大量用户取消了订单。

而且，由于飞机的研发周期比较长，一名飞机设计师在整个职业生涯中，最多经历 3-4 个飞机型号的研制过程，而新的工具和技术推陈出新，设计师所要完成的新任务层出不穷，这使其经验积累和延续变得越来越难。现如今，航空制造业岗位的竞争力，不断受到互联网、人工智能等新兴行业的挑战，人员流动和人才流失，加剧了飞机设计经验积累的难度。

此外，商用飞机的采购虽然是市场行为，但部分交易往往带有政治色彩。国际政治风云形势的变化，航空运输行业的景气程度，航空公司的运营情况，均会对商用飞机的市场需求产生决定性影响。而商用飞机长周期研制和进度容易拖后的特点，使其影响更加错综复杂。

C. 风险较难管控

在飞机研制项目不多的情况下，航空制造单位不得不增加培训方面的投资，以提高员工的熟练程度，了解各种工作的基本原理，掌握最新的方法和工具。但即便如此，飞机项目的长周期研制，使得培养经验丰富的人才，变得十分困难。这已成为部分航空航天项目屡屡失败和风险失控的根本原因。

此外，商用飞机的投资额惊人，当波音 747 开始研制时，其预计的研制成本是波音公司净资产的 3 倍多。一旦资金链断裂，其风险是致命的。上世纪 90 年代，飞机制造商 Fokker 公司，在研制小型飞机 F70 时，就遇到了资金问题，导致公司破产。2017 年，庞巴迪在 C 系列项目上，由于难以承受的财务压力，也不得不与空客合作，而空客持有 C 系列 50.01% 的股份。

C 系列 CS100 型飞机如下图所示。

D. 小结

我们已经把商用飞机研发的 “复杂性”，分为 “结构复杂性”、“动态复杂性” 和 “风险较难管控”。逐一解决这些复杂性问题，是商用飞机研发管理的重点，也是本文的核心内容。

05 减小“结构复杂性”

针对商用飞机的 “结构复杂性” 问题，汉斯-亨利奇形象地提出 “Slicing the Elephant” （分割大象）的理论。针对复杂项目中庞大的数据和信息，采用结构化的体系架构，将复杂对象简单化，同时结合 系统工程、需求管理（V&V）等工具和方法，以减小结构复杂性，支持产品的研发管理。

结构化的体系架构一般分为：分解结构和顺序结构。分解结构一般采用自上而下的分解树的形式，将一个模块逐层分解为多个模块。常见的有：

• 产品分解结构（PBS，Product Breakdown Structure）；

• 工作分解结构（WBS，Work Breakdown Structure）；

• 组织分解结构（OBS，Organization Breakdown Structure）；

• 成本分解结构（CBS，Cost Breakdown Structure）等。

顺序结构一般采用自前向后的输入输出的形式，通常采用时间作为水平轴。常见的有：

• 制造过程架构（BPA，Build Process Architecture）；

• 进度计划（Schedule Planning）等

PBS、WBS、OBS 和 进度计划 等，对于减小结构复杂性至关重要，这里进行简要说明。

A. 产品分解结构 PBS

PBS 以产品本身作为分解对象，采用分区的方式，将飞机分解成越来越小的区域，直到零部件。PBS 是进行 WBS 工作分解的前提条件。

下图给出了商用飞机研制过程中的顶层需求文件，和相应的产品分解结构示意图。

注：图中，TLARD 是顶层飞机级需求文件，TLSRD 是顶层系统级需求文件，TLStrRD 是顶层结构需求文件。

通常我们会按照 ATA 章节号，将飞机分解为不同的系统和不同的结构部件。例如 ATA22 是自动飞行控制系统，ATA27 是飞控系统，ATA57 是飞机机翼等。

B. 工作分解结构 WBS

WBS 以交付产品为导向进行工作分解。与 PBS 区别在于：PBS 是对产品本身的分解，而 WBS 面向过程，以产品为导向，是对工作任务的分解。

在商用飞机研发管理过程中，WBS 以产品分解结构 PBS 为基础，将产品设计、制造、试验、取证、维修过程中的工作类别及工作内容，逐层进行细化分解。

WBS 在每个层次上表现为 “工作包”，较高层次工作包的工作说明文件，通常称之为 “SOW”。SOW 对所要完成的工作、输入输出、分工情况、完成节点等进行说明。

C. 组织分解结构 OBS

OBS 基于产品研制需求，识别人力资源各层级组织架构。OBS 按照工作分工和工作类别进行定义，它应列出项目成员、各级负责人以及人员之间的汇报关系，并把人员与 WBS 中的工作包有条理的联系起来，形成关系矩阵。

同样的，PBS 和 OBS 也可以形成关系矩阵。PBS 中的某一产品分解项，应与OBS 中的某一团队联系起来。

PBS、OBS、WBS三者之间的关系如下图所示。

项目过程中的任务责任矩阵，即建立了 WBS 与 OBS 的关联。每一项任务和活动，均由 OBS 中的一个节点执行。虽然 OBS 很难与其他分解结构保持一致，但应尽量使 OBS 与 PBS 建立直观的对应关系。

D. 项目计划

复杂产品研制过程中，应编制综合性的项目计划。计划应包括：项目目标和要求、项目资源、项目角色和职责、技术路径、进度安排、依赖关系、更改管理、风险分析等。

项目计划可以按照时间顺序来编制，相比于各种静态分解结构，项目计划是一个动态的过程。在飞机研发的早期阶段，受制于有限的资源配置，不需要非常详细的进度计划。

空客 A380 在 2000 年至 2005 年之间，所需的工程师数量如下图所示。

当研发进入初步设计或详细设计阶段，项目所需的工程师数量骤增。此时应增加资源配置，制定详细的项目计划，加强集成管理和综合协调。

通常我们使用甘特图，来表示项目计划内容和重要里程碑。在制定计划过程中，应重视活动之间的依赖性，合理安排关键路径，尽量并行开展工作，以缩短研制周期。

06 减小“动态复杂性”和“风险”

针对商用飞机研制过程中的 “设计更改” 问题，可在全机范围内实施构型控制。通过识别、记录飞机功能特性和物理特征，控制其更改过程，以减少返工次数。当更改提出之后，应确定利益相关方，评估更改影响，并根据影响等级确定控制过程的严苛程度。

针对商用飞机研发周期长的问题，应通过并行工作、建立基线、协同办公、建立多职能团队等方式，尽量缩短研制周期，实现 “快速” 研制。

针对人员流动和人才流失带来的经验积累困难。除了建立职业生涯中的上升路径和绩效激励等传统措施之外，培养员工从事航空事业的自豪感和自信心，也是极为重要的一个方面，尤其在中国这样的国家。

针对研制过程中的风险，可应用传统的项目管理方法进行风险管理。有效地识别复杂产品研制中的技术风险、市场风险、过程风险，对风险进行评估和排序，制定风险减缓的计划和措施，并持续进行风险监控和报告。

07 总结

本文针对商用飞机这样的高度复杂产品，简要分析了其 “复杂性” 的来源，结合汉斯-亨利奇在 A380 研制过程中的经验，解读了减少商用飞机研制 “复杂性” 的方法和理念。

本人认识有限，错误之处，请批评指正。

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