复杂装备研制管理——技术、方法、应用

第1章 绪论 1.1 复杂装备的概念、内涵与特征 复杂装备主要是指那些对于人类进行科学探索和社会经济发展起到重要支撑作用的重大科学与技术装备。复杂装备通常具有研发成本高、规模大、技术含量高、单件或小批量定制化、集成度高的特征，包括大型产品、系统或基础设施，如大型通信系统、航空航天系统、大型船只、电力网络控制系统、高速列车、大型武器装备、大型民用飞机等。复杂装备结构复杂、零部件数量众多，涉及的知识与技术领域十分广泛，研制难度大，往往伴随着新技术、新工艺、新材料的大量应用。因此能够促进整个工业系统上水平、上档次，使国家的综合国力和核心竞争力得到显著提升。特别是大型复杂装备对国家安全和经济建设具有重要影响，对促进国民经济可持续发展效果显著，对经济结构调整、产业升级和节能减排有积极带动作用。 2008年的金融危机引发了发达国家对制造业发展理念和发展模式的深刻反思。这种反思体现在三个层面：一是反思实体经济与虚拟经济的关系；二是反思制造业与服务业的关系；三是反思制造环节与研发环节的关系。对制造业发展理念的深刻反思，增强了世界各国抢占新一轮竞争制高点、应对新一轮产业革命的危机感和紧迫感。发达国家再工业化以及制造业的回归主要是复杂装备制造业的回归，其*根本的目标还在于掌握新一轮产业竞争制高点。许多国家都有共同的认知：高端装备产业的战略地位更加凸显。美、德、法、日等主要发达国家的再工业化战略无一不把目标锁定在高端装备领域，力图抢占高端装备产业竞争的制高点。 高端装备制造业位于装备制造业的*高端，其“高端”主要表现在三个方面：**，技术含量高，表现为知识、技术密集，体现多学科和多领域高精尖技术的融合；第二，处于价值链高端，具有高附加值；第三，在产业链中占据核心地位，其发展水平决定产业链的整体竞争力，是推动工业转型升级的引擎。高端装备更是国家硬实力的重要标志和集中体现。大国之间军事对峙中亮相的高精尖武器、外交谈判中附加的各项高端装备订单、技术贸易中的门槛与壁垒、高附加值产业的垄断等高端装备硬实力对大国竞合产生了深远的影响，日益成为大国博弈中的重要筹码。 基于复杂装备在未来世界格局中的战略地位，世界各国纷纷出台了一系列政策支持复杂装备的发展，尤其是高端装备的研发。美国颁布了《美国高端产业：定义、布局及其重要性》（2015），德国颁布了《德国2020高技术战略》，俄罗斯颁布了《2020年前俄罗斯重型机械制造发展战略》，日本颁布了《2015年版制造白皮书》等；中国则颁布了《中国制造2025》等。这些政策法规无不聚焦于航空航天、海洋、军事等领域的重大战略装备、关键共性技术和重大工程。 复杂装备研制项目是由多个相互制约和相互影响的子系统有机结合而形成的复杂综合体。项目的发展和实施受系统复杂性与环境复杂性的双重影响，故其研制系统呈现以下几大特征。 （1）有机性与随机性。 许多复杂装备研制过程的演化规律表明，基于其研制价值链的多个核心供应商与相关利益主体构成了复杂装备研制价值网络。该网络又可划分为一定的层次与结构，基于时间逻辑与事件的重要性维度，在整个项目研制过程中可以提炼出若干里程碑事件（标志性事件），这些项目里程碑事件是分层次、相互关联、彼此协同的，从而将复杂装备项目研制过程串接成一个具有较强逻辑关系的有机整体。 复杂装备研制过程是一个连续的、环环相扣的过程。在其研制过程中，某些技术与系统的开发能否成功、某些工程的完成时间、零部件研制质量等都是随机性事件，因此，该类过程实质上是一类多层次里程碑协同的有机随机网络系统。 （2）协调性与分解性。 复杂装备研制过程中，其性能指标是反映工程系统及其各子系统属性的重要参量，是该系统实现的目标集。而复杂装备研制资源配置应重视该工程系统的重点目标或重点属性，同时兼顾工程系统的其他目标或属性。因此性能参数配置的本质是一种兼顾技术创新与环境条件约束的多核心供应链的协调过程。系统工程师所追求的目标实质是性能指标与资源配置相互协调的*优化。 系统性能指标的分解性是指在产品研制过程中，将工程总体要求的性能指标依据各供应商层次的划分逐层分解、传递，一直达到工程系统的*低层，并且保证所有参与者都能承担与其资源配置相应的性能指标，且在整个分解、传递过程中性能指标不发生变化。 （3）渐进性与一致性。 复杂装备研制过程是一种协同创新过程，人们在项目启动初期对复杂系统特性的认识必定是不全面和不深刻的。随着工程系统研制过程的推进，系统深层次问题不断暴露，人们对系统自身及其运行环境的认识不断深化，疏漏不断减少，预案的覆盖面越来越广，工程的透明与协同程度逐渐提高。这是基于协同创新的复杂装备可信度不断提高的渐进性特征。 复杂装备研制系统是一种具有多核心主体且层次结构关系错综复杂的嵌套系统。在系统运行管理过程中，需要确保各层次子系统对系统指令的理解不走样，行为及其产生的效果与系统整体要求保持高度一致。 （4）探索性与贫信息性。 复杂装备研制项目的任务和目标通常是要创造新产品，或通过新技术、新工艺、新材料的大量运用对已有产品进行根本性的创新和再造，其结构、性能、参数等都需要在研制过程中不断检测、调试、优化，因此，复杂装备研制过程是一个探索过程。 复杂装备研制起步阶段往往数据资料匮乏、样机数量有限，具有显著的贫信息特征，难以满足传统方法建模条件的要求。可以说，复杂装备研制管理系统是典型的灰色系统。灰色系统理论是解决不满足传统方法建模条件的贫信息系统分析、评价、预测和决策等问题的有效工具。本书第2章和第3章将介绍几种常用的灰色系统预测和决策模型。 1.2 复杂装备研制的必要性与战略意义 （1）复杂装备研制能力是一个国家工业技术水平的重要标志，发展相关产业是各工业强国提升国家综合实力的战略手段。 复杂装备研制与人类的技术进步、现代科学技术和整体工业水平息息相关。复杂装备研制能力和发展水平反映出一个国家在科学技术、工艺设计、材料、加工制造等方面的综合配套能力，特别是一些技术难度大、成套性强，需跨行业配套制造的复杂装备研制能力，反映了一个国家的经济和技术实力。世界上的工业大国和强国都将复杂装备研制及相关产业的发展视为关系到国家安全和国民经济大局且与国家利益紧密相关的重要领域。 美国政府曾先后在各个专业领域推出了与复杂装备研制相关的多项发展战略或计划，如20世纪中叶著名的“曼哈顿计划”、“阿波罗”计划等；20世纪80年代，美国推出先进技术计划，如适应性学习系统、部件软件、数字数据存储、健康照顾信息设施、微电子制造设施、光子学制造技术、汽车和印刷线路板、新组织工程技术、生物聚合物修复，以及脱氧核糖核酸（deoxyribo nucleic acid，DNA）诊断工具等。2009年2月17日，奥巴马签署《2009年美国复兴与再投资法》，推出了总额为7870亿美元的经济刺激方案，其中，科研（含基建）、教育、可再生能源及节能项目、医疗信息化、环境保护等成为投资的重点，分别投入1200亿美元、1059亿美元、199亿美元、190亿美元和145亿美元；在1200亿美元的科研（含基建）计划中，新能源和提升能源使用效率占468亿美元，生物医学领域的基础性投入占100亿美元；20亿美元追加科研投资则主要分布在航天、海洋和大气领域。 1994年，英国复杂产品产值高达680亿英镑，占当年GDP（国内生产总值，gross domestic product）的11.9%，至少提供了140万～430万个工作岗位，1970年，在30件*有价值的世界出口货物中有43%的货物包含了复杂技术，而到1996年这一比例达到84%。 美国、日本、德国、英国与复杂产品相关的装备制造业在制造业中所占的比重都很高，2007年分别为37.5%、38.8%、40.9%、31.8%。这些国家的装备制造业涉及通信、电子信息、交通运输、航空航天、兵器工业、能源技术等领域，且以复杂装备的研发为重点。同时，复杂装备及相关技术的出口，历来是西方国家对华禁运的重点。以作为装备制造业工作母机的精密机床为例，1999年5月，美国政府公布的考克斯报告提出要控制对华出口机床；2000年10月12日，美国参议院通过了针对中国等国家的《控制高技术机床出口法案》。这说明他们把复杂装备及研制技术视为对国家经济安全和军事安全十分重要的领域。 总之，发达国家把复杂装备技术研发及与之相关的制造业置于更为优先发展的重要地位，不仅体现在与复杂产品相关的制造业占本国工业总量的比重、资本累积、就业贡献等指标上均居前列，更体现在各国政府积极为与复杂产品研制及相关产业发展提供重要的物质基础。正是凭借在复杂产品研发上的巨大投入和革命性突破，这些国家才能够成为世界经济强国和军事大国。因此，复杂装备研制在国民经济发展中发挥着重要作用，已成为提升国家综合实力和核心竞争力的重要手段。 （2）复杂装备研制过程是现代高科技的高度集成和综合应用，研制复杂装备是引领我国实现由生产大国向创新强国战略跨越的重要突破口。 从制造业发展上来看，2010年，我国超过美国，成为制造业**大国，制造业产出占世界的比重为19.8%；在制造业22个大类中，我国在7个大类中名列世界**，成为名副其实的制造大国；从科研论文和研究人员数量来看，我国在国际期刊上发表的论文数量也突飞猛进，论文数量已经超过美国，跃居世界**。但我们必须清醒地认识到，我国是制造业大国，已经具备很强的制造能力，但仍然不是制造业强国，总体上还处于国际分工和产业链的中低端；真正能在国际上产生重大影响的高水平论文，还属凤毛麟角。当前，我国正处于实现创新驱动、转型发展的关键阶段，创新型国家的建设和发展亟待突破瓶颈制约。而复杂装备的研制不同于传统意义上的产品研发，它是当今人类科学技术成就的高度集成和综合利用，是多学科交叉、技术密集的高科技领域。复杂装备研制项目具有周期长、见效慢、投入高、风险高、附加值高的特征，具有产业链长、关联度高、辐射带动作用大等特点。推进复杂装备的研制，不仅是该类项目自身的研制和发展，更是带动我国高新技术产业整体发展，带动和实现新材料、现代制造、先进动力、电子信息、自动控制、计算机等相关领域关键技术的群体性突破，同时还将带动流体力学、固体力学、计算数学、热物理、化学、信息科学、环境科学、管理科学等诸多基础学科的重大进展，推动我国科学技术进步。开展复杂装备研制对于接轨国际先进水平、提升我国的整体实力、带动产业结构升级、促进科学技术进步、形成国民经济新增长点和建设创新型强国具有重大意义。 （3）复杂装备研制具有高度复杂性和不确定性，探索复杂装备研制管理的新思路和新方法始终是企业提高复杂产品研制水平、增强核心竞争力的重要课题。 复杂装备是由若干个分系统组成的极其复杂的巨系统，每一个分系统又包含数以万计的零部件。一个复杂装备项目的研制，实际上是把几百万个零部件、几十万人的工作有机地综合在一起，使各分系统之间、各零部件之间协调地工作。复杂装备研制技术难度大，研制过程中不确定性因素多，研制周期长，往往需要由分散在各地的上百个单位共同参与，合作完成，管理十分复杂。为了能够协调研制过程中的各个环节，就要对整个研制过程进行精心细致的规划，从而明确各个环节的功能以及为了具备这些功能所应具备的必要条件。企业的竞争优势，固然是企业综合实力与整体素质的集中体现，但是这些优势一旦失去高效的研制系统与先进的研制管理，也只能是一种瞬间或者非常脆弱的“优势”，其结果必然使企业很快跌入竞争的劣势。目前复杂装备研制过程运作主要依赖传统管理手段，项目管理者往往缺乏对项目进程的监控能力，不能全面了解项目进展的实际情况，项目的研制质量、进度和效率亟待提升。同时，因多种利益主体诉求差异大，在漫长的研制过程中，研制单位与用户之间以及合作伙伴之间有可能发生工作不协调和矛