航空發動機高空模擬試驗風險分析研究

蔣明夫，郭 昕，陳光宇，龔小琦

(1.中國燃氣渦輪研究院，四川 江油 621703；2.電子科技大學，四川 成都 610054)

1 引言

風險問題的研究最早起源于第一次世界大戰中戰敗的德國。20世紀30年代初期發生的經濟危機，使風險管理受到歐美各國的普遍重視，并逐漸發展成為一門新興的管理科學和決策技術。國內對風險問題的研究起步較晚，上世紀90年代以后才逐漸開始推廣應用[1]。我國特別強調和重視武器裝備研制階段的風險管理，認為這是整個武器裝備管理的基礎和前提，并頒布了GJB5852-2006《裝備研制風險分析要求》，規定了風險分析必須遵循和執行的原則、程序及方法。

航空發動機高空模擬試驗是航空發動機設計定型和改進改型研制過程中十分重要的階段，也是行業內外公認的綜合性極強、風險極高的技術創新過程。近年來，隨著國家綜合實力的提高和自主研制各類先進航空動力裝置步伐的加快，高空模擬試驗的機種、臺次和試驗時數都呈現激增的趨勢，伴隨而來的研制風險也大大增加。通過對歷年高空模擬試驗風險事件的統計分析發現，僅近年我國高空臺試驗中就發生多起危及試驗安全的風險事件，造成發動機、試驗設備嚴重損毀，嚴重影響到重大武器裝備研制進度，經濟損失巨大。

然而，就高空模擬試驗風險(以下簡稱試驗風險)分析而言，雖然按照質量體系的要求進行了試驗風險的簡單預測和規避預置，但與GJB5852的要求還有差距。為促進試驗風險決策的科學化、合理化，達到減少和規避試驗風險的目的，確保試驗安全和試驗成功，進行試驗風險分析研究十分必要。

2 試驗風險

2.1 試驗風險的定義

一般而言，風險至少有兩個基本要素：風險發生的概率和風險影響的大小。同時，風險意味著可能出現損失或機會，或者是對預期目標或正或負的隨機偏離。其出現的可能程度可以用概率和影響程度的后果來表示[2]，其量值等于損失發生的概率及其不良后果或損失的函數。GJB5852對風險的定義為：在規定的技術、費用和進度等幾個約束條件下，對不利實現裝備研制目標的可能性及所導致的后果嚴重性的度量[3]。因此，可將試驗風險理解為：可能危及試驗項目的潛在問題和事件，用問題和事件發生的可能性及其后果嚴重性來度量。具體是指：在試驗委托生效之日起到試驗結束的一定時間內，以相應危及試驗項目目標的潛在問題和事件發生的概率為前提，以相應潛在問題和事件發生后可能產生的嚴重影響程度或損失為載體，試驗主體所承受的相應后果的可能性可以用下式表示：

式中：R為試驗風險，P為不利事件發生的概率或綜合重要度，K為不利事件發生后果的嚴重性等級或綜合評價指標。

2.2 試驗風險的特征

高空模擬試驗不但具有一般項目的風險特點，而且還具有以下特征：①客觀性。試驗項目各階段工作結構或試驗科目決定了風險的各種因素的客觀存在。②突發性。試驗風險事件的發生，往往是突然的或可能性極低的小概率事件引發的。③多變性。不一樣的機型和試驗科目，風險呈現動態變化的特征。④無形性。試驗風險不能夠非常確切地描繪和刻畫出來，只能進行綜合分析。⑤相對性。依賴于試驗對象、科目的決策目標，以及決策者的態度、認識和承受能力。⑥非市場性。對研制項目的主要技術風險和保障風險的控制，服從于所制定的技術和保障指標的實現，考慮或相對考慮經濟因素是出于裝備研制的需要，而不是利益驅動。

2.3 試驗風險的類別

試驗風險主要是技術風險，主要包括被試件、試驗技術和設備系統的各類風險，歸屬于純粹風險范疇。其后果只有損失和無損失兩種，而不像投機風險那樣有損失、無損失、獲利三種。從分析歷年試驗風險事件發生的統計結果可知(見表1)，被試件風險發生的概率最高，危害程度及所造成的損失也最大；其次是試驗技術風險和設備系統發生的風險事件；其它風險發生的概率較低，事件后果對試驗安全構成的威脅較小，可忽略不計。因此，對技術風險的分析是試驗風險分析中最主要的任務。

表1 歷年試驗風險發生統計表Table 1 The statistics of the test risks in past years

2.4 主要技術風險及成因

(1)技術準備方面

試驗項目定義、需求分析不充分，項目當事人對其理解存在歧義，甚至誤解；試驗大綱規定的技術指標要求過高，試驗科目不切實際，不盡合理，技術難度太大，超出設備、被試件能力范圍或成熟的流程邊界；項目當事人對試驗科目的技術難度、復雜性認識不足，準備不充分；試驗流程的設計不充分、不合理、不科學等。這些風險一旦發生，小則導致時間進度拖延或經費增加，大則導致危及試驗設備和被試件安全的重大惡性事故。

(2)試驗設備準備方面

試驗設備和測試控制系統的技術狀態、適應性技改及應急保障不到位；設備運行可能接近能力極限，備用能力不足；參試人員對被試件與試驗艙的各類電氣、測試、通訊、控制和工藝接口關系的理解存在歧義，甚至出現錯誤接口等。

(3)檢驗試車的技術風險

檢驗試車的目的，主要是檢查、發現、消除或處置技術準備階段試驗設備存在的已知和潛在的未知風險，以及驗證被試件是否符合技術文件要求達到的技術狀態，同時檢查、發現、消除或處置被試件本身存在的已知和潛在的未知風險。

本階段的風險是進入高空模擬試驗之前的技術驗證風險，大多數屬一般性、常發性、已知、可控的風險。這些風險經常導致時間進度拖延或試驗成本增加，一般不會發生危及試驗設備和被試件安全的重大惡性事故，突發惡性事故的風險發生概率極低。

(4)模擬試驗的技術風險

被試件的技術狀態不能滿足試驗科目所要求的技術指標，出現瞬間惡化；被試件的三大部件出現嚴重故障，如壓氣機、渦輪葉片斷裂；被試件的輔機、輔件、潤滑、冷卻、控制系統出現故障；試驗流程、試驗設備、操作控制之間的組合故障；不同試驗科目下的試驗狀態點與試驗流程組合時的系統風險；突發事件的風險等。此類風險可能導致試驗中斷，拖延時間進度，嚴重時會發生危及試驗設備和被試件安全的重大惡性事故。

(5)被試件的風險

委托方對被試件的技術狀態交底不夠，地面臺整機試驗暴露的問題未徹底解決或隱瞞部分技術細節；技術繼承與創新關系處理不妥，關鍵技術、新技術的應用未經充分驗證；技術設計匹配協調性差，配套設計不夠，技術狀態控制不到位；工業基礎所限，新材料、新工藝、元器件不落實，關鍵部件制造工藝、手段落后；設計、試制、試驗關系處理不當，缺乏必要的技術資料和數據，技術后備措施不充足；由設計、制造、裝配、檢驗造成的累積誤差，使被試件性能、功能和可靠性降低，可測試性、可實現性發生較大偏差；主機與輔機、輔件和控制系統的匹配協調性差；控制系統柔性差、程序紊亂、甚至死機等。這些風險一旦發生，一般都會導致時間進度拖延或經費增加，嚴重時將會危及試驗設備和被試件安全，甚至引發重大惡性事故，是試驗風險的源頭。

(6)試驗設備的運行風險

測試監控系統的誤判、誤報和操作人員誤判、誤操作；運行設備和調節控制系統故障；試驗狀態點與試驗流程劇烈變化導致壓氣機機組喘振、停運；變配電系統故障，造成系統動力電中斷等。這些風險一旦發生，小則導致時間進度拖延或經費增加，大則導致危及試驗設備和被試件安全的重大事故。

3 試驗風險分析

主要運用主觀評分法、專家會簽法、風險評價指數法和層次分析法(AHP法)等定性、定量或二者相結合的風險分析評價方法，對技術風險進行風險源識別、估計和評價，找出關鍵風險因素，予以特別關注。

3.1 試驗風險分析的基本要求

(1)根據試驗工作結構分解和識別風險各類輸入，形成可適時更新和查詢的風險源清單；

(2)根據試驗風險評價準則，進行風險發生的可能性及其后果影響的定性分析，確定風險等級和處理的優先次序；

(3)根據定量或定性定量相結合的分析結果，形成試驗風險排序清單；

(4)按程序與要求完成試驗風險分析報告的編制、評審和批準；

(5)根據風險分析報告編制風險處置緊急預案或處置措施。

3.2 試驗工作結構分解

高空模擬試驗工作結構分解(簡稱WBS)是風險源識別的依據和基礎。組織實施高空模擬試驗涉及眾多系統和相關層次的工作層面，是一項復雜龐大的系統工程。最典型的試驗工作結構當屬試驗技術系統，為方便研究，將試驗技術系統的工作結構簡化為四級結構進行分解，其格式如表2所示。

表2 技術系統的工作結構分解表Table 2 The structural decomposition of the technology system

3.3 試驗風險結構模型

從多年的試驗總結和風險處置經驗可知，在整個試驗壽命周期內，實現和確保高空臺的試驗安全是基本的決策目標，也是利益相關者的利益最大公約數，即在高空模擬試驗中，最大決策目標是確保試驗安全。危及決策目標層的最直接和最主要的風險因素是被試件、試驗技術、試驗設備風險。

根據主要技術風險、試驗工作結構分解和風險源成因，可簡化構建出完全相關的三級(層)遞階結構層次的試驗風險結構模型(見圖1)，以便進行風險識別和AHP法量化分析。

圖1 試驗風險結構模型Fig.1 The test risk structure model

3.4 試驗風險識別

試驗風險識別主要針對試驗技術系統進行，由輸入和輸出兩部分構成。

試驗風險識別的輸入包括：①委托任務書、試驗大綱、技術協調紀要；②WBS圖表、結構模型、試驗工作計劃、風險管理工作計劃；③專家意見、專題會議、數據庫查詢，試驗風險調查表（格式如表3所示）；④經驗數據、故障處置、事故教訓、質量事件統計、試驗與預測結果。

表3 試驗風險調查表Table 3 Test risk investigation

風險源清單是試驗風險識別的輸出，是將根據風險識別輸入條件確定的風險來源、產生條件、影響程度和預防措施等內容編制形成的風險匯總表，如表4所示。

3.5 試驗風險的評價體系

3.5.1 確定試驗風險等級和處理的優先順序

根據風險源清單和風險評價指數法的原則，均按五級指標來確定風險的等級，即風險發生的概率大小取在1～5之間，后果的嚴重性一般分成3～5級，二者的乘積為風險評價指數值。判斷試驗風險事件發生的概率等級如表5所示，判斷試驗風險事件發生的后果嚴重性等級[4]如表6所示。根據判斷表，列出優先處理風險等級高的前10項。

3.5.2 風險排序

(1)評價指數法確定風險度量值

根據確定的等級判斷表，由專家和專業經驗豐富的人員分析試驗風險發生的概率大小和造成后果的嚴重程度。

(2)AHP法排序確定風險度量值

層次分析法處理問題的基本步驟是：首先，確定評價目標構造遞階層次結構模型；其次，明確方案評價的準則，構造兩兩比較的判斷矩陣(互反矩陣)；再次，根據構造判斷矩陣，計算每個矩陣的最大特征值及特征向量，并做歸一化處理，利用一致性指標進行一致性檢驗，若通過，特征向量即為權向量；最后，計算綜合重要度。

以評價指數法和綜合重要度確定試驗風險如表7所示。

(3)排序清單

根據確定的試驗風險度量值表，對試驗風險因素的發生概率和嚴重性的綜合量化結果進行比較，按照評價值的大小進行風險排序，找出關鍵風險因素和確定處理的優先順序，并予以特別關注。試驗風險排序清單如表8所示。

表4 試驗風險源清單Table 4 Test risk source list

表5 試驗風險事件發生的概率等級表Table 5 The probability grade table of the test risks happening

表6 試驗風險事件影響程度(嚴重性等級)表Table 6 The severity grade table of the test risk affairs

表7 試驗風險度量值表Table 7 The measure value table of the test risks

表8 試驗風險排序清單Table 8 The compositor list of the test risks

3.5.3試驗風險接收準則

根據已排序的風險，確定可接受或不可接受風險的范圍指標。試驗風險評價指數法所確定的試驗風險接收準則如表9所示。從表中可知，中等以上風險都是影響試驗安全的關鍵風險因素，是不可接受的風險，必須進行處置，采取措施予以消除、預防或監控。

3.6 試驗風險分析評估報告

風險分析評估報告，是試驗風險分析的輸出結果，一般應經過評審和履行審批手續。其報告的編制至少包含如下內容：

(1)概述。描述被分析的對象名稱、功能特點、任務要求、工作分解結構中所處的位置或所處的研制階段。

(2)分析過程。描述風險分析過程及方法、風險等級劃分準則、排序準則和接受準則等。

(3)分析結果。列出風險源清單和風險排序清單(可作為附件)，對高風險項目提出處置意見和措施，并制定應急預案。

(4)結論。總結分析工作，給出結論和建議。

3.7 試驗風險處置策略

風險和其它事物一樣也是矛盾的、多維的統一體，人們可以從不同角度去感受和度量。同時，一定的條件會引起風險的性質、后果發生變化。應對試驗風險的策略，與一般項目應對風險的處置策略有相似之處，但其意義不盡相同。首先，目的不同。試驗的非市場化讓風險的處置策略無太多的利益糾葛，目的只是為了確保試驗和被試件安全。其次，基礎不同。試驗風險的處置策略是建立在主試方承認，并接受風險的基礎上，再論規避、轉移、弱化風險應對措施；主試方必須承擔責任，不能輕言放棄。最后，出發點不同。主試方是試驗主導方，有責任與義務為試驗的進行采取一切必要的措施，為不確定的被試件提供試驗結論或可否繼續試驗的判據。

因此，試驗風險處置策略是針對不同的被試件技術狀況和試驗科目而制定的處置策略，其次序是：弱化試驗風險是處置的基本策略，轉移試驗風險是處置的常規策略，規避試驗風險是處置的特殊策略。另外，在實際工作中，視情處理的權變策略是處置試驗風險的有效策略。是否實施視情處理的權變策略主要取決于以下因素：

一是試驗決策目標，由試驗風險的相對性所決定。沒有目標，當然也談不上風險。同一方案，目標不同風險也不一定相同。有時為了驗證設計、再現故障、排查問題，必須在充分權衡利弊的情況下，甘愿冒著風險去進行某些試驗科目。

二是試驗風險認知能力，由試驗風險的無形性所決定。試驗風險不能夠非常確切地被描繪和刻畫出來，導致團隊成員和決策者對待風險與風險值的態度、敏感程度、偏好、效用反應、認識、承載能力等各方面不同，直接影響擬采取的應對措施和資源的投入。這需要各利益相關方認識一致，意見統一，克服僥幸心理，尤其是參試的主要負責人對試驗風險的認知能力起著決定性作用。

三是試驗風險的處突能力，由試驗風險的突發性所決定。應對措施往往是針對已識別的風險制定的，對于正在進行的、未知的風險，不可能預先制定相應的應對措施或應急計劃。而風險事件的發生，往往是可能性極低的小概率事件引發的突發事件。面臨突然產生的風險，往住措手不及，其結果是加劇了風險的破壞性。因此，必須組成處置突發事件的突擊隊，配備必要器械，進行針對性演練，同時對試驗指揮團隊的臨場應變能力、知識經驗和權變措施的應用能力進行適當培訓、演練和模擬測試，提高全體參試人員防范風險的意識、應變能力和對突發事件的處置能力。

表9 按風險評價指數法所確定的試驗風險接收準則Table 9 The test risk incept rule by the risk evaluation index method

4 結論

(1)對試驗風險的相關概念進行闡述，為認識試驗風險和量化分析風險提供了依據；

(2)明晰了試驗風險分析的基本要求以及應當遵循的工作流程；

(3)規范和完善了試驗風險分析及評價指標體系，使之符合軍標或相關標準的要求；

(4)總結了試驗風險的處置策略，可為行業的類似試驗項目提供有益的借鑒。

[1]邱莞華.現代項目風險管理方法與實踐[M].北京：電子工業出版社，2006.

[2]沈建明.項目風險管理 [M].北京：機械工業出版社，2004.

[3]GJB5852-2006，裝備研制風險分析要求[S].

[4]中國航空工業集團公司.集團質量職責[Z].北京：中航工業經理部，2008.