航天產品成熟度研究

袁家軍

(中國航天科技集團公司,北京 100048)

1 引言

航天工程系統及其產品的研制活動一般具有探索性、先進性、復雜性、高風險性的突出特點,并具有高可靠、高質量、小子樣研制及“一次成功”等特殊要求。

探索性是指在航天工程實踐中,科學、技術和工程問題相耦合,給工程實施帶來眾多不確定性;先進性是指航天工程需要最新科技成果集大成,即需要綜合運用相關專業領域最前沿的研究成果,使得航天工程成為技術先進性最為突出的復雜工程系統;復雜性是指跨學科集成,跨行業協作,系統龐大,參與人員眾多,技術和管理復雜性高;高風險性是指發射后不可維護,局部問題可能導致整體失效;航天產品一般為單件研制,在小子樣情況下實現高可靠、高質量要求,特別是重大航天工程影響大“一次成功”的難度極大。以上這些特點和要求都對航天系統開發和產品研制工作提出了更為嚴峻的挑戰。另外,航天技術快速發展,使得越來越多的沒有航天產品研制經驗的新單位和人員加入到系統開發隊伍中來,進一步增加了技術集成和工程管理的難度。

技術、產品、管理和隊伍等的成熟是航天工程成功的重要保證,技術管理和隊伍的成熟則是產品成熟的前提,探索和把握產品成熟的規律反過來對于促進技術、管理和隊伍能力的提升提供了方向和步驟。因此,從理論上搞清實現產品成熟的途徑和流程是航天系統工程理論和方法創新的重要課題。

我國航天領域產品成熟度的研究始于2003年,主要是為適應航天科研生產由單件研制向小批量生產轉型這一新的發展趨勢,針對航天產品研制品種多、狀態多、研制隊伍相對分散、老產品質量問題多、產品創新能力相對不足等問題而開展的。本文在對2003年以來研究工作階段成果進行總結的基礎上,針對航天產品高可靠、高質量及小子樣研制的特點,運用系統工程的理論和方法,提出了產品成熟度理論框架,對產品成熟度的概念及產品成熟的本質特征和內在規律進行了探討,對航天產品成熟度快速提升的途徑和方法進行了系統闡述。

2 美國技術成熟度與制造成熟度簡述

2.1 技術成熟度

技術成熟度(Technology Readiness Levels,TRL)是在20 世紀70年代由美國NASA提出。2003年美國國防部頒布了技術成熟度評價手冊,主要針對應用新技術研制的新產品,強調從技術開發到產品轉化過程中的新技術應用的完備性及其驗證的充分性兩個方面,并以技術成熟度等級加以度量[1-2]。

1)新技術應用的完備性:指新技術元素的應用對產品的功能、性能及可靠性指標等技術要求的滿足程度,主要通過產品的關鍵技術元素特征進行度量。

2)驗證充分性:指對所采用的新技術本身進行驗證的環境與產品的真實使用環境的吻合程度,主要以驗證環境特征與對應的新技術元素耐受環境的能力進行度量。

技術成熟度覆蓋了新技術從概念研究到批量生產應用的全過程,設有9個度量等級,如表1所示。

表1 美國國防部技術成熟度等級定義Table1 Technology readiness levels definitions of DOD

2.2 制造成熟度

制造成熟度(M anufactoring Readiness Levels,M RL)是技術成熟度概念的拓展,2001年美國三軍聯合制造技術委員會提出了制造成熟度模型,2009年5月美國國防部頒布了制造成熟度手冊[3],主要針對降低產品制造風險和制造成本,強調產品生產規范化程度及批量生產能力兩個方面。

1)生產環節規范化程度:產品關鍵生產環節的識別以及控制的規范化程度。

2)批量生產能力:產品生產規模、連續穩定生產能力及其經濟性。

制造成熟度共劃分10個等級,如表2所示。

2.3 技術成熟度與制造成熟度分析

技術成熟度和制造成熟度評價技術具有重要的應用價值:

1)在工程系統研制中,按成熟度等級定義將產品的設計、制造分別作為獨立要素進行系統化的分析和評價,有助于對設計、制造兩要素的持續改進進行細化和量化的控制,有助于成熟度的快速提升。

表2 美國國防部制造成熟度等級定義Table2 Manufacturing readiness levels definitions of DOD

2)為航天工程系統的采辦和項目管理提供了技術風險度量和管理的工具,并為用戶和項目管理人員提供決策支持,有助于重大項目在技術管理方面的外部監督和約束機制的形成。

3)技術成熟度中對于關鍵技術元素的確定以及注重人的能力因素的考量具有普遍適用價值,值得借鑒。

國際航天領域采用的技術成熟度和制造成熟度評價技術在解決航天工程系統管理問題,特別是促進航天產品在小子樣情況下快速成熟方面,存在以下缺陷和不足:

1)技術成熟度主要針對新技術元素應用于產品設計的原理及技術完備性,主要應用對象為新技術的研發及其向產品轉化的評價,對一般性產品的內部特性和產品成熟的本質要求考慮不夠深入,對如何提高航天產品成熟度缺乏有效的理論和方法支撐;

2)制造成熟度強調產品批量生產情況下的生產能力的構建和持續完善,對小子樣產品成熟度提升的指導作用不顯著;

3)將設計和制造進行獨立評價和度量,在一定程度上缺乏系統性,不能有效地解決航天工程產品設計、工藝、過程控制等環節交叉耦合情況下的整體成熟問題;

4)側重從用戶和項目管理者角度給出度量、評價方法,沒有從根本上提出小子樣航天產品實現快速成熟的流程和方法。

3 航天產品成熟度的概念及主要內容

產品成熟度是對產品在研制、生產及使用環節等全生命周期所有技術要素的合理性、完備性以及在一定功能、性能水平下質量穩定性的一種度量。

產品成熟度研究的重點是產品成熟的本質特征和內在規律,其目的是針對小子樣、高可靠、高質量等特點,為航天產品快速成熟提供有效途徑和方法。

產品是設計出來的,制造出來的,也是管理出來的。產品成熟度的研究,必須運用系統工程的原理和方法,綜合考慮產品的設計過程、生產制造過程及使用過程,將影響成熟的核心要素識別出來,并在產品實現和使用的全過程中加以控制。

從產品開發過程分析,首先,產品技術狀態是衡量產品成熟程度的一條主線,即產品成熟度的提升本質上就是產品技術狀態細化、量化及受控水平的提升,經過產品原理樣機和工程樣機設計、生產和驗證后,在滿足使用要求的前提下確定的產品技術狀態成為產品基線。因此,產品基線是決定產品成熟度的重要要素之一。第二,如何科學地確定產品基線,也就是找出對產品的功能、性能和質量有決定性作用的各種參數,在此,我們稱為關鍵特性,從航天產品一般由專業人員使用這一特殊性出發,可以在一定程度上縮小關鍵特性的范圍,即將產品誤操作等情況忽略,而只考慮產品的內部關鍵特性,即設計、制造和產品實現全過程質量控制三類關鍵特性。因此,產品成熟度提升的本質是對設計關鍵特性、制造關鍵特性和過程控制關鍵特性細化、量化和受控水平的提升。第三,針對航天產品小子樣研制這一特殊性,加速產品由不成熟到成熟這一過程的重要手段是將產品狀態及其關鍵特性等重要數據完整記錄并充分挖掘,從中找出產品成熟的內在規律,而產品數據包則是產品成熟度提升的重要工具。第四,為有效地引導產品成熟度提升,需要制定一個合理可行的技術流程,明確產品成熟度快速提升的途徑和方法,即建立產品成熟度快速提升模型。第五,應緊密結合航天型號的研制程序,制定產品成熟度模型及成熟度提升管理程序。

4 成熟度理論框架和快速提升方法

產品成熟度研究應重點從產品關鍵特性、產品基線確定、產品數據包、產品成熟度快速提升模型和產品成熟度模型五個方面開展。

4.1 產品關鍵特性

從產品的全生命周期分析,決定產品成熟程度的內部特性主要包括三個方面:即設計、制造工藝及產品實現全過程質量控制(簡稱“過程控制”)。從系統工程理論和方法分析,產品開發過程中這三方面是密切相關的。

1)設計關鍵特性:指特定的設計方案中,存在因產品使用環境變化對產品功能性能變化敏感的設計參數,因方案中選用的制造工藝偏差對功能性能敏感的設計參數,產品在最終狀態下存在不可測試的關鍵功能性能等,決定該方案的關鍵設計參數的總和稱為設計關鍵特性。

2)工藝關鍵特性:指特定的工藝方案中,存在影響產品的功能性能的不穩定的制造工藝、制造過程控制的不確定性及生產過程不可檢驗項目,決定該工藝方案的關鍵工藝參數的總和稱為工藝關鍵特性。

3)過程控制關鍵特性:包括對產品設計關鍵特性的偏差控制項目,產品不可測試功能性能需要在制造過程中控制的項目等一系列產品生產過程數據項目的總和。

4.2 產品基線

技術狀態控制是產品開發過程管理的核心內容,而技術狀態基線的確定是關鍵。產品的成熟意味著產品技術狀態控制水平的提升,即產品基線的提升,然而產品基線的確定至今尚缺乏一個通用的理論和方法指導。

產品基線的確定以產品的設計、工藝和過程控制三類關鍵特性為基礎,建立系統完整的產品技術狀態基線。從產品保證的角度看,產品基線是產品保證的關鍵要求。

4.3 產品數據包

產品數據包是產品設計、制造、檢驗、交付全過程技術活動量化控制結果的總和。數據包中的各項數據是生產過程的實際測量記錄,包括數據和影像,其主要內容包括:

1)產品功能性數據:主要包括反映產品最終狀態在使用環境下(試驗狀態)的功能性能的完整數據。

2)產品基礎數據:主要包括構成產品的元器件、原材料、成品件等基礎數據。

3)產品關鍵特性數據:主要包括產品設計、制造過程產生的設計、工藝和過程控制三類的關鍵特性。

產品數據包是產品成熟度提升的核心管理工具,產品數據包的設計本身也是產品開發活動的一項核心任務,需要系統策劃,逐步優化完善[4]。

4.4 航天產品成熟度快速提升模型

從高質量、高可靠的要求出發,航天產品成熟度,是對產品固有質量、可靠性和可應用程度的綜合度量,應用相對成熟的產品,意味著較低的風險。按照決定產品成熟程度的設計、工藝和過程控制三大關鍵特性,產品成熟度的基本度量要素應包括產品設計成熟程度、產品制造工藝成熟程度和產品過程控制成熟程度等三個方面:

1)產品設計成熟程度:主要表現在產品設計與研制技術要求的符合程度及完善程度,其核心在于設計關鍵特性識別、確定及其驗證的充分性,在此過程中,特別要關注關鍵設計人員的能力水平及其作用的發揮。

2)產品制造工藝成熟程度:主要表現在產品工藝對設計要求的實現程度及其自身的完善程度,特別是產品制造工藝所達到的“可操作、可量化、可檢測、可重復”程度,以及由“不同時間、不同地點、不同人員”生產出的產品的一致性程度,其核心在于工藝關鍵特性的識別、確定及其驗證的充分性,在此過程中,特別要關注關鍵工藝人員的能力水平及作用發揮。

3)產品過程控制成熟程度:主要表現在產品研制、生產和應用階段的保證工作要求及其配套措施的細化完善程度,特別是產品質量控制點設置的合理性及其控制要求的有效性和精細化程度,其核心在于過程控制關鍵特性的識別、確定的合理性、充分性,在此過程中特別要關注關鍵過程控制人員的能力水平及其作用的發揮。

傳統航天產品開發模型通常稱為“V”模型,如圖1所示。在這一模型中,用戶和采購方要求通過研制人員反復迭代的設計、分析、評價、權衡、決策和優化活動,逐級向下細化為各組成部分技術要求,并通過研制活動轉化形成實物產品,再經過逐級驗證、交付,并在高一級進行組裝和集成,最終完成整個系統的研制和驗證,并交付用戶[5]。

工程實踐表明,由于航天工程系統在任務要求、運行模式和運行環境等方面的特殊性,以及航天工程研制的探索性、先進性、復雜性、高風險性等四個突出特點,經歷完整的“V”模型開發過程所形成的航天產品,不能達到令人滿意的成熟程度。航天產品必須經歷兩次或更多次的“V”模型過程,通過反復迭代和深化完善才能實現成熟度的提升。

基于傳統的“V”模型開發過程,建立航天產品快速成熟模型,簡稱為“W”模型,如圖2所示。

在上述“W”模型的兩次“V”模型過程中,后一次“V”模型過程是在產品飛行數據監測和比對分析基礎上,對前一“V”模型過程結果的確認和完善,根據產品應用驗證和改進完善程度,后一“V”模型過程可重復多次,每一次重復都是三類關鍵特性再識別、再設計、再驗證的過程,是設計、工藝和過程控制量化、細化和規范化的過程,每一次新的過程都將使產品成熟程度在前一過程基礎上得到提升,直至滿足航天產品的高性能、高質量、高可靠要求。

產品實現快速成熟的過程可劃分為產品初次研制、產品重復生產和使用、產品定型和升級改進等三個階段。

圖1 航天型號產品開發“V”模型Fig.1 V model of product development in aerospace project

圖2 航天產品的快速成熟模型——“W”模型Fig.2 W model of quickly promoting maturity for aerospace product

第一階段,產品初次研制階段

本階段是從使用或采購要求提出到研制形成基本滿足要求的實物產品的過程,是產品成熟過程的起步階段,其工作內容涵蓋了當前型號研制程序中的方案、初樣和正(試)樣階段工作。該階段對應于產品開發“W”模型的第一個“V”模型過程。

本階段的工作重點是產品的功能基線、研制(分配)基線和生產(產品)基線等三個重要基線的形成和確定,以及設計、工藝、過程控制三類關鍵特性的識別、控制與鑒定。

第二階段,產品重復生產和使用階段

本階段是產品完成初次研制后的重復生產、使用和驗證過程,是型譜化產品實現成熟度提升必需的重復應用和三類關鍵特性的“再識別、再設計、再驗證”階段,對應于產品開發“W”模型的第二個“V”型過程。依據應用驗證情況,此過程可能反復多次。

本階段的工作重點是產品功能、性能和生產質量穩定性的保證,以及基于應用驗證結果的基線、關鍵特性的完善和細化。在本階段,所有新狀態均需經過充分驗證。

第三階段,產品定型和升級改進階段

本階段是產品完成小批量生產和應用驗證后的狀態固化和持續改進過程,是產品進入貨架(即現貨)供應模式并進一步提升其成熟度的階段。進入本階段時,產品已經達到了相當高的成熟度水平,可供型號直接選用。該階段產品成熟度提升的過程仍然是基于重復生產和應用驗證數據,通過重復“W”模型的第二個“V”模型過程實現。

本階段的工作重點是貨架產品(即現貨產品)的成熟度提升。應通過成功數據包絡分析不斷完善、優化三類關鍵特性數據和產品基線,提升產品數據包的精細化程度,減小產品各項指標的離散程度,提高產品的一致性水平。與第二階段相同,本階段的所有新狀態也需要經過充分驗證。

在產品成熟度提升過程中,核心任務是關鍵特性的識別、確定及其驗證,需要特別關注的是上述核心任務的實施過程中關鍵人員的職責定位、能力水平和作用的發揮。關鍵人員一般指產品負責人、部門技術負責人、獨立評審委員會及上一級系統負責人。有效地組織能夠勝任任務的技術團隊,在明確崗位職責的前提下,充分發揮團隊的整體優勢是產品成熟度快速提升的重要因素。

4.5 產品成熟度模型

產品成熟度的表現形式就是標識產品成熟程度的基本方式。在工程中,清晰的產品成熟度標識有利于指導和推動產品成熟度的持續提升,也有利于航天型號選用產品時的權衡和比較。因此,科學合理的產品成熟度標識方法對于產品成熟度理論的深化應用具有重要作用。

產品成熟度是在產品開發過程的不同階段,依據產品設計、工藝和過程控制等三要素的完備程度,以產品數據包為度量載體,進行綜合度量的。這種度量方式既包含技術內容,也涵蓋了管理的要素。單純使用數學模型難以實現綜合度量的要求,而使用定性方法又不能達到量化度量的要求。參考國外技術成熟度和制造成熟度評價方法的成功經驗,航天產品成熟度采用基于統一等級標準的分級評定方法進行度量,即根據產品成熟度理論和產品發展規律,事先給出產品全生命周期的成熟度等級和劃分評價準則,并在工程中依據產品實際情況判斷其與產品成熟度等級和評價準則的符合程度,最終確定產品所達到的成熟度等級。這種方式既解決了技術和管理要素綜合度量的問題,也滿足了量化度量的應用需求,是目前最為有效、可行的工程實施方法[6-7]。

針對航天單機產品,建立了產品成熟度8級模型,如圖3 示,具體產品等級劃分和定義見表3。有關各成熟度等級產品的定級條件確定考慮的主要因素有:

1)三類關鍵特性的識別和細化;

2)產品基線的確定與控制;

3)數據包的建立與完善;

4)發生問題歸零的閉環管理;

5)設計、生產、過程控制、關鍵人員能力的提高;

6)相關管理制度的完善。

圖3 航天單機產品成熟度等級模型Fig.3 Product maturity levels of aerospace equipment

5 結束語

航天工程不是一般性質的技術探索活動,保證重大航天任務的一次成功是國家實力、國家形象的體現,應該成為航天工程追求的目標。任務成功要靠技術成熟和產品成熟來保證,靠隊伍成熟和管理成熟來支撐。本文提出的產品成熟度理論框架,可應用于航天小子樣研制情況下產品成熟度快速提升,也可作為復雜航天系統風險識別與控制的工具、技術團隊能力提升的工具以及航天工程管理持續改進的工具。

表3 航天單機產品成熟度等級劃分和定義Table3 Definitions of product maturity Levels of aerospace equipment

References)

[1]Office of the chief engineer.NASAProgram and Project Management Processes and Requirements[R],2007

[2]Department of Defense.Technology Readiness Assessment Deskbook[R],2005

[3]Department of Defense.Manufacturing Readiness Assessment Deskbook[R],2009

[4]袁家軍.航天產品質量與可靠性數據包及其應用[J].中國質量,2009(4)

[5]袁家軍.神舟飛船系統工程管理[M].北京:機械工業出版社,2005

[6]王衛東,周海京,周凱,等.優化系統工程模型 轉變型號研制管理模式(上、下)[J].航天工業管理,2009年(7-8)

[7]王栩,杜剛,王喜奎,等.整合專業力量,打造宇航關鍵通用產品管理平臺[J].質量與可靠性,2010(S0)