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臭鼬工厂对“数字孪生工程”的认知转变

77人参与 |时间:2022年05月22日 18:45 |百度已收录

2009年2月,在美国空军研究实验室(AFRL)举办的“CBM+SI”研讨会上,DARPA对大家热议的“数字模型”(Digital Model)给了一个通俗易懂的名称:数字孪生体(Digital Twin),由此开启了第四次工业革命的数字孪生体时代。

虽然这个概念是DARPA提出的,但是当时大家接受度并不高,明明就是“数字模型”,非要叫数字孪生体干什么?

不仅仅是参与的不少专家想不明白,连洛克希德·马丁的院士Dale Ball也想不明白。

然而德高望重的Dale Ball院士对此持开放态度(当然要考虑DARPA提出的概念),安排著名的“臭鼬工厂”(Skunk Works)对此做了长达5年的研究,最终撰写了一份“数字孪生体评估报告”,结论很简单:数字孪生体是革命性的技术。

如果读者看过笔者前几天写的文章,对Dale Ball应该比较熟悉,他为损伤容限方法论做出了重要贡献,由此成为2021年美国布什奖的获得者,该奖是奖励在飞机结构完整性项目(ASIP,Aircraft Structural Integrity Program)中做出杰出贡献的人员。

臭鼬工厂在Dale Ball院士的领导下,积极参与了AFRL的机身数字孪生体项目,该项目的成效非常突出,这大大改变了Dale Ball院士对数字孪生体的看法。

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国内行业人士在接受数字孪生工程方法有不少疑虑,其中比较典型的疑问是“应用数字孪生体到底有什么用”。其实,臭鼬工厂当时也有类似的疑问,但美国人相信科学,既然对一个概念有疑问,那就开展研究课题来证明一下。

证明数字孪生体价值的项目分为两个部分:

在“工程制造开发”(EMD,Engineering & Manufacturing Development)阶段,数字孪生体到底有没有价值?

在“服务生命评估项目”(SLAP,Service Life Assessment Program)和“服务生命延长项目”(SLEP,Service Life Extension Program)阶段,数字孪生体到底有多大价值?

为了分析数字孪生体的价值,臭鼬工厂数字孪生工程团队紧密围绕ASIP的五个阶段,分别对数字孪生体和数字工程技术做了分析,最终认为“共同数据基础”大大改变了ASIP五项任务的运行范式,针对于EMD和SLAP/SLEP两个阶段的工作都有难以置信的价值。

在EMD的数字孪生体评估中,采用了三种方法:一是对传统项目和ADT的EMD阶段数据情况进行对比;二是采用了“联合共同元设计与设计支撑”模型;三是对成本削减情况进行估计。

结果之好超出了Dale Ball院士及臭鼬工厂数字孪生工程团队的预期,除了“概率结构分析工具”在传统方法和数字孪生工程方法之间对比不突出,其他五项对比指标都非常乐观。

对于“联合共同元设计与设计支撑”模型采用情况,敏感性分析结果也不错,随着更大规模的应用,其节省的投入将越来越大。

第三种方法对系统开发展示和低速首期生产(LRIP)共同开展的结果做了分析,由于采用了数字孪生工程技术,能够在系统开发展示阶段就发现不少问题,当然,这也拜LRIP共享的数据,两者的数据相互交互,产生了难以置信的良好效果。

既然数字孪生技术在EMD过程的价值突出,那么在SLAP/SLEP的效果如何呢?

为了便于对比,臭鼬工厂数字孪生工程团队设计了一套体系,包括数字历史数据、数字设计数据、数字材料流程及生产数据、数据处理工具、集成结构分析工具、概率结构分析工具等。同时,还定义了三种场景:SLAP和SLEP(含两种)。

测评的结果仍然让人兴奋不已,各项指标显示,SLAP及SLEP都能带来成本的降低,特别是“单机跟踪”(IAT,Individual Aircraft Tracking),能够带来70%的成本降低,投入的工作量也能降低53%。

臭鼬工厂在最终的总结中,客观的对该评估项目做了评价,如果考虑研发工具上的投入,从数字孪生工程中获得好处不足以覆盖成本,但从长期应用的价值来看,数字孪生工程必然是装备系统的发展方向,它是重塑臭鼬工厂江湖地位的绝佳机会。

Dale Ball院士对此也非常高兴。他在各种场合跟公司领导沟通,建议洛马不能错过这个机会。同时,Dale Ball院士还推动F-35战斗机全面采用数字孪生工程,同时还配合AFRL和DARPA继续开展各种数字孪生工程项目。

据数字孪生战场实验室跟踪,洛马针对JADC2的需求,还设计一套基于数字孪生体的数字工程体系(后续将对洛马数字工程体系做介绍,请耐心等待),这一点倒是跟工业4.0研究院的想法类似,这真可谓“英雄所见略同”。

臭鼬基因

611所年轻的设计师们,一直在尝试建立中国式的臭鼬工厂。

2016年过世的宋文骢院士曾经回忆:“在2000年一次航空发展座谈会上,许多飞机设计师们都感到为加快新机型号的研制,必须要有一种灵活的、能够快速反应的试制力量。多年来关于臭鼬工厂之路也不断地被介绍到中国来,但由于种种原因,中国飞机设计师们这个美好的梦在现实的情况下,既不具备条件也没有得到方方面面的理解支持。”[2]

实际上,臭鼬工厂著名的“14条规定”里,一直包含着一个非常重要的隐藏前提:那就是“用户、承包商甚至员工等利益相关方必须同意并遵守这些原则”,否则万能的14条就会成为一纸空谈。

臭鼬工厂著名的14条规定:

1. The Skunk Works manager must be delegated practicallycomplete control of his program in all aspects. He should report to a divisionpresident or higher. (It is essential that the program manager have authorityto make decisions quickly regarding technical, finance, schedule, or operationsmatters.)

项目经理应该有项目的全部管理权,他应该向部门总管或者以上的领导负责。(项目经理必须有足够的权限能够快速做出决定,不论是技术方面、财务方面、时间周期方面,还是管理方面。)

2. Strong but small project offices must be provided both bythe military and industry. (The customer program manager must have similarauthority to that of the contractor.)

军方和承包商方都需要准备小并且有足够权利的项目团队。(承包商方面的项目团队有极高的自治权,则客户方面的项目团队也要有极高的自治权。)

3. The number of people having any connection with theproject must be restricted in an almost vicious manner. Use a small number ofgood people (10% to 25% compared to the so-called normal systems). (Bureaucracymakes unnecessary work and must be controlled brutally.)

与项目有关的人的总数应该严格控制,使用少而优秀的人(与传统相比,只要10%~25%的人)。(官僚主义会带来许多不必要的工作必须严格抑制。)

4. A very simple drawing and drawing release system withgreat flexibility for making changes must be provided. (This permits early workby manufacturing organizations, and schedule recovery if technical risksinvolve failures.)

必须提供一个简单的图纸设计和发布的机制,并且要能够灵活的通过它修改设计。(这样能给工厂加工充分预留提前量,并且如果存在技术风险也可以预先准备尽量减少损失。)

5. There must be a minimum number of reports required, butimportant work must be recorded thoroughly. (Responsible management does notrequire massive technical and information systems.)

报告越少越好,但重要节点和工作必须从始至终贯穿记录。(负责任的管理并不是意味着繁多的文档报告。)

6. There must be a monthly cost review covering not onlywhat has been spent and committed but also projected costs to the conclusion ofthe program. Don’t have the books ninety days late and don’t surprise thecustomer with sudden overruns. (Responsible management does require operationwithin the resources available.)

每月都要做已花费成本计算和整个项目的成本估算,不要突然给客户一个项目远超预算的“惊喜”。(负责任的管理包括在有限的资源内运作。)

7. The contractor must be delegated and must assume morethan normal responsibility to get good vendor bids for subcontract on the project.Commercial bid procedures are very often better than military ones. (Essentialfreedom to use the best talent available and operate within the resourcesavailable.)

认真筛选分包商,招标来的往往比军方指定的好。(在有限的资源内充分寻找和利用最好的。)

8. The inspection system as currently used by the SkunkWorks, which has been approved by both the Air Force and Navy, meets the intentof existing military requirements and should be used on new projects. Push morebasic inspection responsibility back to subcontractors and vendors. Don't duplicateso much inspection. (Even the commercial world recognizes that quality is indesign and responsible operations not inspection.)

臭鼬工厂现有的检验已经通过了空军和海军的认证,达到了现有军用标准,一定要沿用到新项目上。将基础的检验交给分包商做,不要重复做这么多检验。(即使在商界大家也都认可质量是来自于设计和负责任的操作而不是来自于检验。)

9. The contractor must be delegated the authority to testhis final product in flight. He can and must test it in the initial stages. Ifhe doesn't, he rapidly loses his competency to design other vehicles.(Critical, if new technology and the attendant risks are to be rationallyaccommodated.)

供应商必须负责他所供应的产品在项目各个阶段的测试,直至试飞。他能够也必须从项目最初阶段就进行测试,如果他不这样做,下次招标就没他的事情了。(非常重要,如果有新的技术,那随之而来的风险必须合理转移安置。)

10. The specifications applying to the hardware must beagreed to well in advance of contracting. The Skunk Works practice of having aspecification section stating clearly which important military specificationitems will not knowingly be complied with and reasons therefore is highlyrecommended. (Standard specifications inhibit new technology and innovation,and are frequently obsolete.)

硬件的技术指标一定要在签合同前明确。臭鼬工厂会预先清晰的列出那些军事规格将不会被采用和不采用的原因和建议。(标准指标会抑制新技术和创新,而且这些指标经常过时了。)

11. Funding a program must be timely so that the contractordoesn't have to keep running to the bank to support government projects.(Responsible management requires knowledge of and freedom to use, the resourcesoriginally committed.)

资助一个项目必须持续,这样供应商就不需要总跑银行去接政府项目。(有责任的管理包括对先前承诺的资源的自由支配。)

12. There must be mutual trust between the military projectorganization and the contractor, the very close cooperation and liaison on aday-to-day basis. This cuts down misunderstanding and correspondence to anabsolute minimum. (The goals of the customer and producer should be the sameget the job done well.)

在军事项目公司和供应商之间必须相互信任。在一天一天的合作基础上建立的信任可以将误解降低至最小。(客户和生产商的目标应该统一为把工作完成。)

13. Access by outsiders to the project and its personnelmust be strictly controlled by appropriate security measures. (This is aprogram manager’s responsibility even if no program security demands are made-acost avoidance measure.)

必须严格控制外部接触项目的人,需要设定响应的安全权限。(这是一个项目经理的责任,即使没有项目、经费没有预设安全权限。)

14. Because only a few people will be used in engineeringand most other areas, ways must be provided to reward good performance by paynot based on the number of personnel supervised.(Responsible management and technical & operationalpersonnel must be rewarded. Responsible management does not permit the growthof bureaucracies.)

由于参与项目的工程师和其他方面的人员都比较少,支付奖金和薪水就要按照绩效而非人员数量。(管理人员、技术和操作人员必须奖励,负责任的管理不允许官僚主义的滋生。)

臭鼬管理法的核心特点,是建立一个高度自治的研发团队,由项目经理全权负责所有问题,完全实现小团队、扁平化管理,并让客户提前参与到项目沟通中。

这种抛开繁杂事务性工作,专注于目标的工作方式,确实给研发人员带来了极大的自由。但是这种相对的自由是有限制条件的。一切以删繁就简、提高研发效率为目标的“臭鼬管理法”,一旦得不到客户和协作方的认可和配合,将反受其困。

臭鼬工厂的14条管理规定,有几个非常明确的成立条件:

一是臭鼬工厂的第一领导人,必须是一位有能力与政府高级官员打交道的人。在全力开展空军项目时,凯利·约翰逊甚至可以直接致电赖特·菲尔德、代顿以及与他地位相当的军方项目办公室领导,以便于对出现的任何问题都能快速作出决策。

二是尽可能集中最优秀的人。臭鼬工厂的项目是围绕项目经理组织展开的,项目经理拥有全面控制所有事务的权利。所以臭鼬的项目经理或者总设计师,往往不是某一方面的专才,而是懂产品、懂技术、懂管理的全才。臭鼬的工程师,也必须是擅长沟通、独当一面的复合型人才。

另一个现象是,在臭鼬工厂的高层管理者中,没有一人拥有博士头衔或管理学位,但所有人拥有工程领域的理学学士或硕士学位。换句话说,臭鼬工厂是完完全全的产品导向,不需要口才出众的销售精英,或者精明老练的管理专家,只需要能统筹设计进度,把控研发节奏、保持风险与创新平衡的优秀产品经理。

三是小团队、扁平化。臭鼬工厂的研发团队从来不超过30人,子团队更是少于8人。臭鼬工厂认为,太多的人员、繁琐的流程和官僚主义会拖垮项目、增加成本和降低产品性能。“除了绝对必要的人之外,不需要拉入任何人。真正有效的服务于设计工作创新阶段的人数,恰恰与产品的复杂程度成反比。”

臭鼬管理法的另一个成功条件在于,它营造了一种可以激发员工,甚至承包商创新激情和创造力的能量环境。臭鼬的领导人认为:“只要你正在做知道怎么去做的每件事,即使失败了也无所谓。最重要的是从失败中学习。”

这种文化,成为了臭鼬工厂最重要的组织特征之一。

重塑组织文化

虽然凯利·约翰逊自己也承认,臭鼬管理法有使用环境和使用条件的限制条件,但是臭鼬管理法的影响,还是远远超出了一个创新样本,长期以来激励着大环境的创新。

洛克希德·马丁公司的主要竞争对手,麦·道公司的鬼怪工厂(后并入波音公司),就是出于对臭鼬工厂的敬意而设立。从美国的福特、IBM、杜邦,到法国达索·布雷盖航空公司,再到日本的佳能和本田等公司,也都在公司运营中发展了“臭鼬项目”,AT&T贝尔实验室、IBM的“深蓝”项目,BMW的i项目都是脱胎于臭鼬管理法的商业实践。

这些小团队由资深的产品经理负责,选拔优秀的年轻人组成,被授予研发某一新产品的目标,并被告知可以忽略任何有可能妨碍其创新的公司规范和标准。

1982年,乔布斯召集了20位才华横溢的设计师,离开苹果,在硅谷大地餐厅的背后创立了自己的“臭鼬工厂”。他们的目标是制造第一台麦金塔电脑(Macintosh)。两年后Macintosh(简称Mac)的推出,成为个人PC史上划时代的杰作。

2002年,阿里巴巴旗下的一支特殊小分队,入驻创业故地杭州湖畔花园,经过391个昼夜的秘密开发,终于上线了一个改变中国人购物方式的网站——淘宝网。

臭鼬工厂的创新管理法则,被一再复制到现代商业的各个角落,“臭鼬团队”成为很多高科技公司孵化创新项目的标配。

但我们必须理解,成飞611所这样的单位,想要推动臭鼬式创新,情况会复杂得多。

与消费类科技产品研发不同的是,成飞611所面对的是一个庞大的超级体系——从客户到协作方,极为复杂的沟通体系早已经锁定了很多流程,程序的创新想要得到方方面面的理解和配合并不容易。而消费科技类企业面对的是诸多个体客户,主体创新者完全可以凭借自身的号召力来实现对客户行为的牵引。

从一个成功样本到推动整个庞大体制的变革创新,过程是极为艰难且漫长的,但我们不能说是高层决策者的安故重迁。事实上成飞611所近年来的努力成果也有目共睹。从歼-10、枭龙,再到歼-20,成飞人另辟蹊径地探索着一条快速研发飞行器的创新之路。必要时组织灵活快速的研发团队,或组建新的专业研究室,对技术负责人委以重任,这些都是成飞设计师们从臭鼬工厂得来的启示。

臭鼬工厂重新塑造了组织文化,但是臭鼬管理法的一些细节,在今天的航空工业研发环境中正逐渐失效。

一是现代高性能飞机的设计复杂得多,设计团队规模比以往大10倍~20倍,协作单位也成倍数增长。臭鼬工厂的30人小团队理论在某些场景不再适用。大团队的协调、纪律和严谨要求,会与自由创新产生一定程度的冲突。

二是CAD和CAE软件的大量应用,飞机设计全面进入到计算机辅助时代,在智能化的协作流程下,臭鼬管理法面临着重新定义和定位。

从1955年第一架U-2飞机秘密首飞开始,到70年代的F-117A隐身轰炸机,再到80年代后期的F-22,再到20世纪末的F-35,这一阶段可以说是臭鼬工厂的黄金时期。

2000年,洛克希德·马丁公司宣布进行大规模组织机构调整,臭鼬工厂被调整为洛克希德·马丁公司下属的预先研究发展项目部。随着洛克希德·马丁公司以平台为中心业务向系统合成、IT领域和传统业务相结合的新型国防企业转变,臭鼬工厂作为洛马公司的核心竞争力,使公司具备了从平台到系统、从传统到“网络中心战”为主的任何国防项目投标的能力。

改组后的臭鼬工厂,除了继续承担洛克希德·马丁公司新一代战机的探索工作外,还广泛拓展了无人机、新一代飞艇、巡航导弹等新的研究领域。今天的臭鼬工厂,正站在一个更高的历史起点上,书写着新的传奇。

尾声

如果说20世纪90年代的臭鼬工厂还集中在洛克希德·马丁公司的航空部门,那么如今位于加利福尼亚州的臭鼬工厂从事的则是一种高投入、高风险的创新,打破条条框框、摒弃墨守成规,成为富有创造力的精锐人才充分发挥能力、实现梦想的天堂。

臭鼬工厂从来不想出名,但是臭鼬工厂于90年代初变得非常有名。F-117A在“沙漠风暴”行动中神出鬼没地打击震撼了全世界,五角大楼公布的关于打击巴格达的录像,通过有线电视迅速传遍了全世界。臭鼬工厂不再是一个绝密的机构,甚至逐渐开始在各大航展上主动推销自己的产品,以赢得外界更多的认可,抢占未来航空市场的先机。

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