基于设计更改的航空复杂产品设计质量评价研究

朱可嘉，孟洁，王梓奇

（中国航空综合技术研究所，北京 100028）

设计更改是航空复杂产品研制过程中技术状态管理的一项关键环节，其对在研和在制的航空复杂产品质量具有深远影响。大型航空复杂产品设计过程是一个不断“迭代”的过程，其中，设计更改扮演了承接不同阶段设计输入和输出的重要角色。正是有了设计更改活动的存在，才使航空复杂产品的阶段性设计输出更好地匹配研制大纲中的具体技术要求和总体需求。因此，设计更改开展的情况也从一方面反映出了航空复杂产品设计质量水平。本文在分析设计更改管理基础上，初步构建基于设计更改的航空复杂产品设计质量评价模型，并对模型进行实证分析，根据分析结果提出改进和提升航空产品设计更改工作的建议。

1 设计更改管理

从传统上来讲，设计更改被设计部门看作是制造研究部门的职责，设计中对产品的任何更改都被看作是产品设计过程中的正常递归过程。对于航空大型复杂产品的设计更改，往往会涉及产品的研制、生产、使用和维修以及报废的全寿命周期，并通过技术状态管理来实现不同阶段更改的管理与控制。

1.1 设计更改的概念

设计更改是工业企业中较为普遍和常见的一项研发活动，并被工程研制人员和国内外学者一致认为可以分为“广义设计更改”和“狭义设计更改”两种[1]。产生分歧的原因主要在于“更改”发生的阶段和“更改”作用的阶段。其中，一些学者将设计更改定位在产品进入生产环节之后的对产品部分结构的更改，本质上体现的是对在制品的设计变更。工程技术人员则认为设计更改指对产品或者组件在形状、配合关系、材料、尺寸、功能等方面的更改或修正[2]。也有学者将更改定义为对产品设计过程与生命周期中已经发布的零件、图纸或者软件的变更，与更改的尺度与类型无关。更改可能围绕产品整体或单个零件的形状、配合、功能进行改造，也可能改变要素单元之间的交互与依赖关系，可以从小的对单个零件的更改到大型的在整个产品中产生连锁效应的更改[3]。更改可以贯穿整个设计生命周期，从早期局部设计完成时的更改到后期产品服役过程中的更改。而设计更改过程中的更改单就成为记录设计更改过程的重要环节，在工程应用领域，更改单（Engineering Change Order，ECO）被定义为对已经发布的零件、图纸或者软件的更改。与工程更改请求（Engineering Change Request，ECR）有所不同，ECR可以为任何人所提出，且尚未经过审批的设计更改[4]。综合各方意见，学术领域逐渐形成了更为全面的定义，即设计更改是设计过程中对已发布的零件、图纸或软件的变更，更改可以是任意尺寸或类型，可能需要投入任意数量的人员，投入任意长度的时间等多维度设计信息的变更。

1.2 设计更改的流程

航空产品结构复杂，组成零部件多，功能系统庞大，产品开发和制造流程复杂，研制周期长。由于设计改进完善、设计错误、工艺要求以及标准（规范）要求等原因，在飞机的设计过程中不可避免地会发生设计更改活动，它是飞机研制过程中一项非常重要而繁琐的工作。设计更改是一个不断重复的过程，该过程涉及设计、工艺、制造、工装等多个部门。目前的飞机设计更改活动中，普遍面临如下问题：更改流程复杂、更改时间长，更改频繁，更改跟踪难度大，产品数据再版难以管理和控制，更改信息在设计与工艺等部门协调困难。为了解决这一困难，以产品数据关系信息系统（PDM）为代表的产品设计数据管理信息系统相继出现，进一步提高了设计更改管理的效率和水平。飞机设计更改流程一般要经过7个阶段（图1），分别是更改建议、更改评审、更改申请、更改许可、更改任务单、更改执行、更改发放。

图1 设计更改的一般流程

更改过程的发起者可以是设计、工艺、制造等任何与产品有关的部门。这时，需要编制更改建议书，说明更改内容或更改原因，然后由更改评审委员会负责对更改申请的评审。如果评审没有通过，返回上一步骤。在更改申请通过所有审签后，建立更改单ECO（Engineering Change Order），编制更改说明，将要更改的产品信息加到更改任务单中。工程人员在接到更改任务之后，进行更改执行。对于型号研制阶段的设计更改主要是对其设计数据和文件进行相应的变更，而对于批生产的型号产品来说，就要通过技术状态管理对相应的技术文件做出变更，并对在制品安排相应的返工，对已交付的产品进行相应的返修工作。

1.3 设计更改的类型

设计更改通常按更改可能对产品造成的影响与等级（更改的紧急程度）进行分类。从来源角度，可将设计更改分为三类：来自供应商、来自客户、来自内部部门。根据设计更阶段则可分为两类：一是紧急更改（Emergent Change），它是由设计内部原因引发，在设计过程或者产品设计、测试、样机、制造、使用等全生命周期中发现的问题引起的更改，比如针对产品使用缺陷的改正；二是初始更改（Initiated Change），它是由外部环境引发，比如客户提出新的需求或者制造商的变化。

在航空复杂产品设计更改过程中，设计单位会根据设计更改控制与管理的实际需要，按照改善性设计更改、勘误性设计更改、协调性设计更改进行分类管理。其中，改善性设计更改是指为了完善和改进设计方案与样机为目的而开展的设计变更活动；勘误性设计更改是由于设计人员失误和差错造成的设计缺陷而进行的设计变更活动；协调性设计更改是指为了配合工艺、装配和材料及相应部件的变动而做出的设计变更活动。改善性设计更改从一定层面上反映了航空产品的基础设计能力，改善性设计更改的多少是由航空产品本身的技术成熟程度直接相关，技术成熟度越高的产品或对其技术消化程度越高的型号，在其研制过程中的改善性设计更改发生的数量越少；勘误性设计更改在一定程度上反映出了设计的准确性，它是设计过程质量的重要度量指标，直接受到设计人员、设计流程、试制设备和材料、标准和规程等方面的影响。而协调性设计更改在一定程度上反映着由设计到最终实物产品的实现能力，这种“协调”既涉及航空产品从总体设计、详细设计、工程研制、设计定型、生产定型以及批生产等在内的不同阶段，同时也涉及整机、系统、分系统、部件乃至组件和零件研制层面。

1.4 设计更改对产品质量的影响

德国慕尼黑科技大学曾经对50家德国制造公司调查发现，56%的更改发生在设计阶段完成之后，而这其中39%是可以在设计阶段避免的。也有学者对美国制造计算机配件公司调查发现，该公司每个月会产生超过100条设计更改需求，平均每条需耗费“40/40/40”工作时间来处理，40天用于更改的设计与开发，40天处理更改相关的图纸文件，40天将更改执行到生产中去[4]。

根据设计更改对实物质量影响的特点不同，可将影响划分为：恒定结构影响，即不会为更改所影响；吸收结构影响，即传出的更改少于传入的更改，部分更改被吸收；传递结构影响，即传入的更改与传出的更改数量大致相当；增效结构影响，即传出的更改要多于传入的更改。此外，产品质量也会通过缓冲（结构中存在裕量缓冲空间）、阻抗（吸收所有更改，只能作为更改的最后受体结构）以及反射的方式反馈。

通过分析可以将设计更改对产品质量影响模式总结成两种，即分散影响模式和集中影响模式；如果从更小的视角来观察，还可以将这种影响模式划分为步进、连锁与替代三种类型。同时，在设计更改活动中要深入了解产品结构中在何处的更改更具柔性、灵活性与简便性，必须对质量敏感区域的整体更改量与平均更改量进行控制，只有这样才能有效控制设计变更对产品质量的影响。

航空产品设计更改是其本身设计质量水平的直接反映，对航空产品生产制造和使用维护具有长期和深远的影响，更是航空产品设计过程中质量管控的核心环节。通过对某主机所的设计更改情况调研，可以发现不同的设计更改类型对航空产品设计质量和制造质量的影响存在一定差异化的影响。以航空发动机设计某所为例，在其统计的九类设计更改分类调研结果（表1）可以看出，对设计质量影响大和较大的为出于完善设计、设计错误、改进设计目的的设计更改，对制造质量影响大和较大的为出于方便工艺、适应条件、相应更改目的的设计更改，对使用质量影响大和较大的为出于方案改变目的的设计更改。

表1 某航空装备研制单位设计更改数据统计调研结果

根据表1中的调研结果，可以将航空产品设计更改根据其对质量影响的阶段性特征，分为设计质量敏感型设计更改、制造质量敏感型设计更改、使用质量敏感型设计更改以及维修和保障敏感型设计更改，后两者没能进行实地调研，但在这里我们完全可以做出合理推断，即产品质量可以通过不同类型设计更改信息加以反映，具体如图2评价模型所示。

图2 航空产品设计质量综合评价模型

2 设计质量评价

2.1 DEA模型

DEA方法为数据包络分析（Data Envelopment Analysis）的简称，利用DEA可以考察设计质量能力沿基础投入前沿面上的规模有效性和技术有效性。在测定决策单元的相对有效性时对每个决策单元进行优化，所得相对效率是最大值，权重也最优，而且对于非有效单元，利用“投影原理”不仅能指出指标的调整方向，还能给出调整量，并进行纵向的时间比较和横向的区域比较。

应用DEA中的C2R模型进行分析，模型如下：

其中，n称决策单元DMU，评价指标体系由m个投入和t个产出指标组成。他们分别表示“消耗的资源”和“工作的成效”。设xij为第j个决定单元对第i种类投入的投入量，yrj为第j个决定单元对第r种类投入的投入量，vi为对i种类型投入的一种度量（或权衡），ur为对r种类型投入的一种度量，和分别为松弛变量，ε为一非阿基米德无穷小量，在计算时可取（ε=10-6）。，θ为待估计参量。

2.2 实证分析

根据基于设计更改的航空复杂产品设计质量综合评价模型，“投入方面”主要包括制造敏感型设计更改数（方便工艺、改进设计为目的的设计更改数）、使用敏感型设计更改数（方案改变、适应条件、相应更改为目的的设计更改数）和维保敏感型设计更改数（设计错误、校对失误为目的的设计更改数）；“产出方面”主要采用设计敏感型设计更改数（完善设计、补充设计为目的的设计更改数）指标。带入模型计算结果见2。从表2的评价结果可以对某型航空产品设计定型后期的设计更改对设计质量的影响进行分析:除2017Sh、2018Sh、2020Sh外，其余各时期的设计质量评价结果均为DEA无效。

表2 某型航空产品设计质量DEA评价结果

2.3 结果分析

从设计定型的总体进程来看设计更改未对设计质量的提升产生应有的技术效益和规模效益。导致以上结果的原因主要有两方面：（1）设计定型阶段的设计更改活动更多与生产定型阶段相结合，很多设计变更要求来自于样机研制与批产的需要。这样的设计更改往往会造成原有工艺和标准的降低，进而对整体设计质量产生一定负面影响；（2）设计定型阶段是排除设计阶段问题的关键环节，期间会进行较多样机评审、验证与鉴定工作。因此，会产生大量的补充性设计变更需求，这样的设计变更将在很大程度上挤占了用于提升设计质量的更改资源，进而导致设计质量的提升出现阶段性效率迟滞。

3 对策建议

航空产品的设计质量提升是一项系统性工程，而设计更改无疑是决定设计质量好坏的重要方面。为了更好地开展航空产品设计更改工作，可从以下几个方面加以改进和提升：

（1）加强重要更改的监测与管控。在航空产品方案和详细设计阶段，对完善设计方案为目的的设计更改进行重点监控；在样机研制与设计定型阶段，对改进、协调、勘误等为目的的设计更改进行重点监控。另一方面，对在制品存在较大影响的设计更改，即产品已经定型批产的设计更改，则要通过技术状态管理程序将设计更改对在制造品的影响作为重点监控方面。

（2）加强总体更改的预计与分配方法。设计更改的发生存在较大偶然性，但通过长期的积累和观察还是会从中寻找出设计更改在航空复杂产品研制过程和产品结构上的分布特征。这些特征可以帮助我们在产品设计初期很好地预计设计更改发生和影响的模式，并能为航空产品研制周期内合理分配研制资源，进保证航空复杂产品的总体设计质量提供技术依据。而这种基于现有设计、研制及批产能力的设计更改预计与分配方法，则离不开不同型号航空复杂产品设计更改数据的长期积累与研究。

（3）完善设计更改的综合评估体系。设计更改不是设计单位和制造单位间的简单“博弈过程”，更不是“谁更能说服谁”的问题。而是要以设计更改效果综合评估结论作为依据。由于航空型号研制任务的压力无法做到对每一项设计更改进行标准化和科学化的评估，这就需要设计单位针对不同类型的设计更改活动，建立起一套科学的更改分类评价系统，特别是对设计更改对总体设计质量以及在制品质量的影响要进行充分评估，最大程度减少设计更改对设计质量的负面影响。

（4）提升更改管理的数字化水平。航空产品设计和生产企业基本建立了完善的PDM和ERP系统，但针对不同类型设计更改特点的管理流程信息化水平仍然不高。有些系统只停留在更改信息的录入和检索水平，并没有将设计更改信息与数字化设计PDM相结合，导致设计更改信息中所包含的核心价值无法得到充分挖掘。因此，在深入探究航空复杂产品设计更改特点基础上，构建科学完善的变更管控的信息化架构，在建立设计变更历史库和设计变更库来分别描述被变更对象和变更对象基础上，将设计、生产与管理信息化系统与设计更改数据紧密结合，形成设计、生产、使用和维修全过程的设计更改数字化系统。