NASA空間探索任務風險管理研究

方漪 王羲翰 于海霞 （ 中國空間技術研究院， 北京空間科技信息研究所）

航天是高風險的科學探索活動，在各類航天活動中，對太陽系及更遠太空的探索任務難度大，風險高，面臨來自技術、政策、人員、環(huán)境、資源等很多不確定因素的影響。以月球探測為例，截至2019年底，全球共實施月球探測任務122 次，其中任務成功或部分成功63 次，任務失敗59 次；2019年，印度的月船－2（Chandrayaan－2）任務落月失敗，再一次說明在探索宇宙的活動中，必須將風險管理作為核心要素。美國國家航空航天局（NASA）在長期的空間探測任務中，開展了大量研究與實踐，成功將風險管理的理念、方法和工具應用在空間探索任務的全過程之中，為保障任務成功提供關鍵支撐[1]。

1 NASA 風險管理的理念方法

NASA 通過長期任務實踐發(fā)現(xiàn)，一項空間探測任務面臨的主要風險包括四個方面：一是設備故障導致探測器功能降級或失效；二是外部環(huán)境和事件影響，例如地震、洪水等自然災害對研制任務的影響；三是人員失誤風險，主要是操作失誤、判斷失誤、消極怠工；四是組織機構風險，如內部溝通不暢，責任界面不清、管理維度缺失、整體員工士氣不足，員工專業(yè)技能和培訓不足等。

為有效應對這些風險，NASA 制定了面向航天項目管理的一套成熟的風險管理系統(tǒng)，從研制進度、人力資源、技術、機構配置、安全、環(huán)境、成本預算這七個方面開展風險管理，使風險管理系統(tǒng)成為航天項目控制、系統(tǒng)工程和安全與任務保障的有機組成部分[2]。

在航天項目風險管理中，NASA 在項目全生命周期各階段按照分級分類的方式進行風險識別和管理，對風險進行優(yōu)先級排序，定期評估風險和風險管理控制的有效性，強化風險管理信息溝通的軟硬件，從而提高NASA 風險管理的決策質量，確保航天項目的目標任務實現(xiàn)。

具體而言，NASA 風險管理系統(tǒng)包括基于風險信息的決策（RIDM）和持續(xù)風險管理（CRM）。基于風險信息的決策分三步：識別航天項目的備選方案；對備選方案進行風險分析；對基于風險信息的備選方案進行選擇[3]。

NASA 的持續(xù)風險管理由風險識別、風險分析、風險緩釋計劃、風險跟蹤、風險控制、溝通和記錄六大模塊構成，具體流程形成一個類似“計劃-執(zhí)行-檢查-處理”（PDCA）的閉環(huán)管理：

NASA 風險管理的主要領域和流程

1）制定風險管理計劃。執(zhí)行成功的風險管理所必需的前期活動，需要根據(jù)航天項目的目標、任務特點、過程控制需求以及風險管理策略、資源和方法來制定風險管理計劃。

2）開展風險識別。對發(fā)現(xiàn)的風險進行持續(xù)的識別和記錄。通過研究歷史數(shù)據(jù)，采訪專家，對比目標和現(xiàn)有能力，判斷指標趨勢等方法來識別風險。

3）進行風險評估和分析。對風險發(fā)生的概率、影響和時間表進行評估，并對相關風險進行分類和優(yōu)先級排序。需要確定風險的原因、條件、可能性、后果、風險敞口等；評估中使用風險矩陣、風險指標評估、多屬性決策等定性或定量分析評估方法。

4）實施風險應對。根據(jù)項目目標、資源和風險評估結果，制定風險應對計劃。首先指定風險責任人，然后選擇或重新設計風險應對備選方案，通過評估和權衡，確定最佳解決方案，制定風險應對計劃。

5）跟蹤和控制風險。跟蹤風險變化情況及風險應對計劃的實施狀態(tài)，并根據(jù)需要采取糾正措施來控制風險。

6）風險管理溝通和記錄。在風險管理全流程持續(xù)記錄風險變化和管理實施情況，為管理決策提供支持；主要通過表格等方式將風險管理活動中的風險、分析、處理/行動數(shù)據(jù)進行記錄整理，輸出風險管理數(shù)據(jù)庫報告、狀態(tài)報告、跟蹤日志等[4]。

在管理工具層面，NASA 的風險管理工具分為定量和定性兩類，定量分析工具包括基于統(tǒng)計分析的風險評估模型和風險分析技術，例如概率風險評價（PRA）；基于原因和影響的風險分析，例如影響和關鍵性分析（FMECA）以及基于系統(tǒng)工程的風險識別與分析等。定性分析工具包括失效模型與影響分析（FMEA），故障樹分析（FTA）、風險評估分類（RAC）、頭腦風暴法、危險程度分析法、關聯(lián)度分析法、過程映射分析法、基于分類的問卷調查法、帕累托分析法等[5]。

2 NASA 空間探測任務中的風險管理

空間探測任務中開展風險綜合量化分析

NASA 在空間探測任務中，注重分析與航天器設計、生產、測試和驗證相關的典型風險因素對多階段項目的影響，確保每個里程碑按進度和質量完成。

以NASA 的獵戶座探測任務為例，該任務要完成“三步走”：第一步是無人飛行測試－1（EFT－1），將開展繞地軌道5800km 高度飛行并再入返回；第二步是探測任務－1（EM－1），將開展為期25天的無人繞月往返任務；第三步是探測任務－2（EM－2），計劃在2021年實現(xiàn)近地小行星的載人探測任務。獵戶座探測任務階段多時間跨度長，風險管理難度大，NASA 在項目中運用風險矩陣和風險分析軟件實現(xiàn)綜合風險識別和分析。

風險矩陣是常用的風險評估工具，通過風險發(fā)生概率和風險影響兩個指標來描述風險。風險發(fā)生概率評級從1 到5 不斷提高，概率小于10-6幾乎不會發(fā)生的風險評級為1，概率大于0.1 很有可能發(fā)生的概率評級為5。風險影響評級從1 到5 不斷上升，對人身安全、設備、人員健康、探測環(huán)境、任務成果、成本、進度等幾乎無影響的可忽略風險影響評級為1，對人身安全、設備、人員健康和自然環(huán)境產生重大威脅、任務失敗、成本過高導致任務取消、里程碑延期5 個多月或任務取消的關鍵風險影響評級為5。識別的風險、發(fā)生概率和風險影響評級來自于過去40年中NASA 空間探測任務的歷史數(shù)據(jù)和經驗，以及本次任務中工程師和項目管理人員的意見。

NASA 的工程設計人員完成這兩個指標的評級后，可以建立一個發(fā)生概率和風險影響的風險矩陣，得到各個風險的級別。文中例舉的風險矩陣中，每個方框代表一個風險級別(例如：低、中、高)，有時使用顏色表示(例如：綠色、黃色、紅色)，風險級別越高，解決這個問題就越緊迫和重要。在此基礎上進行風險等級排序，判斷哪些是高等級風險，據(jù)此開展資源的配置。

在風險評估過程中，NASA 還使用量化風險分析軟件，建立風險模型，有效提升定量分析效率,如創(chuàng)建綜合進度時間表，為每個子任務分配一個風險評分，預估完成各個里程碑最小、最大和最可能的時間，建立進度風險評估模型，計算對具體任務進度風險的連續(xù)分布，還可以計算不同風險級別任務的比例和數(shù)量[6]。

NASA 確定的空間探測任務風險等級

多部門、國際合作項目的風險管理協(xié)作

國際合作是空間探測任務的常見模式，共享資源、共擔風險，但國際合作也面臨多方管理協(xié)作溝通等方面的要求和挑戰(zhàn)，處理不好，可能引入新的風險，甚至影響任務成敗。因此，國際合作開展的空間探測任務中，風險管理的協(xié)同就非常重要。

以“卡西尼- 惠更斯”（Cassini-Huygens）土衛(wèi)六探測任務為例，該任務是NASA 和歐洲航天局（ESA）的國際合作探索項目，將探測土星、土星環(huán)及其衛(wèi)星，參與該項目的專家來自美國和歐洲的16 個國家。“卡西尼”軌道探測器由NASA 研制，承擔環(huán)繞土星飛行和中繼通信任務；“惠更斯”著陸器由ESA 研制，在飛到土衛(wèi)六時脫離“卡西尼”軌道探測器并在其表面著陸。

NASA 的風險管理工作集中在“卡西尼-惠更斯”整體飛行器的發(fā)射和軌道調整上；ESA 主要關注處理“惠更斯”著陸器所特有的風險。兩個機構都在積極開展任務全過程的風險管理，并通過國際合作形成風險管理協(xié)作，從而主動識別、評估和管理任務風險。

NASA 和ESA 的風險管理協(xié)作首先是在風險識別與評估領域。NASA 和ESA 聯(lián)合組建風險管理小組，定期對現(xiàn)有和潛在的風險跟蹤評估。NASA 每季度安排風險小組會議，全面評估系統(tǒng)中的風險和優(yōu)先級并討論風險緩釋方案。ESA 協(xié)同主承包商、每個分系統(tǒng)小組的專家對任務的風險進行評估。兩者共同識別和評估“惠更斯”著陸器脫離“卡西尼”軌道探測器和信號中繼的風險。

其次是風險分析的協(xié)同。NASA 每季度記錄風險指標的變化趨勢，開發(fā)了一個3×4 的風險矩陣。ESA 開發(fā)了一個5×5 風險矩陣,結合NASA 已確定的風險，基于ESA 標準重新評估并將其納入ESA 風險管理工作。NASA 和ESA 團隊定期同步項目計劃，NASA 每季度記錄風險指標并同步給ESA，將其納入ESA 風險管理數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)雙方信息無縫鏈接和風險評估標準的互通協(xié)同。

NASA 和ESA 的風險量化標準

NASA 和ESA 還制訂了“卡西尼-惠更斯”項目行動計劃協(xié)調機制（MOP）。該機制可以讓兩個團隊的成員隨時獲得操作計劃狀態(tài)和結果并進行溝通和審查，還通過對任務需求和研制活動的清晰定義減少了誤解的風險。通過制定聯(lián)合時間表和行動計劃，消除機構間的方案偏差，緊急情況下可以按約定的行動計劃執(zhí)行。MOP 作為風險評估和風險緩解方面的指導性文件，有效地促進了兩個機構協(xié)作風險的管理。[7]

3 NASA 風險管理工作的啟示

空間探測是航天活動中風險比較高的一類，做好風險管理工作更為重要。美國和歐洲國家在空間探測領域風險管理積累了大量經驗和數(shù)據(jù)，建立了覆蓋探測任務全周期的風險管理方法，很多做法值得我們研究、學習和借鑒。這些管理方法主要集中在四個方面：一是風險管理有機融入宇航研制項目管理流程，已經與項目管理、系統(tǒng)工程和任務安全保證等管理有效對接，嵌入到項目進度、成本預算、技術攻關、系統(tǒng)研制、人員隊伍等各類要素的管理和控制之中；二是關注深空環(huán)境、航天員安全等方面的特有風險因素的影響；三是建立基于歷史經驗數(shù)據(jù)建模和量化分析的風險識別、風險分析、風險應對策劃、風險實施與跟蹤，效果評估與控制閉環(huán)管理；四是注重多國別、多機構的風險信息溝通與管理協(xié)同方法開發(fā)與應用。