基于模块化的大型飞机技术创新路径研究

基于模块化的大型飞机技术创新路径研究谢光亚，林丽华2011-03-04摘要：本文运用模块化思想对大型飞机的技术创新路径进行探讨，沿着“设计模块化－－生产模块化－－供应模块化”的分析思路，尝试性的对大飞机产业的模块化应用实践进行分析，并进一步分析大型飞机模块化生产的动因和经济效益，从而指导中国的大飞机产业。关键词：大飞机，模块化，技术创新，创新路径20世纪60年代模块化作为一种解决复杂问题的有效办法开始应用于计算机产业中，此后在其它很多复杂产品领域中得到应用。模块化的产品生产和设计催生了模块化的企业组织。为了完成最终的产品，不同的模块组织需要紧密的合作，这样既降低了成本，又提高了效率。同时社会分工更加细化，不仅促进了社会资源的合理分配和利用，而且提升了产业的竞争力。本文试图运用模块化理论对大型飞机的技术创新路径问题进行研究。一、模块化理论概述及应用范围（一）模块化理论概述模块化思想从广义上来说产生于19世纪末20世纪初，IBM公司1964年生产的第一台模块型计算机360正是基于模块化原理，它的产生开创了信息产业的模块化时代。而“模块化”（Modulari.ty）作为一个概念出现在大家面前是1997年卡利斯·鲍德温与吉姆·克拉克联名在哈佛商业评论发表了一篇名为《模块化时代的管理》的文章，该文初步提出了模块化理论。此后，全球的经济管理学家中涌现了研究模块化的热潮，研究内容主要是如何将模块化理论和方法应用于复杂产品的生产设计，其中包括新产品的开发、产品设计、产品生产、供应链管理、竞争策略等。1990年代中后期，日本学者国领二郎、藤本隆宏等人从比较产业论的角度独立发展了模块化理论。他们把模块化理论引入到传统制造业－－以汽车产业为例，从而为模块化的研究提供了一个新的分析视角。近年来以克里默和青木昌彦为代表的学者也从组织结构、信息系统效率、外部投资环境的视角对模块化理论进行了研究，并从组织的信息效率比较论角度分析了模块化理论。我国学者对模块化理论的研究始于上世纪90年代，很多学者开始尝试分析如何在企业生产中实施模块化方法以及模块化对企业生产组织、管理的影响。浙江大学陈劲教授在《复杂产品系统创新管理》中运用模块化思想对高速缉私艇项目、城市地铁交通控制系统、车辆调度、大型计算机和电站控制系统等大型复杂项目运用模块化思想进行研究，并得出了基于模块化思想的大型复杂产品创新管理模式。（二）模块化理论的应用范围从以上概述中可以看出，模块化最初是作为产品设计方法提出的，随后应用于产品的生产制造过程、企业结构的组织、企业之间的分工协作、直至产业结构等层面。目前模块化理论的重要作用在一些较明显能够应用模块化的行业也被揭示出来，例如大型电信通信系统、航空航天系统、智能大厦、高速列车、大型船只、电力网络通讯系统等。这些产业有显著的共同特征，它们都是结构复杂、研发投入大、技术含量高、单件或小批量定制生产的大型产品、系统或基础设施，也被称为复杂产品。复杂产品系统由于综合程度高，由众多子系统和零部件组成，其开发的成功能够带动其他产业的发展，继而带动其他普通大规模制造产品的发展。大型飞机素有“工业之花”之称，是目前世界上最为复杂、技术含量最高的产品。一架大型飞机拥有零部件300～600万之多，仅航空发动机就有22000多个部件，是集技术密集、资金密集与劳动密集于一体的产业，涉及材料冶金、电子、机械仪表以及能源、金融、保险等行业。由此可见大型飞机是典型的复杂产品系统的代表，对其进行模块化创新研究势在必行。二、模块化理论在大飞机产业的应用大型飞机制造业是典型的合作型工业，一架大型飞机从设计、生产到最后的组装需要众多部门的合作，其复杂性可想而知。到目前为止，没有一项大飞机项目是由一家公司独立完成的，就连发动机的制造也是需要几家公司的合作。以大型飞机产业的两大巨头为例，空客有1500多家供应商，分布在27个国家和地区。而波音60%以上的零部件也都转包给其他供应。国际合作和转包生产，可以提高效率，降低风险。各供应商直接供应各种零部件和子系统的外包化供应模式，是大飞机产业供应链发展的一个重要特征。下面用模块化思想对大型飞机的制造过程进行分析。从大型飞机开发初期的设计阶段开始，整机厂要完成整个界面规则的设计，然后运用模块化思想对整机结构和功能进行分解。同时整机厂要建立一系列的标准，用于判断转包商提供的模块结构、界面等是否符合质量要求。模块供应商进一步细化工作，对每一个转包零部件进行独立设计，他们负责自己模块的开发、制造以及售后服务。最后将模块提供给整机厂，由整机厂完成模块在整机上的组装。无论是整机厂还是转包商在生产的过程中，都需要全球采购，与其他企业密切的合作，都要涉及供应链的问题。因此本文就从设计的模块化、生产的模块化以及供应链管理的模块化三方面进行分析。（一）设计的模块化模块化的设计原理是以某一类产品系统或者有相似功能的相邻产品系统为开发对象，按照标准化的设计方法达到部件级的通用性；在设计方法上，它着眼于产品系统的功能分解与组合，并遵循自上而下的路径；在设计过程中，这种设计原理还必须遵循一系列重要原则，包括设计规则、独立的任务块、清晰的界面、嵌套型层级结构以及隐藏信息与可见信息的划分。模块化设计法在大飞机上的应用使得大飞机产品的开发设计表现出简易型、低成本和高效性的特征。整机厂设计好整个界面规则，划分模块，然后各转包商严格按照整机厂提供的图纸、工艺、质量以及交付进度要求，进行独立的设计和生产。这种转包的模块化设计有两种情况，一种是整机厂提供技术，转包商严格按照标准进行生产，这种情况常见于技术强大的整机厂把部件转包给没有形成自己核心技术的企业。像我国建国以来民用飞机的发展历程上，大多数的转包都是采用的这种形式，通过给大型飞机项目提供部件的转包生产来学习他们的先进技术。另外一种是转包商有自己的核心技术，按照整机厂提出的要求进行独立的设计生产。在我国大型飞机ARJ21和0919生产中，由于很多技术仍不完善，发动机、燃油、液压等系统都是转包给国外供应商来设计生产的。全球比较大的几家国际航空企业集团，如美国的波音·麦道公司、GE公司，英国的罗一罗公司，法国的航宇公司和斯奈克玛公司等，对转包生产中新上马、有风险的一些零部件，允许转包商参与研制或修改设计，要求他们承担一部分投资，也答应他们分享利润，以建立更密切的伙伴关系。目前大飞机设计的核心技术还是主要被国际大飞机制造商所垄断，如发动机技术，其技术复杂性和难度很可能是我们无法想象的，正因为如此，国际大飞机制造商将制造航空发动机技术进行严格“封杀”，大飞机发动机技术基本被美国通用电气、惠普公司和英国罗尔斯罗伊斯公司3家企业垄断，这就对很多想自行研发生产大飞机的国家提出了挑战，我国通过多年来与大飞机制造商的合作，已慢慢掌握了发动机的一些技术，中国自主研制的第一款大飞机发动机计划于2016年完成研制并开始适航取证。另外机身设计由于体现着整机的风格，属于核心技术，也有垄断性，它包括外形塑造、外覆盖件设计、内部布局和装饰等，机身采用复合材料可以明显减轻飞机的重量，提高飞机性能。欧美政府对复合材料加工技术实施了严格的管制，要求波音和空中客车不能将复合材料加工技术提供给转包生产商。总之，从技术上看，大飞机研发环节囊括了大飞机产业链中最尖端、最核心的技术，国际大飞机制造商不断加强这一环节的生产集中和技术垄断，严格封锁这一环节的技术。而一些国家由于本国市场的限制，虽然没有自主研发大飞机生产，却为许多大飞机提供零部件模块的研发与生产，如日本航空制造业虽然在大型客机的整机生产方面没有大的建树，却拥有很高的节能技术和发动机生产技术。他们把重点放在：降低航空机设计、制造成本；提高航空机安全性能的技术；降低航空机噪音和废气排放的技术；提高航空机运输效率的技术；进一步展开下一代超音速航空机的研发事业，在世界航空的零部件研发技术领域占有一席之地。（二）整机生产的模块化此环节是按照设计要求制造飞机的过程。从模块化的角度把大飞机产品系统分解为一系列相对独立的具有特定功能价值的模块。一般来说，大型民用飞机可分为机体、发动机和机载设备3个部分。所谓机体指大型飞机中主要用以装载旅客和货物、控制飞机姿态以及在地面支撑飞机的部分，它又可具体分为：机身及部件；机身尾段、尾翼及其部件；机翼及其部件；起落架。而发动机按照机型配置的不同可以分为双发、三发和四发。机载设备包括航空电子系统、电源系统、空气管理系统、飞行控制系统、液压能源系统、防火系统、供水／水处理系统以及客舱设备、装饰件等。其中，部分机载设备通常又分为两类：（1）由特定机型所必需安装的由特定供应商制造的机载设备，并且常常因不同机型而异，如导航与控制、飞行管理等等。（2）由不同制造商提供而且可以由航空公司选择的机载设备，如卫星警报系统、通讯系统等，可安装可不安装的机载设备，如部分客舱设备、机上收视设备等。大飞机制造一般指飞机机体零构件制造、部件装配和整机总装等。另外如航空发动机、仪表、机载设备、液压系统和附件等由专门工厂制造，它们作为成品在飞机上的安装和整个系统的联结、电缆和导管的敷设，以及各系统的功能调试都是总装的工作，是飞机制造的一个组成部分。目前来看，大型民用飞机制造商都是把主要部件和设备交由零部件供应商来进行生产，例如空中客车公司开发的A380飞机就有39个零部件供应商，负责主要部件和设备的生产。而日本多年来一直在波音飞机项目中担任重要角色：作为波音767客机项目的风险合作伙伴，三菱重工、川崎重工、富士重工三大飞机公司负责研制和生产机身部件，承担了15%的工作份额；三菱重工业公司一直为波音公司开发和生产“波音777”客机前部和后部等约21%的机体，川崎重工业公司负责开发和生产中部机体；在“波音787”的合作中，日本企业承担的部分约占“波音787”整机的35%，日本无疑成为787梦想飞机转包生产供应链中最重要的一环。除了波音飞机项目外，日本还承担着世界各大客机、喷气公务机公司的飞机产品机翼、机身等大部件的研制生产工作，如日本航空制造企业还承担着空中客车A-380客机3%的研究开发和生产任务。（三）供应的模块化在飞机制造过程中，整机厂将模块化的设计制造业务转包出去并且要求转包商成套供应。目前飞机制造厂实施全球采购，飞机产业形成了具有显著网络特征的模块化产业组织体系。在这个体系中供应商按照供货对象分为不同的层级：向整机厂提供部件系统的一级转包商，提供核心部件的二级转包商，提供基础部件的三级转包商，依此类推。早期欧美大飞机的零部件生产几乎都是在整机企业的下属企业或是整机企业内部不同部门进行生产，即一级、二级甚至三级、四级零部件生产企业都属于整机企业的一部分。随着整机企业边界的不断扩大，企业内部组织成本逐渐递增。于是整机厂把零部件业务转包出去，集中力量进行飞机设计研发和最后组装等核心技术环节。随着全球化采购的发展，整机厂可以获取最为先进的技术和生产部件，借助风险共担机制加速研制周期；同时大批量订货可以降低采购成本。全球供应活动的发生必然伴随着供应链管理的问题。为了有效地完成大飞机生产的模块化，必须加强供应链管理。供应链管理是为了改善企业之间制造资源横向集成的效率而协调供应链上各企业的经营活动，使企业在生产和运作等方面降低成本，满足不同的市场需求。将模块化方法融合在供应链管理中，能够降低供应链的复杂性、清晰企业之间的界面，增强供应链功能的通用性、适用性、灵活性和经济性。例如波音747飞机的制造需要400少万余个零部件，可这些零部件的绝大部分是由65个国家中的1500个大企业和15000个中小企业提供。长期以来，通过实施供应链管理，波音公司与供应商建立了互利互惠双赢的战略合作关系，取得了在世界飞机制造领域的领先地位。世界飞机制造业的另一巨人空客公司同样十分重视以供应链的理念寻找合作伙伴和优秀供应商，构建战略联盟，世界上许多国家都在为空客的产品做外包。三、大飞机产业模块化的经济效应分析产品模块化的根本动因在于经济利益的驱动，即产品实施模块化以后，能够带来显著的经济效应，最终使得各个经济主体的收益增加。大飞机产业实施模块化，既