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小卫星数字化设计流程管理与优化研究

2018/10/29    来源:e-works    作者: 段晓 刘质加 刘江 韩建斌 岳冠楠 高振邦
关键字: 小卫星 数字化设计 流程管理
本文针对型号实际需求,以小卫星典型数字化设计流程为研究对象,对数字化全流程设计过程的子流程、全要素进行梳理、分析、优化,使流程的持续改进和再设计过程科学化、系统化、技术化。

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1 前言

随着全球以信息技术为代表的新一代技术创新浪潮的兴起,,工业4.0中国制造2025等顶层规划纷纷出台。航天器数字化研制已成为国际一流宇航企业发展的重要支撑和必然趋势,是小卫星行业持续发展、加速产业化转型的必由之路,尤其是数字化设计和信息化深度融合互动已经成为企业技术与管理发展的重要手段。当前,小卫星数字化协同设计已经取得了一定进展,但数字化设计水平仍滞后于小卫星产业的迫切发展需求,需要进一步围绕数字化设计流程进行系统谋划,全面推动数字化设计技术和流程管理技术的融合,加快实施小卫星全流程数字化研制,提升型号研制水平、效率和效益。

本文针对型号实际需求,以小卫星典型数字化设计流程为研究对象,对数字化全流程设计过程的子流程、全要素进行梳理、分析、优化,使流程的持续改进和再设计过程科学化、系统化、技术化,实践表明,该研究方法有效提高了航天器的数字化水平和能力,对实现"宇航制造工程"具有很强的指导意义和现实作用。

2 小卫星数字化设计流程现状

根据小卫星数字化研制特点,一般将小卫星的研制分为5个阶段:预研阶段、方案阶段、初样阶段、正样阶段、在轨应用阶段,各个研制阶段的主要研制内容和流程如图1所示。5个阶段包含了小卫星数字化设计的全过程,其中,数字化样机详细设计、仿真分析、工艺设计、整星装配、整星测试等主要研制内容包含在初样阶段和正样阶段的研制过程中。小卫星数字化设计以并行工程、协同设计工作模式为基础,以数据交互和信息共享为核心,通过数字化统一模型驱动整个设计、仿真、制造流程。当前小卫星数字化设计已经取得了重大的进展,然而小卫星数字化设计流程管理的水平远远滞后于技术本身的发展水平,给小卫星数字化设计的发展带来了一系列问题。当前存在的主要问题有以下几个方面:

小卫星数字化设计流程示意图

图1 小卫星数字化设计流程示意图

1)以职能为中心的组织结构形式

当前,小卫星的数字化设计组织结构仍然采取以传统的制造企业的组织结构形式,即以职能为中心的组织结构形式,致使不同职能部门之间的专业壁垒无法消除,尽管总体目标一致,但仍会出现流程衔接不协调,存在瓶颈和死角无法提前预估;内部协作目标模糊,存在一定的内耗,流程淹没在职能部门的不同专业分工下,无法清晰识别。

以职能为中心的组织结构形式

图2 以职能为中心的组织结构形式

2)缺乏系统分析改进设计流程的有效机制

缺少将当前设计流程模型化的能力,对流程背后的设计要素、设计信息、逻辑链路、流程对接等内容缺乏深刻的认识,未将其模型化,缺少清除、整合和优化流程的有效机制和能力,导致在型号的数字化研制过程中,短线项目永远是短线项目,长线项目永远是长线项目,出现人力、资源、设备浪费的现象。

3)设计流程缺乏层次且未考虑其对接关系

设计流程缺乏层次,且未考虑不同层次之间的对应关系,从航天器作为复杂产品的研制角度考虑,需要从不同层次、不同纬度开展设计流程的梳理和分析工作,而当前未对小卫星数字化设计流程的接口关系和内在逻辑进行分析,容易出现不同层次的流程对接不当,导致流程出现断点(这里的流程断点是指从流程使用者的角度出发,在流程的某个环节中,由于没有在所期望的或流程提供者所承诺的时间内获得所需的产品或服务,从而感觉流程发生了中断,并造成满意度下降)。

3 流程管理的概念

关于流程的概念,国内外学者并未形成统一的定义。哈默(Hammer)认为"流程就是一组能够为客户创造价值的相关联的活动进程";ISO9000中的流程是指"一组将输入转化为输出的相关关联或者相互作用的活动";冉斌、水藏玺等人所下的定义为:"所谓流程,就是指一系列的、连续的、有规律的活动,而这些活动以特定的方式进行,并导致特定结果的产生"。从以上几种观点可以看出,流程具有以下特征:

1)流程是由一系列的活动构成的;

2)流程是有价值产出的;

3)流程是为客户服务的。

因此,本文将流程定义为能够为客户带来价值增值的一系列相关活动的有序进程。流程管理通常表示以规范化和标准化的方法构造一种端到端的业务作业流程为中心,以持续的提高特定组织的业务绩效为目的的系统化方法,包含流程的分析、流程的定义和重定义、流程相关资源的分配、流程中的时间安排、对流程执行的质量和效率的测评、流程的优化以及内容扩展。流程管理是为满足客户的需求而设计的,因而一般随着流程实施过程的内部和外部环境变化而需要进行优化调整。

设计流程管理核心内容示意图

图3 设计流程管理核心内容示意图

设计流程管理(Design Process Management,DPM)的核心内容是:显现流程(流程梳理)、感受流程(流程执行)、改进流程(流程优化)。其中,流程梳理主要完成流程体系构建设计、流程执行过程梳理、流程绩效体系梳理等工作;流程执行主要完成端到端流程自动化、流程实践、流程管理机制建立等工作;流程优化主要完成流程结构与瓶颈分析、流程时间与成本分析、端到端流程绩效分析等工作。如图3所示,流程梳理属于流程体系建设的范畴,流程执行与流程优化属于持续创新驱动持续提升的范畴,三者相互促进、相互耦合,构成设计流程管理的核心内容。

4 小卫星数字化流程管理与优化

设计流程管理(DPM)是为了提高企业的产品质量、降低生产成本而采取的一系列活动,这与数字化设计的初衷和目标具有很好的一致性,将设计流程管理方法应用到小卫星数字化设计流程中,将实现数字化技术与流程管理的"强强联合",进一步为数字化设计助力,推动小卫星数字化设计的进一步发展。

根据第3节设计流程管理的内容描述,从3个层次对小卫星设计流程进行管理和优化,首先采用科学的方法建立小卫星数字化研制的组织结构;然后对不同视图、不同层次的流程和接口关系进行梳理和分析;最后基于端到端的流程,系统分析改进和优化设计流程,从而建立小卫星数字化设计流程管理和优化的新秩序。

4.1 建立以流程为中心的组织结构

由于传统的以职能为中心的组织结构给现代小卫星企业的数字化设计带来极大的掣肘,根据设计流程管理的思路,建立以流程为中心的组织结构形式,组织结构如图4所示,核心思想是以数字化设计流程为核心,流程高于一切,职能部门根据流程中的业务内容和接口关系服务于该流程。统一总体目标和内部协作目标,以流程为核心驱动设计工作的开展,消除职能部门之间的专业壁垒,实现流程的有序衔接和协调。建立以流程为中心的组织结构,最终的目标是:

1)提高准确描述流程的能力;

2)提高深入分析流程的能力;

3)提高持续改进流程的能力。

以流程为中心的组织结构形式

图4 以流程为中心的组织结构形式

4.2 梳理数字化设计流程

根据小卫星数字化研制的特点,如图5所示采用房式结构,对设计流程及其要素进行梳理,以流程视图为核心从组织视图、数据视图、制度视图、产品/服务视图四个方面,对数字化设计流程背后的流程信息及其组成要素进行梳理,对设计流程进行模型化管理,实现要素提取,并分别定义和管理,实现流程的整合。

数字化流程梳理示意图

图5 数字化流程梳理示意图

通过对小卫星的数字化设计流程梳理,从组织结构、数据信息、规章制度、产品/服务等多个纬度,定义流程背后的各类信息,建立流程的组成要素模型。利用模型对其适配性进行分析,打通流程管理要素的逻辑链路,从而发现流程从开始到结束过程中,出现的流程断点,从而为流程管理和优化提供参考依据。

4.3 数字化设计流程优化

按照4.2节所述方法,对小卫星数字化设计流程过程中的原设计流程进行梳理,本节以小卫星设计过程中的卫星设备布局为例进行设计流程优化。如图6所示,设备布局设计流程优化基于5个层次进行分析,分为原流程层、改进方法层、新流程层、新流程效率目标层、效率分析层进行具体的优化设计。对该设计流程进行优化分析的具体步骤如下:

1)首先建立原设计流程层,该设计流程共包含6个子流程,通过分析,发现在原设计流程中的设备布局及调整、直属件布局、电缆卡子布局3个子流程,具有设计工作量大、工作重复性强、迭代过程多3个特点;

2)在改进方法层中,针对原设计流程中3个子流程的特点,按照"复杂流程简单化、简单流程程序化、程序流程信息化"的思路,这3个子流程最适合进行程序化、信息化的工作,基于此思路对该设计流程进行优化,并对其技术途径的可行性进行分析和调研,可以通过开发"快速构型布局工具"软件可以实现设备、直属件、电缆卡子的快速移动和调整;

3)根据改进方法层的技术手段,建立新的新流程层,在该设计流程中,改进方法层并未对设计流程进行裁剪,新流程层与原流程层一致;

4)在效率分析层中,对原流程层中的每个子流程进行分析,对单个流程耗时、单个流程总耗时、非设计总耗时进行统计分析,在某型号中构型布局设计流程中的非设计总耗时约为535分钟;

5)在新流程效率目标层中,对新流程层中的每个流程进行分析,对单个流程耗时、单个流程总耗时、非设计总耗时进行统计分析,目标总耗时约为276分钟;

通过上述的设计流程优化,该新设计流程节约时间为259分钟,约4.3小时。

小卫星设备布局设计流程优化示意图

图6 小卫星设备布局设计流程优化示意图

4.4 应用实例分析

按照4.2节的设计流程梳理的方法,对单个小卫星数字化设计的全流程进行梳理,共梳理出待优化子流程13项,具体清单和内容如下表所示。按照4.3节的流程管理及优化方法,通过流程清除、流程简化、流程整合等措施,并结合信息化手段,如表所示,原流程总的设计时间约为561小时,流程优化后的设计时间约为196小时,设计效率提升达65%。

表1 小卫星数字化流程优化项目及内容

小卫星数字化流程优化项目及内容

5 结论

全三维数字化航天器设计是小卫星发展的必经之路,也是促进我国小卫星发展的技术基石。本文研究和提出了小卫星数字化设计流程管理和优化方法,将设计流程管理及优化与小卫星数字化设计流程有机结合,通过流程管理及优化,在满足任务需求的基础上,有效缩短了型号的研制周期,提升设计效率和设计正确性;通过流程管理和优化研究,使设计流程的持续改进和优化的过程科学化、系统化、技术化,提升了设计师通过流程创造价值的能力,构建了基于流程的小卫星数字化综合协同设计秩序。

责任编辑: 程玥
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