航空工業飛機成本問題研究論文

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[摘要]當下的中國航空工業內部成本管理非常粗放，不適應市場競爭和企業商業化的需要，管理體制亟待改革，特別是大飛機項目列入國家中長期發展規劃后，飛機的經濟性要求愈加重要。本文重點分析了飛機全壽命周期成本(LCC)工程，介紹了并行工程的設計思想和美國蘭德公司DAPCAIV模型，并且在分析飛機設計特點的基礎上總結了其未來研究的發展趨勢在于多學科綜合設計和面向系統的設計。

[關鍵詞]飛機設計；全壽命周期成本；并行工程

一、航空工業飛機成本問題的提出

作為航空工業的主要產品，飛機研制項目具有周期長、技術新、耗資大、風險大的特點。過去我國飛機研制都屬政府投資，設計與生產脫節，風險由國家承擔，飛機設計研究所因長期以來受軍工系統傳統的研發采辦管理機制所限，造成了對飛機成本意識的淡漠。設計研究所的目標是設計出滿足上級要求的飛機，沒有將飛機成本作為設計參數進行嚴格控制，因此，飛機的工藝性，飛機的成本以及飛機的銷量等等因素在飛機設計時考慮較少。

中國加入WTO已有5年之久，國內市場經濟不斷推進，融入世界經濟成為不可阻擋的激流。經濟全球化成為總的趨勢。航空工業的全球化是以武器系統的單一國家的模式轉向國際化的開發、生產以及市場營銷為基礎的，而且全球化的深度和廣度都在加強。在競爭日益激烈的市場環境中，民用飛機產業受到更加直接的國際市場沖擊。我國的航空工業要參與國際競爭，就要求變革現行管理體制和機制，并且在廣大工程技術人員心中樹立起技術經濟、成本效益的系統觀念。

二、飛機全壽命周期成本(LCC)工程

1.在飛機設計階段降低成本。現代成功的軍用飛機和民用飛機，不僅具有較高的性能和效能，而且給用戶在經濟上帶來效益。因此，飛機作為工程系統在多種方案優選決策時，很大程度上取決于其經濟性。要提高經濟效益，有效的辦法就是控制飛機的研制成本。

降低產品的成本有很多方法，它們分布在不同的設計階段。普遍認為，工程設計的早期階段是一個新產品在技術和經濟上取得成功最關鍵的一個步驟。通過研究設計對成本的影響表明，產品絕大部分的制造成本是在設計階段由所選定的原理解和結構化方式所決定的，而隨后的加工和裝配階段，對于降低成本而言，作用相對較小。有學者指出，產品中多達80%的成本在早期設計階段已經決定了，在這個階段我們可以獲得主要的成本節約。

2.飛機的并行工程設計思想。長期以來，新產品的開發大多沿用傳統的順序工程方法。產品總是從一個部門遞交給下一個部門(例如：設計開發部-工藝部-制造加工部-總裝測試部等)，由于傳統的順序工程設計方法在設計的早期不能全面考慮后續過程的多種要求，造成從概念設計到工藝過程設計的多次修改，產品開發周期延長。另外，產品順序工程方法中每一階段的成本都逐級放大，使得新產品成本成倍提高。

一架飛機設計得成功與否，應以是否達到效能-費用比最優來評判。要達到效能-費用比最優只能運用不斷涌現的新技術、綜合設計的思想和系統工程的設計方法才能得以解決。并行工程就是適合于系統工程的一種方法，強調綜合設計，強調各專業技術人員的協同合作。并行工程方法在產品的研制、開發和設計過程中充分利用高度發展的計算機輔助工具和技術集成以及信息集成系統，做到信息共享、信息交流，使開發和設計人員能大量采用集成技術，及時地完成產品及其過程(如生產、維護過程等)的設計和評價，可顯著地改善產品的設計質量和加快研制周期。

3.飛機全壽命周期成本(LCC)管理。鑒于飛機研制、生產和使用保障等費用全面增長的嚴峻局面，美國國防部于20世紀60年代初提出了壽命周期成本的概念，并開始對飛機壽命周期成本進行研究。開展壽命周期成本研究的主要目的是揭示壽命周期成本發生、發展的規律，從而采取有效的方法對其進行控制。美國國防部認為，LCC是指政府為了設置和獲得系統以及系統一生所消耗的總費用，其中包括開發、設置、使用、后勤支援和報廢等費用。

在此之前，美國國防部對武器系統成本的定義主要是單件產品的成本。以后，隨著武器性能的不斷提高，不但武器系統的研制、生產成本日益增大，而且由于武器裝備的日趨嚴格，促使武器系統的使用與維護費用也空前上漲。1962年，在美國國防部長的報告中披露：1961年美國國防預算至少25%用在維修費上，并且得出結論認為把全部壽命周期內的維護費壓縮到最低才是產品研制的基本思想。因此，1966年6月美國國防部開始正式研究武器系統的全壽命周期成本(LCC)，并在1970年開始使用LCC評價法，要求武器系統的使用部門在作出采購決策時，不但要考慮是否買得起，更要考慮在整個全壽命周期內是否用得起。

LCC克服了傳統企業成本管理僅注重降低生產制造成本的局限性，將企業成本管理的視角向前延伸至研發設計階段，拓寬了成本管理的視野。它強調“產品成本是研發設計的結果”，就統籌考慮產品的可生產性、可靠性、可維修性等要求，減少在設計后期發現錯誤而導致的返工，從而大大縮短產品開發周期、降低制造成本、節約使用與維護費用的目的。它將重點放在產品的開發設計階段。在激烈競爭的買方市場中，企業要在市場競爭中獲勝，必須堅持以市場為導向，注重產品的顧客化，將成本管理的重點放在面向市場的設計階段。LCC管理正是從這一角度出發，強調以顧客為中心的思想，即LCC的計算是從客戶的角度進行的，不僅考慮了生產同時也考慮了使用者的耗費，確定有利于提高成本效果的最佳設計方案。

飛機的壽命周期指該型飛機從論證開始直到退役為止的整個周期。我國規定，飛機的壽命周期可分為研制階段、采購階段、使用保障階段、退役處置階段。飛機壽命周期成本是指在預期的壽命周期內，為飛機的論證、研制、生產、使用、維修與保障、退役所付出的一切費用之和稱為飛機的壽命周期成本。以時間可分為：研究、發展、試驗與鑒定費用、生產費用、地面保障設施與最初的備件費用、專用設施費用、使用保障費用、處置費用等。

4.飛機全壽命周期成本分析方法和蘭德DAPCAIV模型。目前，壽命周期成本分析的方法主要有類比法、參數法和工程估算法三種。

類比法是建立在與過去類似的工程項目進行比較，并根據經驗加上修正而得出費用估計。參數法是通過一定的數學方法建立起系統費用與系統的測度(尺寸、性能等)之間的關系[這樣建立起來的關系式稱為費用估算關系式(CostEstimateRela-tion，CER)]。工程估算法是利用工作分解結構自下而上地估算整體費用。由于參數法可用于研制早期階段，而這一階段的決策對整個壽命周期費用有重大影響，因此，成為人們研究的重點，并在實踐中加以應用。波音公司可以用其現在飛機的費用估算關系式毫無困難地、非常精確地估算新噴氣客機的費用。

美國蘭德(RAND)公司受美國軍方委托在飛機壽命周期費用分析領域開展了大量的研究工作。1967年提出關于飛機發展與采購費用(DevelopmentandProcurementCostsofAir-craft，DAPCA)分析的第一種模型DAPCAI，之后數次改進，模型的最形式是DAPCAIV。DAPCA模型在飛機壽命周期費用分析領域有相當的影響力。DAPCAIV模型通過工程、工藝裝備、制造、質量控制等小組來分析估算研究、發展、試驗與鑒定及生產所需的工時，然后將這些工時乘以相應的小時費率，就可得到一部分發展與采購費用；通過發展支援、飛行試驗、制造材料和發動機制造等方面的費用直接得到另一部分發展與采購費用。

蘭德DAPCAIV模型中工時、費用的計算公式如下：

工程工時：HE=0.88W0.777ev0.894Q0.163

工藝裝配工時：HT=1.22W0.777ev0.696Q0.263

制造工時：HM=1.6IW0.82ev0。484Q0.641

質量控制工時：0.076HM貨運飛機

0.133HM其他飛機

發展支援成本：CD=7.96W0.630ev1.3

飛行試驗成本：CF=461.13W0.325ev0.822FTA1.21

制造材料成本：CM=1.90W0.921ev0.621Q0.799

發動機生產成本：CEng=1.548[0.0097Tmax+243.25Mαmax+0.54tti-2228]

研究、發展、試驗與鑒定費用+生產成本=

HERE+HTRT+HMRM+HQRQ+CD+CF+CM+CEngNEng+Cav

式中：We——空重(N)；

v——最大飛行速度(km/h)；

Q——產量；

FTA——飛行試驗機架數(一般為2～6架)；

NEng——總產量乘以每架飛機的發動機臺數；

Tmax——發動機最大推力(N)；

Mαmax——發動機最大馬赫數；

tti——渦輪進口溫度(K)；

RE，RT，RM，RQ——綜合費率(即人工小時費用，包括職工的工資和津貼、日常開支和管理費用等)；

Cαv——航空電子設備費用。

三、飛機全壽命周期成本工程與飛機設計發展趨勢

現代飛機優化設計越來越追求對各類綜合設計要求的尋優，如長壽命、可靠性高、經濟性好、工藝性以及維修性好等。作為本文研究的重點，飛機的全壽命周期成本應當作為飛機設計的多個目標之一，融入到飛機設計的主要參數之中。

飛機優化設計是一個多目標的綜合優化設計過程。從現代飛機設計的并行工程概念上看，設計過程要計入飛機全壽命周期的綜合因素。飛機總體設計是一個復雜的系統工程，覆蓋了多個學科的內容，需要把物理、數學、空氣動力學、飛行力學、控制原理、材料和工藝、經濟學、發動機構造與原理、機械設計、結構力學等學科以及其他應用科學的基礎科學的知識綜合在一起。它包括了大量的設計變量，性能狀態變量，約束方程，各個系統模型相互交叉影響，各個設計目標對設計變量的要求相互矛盾，子系統的構成可能是由不同領域的專家甚至在不同地點來操作運行的。因此需要發展一種高效適合于像飛機這樣的復雜工程系統設計優化的方法。

從以上分析飛機設計的特點來看，未來發展呈現出多學科優化設計和面向系統設計的趨勢。

1.多學科設計優化(MultidisciplinaryDesignOptimiza-tion)。多學科設計優化是解決由相互耦合的物理現象控制的，由若干不同的交互子系統構成的復雜工程系統設計的有效方法。多學科設計優化技術在提供變量、約束、性能間交互作用和耦合信息的基礎上實現同時滿足各學科和系統約束的設計，具有對各種設計方案迅速進行折中分析的能力。多學科設計優化已成為研究的熱點，而且不僅僅是學術研究，已經用于工程實踐。如在飛機改型設計中，以最小重量和成本代價對現有飛機實現改變設計要求，迅速計算出設計參數對性能的影響，有效控制壽命周期成本。

多學科設計優化利用計算機網絡技術集成各個學科(子系統)的知識，應用有效的設計優化策略，組織和管理設計過程，充分利用子系統之間相互作用產生的協同效應，獲得系統的整體最優解。多學科設計優化通過并行設計縮短設計周期，這與現代制造技術中的并行工程思想是一致的。

2.面向系統設計?，F代飛機設計是一個極復雜的系統工程，決定了飛機設計方法是建立和研究大型復雜系統的功能性規律最一般的描述及對其分析和綜合的方法。其有別于以往設計方法的特征是：綜合優化準則的應用；描述整個系統本質特征的數學模型的應用；數學優化方法、計算機技術的廣泛應用。

作為設計對象的現代飛機具有高度的層次結構，而無論是軍用飛機還是民用飛機，都是由機體平臺、動力系統、機載設備、控制系統等構成的?？梢园扬w機分成若干個完成各種功能的子系統，將這些子系統總和在一起就決定了它的有效性能；這絕不意味著各個子系統是完全獨立的，飛機的各系統是相互聯系和相互制約的。

飛機設計中設計過程可分為若干階段，而飛機則可劃分成子系統和各部件。這就決定了飛機設計的理論基礎為系統工程的科學，其目標是建立和研究大型復雜系統的功能性規律最一般的描述及對其分析的綜合方法。

面向系統的收集方法是在充分考慮影響系統完成任務和達到指定目標的所有因素的基礎上對系統進行研究。以數學模型為基礎，系統設計的問題可歸結為：總的目標函數在多種約束條件下的優化問題。

四、結語

當今中國航空工業正在向市場化、商業化發展，產品成本管理問題日益凸現。飛機全壽命周期成本工程在國外已有幾十年發展，近年來也得到國內學者的重視并開始研究。未來飛機設計將越來越綜合化、系統化，壽命周期成本將作為一個重要的設計參數參與其中。飛機設計研究工作者必須樹立成本意識，積極引入國外先進的設計思想，使我國飛機工業設計生產能力更進一步提高。