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基于弹性分析的复杂产品系统研发管理机制研究

2021-01-29 来源:《科技管理研究》作者:1.中国运载火箭技术研究院;2.北京航空航天大学经济管理学院,邓杰1,林杨1,牟晖2,陈向东2,王若岚2
摘要:在复杂产品系统的早期设计阶段,研发质量和研发成本问题一直是人们关注的问题。通过研究系统的弹性、可靠性和恢复力之间的关系,构建基于弹性理论的复杂产品系统关键组件的分级管理框架,为不同层级的关键组件制定出相应的研发管理措施,并通过对不同弹性分级管理机制作用下系统性能的恢复时间、恢复水平和恢复状态的管理来改善复杂产品的研发设计,使得复杂产品在达到系统安全要求的情况下,最大限度地降低研发成本,提高研发质量。
关键词:复杂产品系统;弹性;分级管理机制;恢复力;研发
随着复杂产品系统研发的进步与发展,其复杂程度随需求的多样性不断增加,不仅使得系统的安全性由于更多不可预见故障的出现而大大降低,而且提高了复杂产品系统的研发成本。因此,传统的研发过程和系统故障预知理论受到了挑战,复杂产品系统的研发和管理已不足以应对其在设计过程中所涉及的风险。而“弹性”的概念为应对系统复杂性和解决系统故障提供了一种新的方法,尤其是对于故障的预防和系统的恢复[1]。在早期设计阶段,复杂产品系统由于复杂性的增加,大多数系统设计依然按照固定设计、被动地估计系统可承受的负载水平,导致在发生内部或者外部中断时复杂产品系统变得更加脆弱,级联灾难性故障也随之发生。正是忽略了系统自身的恢复能力,而一味追求较高的可靠性水平,造成了大多数复杂产品系统的设计冗余,同时大大增加了研发阶段的生命周期成本。研究表明,进一步提高可靠性通常伴随着成本的指数增长[2],使得研发人员面临“系统安全和节约成本”不能两全的问题。由于复杂工程系统通常由多层低级子系统组成[3],每层涉及多个组件,因此,本文基于弹性理论提出了复杂产品系统分级管理机制,为复杂产品系统设计和管理人员提供一种新的理论和方法,根据系统的弹性合理分配不同层级的组件弹性,充分利用各层级组件的可靠性和恢复力的高低采取不同的研发决策,改善研发设计,进而在满足复杂产品系统安全要求的同时达到降低成本的目的。
1复杂产品系统及其弹性概念
1.1复杂产品系统(CoPS)
复杂产品系统(Complex Product Systems,以下简称CoPS)一般指规模大、研发成本高和技术含量高(技术密集)的单件或小批量生产的大型产品、系统或基础设施,包括大型电信通讯系统、信息系统、航空航天系统、电力网络控制系统、智能大厦、大型船只和高速列车等[4]。学术界和企业界则对复杂产品系统(CoPS)归纳为三类[5]:第一类是指由许多如控制装置、子系统和部件等定制的、相互连接的元素组成的系统,其中子系统自身也是复杂的、定制的和高成本的,如飞机的风机叶片系统;第二类是指在生产过程中可能有事先预料不到的情况或故障发生,而且对系统的一部分所做的小小变动可能会引起在其他部件方面做出巨大的改动;第三类是指以项目或小批量的方式进行生产和研发。正是由于复杂产品系统的复杂性、关联性及高技术性,在复杂产品系统的早期设计阶段,一般包括6个环节的研发与设计过程,如图1所示。
第1个环节是需求分析。需求的类型包括经济需求、技术需求及军事需求等,每类需求的研发步骤又包括了功能需求分析、性能需求分析及可靠性需求分析等。第2个环节是概念设计。在该过程中,设计者要求分析运行环境的可行性,不仅仅是技术的制约,还有装备研制进度的要求、可靠性要求、维修性要求以及制造成本的制约。第3个环节是详细设计。该环节是指通过技术实现概念设计的要求,详细化概念设计环节的各种性能参数,综合多学科知识进行设计制造,设计出具有可制造性、可装配性、可维修性的方案,并设计图纸。第4个环节是部件加工与试验。此时需要确保验证手段完全的情况下缩短成本,即提高检测技术和数据分析能力,运用大数据分析方法获得最优成本评估值。第5个环节是整机试验。该阶段已初步设计成功,将要进行其性能、机构的完整性、可靠性以及寿命的检测。第6个环节是型号定型。该阶段的成本支出项目包括设计手册、设计标准、保障性和维修性等方面的成本。此时,整个复杂产品系统的设计完成。
以上6个环节是复杂产品的初始设计研发阶段。在早期设计阶段中必须先将复杂产品系统的可靠性进行分析和测量,以保证所设计和研发的系统能够地正常发挥功能。本文在基于弹性的基础上,提出了复杂产品系统在早期设计过程中可靠性和恢复力的研发管理机制,利用复杂产品系统的弹性理论优化复杂产品性能,从而达到提高系统可靠性、降低研发成本的可能。
1.2复杂产品系统弹性概念
弹性系统概念已被很多学者研究并广泛应用,在许多不同的工程及系统领域发挥出了巨大的作用。弹性在经济学和组织科学中被定义为“保持或恢复稳定状态的内在能力[6]”;而在复杂产品系统领域,弹性
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