航空工业飞机成本问题的提出及未来研究

[摘 要] 当下的中国航空工业内部成本管理非常粗放，不适应市场竞争和企业商业化的需要，管理体制亟待改革，特别是大飞 机项目列入国家中长期发展规划后，飞机的经济性要求愈加重要。本文重点分析了飞机全寿命周期成本(lcc)工程， 介绍了并行工程的设计思想和美国兰德公司dapca iv模型，并且在分析飞机设计特点的基础上总结了其未来研究 的发展趋势在于多学科综合设计和面向系统的设计。
　　

[关键词] 飞机设计；全寿命周期成本；并行工程
　　　
　　一、航空工业飞机成本问题的提出
　　
　　作为航空工业的主要产品，飞机研制项目具有周期长、技术新、耗资大、风险大的特点。过去我国飞机研制都属政府投资，设计与生产脱节，风险由国家承担，飞机设计研究所因长期以来受军工系统传统的研发采办管理机制所限，造成了对飞机成本意识的淡漠。设计研究所的目标是设计出满足上级要求的飞机，没有将飞机成本作为设计参数进行严格控制，因此，飞机的工艺性，飞机的成本以及飞机的销量等等因素在飞机设计时考虑较少。
　　中国加入wto已有5年之久，国内市场经济不断推进，融入世界经济成为不可阻挡的激流。经济全球化成为总的趋势。航空工业的全球化是以武器系统的单一国家的模式转向国际化的开发、生产以及市场营销为基础的，而且全球化的深度和广度都在加强。在竞争日益激烈的市场环境中，民用飞机产业受到更加直接的国际市场冲击。我国的航空工业要参与国际竞争，就要求变革现行管理体制和机制，并且在广大工程技术人员心中树立起技术经济、成本效益的系统观念。
　　
　　二、飞机全寿命周期成本(lcc)工程
　　
　　1.在飞机设计阶段降低成本。现代成功的军用飞机和民用飞机，不仅具有较高的性能和效能，而且给用户在经济上带来效益。因此，飞机作为工程系统在多种方案优选决策时，很大程度上取决于其经济性。要提高经济效益，有效的办法就是控制飞机的研制成本。
　　降低产品的成本有很多方法，它们分布在不同的设计阶段。普遍认为，工程设计的早期阶段是一个新产品在技术和经济上取得成功最关键的一个步骤。通过研究设计对成本的影响表明，产品绝大部分的制造成本是在设计阶段由所选定的原理解和结构化方式所决定的，而随后的加工和装配阶段，对于降低成本而言，作用相对较小。有学者指出，产品中多达80%的成本在早期设计阶段已经决定了，在这个阶段我们可以获得主要的成本节约。
　　2.飞机的并行工程设计思想。长期以来，新产品的开发大多沿用传统的顺序工程方法。产品总是从一个部门递交给下一个部门(例如：设计开发部-工艺部-制造加工部-总装测试部等)，由于传统的顺序工程设计方法在设计的早期不能全面考虑后续过程的多种要求，造成从概念设计到工艺过程设计的多次修改，产品开发周期延长。另外，产品顺序工程方法中每一阶段的成本都逐级放大，使得新产品成本成倍提高。
　　一架飞机设计得成功与否，应以是否达到效能-费用比最优来评判。要达到效能-费用比最优只能运用不断涌现的新技术、综合设计的思想和系统工程的设计方法才能得以解决。并行工程就是适合于系统工程的一种方法，强调综合设计，强调各专业技术人员的协同合作。并行工程方法在产品的研制、开发和设计过程中充分利用高度发展的计算机辅助工具和技术集成以及信息集成系统，做到信息共享、信息交流，使开发和设计人员能大量采用集成技术，及时地完成产品及其过程(如生产、维护过程等)的设计和评价，可显著地改善产品的设计质量和加快研制周期。
　　3.飞机全寿命周期成本(lcc)管理。鉴于飞机研制、生产和使用保障等费用全面增长的严峻局面，美国国防部于20世纪60年代初提出了寿命周期成本的概念，并开始对飞机寿命周期成本进行研究。开展寿命周期成本研究的主要目的是揭示寿命周期成本发生、发展的规律，从而采取有效的方法对其进行控制。美国国防部认为，lcc是指政府为了设置和获得系统以及系统一生所消耗的总费用，其中包括开发、设置、使用、后勤支援和报废等费用。
　　在此之前，美国国防部对武器系统成本的定义主要是单件产品的成本。以后，随着武器性能的不断提高，不但武器系统的研制、生产成本日益增大，而且由于武器装备的日趋严格，促使武器系统的使用与维护费用也空前上涨。1962年，在美国国防部长的报告中披露：1961年美国国防预算至少25%用在维修费上，并且得出结论认为把全部寿命周期内的维护费压缩到最低才是产品研制的基本思想。因此，1966年6月美国国防部开始正式研究武器系统的全寿命周期成本(lcc)，并在1970年开始使用lcc评价法，要求武器系统的使用部门在作出采购决策时，不但要考虑是否买得起，更要考虑在整个全寿命周期内是否用得起。
　　lcc克服了传统企业成本管理仅注重降低生产制造成本的局限性，将企业成本管理的视角向前延伸至研发设计阶段，拓宽了成本管理的视野。它强调“产品成本是研发设计的结果”，就统筹考虑产品的可生产性、可靠性、可维修性等要求，减少在设计后期发现错误而导致的返工，从而大大缩短产品开发周期、降低制造成本、节约使用与维护费用的目的。它将重点放在产品的开发设计阶段。在激烈竞争的买方市场中，企业要在市场竞争中获胜，必须坚持以市场为导向，注重产品的顾客化，将成本管理的重点放在面向市场的设计阶段。lcc管理正是从这一角度出发，强调以顾客为中心的思想，即lcc的计算是从客户的角度进行的，不仅考虑了生产同时也考虑了使用者的耗费，确定有利于提高成本效果的最佳设计方案。
　　飞机的寿命周期指该型飞机从论证开始直到退役为止的整个周期。我国规定，飞机的寿命周期可分为研制阶段、采购阶段、使用保障阶段、退役处置阶段。飞机寿命周期成本是指在预期的寿命周期内，为飞机的论证、研制、生产、使用、维修与保障、退役所付出的一切费用之和称为飞机的寿命周期成本。以时间可分为：研究、发展、试验与鉴定费用、生产费用、地面保障设施与最初的备件费用、专用设施费用、使用保障费用、处置费用等。
　　4.飞机全寿命周期成本分析方法和兰德dapca iv模型。目前，寿命周期成本分析的方法主要有类比法、参数法和工程估算法三种。
　　类比法是建立在与过去类似的工程项目进行比较，并根据经验加上修正而得出费用估计。参数法是通过一定的数学方法建立起系统费用与系统的测度(尺寸、性能等)之间的关系[这样建立起来的关系式称为费用估算关系式(cost estimate rela-tion，cer)]。工程估算法是利用工作分解结构自下而上地估算整体费用。由于参数法可用于研制早期阶段，而这一阶段的决策对整个寿命周期费用有重大影响，因此，成为人们研究的重点，并在实践中加以应用。波音公司可以用其现在飞机的费用估算关系式毫无困难地、非常精确地估算新喷气客机的费用。

　　美国兰德(rand)公司受美国军方委托在飞机寿命周期费用分析领域开展了大量的研究工作。1967年提出关于飞机发展与采购费用(development and procurement costs of air-craft，dapca)分析的第一种模型dapca i，之后数次改进，模型的最形式是dapca iv。dapca模型在飞机寿命周期费用分析领域有相当的影响力。dapca iv模型通过工程、工艺装备、制造、质量控制等小组来分析估算研究、发展、试验与鉴定及生产所需的工时，然后将这些工时乘以相应的小时费率，就可得到一部分发展与采购费用；通过发展支援、飞行试验、制造材料和发动机制造等方面的费用直接得到另一部分发展与采购费用。
　　兰德dapca iv模型中工时、费用的计算公式如下：
　　工程工时：he=0.88w0.777ev0.894q0.163
　　工艺装配工时：ht=1.22w0.777ev0.696q0.263
　　制造工时：hm=1.6iw0.82ev0。484q0.641
　　质量控制工时： 0.076hm 货运飞机
　　0.133hm 其他飞机
　　发展支援成本：cd=7.96w0.630ev1.3
　　飞行试验成本：cf=461.13w0.325ev0.822fta1.21
　　制造材料成本：cm=1.90w0.921ev0.621q0.799
　　发动机生产成本：ceng=1.548[0.0097tmax+243.25mαmax +0.54tti-2228]
　　研究、发展、试验与鉴定费用+生产成本=
　　here+htrt+hmrm+hqrq+cd+cf+cm+cengneng+cav
　　式中：we——空重(n)；
　　v ——最大飞行速度(km/h)；
　　q ——产量；
　　fta——飞行试验机架数(一般为2～6架)；
　　neng——总产量乘以每架飞机的发动机台数；
　　tmax——发动机最大推力(n)；
　　mαmax——发动机最大马赫数；
　　 tti——涡轮进口温度(k)；
　　re，rt，rm，rq——综合费率(即人工小时费用，包括职工的工资和津贴、日常开支和管理费用等)；
　　cαv——航空电子设备费用。
　　
　　三、飞机全寿命周期成本工程与飞机设计发展趋势
　　
　　现代飞机优化设计越来越追求对各类综合设计要求的寻优，如长寿命、可靠性高、经济性好、工艺性以及维修性好等。作为本文研究的重点，飞机的全寿命周期成本应当作为飞机设计的多个目标之一，融入到飞机设计的主要参数之中。
　　飞机优化设计是一个多目标的综合优化设计过程。从现代飞机设计的并行工程概念上看，设计过程要计入飞机全寿命周期的综合因素。飞机总体设计是一个复杂的系统工程，覆盖了多个学科的内容，需要把物理、数学、空气动力学、飞行力学、控制原理、材料和工艺、经济学、发动机构造与原理、机械设计、结构力学等学科以及其他应用科学的基础科学的知识综合在一起。它包括了大量的设计变量，性能状态变量，约束方程，各个系统模型相互交叉影响，各个设计目标对设计变量的要求相互矛盾，子系统的构成可能是由不同领域的专家甚至在不同地点来操作运行的。因此需要发展一种高效适合于像飞机这样的复杂工程系统设计优化的方法。
　　从以上分析飞机设计的特点来看，未来发展呈现出多学科优化设计和面向系统设计的趋势。
　　1.多学科设计优化(multidisciplinary design optimiza-tion)。多学科设计优化是解决由相互耦合的物理现象控制的，由若干不同的交互子系统构成的复杂工程系统设计的有效方法。多学科设计优化技术在提供变量、约束、性能间交互作用和耦合信息的基础上实现同时满足各学科和系统约束的设计，具有对各种设计方案迅速进行折中分析的能力。多学科设计优化已成为研究的热点，而且不仅仅是学术研究，已经用于工程实践。如在飞机改型设计中，以最小重量和成本代价对现有飞机实现改变设计要求，迅速计算出设计参数对性能的影响，有效控制寿命周期成本。
　　多学科设计优化利用计算机网络技术集成各个学科(子系统)的知识，应用有效的设计优化策略，组织和管理设计过程，充分利用子系统之间相互作用产生的协同效应，获得系统的整体最优解。多学科设计优化通过并行设计缩短设计周期，这与现代制造技术中的并行工程思想是一致的。
　　2.面向系统设计。现代飞机设计是一个极复杂的系统工程，决定了飞机设计方法是建立和研究大型复杂系统的功能性规律最一般的描述及对其分析和综合的方法。其有别于以往设计方法的特征是：综合优化准则的应用；描述整个系统本质特征的数学模型的应用；数学优化方法、计算机技术的广泛应用。
　　作为设计对象的现代飞机具有高度的层次结构，而无论是军用飞机还是民用飞机，都是由机体平台、动力系统、机载设备、控制系统等构成的。可以把飞机分成若干个完成各种功能的子系统，将这些子系统总和在一起就决定了它的有效性能；这绝不意味着各个子系统是完全独立的，飞机的各系统是相互联系和相互制约的。
　　飞机设计中设计过程可分为若干阶段，而飞机则可划分成子系统和各部件。这就决定了飞机设计的理论基础为系统工程的科学，其目标是建立和研究大型复杂系统的功能性规律最一般的描述及对其分析的综合方法。
　　面向系统的收集方法是在充分考虑影响系统完成任务和达到指定目标的所有因素的基础上对系统进行研究。以数学模型为基础，系统设计的问题可归结为：总的目标函数在多种约束条件下的优化问题。
　　
　　四、结语
　　
　　当今中国航空工业正在向市场化、商业化发展，产品成本管理问题日益凸现。飞机全寿命周期成本工程在国外已有几十年发展，近年来也得到国内学者的重视并开始研究。未来飞机设计将越来越综合化、系统化，寿命周期成本将作为一个重要的设计参数参与其中。飞机设计研究工作者必须树立成本意识，积极引入国外先进的设计思想，使我国飞机工业设计生产能力更进一步提高。
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