基于風險評估的航空發動機設計質量控制點設置方法研究

王 剛，李倫未，許 多

(1.中航出版傳媒有限責任公司，北京100012；2.中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

基于風險評估的航空發動機設計質量控制點設置方法研究

王 剛1，李倫未2，許 多2

(1.中航出版傳媒有限責任公司，北京100012；2.中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

基于風險評估技術，研究了航空發動機設計過程質量控制點的設置方法。將每項設計工作的失效視為一個風險源，根據制定的具體化風險準則確定其后果嚴重性、發生可能性以及風險等級大小，在設計過程中設置不同層次的質量控制點。結合航空發動機方案階段的設計流程，采用該方法進行分析，表明了將風險評估技術應用于設計質量控制點設置或優化的可行性和有效性。

航空發動機；設計質量控制點；設計WBS；風險評估；風險準則

1 引言

作為現代常規武器裝備復雜系統產品的重要組成之一，航空發動機具有研制周期長、耗資巨大的特點，同時深受國家科技水平、工業基礎等因素的限制。美、英、法、俄等國，無一例外都將航空發動機列為重大關鍵技術或重點支持的戰略產業，我國也于2015年首次將航空發動機列入國家戰略新興產業。由于航空發動機集成了一系列尖端高新技術，牽扯多學科、多領域、多行業，其技術難度大、潛在風險高，因此如何科學有效地對研制過程中的風險進行管理，成為當前航空發動機研制項目管理的重要課題[1-3]。

目前，我國現有航空發動機設計過程大多以完成最終圖紙/報告為目標，并以此為導向將相關設計步驟進行拼湊和串聯。由此帶來的問題是：一方面缺少對中間過程設計工作的關注，導致工作不精細或不完善；另一方面控制點較粗獷，僅有少許評審點，對中間過程的設計質量缺乏精細、有效地管控，難以將設計風險分散化和碎片化。這些弊病事實上已造成很多項目研制過程中的設計反復、生產拖延、試驗故障等問題，也造成進度調整、經費增加、人力浪費等不利影響。從質量管理的質量杠桿圖[4-5]可以看出，產品設計過程是質量控制的源頭，設計質量的提升將帶來產品質量的巨大收益。

鑒于設計質量控制的重要性和急迫性，設置多層次、全流程、成體系的設計質量控制體系成為必要。本文基于典型航空渦扇/渦噴發動機的設計流程，探討了設置分層次設計質量控制點的方法，并選擇了一個典型設計過程進行應用。

2 設計質量控制點設置方法

航空發動機設計由一系列相互關聯的設計工作組成，對其設計質量的控制應以設計流程(或其中的各項設計工作)為基礎。而在流程中哪些環節設置質量控制點，必然取決于各個環節設計工作的重要性和對前后設計工作的影響程度。如果把設計工作失效看成一種風險源，則可以利用風險評估技術對設計工作失效進行影響評估，然后按風險等級遴選出作為設計質量控制的主要環節，并設置不同層次的控制點。

2.1 確定設計WBS

本文假定航空發動機設計流程已成型或已完成精細化構建，且實際設計工作按照這套設計流程運行；同時，設計流程具有清晰的階段界限和上下層次(通常設計流程的層級應分解到能明確專業界面為止，以便確定設計WBS(即工作分解結構)層級)。

設計WBS是對產品設計過程中所應完成的工作自上而下形成的一種層次體系[6]，通常包括WBS工作明細表(表1)和WBS工作說明表。

表1 典型設計WBS工作明細表示例Table 1 Typicalexamplesof designWBSwork list

2.2 制定風險準則

風險評估是一種評價風險發生可能性及后果嚴重性，進而確定風險指數和等級的科學方法[2-3]，包括風險識別、風險分析和風險評價的全過程[7-8]，如圖1所示。

工作失效風險分析和評價[6-8]必須制定相應的準則進行判定，包括后果等級準則、可能性等級準則及風險等級準則。

圖1 風險評估過程Fig.1 Processof risk evaluation

2.2.1 后果等級準則

風險后果的嚴重性等級[7-8]是對風險嚴重程度(即不利或負面影響造成的后果的相對嚴重性)的度量，根據通用判定準則具體化后見表2。

表2 后果等級細化準則Table 2 Specified consequencesgrade criterion

2.2.2 可能性等級準則

風險發生的可能性等級[7-8]是對風險發生可能性(即不利或負面影響發生的相對概率大小)的度量，根據通用判定準則具體化后見表3。

2.2.3 風險等級準則

風險評價指數R(R=可能性×嚴重性)可作為衡量風險大小的一項綜合指標。根據風險評價指數的大小，可繪出風險矩陣圖[7-8]作為風險等級判定的直接依據。風險矩陣圖的一般形式見表4，表中紅色區域為Ⅰ類，高風險；黃色區域為Ⅱ類，中等風險；綠色區域為Ⅲ類，較低風險。

2.3 工作失效風險分析及等級確定

2.3.1 后果嚴重性分析

針對設計WBS中的每一項工作，根據其具體工作內容及與其他設計工作間的相互關系(特別是輸入輸出、數據傳遞關系)，分析當該工作失效時可能造成的各方面影響，以及各種影響的范圍和程度；然后根據后果等級準則(表2)，確定各條影響的相應等級；最后取各條影響中的最高等級，作為該項工作失效的后果等級。

表3 可能性等級具體化準則Table 3 Specified probability grade criterion

表4 風險矩陣表Table 4 Riskmatrix

為使分析結果更加準確和合理，引入技術咨詢或顧問專家小組，對設計工作失效的每一條影響分別進行等級評分，去掉最大值和最小值后取平均值，并進行圓整后作為該條影響的相應等級。如，專家小組有n位專家，各專家對某條影響的等級評分分別為xi，其中最大值和最小值分別為xmax、xmin，則該條影響的等級為：

某條影響后果等級=

該項工作失效的后果等級為：

這種方法一定程度上能減少分析結果的分散性，消除不同領域、專業人員在認識和經驗上的差異，但需確保專家小組成員應是各領域、專業具有代表性和權威性的專家，從而保證設計質量控制點的設置方案具有權威性和廣泛適用性。

2.3.2 發生可能性分析

針對設計WBS中的每一項工作，分析該工作失效的相對概率，并根據可能性等級準則(表3)，確定該項工作失效的可能性等級。同理，為使分析結果更加準確和合理，亦引入技術咨詢或顧問專家小組。如，專家小組有n位專家，各專家對某項設計工作失效發生可能性的等級評分分別為yi，其中最大值和最小值分別為ymax、ymin，則該項設計工作失效發生可能性的等級為：

某項設計工作失效發生可能性等級=

2.3.3 風險等級確定

基于分析得出的后果等級和可能性等級，根據風險等級表(表4)，確定設計WBS(表1)中每一項工作失效的風險等級，其一般形式見表5。

表5 設計工作失效風險等級Table 5 Risk grade of design work failure

2.4 設置設計質量控制點

根據各項設計工作失效風險等級大小(表5)，分別確定相應的質量控制類型，以達到分層次控制的目標。

(1)Ⅰ類風險：設置評審/審查點，進行嚴格的技術質量審查，確保相應工作按規定要求完成；對于風險評價指數達到25的設計環節，應考慮作為關鍵決策點，提交總師系統和(或)主管機關決策。

(2)Ⅱ類風險：設置專項檢查點，針對相應工作進行專項檢查，確保相應工作按規定要求完成，但僅在總師系統安排下由內部進行控制。

(3)Ⅲ類風險：由設計流程中的角色自行控制。

3 應用案例

3.1 確定設計WBS

航空發動機研制通常包含論證、方案、工程研制及設計定型等多個階段[1]。作為應用案例，本文選取方案階段一個典型批次的設計WBS進行應用分析，見表6。

表6 典型設計WBS示例Table 6 Typicalexamplesof designWBS

3.2 工作失效風險分析及等級確定

以表6編碼為W0101的設計工作——邊界與界面識別為例，按2.3.1方法進行工作失效影響后果分析，結果見表7。可見，邊界與界面識別工作失效影響條目的后果等級最高為5，即為該工作失效的后果等級。

表7 工作失效后果分析Table7Consequencesanalysisofworkfailure

按2.3.2方法進行工作失效可能性分析，結果見表8。由此，邊界與界面識別工作失效的風險指數為15。根據風險矩陣(表4)，該工作的失效風險等級為I類。

表8 工作失效可能性分析Table8Probabilityanalysisofworkfailure

表9 設計工作失效風險等級及控制點類型Table9Riskgradeandcontrolpointtypeofdesignworkfailure

針對表6列出的所有設計工作，按上述步驟和方法進行分析，結果見表9。

續表9

3.3 設置設計質量控制點

根據2.4的原則，確定設計質量控制點的類型，見表9。可見，與原有設計質量控制方式相比，新增了若干評審點和專項檢查點，形成了至少三個層次的管控機制。

通過這種科學分析的方法，使得設計質量控制點更加明確、顯性化和層次化，更有利于分層、不同顆粒度地實施，實現了對設計質量的立體管控，即設計自查對專項檢查形成支撐，兩者再對評審形成支撐。同時，由于設計WBS中的各項工作按流程組織，因此事實上形成了對設計流程的全過程控制，實現了設計質量由單純的結果管控向過程和結果管控并重的轉變。另外，這些新增的質量控制點多數集中于設計過程前期，有利于提前發現、逐步應對潛在設計風險，實現由事后處理向事先預防與事后處理結合的質量管控方式的轉變，保證項目后續的順利推進，避免了以往由于設計缺陷不能及時發現而導致后續試制、試驗過程中問題或故障集中爆發的情況出現。

4 結論

本文分析了現有航空渦扇/渦噴發動機設計質量控制點的一般問題，并基于設計流程和設計WBS，探究了將風險評估的技術和方法應用于設計質量控制點設置的可能性和有效性。其基本思路是，將每項設計工作失效視為一個風險源，依據風險準則對其影響后果和發生可能性進行分析，得出風險等級，進而依據風險等級確定所需的設計質量控制點的類型。實際應用結果顯示，上述方法應用于設計質量控制點的設置合適、可行，工程可操作性較強，相比于傳統的依據經驗設置控制點的方式更為科學、精細，更具指導性。

[1]GJB 2993-1997，武器裝備研制項目管理[S].

[2]張健壯，承 文，史克祿.武器裝備研制項目風險管理[M].北京：中國宇航出版社，2010.

[3]李金林.武器裝備研制項目風險管理[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2010.

[4]溫 鵬.六西格瑪設計(DFSS)在航空科研院所的應用研究[D].長春：吉林大學，2013.

[5]中航工業精益六西格瑪研究所.六西格瑪設計(DFSS)培訓教材[M].4版.北京：中航工業精益六西格瑪研究所，2015.

[6]GJB 2116-1994，工作分解結構[S].

[7]GJB/Z 171-2013，武器裝備研制項目風險管理指南[S].

[8]FDJ-GF1.10，風險管理規范[S].

M ethods of aero-engine design quality controlpoint setting based on risk evaluation technology

WANGGang1，LILun-wei2，XU Duo2
(1.China Aviation Publishing&Media CO.,LTD，Beijing 100012，China；2.AECCSichuan Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

The quality control point constructingmethods of aero-engine design processwas studied based on risk evaluation technology.Each design work failure could be regarded as a risk source,and according to the formulated refined risk criterion,the consequences,probability and risk grade could be determined. Consequently,multi-level quality control points could be set in the design process.Thismethod has been applied to the conceptual design phase of aero-engines.The results demonstrate that themethod of setting or optimizing design quality controlpointsbased on risk evaluation ispracticable and effective.

aero-engine；design quality control point；designWBS；risk evaluation；risk criterion

V37

A

1672-2620(2017)03-0057-06

2016-06-22；

2016-10-14

王 剛(1982-)，男，河北唐山人，工程師，主要從事國防科技情報工程咨詢、航空科研聲像保障及可視化信息咨詢等工作。