在航空制造業向以數字模型為基礎、多學科綜合協同的新制造模式轉型的進程中，建立支持從概念提出到工程實現的航空研制集成化環境，是關系到航空自主創新和核心能力構建的關鍵。大型飛機的研制和生產是高端裝備制造業密切合作的典范，需要強有力的產業分工體系進行全面有效的支撐。基于一定的國民經濟體系和工業體系，在國家航空產業發展戰略指導下，航空工業體系，包括航空科研和技術創新體系、航空制造工程體系和基礎的航空工業支撐體系決定了航空產業的發展模式和發展前景。本文通過對國際航空界基于價值鏈建立產業最優能力體系的做法進行初步研究，分析其體系的關鍵特征，希望能夠拋磚引玉，促進我國航空界在推進大型飛機研制的產業布局設計方面進行更深入的宏觀思考。
國外航空制造業專業能力體系的特點
航空飛行器研制技術及模式是衡量一個國家科技、工業水平和綜合國力的重要標志之一。大型飛機的研制經歷了從概念設計、初步設計、詳細設計、試制生產到投入使用的漫長和復雜過程。航空客戶對飛行器的使用舒適性、環境保護特性，以及飛行器的運營管理等方面在技術、成本、交付時間上提出了日益嚴苛的要求[1]。
為適應航空工業的發展特點，國外航空行業依據市場的資源最優配置原則，從效率和成本兩方面考慮，逐步建立了以建設專業化能力中心為主，強調高度專業分工和完整能力單元建設相結合的產業布局思路，推進在外部生態中和企業內部環境中建立一個個優異中心（也稱卓越中心），形成了合理高效的產業分工體系。優異中心（Center of Excellence，COE）在國際航空航天和國防領域逐漸成為一個完整的、針對具有具體航空器等產品對象全生命周期的，綜合相關能力、知識和資源，實現流程驅動的新型組織架構。由于這種類型組織的構建方式和運行機制，切合了科研和產業發展的內在需求，逐漸為世界各國航空工業的科研和工業領域所采用。
在航空科研領域，美國聯邦航空管理局（FAA）構建航空運輸卓越中心，開展商用太空運輸系統（COMSTAC）研究。該機構（圖1）是唯一由聯邦機構、大學和工業界研究人員聯營的機構，通過共享資源、杠桿資金和匯集人才等方式改善航空業的研究狀況。通過COE的方式，FAA將分布于全國的多家研究機構連接起來，發揮各自專業優勢共同開展研究工作。
圖1 COMSTAC的管理結構
航空運輸卓越中心的成員提供來自非聯邦機構的配套資金，以鞏固與FAA的合作伙伴關系，使COE成為一個獨立的國家創新機構。通過這種政府、學術界和工業界的合作，能最大限度地發揮并增強各方面的科技創新能力。目前航空運輸卓越中心開展了包括客艙環境、高級材料研究、飛機噪聲和廢氣排放量控制、通用航空、適航保證、管理研究以及機場技術等方面的技術研究。
出于能力單元高度專業化的考慮，歐洲的空中客車公司依據產品價值鏈進行對內、外供應鏈體系的垂直整合。根據具體業務的劃分，空中客車公司分為三大業務單元：即負責零部件制造的“運營”部門、負責飛機總裝的“項目”部門以及負責采辦、人力資源、工程、質量和客戶服務等的“核心能力”部門。
空中客車的“運營”部門過去曾擁有多達16 家工廠，經過對核心業務和非核心業務進行梳理，決定剝離5家非核心業務工廠。原屬機翼和吊掛COE的英國菲爾頓工廠被出售給英國GKN公司；原屬航空結構COE的德國勞普海姆工廠被出售給迪爾/ 泰雷茲公司；原屬航空結構COE的德國諾登海姆工廠和瓦雷爾工廠與原屬EADS的奧格斯堡工廠合并為獨立的Premium AEROTEC公司；原屬航空結構COE的法國米爾特工廠和圣納澤爾- 威利工廠合并成為獨立的Aerolia 公司。Premium AEROTEC公司和Aerolia公司都是EADS的子公司，他們將作為重要供應商繼續為空中客車生產零部件，并參與全球競爭。
空中客車內部的COE，就是“運營”部門領導下的一系列專業化飛機部件生產組織，其任務是整合制造飛機部件所需的各種功能，這些功能始于零部件設計，一直延伸到質量檢測。COE采用了跨國、跨功能的組織形式，這種組織形式可以充分利用空中客車各個工廠的技術、經驗和人才。空中客車公司目前擁有四大COE[5]，包括機身與機艙COE、機翼與吊掛COE、后機身與尾翼COE 和航空結構COE，其中前3個COE 負責制造大型飛機部件，而航空結構COE則負責制造機體各部分的小型專用零件。具體配置情況見圖2。
圖2 空中客車公司的COE配置情況
空中客車COE 的工作包括工程和制造兩部分，通過統一進行部件的細節設計，可以使制造工藝合理化，并確保一種制造技術貫穿于整個制造過程。COE的首要職能是設計和工程工作，負責各種零部件細節設計，例如殼體、框架和系統安裝方式。其次COE的需要制造稱為“主要部件總成”（MCA）的復雜高科技飛機部件。最后，需要把飛機部件交付給“項目”部門的飛機總裝線。
在空中客車的整個產品發展和生產流程中，“運營”部門的上游是“核心工程”部門，負責飛機設計；下游是“項目”部門，負責飛機的總裝。通過整合協調各個工廠的工裝和工藝，空中客車使COE管理更加簡單而高效。在各個COE之間，以及COE與總裝線之間，很多關鍵的物流運輸工作，由空中客車“運營”部門——一個專設的供應鏈管理部門負責，主要工作包括大型部件的運輸，以及通過常規運輸方式（陸路和海路）從供應商向COE，或從COE向總裝線運輸物資。
空中客車公司的專業化中心被業界公認是世界上比較成功的飛機零部件生產組織形式之一。經過多年調整，空中客車公司的COE架構已經發展成熟，支持了各類最先進的飛機研制和生產。
與此相類似，美國GE公司在航空發動機領域，也開展COE的核心應用。這些COE匯集了GE公司航空發動機關鍵技術領域最先進的能力和專業知識，依據發動機單元體的劃分共設置了風扇和壓氣機葉片、渦輪葉片、結構件、構件燃燒室、旋轉件、控制與附件等6 類COE，進行智能化的綜合，以支撐所有的發動機研制項目，見圖3。
圖3 GE航空的發動機產業COE配置情況
先進專業能力體系的工程能力建設
COE的工作主要包括工程和制造兩部分。對于航空COE工程能力的提升同樣得到各航空企業所在國政府的高度重視。在COE內部工程協同環境上，為不斷改進已有產品的性能和推出創新的產品，需要比以往更快地應用新技術，降低設計和開發成本，以及縮短新產品的開發時間。
在美國，國家航空航天局（NASA）在工程設計與管理領域重點推進先進工程環境（Advanced Engineering Environments， AEE）項目的研究[7]。AEE 旨在研究通過計算和通信系統，構建連接研究者、技術專家、設計師、制造商、供應商和消費者的集成的虛擬/ 分布式環境，保證覆蓋產品和工程任務全生命周期設計工作實現自始至終的連續，從而提高航空企業設計開發復雜新系統、新產品和新工作任務的能力，極大地縮短產品開發周期和成本。作為協同和分布式框架，AEE基于Web、數據與分析的工程環境，可提供：
（1）為NASA 內部提供跨所有中心的集成系統評估能力；
（2）覆蓋更大范圍學科領域的工程評價和設計能力；
（3）技術性能指標數據可追溯性的整體系統架構和技術開發路線。
NASA 又啟動了智能綜合環境(Intelligent Synthesis Environment，ISE) 來開發AEE 技術和系統。ISE關注集合廣泛分布的科學、技術和工程團隊，使其有能力快速地開發出創新的、經濟上可承擔的產品。ISE 主要包含：（1） 快速綜合和仿真工具，目標為發展先進設計和分析工具。（2）成本和風險管理技術，目標為提高成本管理和風險管理的能力。（3）生命周期集成和驗證，目標為簡化任務生命周期的集成。（4） 協同工程環境，目標為在 NASA 的企業中革新工程和科學實踐。（5）徹底改變文化、培訓和教育，目標為革新工程和科學文化以增強創新過程。
在歐洲，歐盟啟動實施了VIVACE（Value Improvement through a Virtual Aeronautical Collaborative EntERPrise，通過虛擬的航空合作提升企業價值）項目構建航空研究虛擬的合作環境。VIVACE 是歐盟針對2020年航空工業的發展趨勢資助的研究計劃，其宗旨是研究在先進的并行工程環境中全面推進建模和仿真方法應用，來完善設計和優化整個設計過程，從而構建一個虛擬的合作工程環境以改善飛機和發動機設計工作。VIVACE 項目最終想實現的目標包括：降低研制總費用（從新飛機設計到市場銷售）的5%，縮短研制周期的5%，縮短飛機交付周期30%，以及降低新型發動機研制費用的50%[8]。該項目包括3 個主要子項目：虛擬飛機、虛擬發動機和先進能力。虛擬飛機子項目由空中客車法國公司牽頭；虛擬發動機子項目由羅?羅公司牽頭；先進能力子項目由法國CRCF 研究中心牽頭。VIVACE涉及7 個關鍵領域：設計仿真、虛擬試驗、設計優化、業務和供應鏈建模、知識管理、決策支持以及虛擬企業。VIVACE 主要研究框架見圖4。
圖4 VIVACE計劃的航空研究項目分布
從上述例子可以看出，國外航空界高度重視新型航空飛行器的創新方案以及敏捷研制的要求，大力推進滿足快速設計、驗證和制造優異中心（COE）能力建設的模式。COE 研發和工程能力建設是COE 專業化發展的關鍵，并將重點放在虛擬產品開發和協同的環境建設方面，力爭通過先進的信息技術應用，實現產品研發的技術成功和商業成功。
產業層面的專業能力體系集成
從航空產業宏觀層面的集成方面，還可以細分為兩個層次。
1 基于產品研發和制造的數字化工程協同
為應對復雜的航空產業鏈協作和工程技術的綜合應用，以美國和歐洲為代表的西方航空巨頭以主集成商為核心大力推進基于產品研發和制造的數字化工程協同體系建設，并在組織、機制等方面創建了新的技術研究和產品發展模式。特別體現在美國波音公司的波音787飛機和歐洲空中客車公司的A380飛機的研制及其競爭上。在以美、英為首多國聯合研制的一機三型的F-35 軍用戰機中，也充分體現了這一特點。數字化工程協同的主要特征如下。
（1）實現航空產品虛擬環境建造。國外航空制造商目前已經建立了完善的產品開發虛擬環境，從虛擬設計、虛擬測試、虛擬制造發展到了虛擬企業；從虛擬部件發展到虛擬樣機。波音787 項目實現了無物理樣機進行產品研制的目標。在對外協同上，波音公司為波音787飛機中應用了基于PLM 的全球協同環境GCE（Global Collaboration Environment），覆蓋各類內外部供應鏈。通過GCE 提供的應用基礎架構、門戶服務和集成服務等，波音787 飛機建立了單一產品數據源，使產品數據暢通而準確地由研制的上游向下游流動，保證各部門數據快速而準確地交換，實現了產品的并行協同設計與制造。
（2）基于COE實現各類數據和流程的整合。A380 是空中客車與各大航空公司、機場和適航當局密切合作而共同研制的超大型客機，其具體的設計和制造工作由空中客車位于法國、英國、德國和西班牙的4 家子公司共同承擔，并且還包括10 余家共同承擔風險的合作伙伴。為了建立公共的流程和工具，形成單一的數據源，空中客車基于商用PLM平臺開發了一套PRIMES（Product Related Information Management EntERPrise System）系統，并專門成立了一個多達200多人的跨部門ACE（Airbus Concurrent Engineering）團隊來支持PRIMES 系統的實施。通過實施Primes 系統，溝通了各類COE的數據和流程，實現研制周期比) A340縮短25%，成本減少50%，利潤增加10%，乘員增加50% 的目標，確保了A380的研制成功。
（3）實現全球性協同，進行全生命周期管理。洛克希德•馬丁公司主導研制的JSF 項目，參與的各類企業地處30 多個國家，跨越17 個時區。通過采用了統一的PLM 系統，集成了包括需求管理系統、CAD 系統、產品設計仿真、可視化工具、標準件管理、制造資源規劃系統、車間管理系統、工藝計劃、材料管理和后勤保障等系統，保證從用戶需求、詳細設計、數字樣機、生產計劃、工藝規程、加工仿真和維修服務等階段的產品數據存放在一個公共的數據平臺上，統一管理設計BOM、制造BOM、建造BOM 和維修BOM 等，從而實現JSF項目降低成本、縮短研制周期、易于維修的目標。
2 基于國家層面的航空科研網格協同
COE作為一個科研和工程能力中心，離不開外部的協作。除了在企業層面搭建產品研制信息平臺建立全球性協同環境，在國家層面，各航空企業所在國政府不遺余力地通過提供有效的社會資源來支持航空專業能力體系發揮效用。目前主要的做法是推動航空數字化科研（e-Science）體系建設，就是為企業建立航空科研網格，以便建立航空行業COE的外部生態環境。根據美國科學基金會的定義：e-Science是一種新的科學研究環境，在這種新的研究環境中研究人員能夠通過高性能的網絡進行先進計算、協同工作、實現數據獲取和管理的服務。
e-Science 的精髓是基于網絡的共享與協作。一方面實現科研設施、信息、人才等的共享，另一方面實現行業的協作，共同完成某一項研究工作。建立e-Science 的關鍵技術包括：基于網格的資源和服務共享技術；科研數據的采集、管理、保存與分析技術；研究對象的建模和仿真技術；虛擬研究團隊的組建和協同技術。其中，網格技術幾乎是e-Science 的代名詞，正是通過網格才將e-Science 所需的眾多技術和資源，如分布式計算技術、網絡安全技術、協同工作技術、資源管理技術等集成一體、構成并實現了e-Science。
在歐洲，陸續出現了英國國家網格、法國國家網格和德國網格等。歐洲委員會也出面資助DATAGrid 和EuroGrid 跨國性的網格項目，為全歐洲的研究活動和工業產品開發提供支持。其中EuroGrid 中的CAE網格有效支持空中客車公司開展的飛機研制工作，為空中客車的工程師利用高性能計算設施進行飛行器研制仿真提供了大力支持[9]。
國外最優能力體系建設的關鍵特征
從國際航空產業的探索和實踐來看，國外先進的同行建立最有能力體系的主要經驗如下。
1 基于市場體制建立有利的產業布局
本質上，建立最優能力體系不是企業的最終目標。企業的目標是在為社會創造價值的同時獲取合理的經營利潤。這一本質要求決定企業，尤其是處于航空工業的龍頭企業（如波音公司、空中客車公司）作為主集成商，進行整個供應鏈設計時完全是從市場取向的角度出發來考慮的。政府在這方面干預非常少，最多進行合規的引導。空中客車對過去多達16家工廠，根據核心業務和非核心業務的劃分原則，決定剝離5 家非核心業務工廠，讓其與別人合并，后者單獨成立獨立公司的做法充分說明市場配置是企業進行供應鏈設計和規劃的主要考量因素。包括空中客車在中國天津設立A320 總裝線都是基于這樣的背景進行決策的。
國際航空界最優能力體系布局設計的另一個特點是飛機系統研制生產的高度專業化。飛機系統作為一個獨立的商業單元，一大批的跨國公司依據自身的專業優勢在提供整體的解決方案，從單純的機載零部件制造向上游的飛機系統設計生產一體化供應商轉變。
在市場體制之外，一些長期的基礎研究則依賴國家和社會進行開發。但即便在這樣的研究環境中，國家則主要通過國有（含軍方）研究機構再次組織大學、科研機構、工業界進行聯合研究。聯邦航空管理局（FAA）構建航空運輸卓越中心（COEs）開展商用太空運輸系統（COMSTAC）研究就是這種典型的模式。
2 基于企業發展階段進行最優能力體系設計
在企業內部，國外航空企業逐步建立基于能力中心的專業化分工合作體系，是由企業的發展階段確定的。在企業發展的早期，往往產品型號少、變化慢、產品交付數量不多，并且生產周期較長，企業內部主要是以傳統的串行方式進行工作，按工程專業劃分的車間和生產線基本能夠滿足企業的管理要求。
在兩大航空巨頭逐步占據行業高端，產品型號和數量空前增長，應用的新材料新工藝愈加復雜的情況下，用戶對產品交付質量和交付周期日益嚴苛的背景下，要想提高飛機制造水平，必須按產品大的部件和系統來進行產品制造體系的重新設計，通過大幅度增加研發制造設施的柔性，來實現高度專業化的制造工作分工，從而有效地提高自身的制造能力，消除能力瓶頸。
企業內部的最優能力體系設計最大的轉變是研發生產的一體化，除總體的概念設計和方案設計由專業的產品研究部門來做之外，零部件的設計和試制生產則主要靠各個專業的COE 來做。
3 最優能力體系的運行和集成，信息化至關重要
無論是在產業格局的供應鏈整合和設計，還是內部最優能力中心的建設，信息化的作用至關重要。在產品布局上，主集成商通過建立基于產品型號的全球性協同研制環境，有效地利用了全球性的技術資料、資本資源和人力資源，構建起虛擬企業。在內部最優能力中心（主要是COE、也包括COR）建設，大量地應用基于數字模型設計和工程仿真手段，力圖實現信息流、資源流和過程流的有序流動。
為保證這種最優能力體系的運行，國外政府大力推進了基于數字化科研（e-Science）體系的航空網格體系建設，歐洲建立的網格為空中客車提供強有力的超算能力就是一個較好的證明。
結束語
近年來，在國際航空先進飛行器研制中無論從宏觀行業層面到微觀產品設計、驗證和制造環節都充分體現了數字化技術的綜合應用。以提升航空制造業核心競爭力和支持航空飛行器創新設計、敏捷研制為出發點，從深度和廣度上研究數字化技術在航空飛行器研制過程的各個應用層面的方向和趨勢，值得我們關注的是：
（1）從產業政策層面，關注未來先進航空飛行器研發在航空產業的宏觀協同和能力環境建設，制定國家層面在推進產學研一體化協作方面的政策。重點引入數字化科研網格的概念，提出構建促進航空產業創新、大幅度縮短航空產品上市時間、提高航空行業生產率的航空產業創新體系。
（2）從體制機制創新層面，建立新一代航空飛行器協同研制的模式、工具、方法和流程，提供基于國家和區域的云計算基礎設施，建立協同研制COE 的組織模式和協同機制。
（3）從信息化推進產業發展層面，構建完整的數字化的應用體系，提出從新型航空器的需求定義開始，直至設計、制造、交付以及運營服務全過程、全業務和全價值鏈完整的數字化應用環境。
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本文標題：國際航空創建產業最優能力體系的研究
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