L8 集成设计和流程管理

L8 集成设计和流程管理

定义，案例研究和分析

集成设计流程

 设计对象（如飞行器或航天器）的任务使命，是指该产品在设计、开发和部署过程中旨在完成的特定作业或操作成果（可能为多项）。它涵盖了该对象的预期用途、目标及操作要求，体现了利益相关方的期望。

任务使命是最高层次的需求。我们为什么要设计这个东西？它最终要达成什么？

例如，一架新型战斗机的“任务使命”可能是猎杀敌先进战斗机、预警机（预期用途），夺取和维持空中优势（目标），并且能在不同等级的机场和维护条件下运作（操作要求）。这背后是空军（利益相关方）的战略需求。

 任务描述进一步界定了活动范围、操作环境以及期望成果，这些要素驱动着产品在整个生命周期中的设计、测试和使用过程。

例如，上述先进战斗机的活动范围是海岸线以外2000km作战半径，操作环境是高空、高速、敌强大制空压力，期望成果是干掉敌指挥枢纽和强力打手，为后续其他战机的近距空中支援和持续制空权维持创造条件。

 集成化设计流程必须同步考量对象属性（设计自由度dDOFs）与任务相关情境，这种双重考量需贯穿对象全寿命周期与任务执行周期。

1. 集成设计的核心原则：不能孤立地看待设计对象特性和设计自由度，而是把它们和任务相关的情境紧密结合，并且进行同步的、动态的考量。
2. 设计自由度：dDoF在产品生命周期的不同阶段会发生变化；或者某些dDoF本身就是可调的，能够适应任务情境的变化。
3. 早期选择的材料（dDOF）会影响制造性、维护性（生命周期考量）以及在极端任务环境下的性能表现（任务情境考量）。
   随着对任务情境理解的深化、生命周期各阶段需求的明确，以及新技术（可能带来新的dDOFs）的出现，最优的权衡方案集合（帕累托前沿）也会随之演进。

• 最终，成功履行使命是产品开发、部署和持续运营的关键指导原则，确保与总体战略目标保持一致，并最大限度地发挥其在实现预期目的方面的效用和有效性。

无论技术多么先进，设计多么巧妙，如果最终不能有效、经济地完成预定使命，那么这个产品就是失败的。

生命周期

设计对象的生命周期，指的是产品从构思、开发、进入市场、成熟到最终衰退或停产（包括任何报废处理或回收）所经历的各个阶段。

集成设计的体现：集成设计要求在最早的“构思”阶段就要考虑到后续所有阶段的需求和影响。例如：

• 为制造而设计 (Design for Manufacturing) ：在设计时就考虑如何方便、经济地制造。
• 为维护而设计 (Design for Maintainability) ：考虑如何方便检修、更换部件，以降低运营阶段的成本和停机时间。
• 为回收而设计 (Design for Recycling/Disposal) ：在航空航天领域，特别是对于有潜在环境影响的材料（如某些复合材料、放射性同位素电源），需要考虑其最终的安全处置和回收问题。

第一张图：商用飞机（例如波音737）

• 中文翻译：

  • 规划 (Planning): 波音公司为满足中短途飞行的市场需求，制定737系列飞机的任务概况、需求和规格。
  • 开发 (Development): 工程师设计飞机，考虑空气动力学、燃油效率、乘客舒适度和安全标准等因素。
  • 部署 (Deployment): 开发完成后，飞机进入全球航空公司服役，执行其指定任务，并经过严格的测试和认证流程。
  • 成熟期 (Maturity): 飞机在商业机队中运营，进行定期维护、升级以及为适应不断变化的法规或市场需求的偶尔修改。
  • 寿命终结 (End of life): 随着更新、更先进的飞机型号进入市场，像波音737这样的老旧型号的需求下降。最终，生产停止，飞机退役。

• 精炼分析：
  这张图展示了典型的商用飞机生命周期。

  • 市场驱动的规划： 商用飞机的初始阶段高度依赖市场需求和经济可行性。
  • 注重运营效率和安全： 开发阶段强调燃油效率、乘客体验和严格的安全标准，这些都是商业航空的关键考量。
  • 全球化部署和标准化： 飞机在全球范围内运营，需要遵守国际标准和认证。
  • 持续的维护和适应性： 成熟期强调通过维护和升级来延长服役寿命并适应变化的环境。
  • 技术迭代导致的产品淘汰： 新技术的出现和市场竞争最终导致旧型号的退役。

第二张图：军用飞机（例如洛克希德·马丁 F-35）

• 中文翻译：

  • 规划 (Planning): 洛克希德·马丁公司与国防部和空军协商，详细制定F-35系列多用途战斗机的任务概况、需求和规格。
  • 开发 (Development): 工程师设计飞机，除了考虑隐身性、敏捷性、速度、燃油消耗等因素外，还考虑任务的多功能性。
  • 部署 (Deployment): 经过广泛的测试和评估后，F-35投入军事服役，并持续进行升级和维护以适应不断变化的威胁。
  • 成熟期 (Maturity): 飞机在各种作战场景中运行，需要持续的支持、培训和后勤保障以维持作战准备状态。
  • 寿命终结 (End of life): 随着技术的进步和新一代战斗机的出现，F-35最终可能会停止服役。

• 精炼分析：
  这张图勾勒了军用飞机的生命周期，与商用飞机有所不同。

  • 国家战略驱动的规划： 军用飞机的规划由国家防御需求和战略目标主导，通常涉及政府和军方深度参与。
  • 强调作战性能和适应性： 开发阶段的核心是作战能力，如隐身性、敏捷性、速度以及应对不同任务的能力。
  • 应对威胁驱动的部署和升级： 部署后，军用飞机需要不断升级以应对新兴威胁和技术发展。
  • 战备状态为核心的成熟期： 成熟期的重点是保持飞机的作战准备状态，包括持续的后勤支持和人员培训。
  • 技术和威胁演变驱动的更新换代： 与商用飞机类似，技术的进步和威胁环境的变化最终会导致型号的淘汰。

第三张图：航天发射系统（例如 SpaceX 猎鹰9号）

• 中文翻译：

  • 规划 (Planning): SpaceX 作为运营商和原始设备制造商 (OEM)，详细制定猎鹰9号系列航天发射系统的任务概况、需求和规格。
  • 开发 (Development): 工程师设计航天发射系统，除了考虑可重复使用性、可靠性、成本/发射等因素外，还考虑任务的多功能性。
  • 部署 (Deployment): 通过持续的测试和评估过程，猎鹰9号执行各种任务，并进行持续的升级和维护。
  • 成熟期 (Maturity): 航天发射系统在各种场景下运行，需要持续的支持、培训和后勤保障以维持运营准备状态。
  • 寿命终结 (End of life): 基于持续的检查，猎鹰9号单元根据其航天飞行价值进行持续评估，并在其安全寿命结束时停止使用。

• 精炼分析：
  这张图展示了现代航天发射系统的生命周期，以SpaceX的猎鹰9号为例，具有其独特性。

  • 商业和探索双重驱动的规划： 航天发射系统的规划可能同时受到商业市场（如卫星发射）和探索目标（如载人航天）的驱动。SpaceX的案例中，其同时扮演运营商和制造商的角色，对规划有更直接的控制。
  • 可重复使用性和成本效益是关键： 开发阶段高度关注可重复使用性、可靠性和成本效益，这是商业航天取得突破的关键因素。
  • 持续迭代和快速响应的部署： 部署阶段强调通过不断的测试、评估和升级来优化性能和适应不同的发射任务。
  • 运营准备和持续改进的成熟期： 成熟期不仅要保持运营准备状态，也可能包含对现有系统的持续改进和优化。
  • 基于安全和性能评估的寿命终结： 与传统飞机不同，航天发射系统的单个单元（如火箭助推器）的寿命终结更多地基于持续的性能和安全评估，尤其是对于可重复使用的系统。

三张图的共性和差异性总结：

• 共性：

  • 都遵循典型的项目生命周期阶段：规划、开发、部署、成熟期和寿命终结。
  • 技术发展和市场/任务需求的变化是驱动产品更新换代的主要因素。
  • 成熟期都需要持续的维护、支持和升级。

• 差异性：

  • 驱动因素： 商用飞机主要由市场和经济效益驱动；军用飞机由国家战略和安全威胁驱动；航天发射系统则可能由商业、科学探索等多重因素驱动。
  • 核心关注点： 商用飞机关注运营效率、乘客体验和安全；军用飞机关注作战性能、隐身性和任务适应性；航天发射系统（特别是可重复使用的）关注可重复使用性、成本效益和可靠性。
  • 部署和升级策略： 商用飞机的升级相对标准化；军用飞机的升级更侧重于应对不断变化的威胁；航天发射系统的升级迭代速度可能更快，尤其是在新兴商业航天领域。
  • 寿命终结的判定： 商用和军用飞机更多基于整体机队的更新换代；而可重复使用的航天发射系统，其单个单元的寿命终结更依赖于持续的安全和性能评估。

集成设计的原则与方法论

任务设计、背景环境与需求识别

• 聚焦于上下文语境，而非具体对象
我们只有先清晰地定义飞行器将在什么环境下（飞行包线？气象条件？作战战区环境，比如制空压力大不大、电磁干扰强不强？维护体系，是在恒温恒湿的机库里边呢？还是要考虑野战简易机场中执行任务呢？），执行什么任务（制空？近距空中支援？侦察？等等），才能引出真正有价值的需求，进而指导对象设计。

• 作为对象的代理（尚未明确定义），采用基于已知技术能力和当前运行系统的"嵌合体"（chimera）方案——将其视为"灰箱"处理

这个嵌合体是一种理想化的，吸收了不同方案的优秀特性组合成的目标，它可能是不能实现的，或者不是最优的，但它指引着我们的设计探索方向。

比如我想设计一个无人的eVTOL，一个chimera可能包括A型无人机的现有电池、长航时、B无人机的垂直起降、C无人机的模块化载荷舱。

• 预判、模拟并界定/细化性能需求及其他各类需求（如可用性、容量、成本等）

需求定义是一个动态地细化的过程，需要通过分析、仿真模拟、预测，来明确和调整我们的各种需求，比如性能、可维护性、成本等。

• 界定/细化上下文语境及各类相关环境场景，包括错误、威胁、事故和突发状况

需要考虑各种非常态场景，比如螺旋桨坏了——系统故障，低空风切变——外部环境威胁，等等。

• 建立（运营）功能需求清单

在充分理解任务需求和情境之后，明确设计对象为完成上述使命，需要具备哪些核心功能，作为设计的直接输入。

设计对象的定义

• 基于既定使命、背景与要求，从模糊的概念出发，逐步实现对象可行变体的具象化

• 开发过程中须始终保持至少两个可行对象变体，多个备选方案进行比较、取长补短，并应对潜在的技术风险，避免设计固着、提高创新的充分性。

• 以下列内容为起点：

a) 现有技术与操作系统（图中的known solutions）

b) "奇美拉"（chimera）原型

c) 其他新颖且可能颠覆性的概念，以创造性扰动开发流程

这些概念可能初期看起来不成熟甚至“不可行”，但它们有助于拓展设计思维，挑战传统假设，并可能引向突破性创新。

在演化帕累托图中，这些“颠覆性概念”可能就是那些“Conceptual attractors (intermediate impossibles)”/概念“吸引子”（中间不可能）。

它们虽然本身可能无法直接实现，但能激发团队产生新的、更优的“New (feasible) solutions”（图中的浅蓝色方块），从而推动“Evolving Pareto front”（图中蓝色箭头和实线所示的演化的帕累托前沿）向“Ideal point”的方向扩展。

• 遵循敏捷开发原则，系统性地推进"功能待办事项"的开发、演示与交付

强调快速迭代、增量交付、持续反馈和灵活应变，有助于及早发现问题，验证方案，并根据反馈及时调整设计方向。

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