1 引言
目前，我国装备制造业取得了令人瞩目的成就，成为我国经济发展的重要支柱产业。但装备制造业的自主研发与技术创新能力还较为薄弱。重型装备产品结构复杂，零部件数量、种类多，加工工艺多样，使用工况复杂，采用定制化制造模式，随着交货期越来越短，传统的产品开发过程难以满足用户要求。国内外学者在产品开发过程建模、产品开发过程改进等进行了大量研究。提出一个基于活动及其实现过程(PrOA)建模单元的产品开发过程模型的建立方法。建立产品设计开发过程的结构化模型，利用设计结构矩阵的代数分析方法研究设计开发过程的优化重组问题。研究通过产品开发项目全局计划进行面向产品全生命周期的产品开发过程建模问题。提出—个通过引入通用产品信息模型来实现产品开发过程的集成化与通用化的模式。采用启发式方法对产品开发流程进行优化。用层次分析模型确定多个新产品项目开发的优先次序。提出如何实时集成实体和虚拟两个原型来简化新产品开发过程的建议。由于产品开发的复杂度较高，研究人员提出多种建模语言来描述产品开发过程，目前较常用的建模语言有CIM-OSA、ARIS、PERA和IDEF。介绍DEF、Petri网、RAD和ARIS四种建模工具，并分析其在产品开发过程的应用及其对开发过程的支持。对企业常用的建模工具进行比较分析，着重探讨了ARIS建模过程的视图结构与建模层次。M.Bertoni等定性分析了三种企业建模语言(IDEF，UML，ARIS)，提出一种关于业务流程重组理论在产品开发领域应用的方法，即在BPR的不同阶段选择最优建模语言，以确保产品全生命周期管理(PLM)的实施取得成功。分析ARIS体系结构的基础上，建立了基于流程的面向对象企业模型体系结构。
当前流程重组理论的发展较为成熟，有关产品开发流程也有较多的研究。不过，针对重型装备产品定制开发流程还有很多问题需要研究，如产品成本失控、设计效率低等。在对某重型装备企业调研基础上，利用ARIS方法，建立了其产品开发流程模型，分析了设计流程特点及存在的问题，引入协同设计、目标成本、PLM技术改进和优化了产品开发流程。
2 重型装备产品开发流程分析
目前重型装备产品开发可以划分为七个阶段，依次为：(1)策划阶段。此阶段主要工作包括设计部门从顾客招标、市场调研中获得开发需求；(2)方案设计阶段。此阶段主要工作包括编制方案，绘制方案图，根据情况组织评审或审查；(3)技术设计阶段。此阶段主要工作包括绘制总图、主要零部件图，分析计算，编制文件，组织评审或审查；(4)施工设计阶段。此阶段主要工作包括绘制全部图样，编制全部技术文件，组织输出评审；(5)改进阶段。此阶段主要工作包括为根据更改问题的重要程度进行不同级别的审批或评审；(6)验证阶段。为确保设计和开发输出满足输入的要求，主任设计师依据“产品开发计划”的安排对设计和开发进行验证，包括校核、类比、试验、评审；(7)确认阶段。通过检测、试验或鉴定对产品进行认可，确保产品能够满足规定的使用要求或已知的预期用途的要求。
3 重型装备产品开发典型阶段一方案设计阶段流程建模
限于篇幅，现以重型装备产品开发典型阶段一方案设计阶段流程为例建模、分析。方案设计主要包括编制总体方案，绘制总体方案图，并组织评审或审查。具体内容如下：
(1)项目组主任设计师负责组织调研、资料收集、信息分析及技术洽谈、签订协议等，确定与产品要求有关的设计输入资料，编制《设计和开发输入清单》。
(2)根据产品的重要程度，新产品或重大产品由设计部门主管领导负责组织有关主任设计师和设计人员；一般产品由专业设计所（室）负责人或主任设计师负责组织设计人员。设计前进行评审设计和开发输入内容，评审会议记录员整理编写《设计和开发输入评审报告》，与会人员负责审核。
(3)设计工程师编制《总体方案设计图》，互校人员负责审核，主任设计室编制《分析计算书》，互校人员负责审核。
具体的方案设计流程，如图1所示。
图1 产品方案设计流程
4 重型产品开发设计流程特点及问题
根据实地调研和开发设计各阶段流程图，分析总结重型装备产品开发流程的特点有如下三点：
(1)各阶段步骤依次顺序进行，后续步骤必须等到前续步骤完成才能继续进行，每个步骤都有自己的输入和输出。例如，方案设计先于技术设计，方案设计的输出就是技术设计的输入。
(2)每个阶段均以审核通过为结束状态的标志，这是典型的门径管理㈣，即整个开发流程由不同的阶段和关卡组成。关卡是每个阶段结束时的审核或决策活动，能有效保证产品开发流程中的进度和质量，并可以决定流程的走向。
(3)开发流程中的各个阶段均由对应的信息系统支持。例如合同分发使用公司OA系统，开发设计使用CAD，编制工艺流程使用CAPP等。开发人员操纵的对象是不同阶段的产品模型，并产生更详细的产品模型。产品开发设计过程可以看作是产品模型经过不同阶段的构建和丰富，最终生成一个统一的信息模型的过程。
分析重型装备产品开发设计流程，存在以下几点问题：
①各个开发设计阶段需要高水平和经验丰富的设计人员，才能确保设计同时满足合同要求、技术要求及加工工艺要求。经验较少的设计人员容易产生设计错误，同时可能给产品制造带来较多困难。
②产品开发不同阶段使用的计算机辅助系统不同，这样不同信息系统数据格式的不统一导致各个设计阶段便成了一个个的“信息孤岛”，使得设计过程中的信息共享变得困难。
③常规产品开发采用类比和变型的设计方法，产生大量的零部件信息模型，导致图文档管理的复杂性急剧上升。
④有些关键部件采购和制造需要较长的周期，设计完成之前，如何给采购或制造部门提供必要的信息是一个挑战。
⑤设计人员喜欢追求技术的先进，产品成本可控会遇到很多困难。
5 重型产品开发流程优化
针对当前重型装备产品开发中出现的问题，主要从产品的成本控制、方案设计阶段以及施工阶段三个方面进行优化分析，最终达到优化重型产品开发设计流程的效果。
5.1 开发过程中引入目标成本
产品开发决定产品整体成本的70%左右，同时产品开发人员可能过分追求技术上的完美而忽视产品的开发周期、开发成本和制造成本。因此，在开发过程中对成本进行控制显得尤为必要。依据项目合同和技术协议设定目标成本和基于产品结构分解目标成本，设定各关键零部件的目标成本，将目标成本作为产品开发的一个约束条件，并在开发过程中严格控制。目标成本控制的桥式起重机开发流程，如图2所示。
图2 目标成本控制的桥式起重机开发流程
5.2 方案设计阶段流程优化
方案设计阶段是整个开发工作的重点，该阶段的设计结果决定了产品结构和关键零部件选型。如果方案设计工作出现偏差，轻则导致返工、拖延项目进度，重则影响最终产品质量，产生安全隐患。方案设计阶段需要查阅各种技术资料，项目团队需要紧密合作以及多次反馈优化，而PLM正是有效管理和充分利用各种资源、实现各应用系统有效集成的管理和集成工具，基于协同设计理念，应用并行设计方法，充分利用产品设计资源，项目组协同开展方案设计，最大可能的避免设计错误，规避设计风险，降低后续设计开发阶段的修改工作量。同时可以使得审批过程流程化，提高工作效率。基于PLM的方案设计，如图3所示。
图3 基于PLM的方案设计
5.3 施工设计阶段流程重组
该阶段是设计与开发流程的主要组成阶段，经过方案设计阶段与技术设计阶段，有关产品信息的总体方案、主要零部件已经确定下来。在施工设计阶段，设计人员主要是根据方案设计和技术设计的成果完成产品剩余“工作图”的设计和编制，包括零件图、部件图、明细表、技术说明书、检验鉴定大纲、文档目录等。此阶段的工作特征主要表现为设计难度相对较低，但工作量大、重复性工作多，所以设计阶段要花费较长时间来进行编制工作。现行的施工设计阶段中存在的问题主要体现在两方面：一是因大量变型设计而产生的大量电子图文档，如何管理和利用；另—个突出问题体现在CAD图纸的明细表的编制上。如一张桥式起重机的AO总装图纸，—般多达几百个零部件，每个自制部件都有组成明细，均需要编制相应的明细表。通过PLM软件可以实现明细表编制的自动化。在产品开发的方案设计阶段，主任设计师建立产品结构树，在产品开发的每个阶段，设计人员在完成相应技术文件的编绘之后，在PLM中添加对应的零部件信息，产品设计完工后，生成完整的产品结构树，即可自动生成产品及各部件的明细表。同时，通过产品结构树可以实现产品数据的集成管理和共享使用。
6 开发流程优化效果验证
以典型的定制化产品一一桥式起重机为例，选取一个产品开发项目组，利用新的产品开发流程开展产品开发，与该项目组近期完成的类似项目进行对比，具体如表1所示。
表1 产品开流程优化效果
从表1可以看出，经过流程优化与改进后，桥式起重机的开发过程各阶段的设计周期为63个工作日，比优化前所需的81个工作日减少了18个工作日。同时，通过目标成本控制，降低产品成本10%左右，取得了理想的效果。验证说明，使用ARIS建模方法，建立和分析重型装备产品开发流程模型，找出产品开发的瓶颈，并引入协同设计、目标成本、PLM技术来改进和优化产品开发流程，能够提高产品开发效率及产品质量，降低了产品成本。
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本文标题：重型装备产品开发流程优化
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