三维协同设计模式下的航天项目管理实践与展望

2020年09月13日作者: 王洪涛、成志忠 钱学森智库

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  伴随着信息化技术快速发展,协同研制已成为大系统工程提升研制能力的主要手段。美国波音777 客机研制的238 个独立团队通过协同工作平台并行协同工作,开创了数字化协同工作先河;国内以“长征”五号为代表的全箭数字化协同设计技术的成功运用,标志着我国运载火箭已经全面开展数字化协同应用。中国空间技术研究院在航天器结构研制过程中深入应用数字化协同设计,基于三维模型协同管理平台(Intralink)的总装—结构三维协同设计及CAD/CAM 无图纸生产模式已大规模推广。

  三维协同设计体系结构包括项目管理、协同工具和数据服务等要素,其体系结构如图1所示。

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  图1 三维协同设计体系结构


一、载人航天器三维协同设计流程


  载人航天器为回转式壳体结构,整器模型庞大,按照成熟度划分为4 个层次,逐层细化,形成从整器级别到零部件层级的模型。第一层模型主要包含大系统接口、整器构型、舱段界面等顶层信息,第二层模型主要包含单个舱段结构参数设计和仪器设备初步布局,第三层模型主要进行结构部装设计和总装布局调整,第四层模型主要进行零部件和总装详细设计。每一层模型都体现着结构和总装的设计过程,方案协同设计阶段主要是对前3 层模型进行结构设计方案与总装方案设计,以总装对结构技术要求完成为标志;详细协同设计阶段完成第四层模型,结构方面进行零部件详细设计,总装方面进行管路、电缆、内装饰等详细设计,双方均应具备下厂投产状态,协同设计流程如图2 所示。

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  图2 结构—总装三维协同设计流程

二、载人航天器三维协同设计


  项目管理实践


  1.范围管理


  项目范围管理是保证项目包含所有为顺利完成项目所需的工作和过程,主要包括详细定义工作范围,编制明确WBS 工作分解结构,并规定项目范围核实及范围控制机制。在三维协同设计环境下,主要体现为提供结构产品活动过程中进行的大量设计工作,包括设计环境搭建、模型设计、接口协调、设计实现及验证等各方面的系统工程技术工作,也包括质量管理、进度管理和风险管理等内容。


  2.进度管理


  在三维协同设计过程中,结构与总装基于Intralink 进行信息交换,设计活动均集中在信息系统中,从模型信息交互开始直到零部件模型、模型基线和说明文件归档完成,持续周期可能是4个月甚至更长。计划管理活动应该“全过程、各环节”覆盖三维协同设计过程。


  在第一层和第二层协同设计过程中,计划管理人员应该与设计人员一起熟悉协同模式和协同平台,对协同环境中各角色设计活动进行充分识别和理解,以设计参与者权限去融入协同设计环境,协调总装发布模型信息,确保结构信息及时传递通畅,保障整个协同设计进展在掌控之中。


  进入详细设计阶段,即第三、第四层次设计,主要是设计师开展零部件详细设计、部件内部干涉检查等工作。回转式壳体结构载人航天器的主结构框、壁板、蒙皮、桁条,次结构蜂窝板、各类框架结构对应的模型设计工作量差别较大,在三维协同设计过程中,根据模型复杂程度和设计人员经验对此阶段设计工作量相对值进行评估,有利于计划制定时的任务权重分配和对整个计划的宏观管理。


  3.质量管理


  在三维协同设计环境下,总装提供给结构的输入为三维受控模型和相对应的模型说明文件,其质量管理体系和管理内容相比传统的二维文档模式不同。二维质量管理的重点是根据技术流程和计划流程,对设计评审、复核复审、审查等重要环节进行控制,随着对三维协同设计认识提升、经验的积累和研究过程的不断深入,三维协同设计环境下的质量管理重点是对模型技术状态进行有效控制。


  三维协同设计过程中,结构与总装通过结构—总装三维协同设计流程的信息传递链路进行模型传递,通过第一层、第二层、第三层直至第四层的相互迭代,形成最终的具备发布状态的模型。当完成某一阶段设计后,设计师将信息汇总到一个模型中,并在Intralink 系统中按照3 级审签原则,启动审批流程以实现受控;若模型送审流程被打回,需改进设计并重新送审流程。当模型受控后,设计师对模型严格进行基线记录,记录此刻的设计状态。在模型受控和基线记录后,编写模型说明文档,对模型版本、基线记录进行说明,通过控;若模型送审流程被打回,需改进设计并重新送审流程。当模型受控后,设计师对模型严格进行基线记录,记录此刻的设计状态。在模型受控和基线记录后,编写模型说明文档,对模型版本、基线记录进行说明,通过AVIDM 送审受控,说明文档是对模型状态的纸质记录。


  4.人力资源管理


  一是精细分工, 设置专项机构。


  根据三维协同设计特点和工作要求,策划成立专家组、技术支持组、协同设计组和综合管理组,全面覆盖协同设计的各个环节。技术专家组是稀缺人力资源,为设计活动提供智力支持;技术支持组主要完成协同平台搭建、人员培训、软硬件配置及协同设计过程中技术问题的处理;协同设计组是三维协同设计的主体,具体承担完成协同设计任务,包括模型搭建阶段信息交互、模型发布,详细设计过程中的数字化定义及模型受控发布等环节;综合管理组主要是制定合理的协同设计计划,及时跟踪计划执行进度,识别并消除计划执行过程中的风险,多方协调并保障资源落实到位等。


  二是加强培训,强化设计能力。


  在设计过程中,加强对年轻员工和新员工的把关与协助,促使他们尽快融入角色,快速适应协同设计环境;定期开展交流总结等活动,提高设计效率,有效避开设计禁忌等活动,积极沟通心得体会,促进团队整体水平提升;组织与美国参数技术公司(PTC)及本单位信息化人员沟通,及时将最优设计模式、最新工具、最简化流程等引入到设计过程中,为协同设计提供优化和便利。


  5.风险管理


  风险管理主要是针对风险管理目标,在项目内部组建风险管理组织,制定风险管理流程,利用头脑风暴等方法对项目风险进行提早识别,定性和定量分析风险性质和危害程度,针对每一项识别出来的风险制定风险应对措施,建立项目的风险监控机制。


  三维协同设计的主要特点在于结构与总装信息交互过程是多次迭代的,因此在项目执行过程中偏重于技术风险分析,采用流程分析法对结构与总装协同设计流程进行风险分析,根据风险发生概率大小和风险后果2 个准则赋值评估,再根据评估值的大小明确风险事件,针对风险事件制定风险应对措施,明确责任单位,进行风险动态监控。


  6.信息沟通管理


  三维协同设计的特点是信息交互,各参与方加强沟通交流,确保三维模型信息、设计进展、质量控制等信息及时传递。沟通方式包括工作会、调度会、专题协调会,沟通的主要相关方包括信息化部门、总体设计部门及生产单位等。


  一是与信息化部门的沟通。


  信息中心人员承担协同平台数字管理员的角色,承担为型号配置队伍权限、存档路径、模型和基线管理等任务。型号创建之初由项目办公室向信息中心申请开通型号项目,同时主任设计师提供设计师名单、人员角色和文件夹的配置方案,由信息中心负责实施。研制过程中设计师对信息中心的各项需求(如申请模型解冻、移动基线等需求)通过申请单传递。


  二是与总体和生产单位的沟通。


  根据任务研制特点,在项目研制全过程中需做好与总体和生产单位的沟通工作,及时了解总体和下游生产单位的需求。沟通的内容包括项目研制计划和进展沟通、研制过程中出现问题的协同和商讨、用户需求咨询、生产进度协调、用户满意度调查等。


  三维协同设计的信息沟通网络如图3 所示。

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  图3 三维协同设计沟通网络图


三、协同设计下项目管理


  发展与展望


  在协同模式指导下,结构和总装双方在XX 飞船等多个型号开展了协同设计工作,设计效率显著提高,研制能力和水平得到大幅提升,项目管理要素及对应管理方法的研究进一步助推了三维协同设计技术的应用。对于设计单位来说,三维协同设计理念有助于推动设计领域管理创新,提升企业产业升级,增强设计企业的核心竞争力。


  后续,北京空间飞行器总体设计部将在以下2 个方面进一步开展工作:一是在航天器并行协同设计过程中,需要在数字化平台中开发和完善流程管理相关功能,充分将总体、分系统、生产单位等环节人员有效整合到管理信息系统中,同时对相关设计管理规范和要求进行同步研究及更新调整,从管理层面支持协同设计管理深入推进;二是由于数字化航天器设计需要设计、结构、性能等不同设计软件,如何实现不同设计软件的数据转换与融合,以及在管理平台上实现三维软件与并行协同设计系统的可视化集成,是实现并行、动态、实时航天器设计管理的关键过程,也是需要进一步研究的主要内容。

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