雷達研制質量管理中實施六西格瑪?shù)膯栴}研究

康宇　侍顥

摘要：文章針對雷達裝備研制的質量管理，基于六西格瑪?shù)腃DOV流程，敘述了雷達裝備研制過程中應用六西格瑪基本原理和工具方法的技術路線，在研制的“概念-設計-優(yōu)化-驗證”四個階段開展質量管理工作的目標，闡述了六西格瑪流程所涉及的工具和方法，對雷達裝備的實際研制過程中，各個階段出現(xiàn)的問題進行了研究分析，并提出了相應的解決方法。

關鍵詞：雷達：質量管理：六西格瑪

中圖分類號：F273 文獻標識碼：A 文章編號：1008-4428（2018）01-11-04

一、引言

質量是產(chǎn)品的靈魂，是企業(yè)的生命，在一般制造業(yè)中如此，在軍工產(chǎn)品制造的企業(yè)中更是如此。雷達裝備作為軍工產(chǎn)品的重要組成部分，其作戰(zhàn)的最基本原則是及時、準確、連續(xù)地獲得目標情報信息，高水平的裝備質量是保障作戰(zhàn)部隊“能打仗、打勝仗”的必要條件。作為作戰(zhàn)部隊的感知設備，雷達裝備必須具有高度的先進性和可靠性，根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境和作戰(zhàn)使命的不同，用戶對雷達裝備的要求往往是高度定制化的，如何在復雜的用戶需求組合下研制出高質量的產(chǎn)品，這是現(xiàn)代雷達裝備研制過程中一項非常重要的課題。

在雷達工業(yè)的早期，產(chǎn)品質量的根本問題在于設計環(huán)節(jié)，隨著科學技術的發(fā)展，計算硬件日漸普及，各種仿真軟件和設計平臺迅速應用于雷達的研發(fā)和制造，在研發(fā)的層面上設計問題已基本得到解決。然而即使是設計成熟的產(chǎn)品，在投入批產(chǎn)之后，亦會因為原材料、元器件、制造工藝、加工過程能力、驗收量具和方法等原因，導致實際批產(chǎn)的產(chǎn)品很難達到設計方案的質量要求。即使是通過驗收已經(jīng)交付的產(chǎn)品，因為對使用場景預估不足、生產(chǎn)制造過程能力的波動、測量系統(tǒng)的偏差，也還是會出現(xiàn)用戶、設計師、工藝和制造團隊都未曾預料到的質量缺陷。這些問題對于雷達裝備而言往往是致命的。因此，在雷達裝備研制的設計手段已經(jīng)經(jīng)歷了長足發(fā)展的現(xiàn)階段，質量問題已經(jīng)從設計環(huán)節(jié)轉向管理層面，在研制過程中采用管理的手段來把控質量，使產(chǎn)品具備圓滿完成其作戰(zhàn)使命的過硬質量，具有高度的理論意義和實用價值。

六西格瑪“6σ”最早由Bill Smith等人提出，是20世紀80年代摩托羅拉開始采用的一種改善企業(yè)質量流程管理的技術，核心思想是統(tǒng)計學上的正態(tài)分布，以“零缺陷”的完美商業(yè)追求，帶動質量成本的大幅降低，最終實現(xiàn)財務成效的提升與企業(yè)競爭力的突破。Bill Smith認為，當加工的過程穩(wěn)定時，產(chǎn)品質量特征值一般服從正態(tài)分布，其標準差為σ，若產(chǎn)品質量特征分布的6σⅡ范圍仍位于公差范圍內，即為6σ水平，考慮到可能出現(xiàn)分布中心與公差中心偏離1.5σ的極端情況，其缺陷水平DPMO（Defect Per Million Opportunities）仍然僅為3.4，對比常見的3σ水平DPMO=66807，缺陷率降低了約20000倍，不僅可以帶來生產(chǎn)上的經(jīng)濟效益，更是帶來了功能上的質量效益。正因為此，美英等軍事發(fā)達國家的軍工供應商都廣泛應用了六西格瑪?shù)姆椒ǎ瑖鴥葘τ谘b備質量有著嚴苛要求的軍工企業(yè)和航天航空企業(yè)，對六西格瑪也產(chǎn)生了濃厚的興趣。筆者基于雷達裝備研制項目的特點，在實施過程中的質量管理環(huán)節(jié)研究和應用六西格瑪?shù)睦碚摵头椒ā１疚囊曰诹鞲瘳數(shù)腃DOV（Concept Design Optimize Verifv概念—設計一優(yōu)化一驗證）流程為例，研究六西格瑪在雷達產(chǎn)品研制過程中進行質量管理的實際操作過程中顯現(xiàn)出來的問題

二、基于CDOV的六西格瑪研制流程設計

六西格瑪最初的管理策略，實際上是DMAIC（Define Measure Analyze Improve Control）業(yè)績改進流程的方法（圖1），這是一種以數(shù)據(jù)為基礎的質量管理方法，在現(xiàn)有的產(chǎn)品和過程基礎上進行改進和控制，注重客戶需求和設計優(yōu)化的重要性，適合在量產(chǎn)型產(chǎn)品的研制過程中使用。

在實際操作過程中，研究者們針對不同的產(chǎn)品研制需求提出了各種不同的流程模式，目前已提出的流程模式通常由以下環(huán)節(jié)中的部分步驟組合而成：概念（Concept）、定義（De-fine）、識別（Identify）、調查（Explore）、測量（Measure）、分析（Analysis）、特征化（Characterize）、設計（Design）、開發(fā)（De-velop）、優(yōu)化（Optimize）、改進（Improvement）、驗證（Verify）、評價（Evaluate）、實現(xiàn)（Implement）、控制（Control）、保證（As-sure）、擴大規(guī)模（seale-up）。通常情況下，流程基線始于需求開發(fā)階段終于驗證階段，著重于現(xiàn)有流程的改進，并且進行適當?shù)念A防以保證流程的穩(wěn)健性。

雷達裝備的一個非常突出的特征是用戶需求高度定制化，不僅是功能的定制，其裝備狀態(tài)、使用場景、作戰(zhàn)使命及維護保養(yǎng)都存在高度的定制化特征。正是由于這種定制化的特征，在雷達研制初期對整機和部件需要進行大量的調研論證，在設計過程中將用戶需求落實到設計方案中，然后試驗驗證設計性能是否滿足指標要求，多次迭代后，改進設計方案與加工流程，對于數(shù)量較大的部件進行小批量投產(chǎn)并驗證一致性，完成上述步驟后才進入正式的生產(chǎn)。另一個非常值得關注的特征是單個型號雷達裝備的訂單數(shù)量有限，其質量特性往往決定于設計研發(fā)階段，與批量生產(chǎn)產(chǎn)品通過改進生產(chǎn)過程能力即可保證質量的特性有著非常大的區(qū)別，在無法大批量投產(chǎn)的情況下，要保證極高的質量品質，就需要有針對性地進行質量管理。考慮到以上所述雷達裝備研制流程的特殊性，在諸多不同的流程模式中，本文主要研究基于CDOV的六西格瑪流程。基于CDOV的六西格瑪研制流程包含四個階段：概念（c）、設計（D）、優(yōu)化（0）、驗證（v）。作為一種側重于設計優(yōu)化與質量管理的六西格瑪流程，CDOV非常適合雷達裝備的研發(fā)與生產(chǎn)，在文章中將按照流程的四個階段分析和研究在具體實踐中值得注意的事項和實際的問題。

三、概念階段

在雷達裝備研制的初期，一般是項目論證階段，此階段需對客戶需求進行轉化和細分。此階段對應于六西格瑪?shù)母拍铍A段，主要目標是，運用六西格瑪工具開發(fā)具有可行性的“概念”并選出最佳“概念”。

六西格瑪流程強調從“了解用戶，確定用戶的關鍵需求”開始，從外向內分解和回溯至組織內部的關鍵要素、關鍵環(huán)節(jié)、關鍵流程、關鍵活動。因而在概念階段，需要實施必要的概念工程管理手段，收集用戶需求并把用戶需求貫穿到產(chǎn)品的概念產(chǎn)生和概念選擇的過程中去，使團隊的工作始終基于用戶的使用環(huán)境，避免產(chǎn)品開發(fā)前期的概念失真。

如前所述，雷達作為一種用戶需求高度定制化的裝備，其整機功能、裝備狀態(tài)、使用場景、作戰(zhàn)使命及維護保養(yǎng)都存在高度的定制化特征，而產(chǎn)品整機又有分系統(tǒng)性能整合的系統(tǒng)協(xié)調因素存在，這就使概念階段的用戶需求轉化和細分顯得尤為重要。雷達裝備研制的另一個特點是批量小，相比較于大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，雷達裝備的論證方案在產(chǎn)品質量中所占的比重更多，因此需要在此環(huán)節(jié)投入更多的精力以保證產(chǎn)品的質量。

在對外接口方面，通常情況下雷達裝備按照對外接口關系可分為三類：整機裝備（單機作戰(zhàn)，無對外接口），整機裝備（協(xié)同作戰(zhàn)，部分電訊對外接口）、載荷裝備（協(xié)同作戰(zhàn)，部分電訊對外接口，部分結構對外接口）。不同的接口關系對應著論證階段相應的工作量，一般而言，接口關系越復雜，越需要在論證階段對方案進行嚴格地把控和監(jiān)督，尤其是同時涉及電訊和結構對外接口的載荷裝備，其方案自由度最小，但也最容易在接口事項上出現(xiàn)質量問題。

在概念階段，可供使用的工具主要包括SIPOC（SupplierInput Process Output Customer）宏觀流程分析，KANO分析、QFD（Quality Function Deloymem質量功能展開）、關鍵參數(shù)立項管理、Pugh概念選擇、新Qc（Quality Contr01）7種工具、親和圖、基準評價、損失函數(shù)、FMEA（Failure Mode and EffectAnalysis失效模式與影響分析）、Poka Yoke等。在此階段通常的交付物包括：系統(tǒng)需求文檔，關鍵用戶需求的優(yōu)先順序，概念設計方案，項目計劃與風險分析文檔。

在此階段工作的實踐過程中，筆者發(fā)現(xiàn)，盡管有多種工具可供選擇，但是用戶需求要細化到何種程度，用戶需求如何轉化為設計指標，且設計指標如何反映方案能夠達到的產(chǎn)品功能與質量，都是本階段仍然存在的問題。一個比較可行的解決方案是，在方案論證中后期啟動初步設計，在設計初期進行方案優(yōu)化，采用逆向綜合法，從方案指標倒推功能與質量，以驗證設計方案對指標要求的滿足度。必要時可將用戶加入方案論證討論組，通過與用戶的溝通獲得設計研發(fā)所需要的外圍信息。

四、設計階段

經(jīng)過論證，在概念階段確定了產(chǎn)品研制的基本方案之后，就會開展產(chǎn)品的設計工作。在此階段的一般設計項目按照正常的流程實施即可，對于概念階段識別出來的關鍵項目則需要加以重點關注，識別出其中的CP（Critical Parameter關鍵設計參數(shù)）。實施六西格瑪?shù)闹饕繕耸牵⑾到y(tǒng)級性能關鍵參數(shù)基線，通過FMEA進行風險分析，減少研發(fā)與設計可能給后續(xù)生產(chǎn)工作帶來的質量問題，以滿足產(chǎn)品最終的質量需求。

六西格瑪流程在設計階段更加注重于基于材料、工藝和加工能力的過程控制和提前分析潛在失效模式與影響。與傳統(tǒng)設計流程的電訊結構設計在先、工藝流程設計在后，注重功能設計而輕視質量設計不同的是，六西格瑪流程更多地將制造環(huán)節(jié)的風險提前至設計環(huán)節(jié)來進行降低和釋放，通過一系列有效的分析手段，將設計方案約束在盡可能小的風險范圍內，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的高質量要求。

由于研制裝備的先進性特征，研發(fā)的成本通常較高，技術的要求也相對苛刻，然而訂單允許的成本有限，生產(chǎn)能力也受到工藝水平的制約，因此最終形成的設計方案需要基于生產(chǎn)能力和制造成本，實現(xiàn)性能的最優(yōu)化設計。在這樣的外邊界條件約束之下，雷達裝備研制的設計自由度一般較小，要實現(xiàn)優(yōu)秀的質量性能，對于設計師和管理層而言都是非常具有挑戰(zhàn)性的。

在此階段，通常可以將設計工作劃分為功能設計和質量設計兩個部分。功能設計的目標是使得產(chǎn)品能夠實現(xiàn)目標要求的性能參數(shù)，而質量設計的目標是使得該性能參數(shù)在具體的使用場景中適應各種不同的環(huán)境變量且保持盡可能長的時間（基本要求是滿足用戶提出的質量指標）。功能設計在此不多贅述，在質量設計方面，目前可以通過元器件、組件的可靠性參數(shù)，建立可靠性模型，計算整體的可靠性，這是一種理想的估算方法。在實際操作過程中，設計師往往會遇到可靠性模型無法預測的質量關鍵點，因而在現(xiàn)有的設計流程中應用六西格瑪思想及其相應的工具，便顯得尤為重要。

設計階段可使用的工具包括系統(tǒng)工程、系統(tǒng)和功能圖、DFX（Design for x，面向x的設計）、TRIZ（俄文音譯TeoriyaResheniya Izobreararelskikh Zadatch發(fā)明家式的解決任務理論，亦作TIPS，Theory of Inventive Problem Solving）、公理設計、普氏方法、田口方法、實驗設計、變異分析、MSA（MeasureSystem Analysis）、QFD、FMEA、小樣本SPC（Statistical ProcessControl統(tǒng)計過程控制）、防故障設計等，根據(jù)概念階段形成的設計方案及其關鍵參數(shù)，建議設計師使用相應的工具提高設計方案的可實現(xiàn)性和可靠性。在此階段通常的交付物包括：需求及關鍵參數(shù)系統(tǒng)分解圖文檔，支持重要CP關系的統(tǒng)計分析報告，F(xiàn)MEA文檔，SPC控制圖等。

雷達裝備的設計團隊通常包括電訊、結構、工藝設計師，在設計階段，尤其是涉及到兩方面甚至三方面之間存在相互制約因素的時候，設計團隊的協(xié)同顯得尤為重要。最常見的問題如，電訊設計方案在結構實現(xiàn)上存在難度、結構設計無法達到電訊指標，電訊設計方案、結構設計方案無法通過現(xiàn)有工藝水平實現(xiàn)等。另一個非常重要的是裝配環(huán)節(jié)的設計，目前這一工作主要由結構設計師承擔，實際參與裝配的人員并不參與該階段的設計工作。盡管有各種設計規(guī)范指導設計工作，但仍不免出現(xiàn)裝配工序繁復、裝配難度高、裝配易出錯等問題的出現(xiàn)。因而在設計團隊中加入裝配負責人，是非常有必要的。在目前的信息系統(tǒng)和管理模式基礎上，筆者認為最為可行的解決途徑是，基于概念階段識別出的關鍵參數(shù)、關鍵過程，由電訊、結構、工藝設計師、裝配負責人在設計階段進行多次迭代，一方面對前期形成的論證方案進一步優(yōu)化，另一方面提出設計方案中需要在后續(xù)工作中進行試驗的項目，通過后續(xù)的試驗和測試進一步優(yōu)化設計。在未來的信息系統(tǒng)和管理模式下，可能會出現(xiàn)基于模型的全參數(shù)協(xié)同仿真平臺，產(chǎn)品全生命周期管理數(shù)據(jù)庫，質量在線實時檢測反饋等智慧手段，簡化設計師之間的溝通，提高設計迭代的效率。

五、優(yōu)化階段

在設計方案初步完成之后即進入優(yōu)化階段，此階段的目標主要是進行滿足產(chǎn)品需求的關鍵參數(shù)系統(tǒng)的研發(fā)和論證，既是是對設計環(huán)節(jié)風險的進一步釋放，也是對制造環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)的問題進行預知。

六西格瑪流程優(yōu)化階段的工作主要是在子系統(tǒng)和組件層面優(yōu)化參數(shù)，從而確保系統(tǒng)參數(shù)不受變異和噪聲（主要是產(chǎn)品的使用環(huán)境和產(chǎn)品的使用過程）影響的健壯性，同時優(yōu)化滿足產(chǎn)品需求的系統(tǒng)關鍵參數(shù)的容差設計。

現(xiàn)代相控陣雷達對于元器件一致性要求極高，且由于電子線路匹配、空間電磁場匹配等因素的存在，其整機性能高度地依賴于裝機元器件的指標一致性，用六西格瑪?shù)恼Z言來講就是指標分布的西格瑪水平越高越好。雖然無法通過元器件或組件測試數(shù)據(jù)直接計算整機的性能，但是通過六西格瑪流程所提供的一系列的試驗設計和模擬，仍然可以找出其中的部分規(guī)律，并且預測系統(tǒng)對不同噪聲因子（此處噪聲指的是內部和外界影響系統(tǒng)性能的變量）的敏感程度，從而確定關鍵參數(shù)的最優(yōu)值范圍。

以有源相控陣體制為例，現(xiàn)在通用的試驗方法包括組件試驗和小面陣試驗，分別是驗證分系統(tǒng)性能和系統(tǒng)級聯(lián)試的有效方法。然而目前的試驗仍僅局限于指標的測試和整機性能的測試，對于系統(tǒng)內部的響應關系涉及非常少，這就給試驗的設計和優(yōu)化留下了巨大的改進空間。六西格瑪優(yōu)化階段的工具可以確認輸入值x與輸出值Y之間的函數(shù)關系（傳遞函數(shù)）的統(tǒng)計顯著性，利用相應曲面法優(yōu)化x的取值以達到Y獲得期望的目標值，通過噪聲試驗確定導致變異的噪聲因子，最終確定一組x的水平組合以使Y對危險的噪聲因子不敏感，而且能夠預測最終輸出變量Y的平均值和標準差。

優(yōu)化階段可使用的工具包括田口方法、實驗設計、RSM（Response Surface Methodology相應曲面方法）、EVOP（Evolu-tionary Operation）、數(shù)字/算法優(yōu)化等。項目負責人應至少在傳統(tǒng)的測試項目基礎上增加關于系統(tǒng)響應的測試和分析，計算設計方案在現(xiàn)有制造水平下能夠實現(xiàn)的質量水平。這一階段形成的成果主要包括輸入輸出關鍵參數(shù)的函數(shù)關系、輸出參數(shù)的平均值和標準差預測、響應曲面法和強健設計得到的關鍵參數(shù)最優(yōu)值分析文檔、關鍵參數(shù)容差設計文檔等，這些函數(shù)模型、預測分析都是設計改進過程中具有很高參考價值的量化標準。

仍然是基于批產(chǎn)數(shù)量的考慮，雷達裝備在研制階段的試驗設計資源配置與目標設置都存在受到批量因素影響的局限性。因此，項目負責人在進行設計優(yōu)化和質量管理時需要綜合權衡試驗的規(guī)模、試驗驗證的目標等，力求在人力物力資源、時間資源允許的前提下，對試驗進行精心的設計，從而最大程度地從有限的試驗資源中提取盡可能多的驗證信息。

六、驗證階段

研發(fā)流程的最后是驗證階段，此階段的目標是優(yōu)化和驗證滿足產(chǎn)品需求的系統(tǒng)關鍵參數(shù)能力，對關鍵參數(shù)建立統(tǒng)計過程控制，評估系統(tǒng)的可靠性。通過對系統(tǒng)的驗證，保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，從而達到提高產(chǎn)品質量水平的最終效果。

驗證階段的主要任務包括以下幾個方面：制定控制計劃并建立針對CP的統(tǒng)計過程控制SPC，完成CP的過程能力分析，完成可靠性試驗、分析和增長曲線，以及開發(fā)CP管理數(shù)據(jù)庫從而在生產(chǎn)和供應鏈組織建立控制計劃。

由于研制產(chǎn)品的批產(chǎn)數(shù)量少，雷達裝備研制過程中的過程能力測試樣本有限，對于定制的器件更是如此。雷達整機研制單位通常不涉及元器件級的生產(chǎn)，目前大多數(shù)元器件已實現(xiàn)標準化、通用化，但是在新品研制的過程中，不可避免地涉及到在通用器件基礎上的微調，這類調整過的器件應歸為定制器件來管理，而且，由此產(chǎn)生的變化如果涉及系統(tǒng)的關鍵參數(shù)，則必須要求供應方重新驗證其可靠性。組件級別的生產(chǎn)或組裝過程一般在整機研制單位內完成，這部分生產(chǎn)過程的控制掌握在單位內部，因而過程能力的分析、驗證和控制要更加直接和透明。

雷達裝備研制過程經(jīng)過多年的發(fā)展和積累，其組件級別的內部部件已部分實現(xiàn)了標準化、系列化和通用化。在此，筆者將裝備研制過程中的部件分為通用和專用兩類，通用部件在不同的整機產(chǎn)品型號之間完全相同，而任何經(jīng)過借鑒修改的部件都認為是專用部件。通用部件可供驗證的樣本數(shù)量較大，其過程能力的控制難度較低，通常按照六西格瑪流程中所建議的方法可以直接進行分析和驗證。而專用部件可供驗證的樣本數(shù)量較小，其過程能力的控制難度較高，需要對驗證的目標、試驗的方法及其統(tǒng)計結果的有效性進行精確的設計和預估，在能夠得到的樣本數(shù)量前提下盡可能準確地定位生產(chǎn)過程中需要重點關注的環(huán)節(jié)，有針對性地進行優(yōu)化和控制。

本階段可以使用的工具主要包括：統(tǒng)計過程控制SPC、6σ設計積分卡、實驗設計、QFD、FMEA等。最終形成的交付物主要包括針對關鍵參數(shù)的控制計劃、可靠性評估報告、關鍵參數(shù)過程能力分析報告、供應鏈計劃等。

當前質量管理注重于對元器件、部件的篩選，主要是對性能指標和環(huán)境適應性兩個方面的考核和篩選，對于過程能力的認知水平較低，未能給予足夠的重視。篩選是一種簡單快捷的質量控制方法，然而從整個生產(chǎn)制造過程來講，篩選既不能提高生產(chǎn)過程的質量能力，也無法降低生產(chǎn)制造的成本。因而在有能力進行過程能力改進和過程控制的條件下，對生產(chǎn)過程的關鍵參數(shù)進行控制才是實施六西格瑪?shù)母鼉?yōu)選擇，此舉不僅可以逐步提高產(chǎn)品質量，亦可以有效降低因為過程能力缺陷帶來的篩選損耗成本。按照六西格瑪?shù)闹笇枷耄走_工業(yè)的整機單位不僅要嚴控內部流程，提高產(chǎn)品質量，同時也肩負著對供應商的協(xié)同和考核任務。供應商提供的元器件、零部件甚至組件，不僅要滿足性能指標和環(huán)境適應性，其生產(chǎn)的過程也要滿足六西格瑪?shù)牧鞒虡藴剩挥羞@樣，才能降低生產(chǎn)的波動，保證供貨周期的穩(wěn)定，同時也可降低供貨的成本，實為一舉多得的高效措施。

七、小結

六西格瑪是一套建立在統(tǒng)計學基礎上的質量管理系統(tǒng)方法，不僅著眼于質量改進，還可以發(fā)展為使企業(yè)保持持續(xù)改進、增強綜合領導能力、不斷提高客戶滿意度及經(jīng)營業(yè)績并帶來巨大收益的一整套管理理念和系統(tǒng)方法。基于六西格瑪?shù)腃DOV流程，文章敘述了雷達裝備研制過程中，應用六西格瑪基本原理和工具方法的技術路線，在研制的各個階段開展質量管理工作的目標和方法，分析了實踐中出現(xiàn)的問題，并提出了相應的解決方法。通過對六西格瑪?shù)睦斫夂蛯嵺`過程的分析可以發(fā)現(xiàn)，六西格瑪作為一種質量管理系統(tǒng)方法，或者說是質量管理哲學，在研發(fā)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)都具有非常重要的指導作用，它將質量的管理用科學的理論和工具進行剖析，把系統(tǒng)問題流程化處理，有效地實現(xiàn)了產(chǎn)品研制的質量管理目標，對于雷達裝備的研發(fā)、設計、試驗和制造有著非常重要的指導意義。