1 引言

    目前，我國裝備制造業(yè)取得了令人矚目的成就，成為我國經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)。但裝備制造業(yè)的自主研發(fā)與技術(shù)創(chuàng)新能力還較為薄弱。重型裝備產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件數(shù)量、種類多，加工工藝多樣，使用工況復(fù)雜，采用定制化制造模式，隨著交貨期越來越短，傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程難以滿足用戶要求。國內(nèi)外學(xué)者在產(chǎn)品開發(fā)過程建模、產(chǎn)品開發(fā)過程改進等進行了大量研究。提出一個基于活動及其實現(xiàn)過程(PrOA)建模單元的產(chǎn)品開發(fā)過程模型的建立方法。建立產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程的結(jié)構(gòu)化模型，利用設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的代數(shù)分析方法研究設(shè)計開發(fā)過程的優(yōu)化重組問題。研究通過產(chǎn)品開發(fā)項目全局計劃進行面向產(chǎn)品全生命周期的產(chǎn)品開發(fā)過程建模問題。提出—個通過引入通用產(chǎn)品信息模型來實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)過程的集成化與通用化的模式。采用啟發(fā)式方法對產(chǎn)品開發(fā)流程進行優(yōu)化。用層次分析模型確定多個新產(chǎn)品項目開發(fā)的優(yōu)先次序。提出如何實時集成實體和虛擬兩個原型來簡化新產(chǎn)品開發(fā)過程的建議。由于產(chǎn)品開發(fā)的復(fù)雜度較高，研究人員提出多種建模語言來描述產(chǎn)品開發(fā)過程，目前較常用的建模語言有CIM-OSA、ARIS、PERA和IDEF。介紹DEF、Petri網(wǎng)、RAD和ARIS四種建模工具，并分析其在產(chǎn)品開發(fā)過程的應(yīng)用及其對開發(fā)過程的支持。對企業(yè)常用的建模工具進行比較分析，著重探討了ARIS建模過程的視圖結(jié)構(gòu)與建模層次。M.Bertoni等定性分析了三種企業(yè)建模語言(IDEF，UML，ARIS)，提出一種關(guān)于業(yè)務(wù)流程重組理論在產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用的方法，即在BPR的不同階段選擇最優(yōu)建模語言，以確保產(chǎn)品全生命周期管理(PLM)的實施取得成功。分析ARIS體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立了基于流程的面向?qū)ο笃髽I(yè)模型體系結(jié)構(gòu)。

    當(dāng)前流程重組理論的發(fā)展較為成熟，有關(guān)產(chǎn)品開發(fā)流程也有較多的研究。不過，針對重型裝備產(chǎn)品定制開發(fā)流程還有很多問題需要研究，如產(chǎn)品成本失控、設(shè)計效率低等。在對某重型裝備企業(yè)調(diào)研基礎(chǔ)上，利用ARIS方法，建立了其產(chǎn)品開發(fā)流程模型，分析了設(shè)計流程特點及存在的問題，引入?yún)f(xié)同設(shè)計、目標成本、PLM技術(shù)改進和優(yōu)化了產(chǎn)品開發(fā)流程。

2 重型裝備產(chǎn)品開發(fā)流程分析

    目前重型裝備產(chǎn)品開發(fā)可以劃分為七個階段，依次為：(1)策劃階段。此階段主要工作包括設(shè)計部門從顧客招標、市場調(diào)研中獲得開發(fā)需求；(2)方案設(shè)計階段。此階段主要工作包括編制方案，繪制方案圖，根據(jù)情況組織評審或?qū)彶椋?3)技術(shù)設(shè)計階段。此階段主要工作包括繪制總圖、主要零部件圖，分析計算，編制文件，組織評審或?qū)彶椋?4)施工設(shè)計階段。此階段主要工作包括繪制全部圖樣，編制全部技術(shù)文件，組織輸出評審；(5)改進階段。此階段主要工作包括為根據(jù)更改問題的重要程度進行不同級別的審批或評審；(6)驗證階段。為確保設(shè)計和開發(fā)輸出滿足輸入的要求，主任設(shè)計師依據(jù)“產(chǎn)品開發(fā)計劃”的安排對設(shè)計和開發(fā)進行驗證，包括校核、類比、試驗、評審；(7)確認階段。通過檢測、試驗或鑒定對產(chǎn)品進行認可，確保產(chǎn)品能夠滿足規(guī)定的使用要求或已知的預(yù)期用途的要求。

3 重型裝備產(chǎn)品開發(fā)典型階段一方案設(shè)計階段流程建模

    限于篇幅，現(xiàn)以重型裝備產(chǎn)品開發(fā)典型階段一方案設(shè)計階段流程為例建模、分析。方案設(shè)計主要包括編制總體方案，繪制總體方案圖，并組織評審或?qū)彶�。具體內(nèi)容如下：

    (1)項目組主任設(shè)計師負責(zé)組織調(diào)研、資料收集、信息分析及技術(shù)洽談、簽訂協(xié)議等，確定與產(chǎn)品要求有關(guān)的設(shè)計輸入資料，編制《設(shè)計和開發(fā)輸入清單》。

    (2)根據(jù)產(chǎn)品的重要程度，新產(chǎn)品或重大產(chǎn)品由設(shè)計部門主管領(lǐng)導(dǎo)負責(zé)組織有關(guān)主任設(shè)計師和設(shè)計人員；一般產(chǎn)品由專業(yè)設(shè)計所（室）負責(zé)人或主任設(shè)計師負責(zé)組織設(shè)計人員。設(shè)計前進行評審設(shè)計和開發(fā)輸入內(nèi)容，評審會議記錄員整理編寫《設(shè)計和開發(fā)輸入評審報告》，與會人員負責(zé)審核。

    (3)設(shè)計工程師編制《總體方案設(shè)計圖》，互校人員負責(zé)審核，主任設(shè)計室編制《分析計算書》，互校人員負責(zé)審核。

    具體的方案設(shè)計流程，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品方案設(shè)計流程

4 重型產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計流程特點及問題

    根據(jù)實地調(diào)研和開發(fā)設(shè)計各階段流程圖，分析總結(jié)重型裝備產(chǎn)品開發(fā)流程的特點有如下三點：

    (1)各階段步驟依次順序進行，后續(xù)步驟必須等到前續(xù)步驟完成才能繼續(xù)進行，每個步驟都有自己的輸入和輸出。例如，方案設(shè)計先于技術(shù)設(shè)計，方案設(shè)計的輸出就是技術(shù)設(shè)計的輸入。

    (2)每個階段均以審核通過為結(jié)束狀態(tài)的標志，這是典型的門徑管理㈣，即整個開發(fā)流程由不同的階段和關(guān)卡組成。關(guān)卡是每個階段結(jié)束時的審核或決策活動，能有效保證產(chǎn)品開發(fā)流程中的進度和質(zhì)量，并可以決定流程的走向。

    (3)開發(fā)流程中的各個階段均由對應(yīng)的信息系統(tǒng)支持。例如合同分發(fā)使用公司OA系統(tǒng)，開發(fā)設(shè)計使用CAD，編制工藝流程使用CAPP等。開發(fā)人員操縱的對象是不同階段的產(chǎn)品模型，并產(chǎn)生更詳細的產(chǎn)品模型。產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計過程可以看作是產(chǎn)品模型經(jīng)過不同階段的構(gòu)建和豐富，最終生成一個統(tǒng)一的信息模型的過程。

    分析重型裝備產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計流程，存在以下幾點問題：

    ①各個開發(fā)設(shè)計階段需要高水平和經(jīng)驗豐富的設(shè)計人員，才能確保設(shè)計同時滿足合同要求、技術(shù)要求及加工工藝要求。經(jīng)驗較少的設(shè)計人員容易產(chǎn)生設(shè)計錯誤，同時可能給產(chǎn)品制造帶來較多困難。

    ②產(chǎn)品開發(fā)不同階段使用的計算機輔助系統(tǒng)不同，這樣不同信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式的不統(tǒng)一導(dǎo)致各個設(shè)計階段便成了一個個的“信息孤島”，使得設(shè)計過程中的信息共享變得困難。

    ③常規(guī)產(chǎn)品開發(fā)采用類比和變型的設(shè)計方法，產(chǎn)生大量的零部件信息模型，導(dǎo)致圖文檔管理的復(fù)雜性急劇上升。

    ④有些關(guān)鍵部件采購和制造需要較長的周期，設(shè)計完成之前，如何給采購或制造部門提供必要的信息是一個挑戰(zhàn)。

    ⑤設(shè)計人員喜歡追求技術(shù)的先進，產(chǎn)品成本可控會遇到很多困難。

5 重型產(chǎn)品開發(fā)流程優(yōu)化

    針對當(dāng)前重型裝備產(chǎn)品開發(fā)中出現(xiàn)的問題，主要從產(chǎn)品的成本控制、方案設(shè)計階段以及施工階段三個方面進行優(yōu)化分析，最終達到優(yōu)化重型產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計流程的效果。

    5.1 開發(fā)過程中引入目標成本

    產(chǎn)品開發(fā)決定產(chǎn)品整體成本的70%左右，同時產(chǎn)品開發(fā)人員可能過分追求技術(shù)上的完美而忽視產(chǎn)品的開發(fā)周期、開發(fā)成本和制造成本。因此，在開發(fā)過程中對成本進行控制顯得尤為必要。依據(jù)項目合同和技術(shù)協(xié)議設(shè)定目標成本和基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解目標成本，設(shè)定各關(guān)鍵零部件的目標成本，將目標成本作為產(chǎn)品開發(fā)的一個約束條件，并在開發(fā)過程中嚴格控制。目標成本控制的橋式起重機開發(fā)流程，如圖2所示。

圖2 目標成本控制的橋式起重機開發(fā)流程

    5.2 方案設(shè)計階段流程優(yōu)化

    方案設(shè)計階段是整個開發(fā)工作的重點，該階段的設(shè)計結(jié)果決定了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵零部件選型。如果方案設(shè)計工作出現(xiàn)偏差，輕則導(dǎo)致返工、拖延項目進度，重則影響最終產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)生安全隱患。方案設(shè)計階段需要查閱各種技術(shù)資料，項目團隊需要緊密合作以及多次反饋優(yōu)化，而PLM正是有效管理和充分利用各種資源、實現(xiàn)各應(yīng)用系統(tǒng)有效集成的管理和集成工具，基于協(xié)同設(shè)計理念，應(yīng)用并行設(shè)計方法，充分利用產(chǎn)品設(shè)計資源，項目組協(xié)同開展方案設(shè)計，最大可能的避免設(shè)計錯誤，規(guī)避設(shè)計風(fēng)險，降低后續(xù)設(shè)計開發(fā)階段的修改工作量。同時可以使得審批過程流程化，提高工作效率�；�于PLM的方案設(shè)計，如圖3所示。

圖3 基于PLM的方案設(shè)計

    5.3 施工設(shè)計階段流程重組

    該階段是設(shè)計與開發(fā)流程的主要組成階段，經(jīng)過方案設(shè)計階段與技術(shù)設(shè)計階段，有關(guān)產(chǎn)品信息的總體方案、主要零部件已經(jīng)確定下來。在施工設(shè)計階段，設(shè)計人員主要是根據(jù)方案設(shè)計和技術(shù)設(shè)計的成果完成產(chǎn)品剩余“工作圖”的設(shè)計和編制，包括零件圖、部件圖、明細表、技術(shù)說明書、檢驗鑒定大綱、文檔目錄等。此階段的工作特征主要表現(xiàn)為設(shè)計難度相對較低，但工作量大、重復(fù)性工作多，所以設(shè)計階段要花費較長時間來進行編制工作�，F(xiàn)行的施工設(shè)計階段中存在的問題主要體現(xiàn)在兩方面：一是因大量變型設(shè)計而產(chǎn)生的大量電子圖文檔，如何管理和利用；另—個突出問題體現(xiàn)在CAD圖紙的明細表的編制上。如一張橋式起重機的AO總裝圖紙，—般多達幾百個零部件，每個自制部件都有組成明細，均需要編制相應(yīng)的明細表。通過PLM軟件可以實現(xiàn)明細表編制的自動化。在產(chǎn)品開發(fā)的方案設(shè)計階段，主任設(shè)計師建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，在產(chǎn)品開發(fā)的每個階段，設(shè)計人員在完成相應(yīng)技術(shù)文件的編繪之后，在PLM中添加對應(yīng)的零部件信息，產(chǎn)品設(shè)計完工后，生成完整的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，即可自動生成產(chǎn)品及各部件的明細表。同時，通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹可以實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的集成管理和共享使用。

6 開發(fā)流程優(yōu)化效果驗證

    以典型的定制化產(chǎn)品一一橋式起重機為例，選取一個產(chǎn)品開發(fā)項目組，利用新的產(chǎn)品開發(fā)流程開展產(chǎn)品開發(fā)，與該項目組近期完成的類似項目進行對比，具體如表1所示。

表1 產(chǎn)品開流程優(yōu)化效果

    從表1可以看出，經(jīng)過流程優(yōu)化與改進后，橋式起重機的開發(fā)過程各階段的設(shè)計周期為63個工作日，比優(yōu)化前所需的81個工作日減少了18個工作日。同時，通過目標成本控制，降低產(chǎn)品成本10%左右，取得了理想的效果。驗證說明，使用ARIS建模方法，建立和分析重型裝備產(chǎn)品開發(fā)流程模型，找出產(chǎn)品開發(fā)的瓶頸，并引入?yún)f(xié)同設(shè)計、目標成本、PLM技術(shù)來改進和優(yōu)化產(chǎn)品開發(fā)流程，能夠提高產(chǎn)品開發(fā)效率及產(chǎn)品質(zhì)量，降低了產(chǎn)品成本。

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