航天器結構產品制造成熟度等級評價方法及應用

李君三

(1 國防科技大學系統工程學院，長沙 410073)(2 中國空間技術研究院，北京 100094)

航天器結構產品具有典型的單件、小批量生產特點，其生產制造過程工藝流程多變、制造資源多變，手工操作過程比較多，操作過程存在一定的不確定性，成為航天器結構產品制造過程存在的風險。航天器結構產品研制一般分為產品開發和產品生產兩個階段，產品開發以產品完成設計驗證和鑒定，形成產品生產基線為完成標志；產品生產階段是以建立的生產基線為基礎，以產品技術狀態控制為重點開展生產工作。目前，在研制生產過程中，僅在兩個階段之間設置關鍵節點進行風險控制，這樣的做法往往會帶來前期驗證不充分、程序和方法固化不及時等風險，造成生產階段工作的被動。因此需要對研制生產過程各個階段設置進一步的控制點進行風險評估，分步開展確認和總結工作，控制相關風險。

制造成熟度最早由美國國防部提出，主要用于評價制造能力和制造風險[1]。目前，歐美等地區和國家已在航空航天中進行了大范圍的應用，在促進產品制造模式的轉變和提升企業綜合效能方面具有重要作用[2]。美國國防部已經將制造成熟度作為采辦項目的強制性程序，并作為統一準則用于裝備制造技術和能力評估[3-4]。美國從政府到軍方再到國防軍工機構都高度重視制造成熟度評價方法的研究和應用，波音公司、洛馬公司、通用電氣等一些大型企業也都在研制中采用了制造成熟度方法，用于加強對制造風險的識別和管理[5-6]。國內對制造成熟度理論和評價方法的研究還處于起步階段[7-8]，目前已有的GJB8345-2015《裝備制造成熟度等級劃分及定義》、GJB8346-2015《裝備制造成熟度評價程序》、Q/QJA53-2010《宇航單機產品成熟度定級規范》等偏重于定性的分析和評價，無法提供量化分析方法[9-10]。目前，由于我國與歐美等地區和國家宇航研制模式和特點的不同，國外制造成熟度理論方法無法在我國航天領域直接復用，如何將其與我國航天器產品制造相結合，形成本地化的制造成熟度評價方法并合理運用，以推動和促進航天器產品制造模式的轉變，對于我國航天器制造具有重要的意義。

因此，本文提出航天器結構產品制造成熟度模糊綜合評判方法，將制造成熟度理論和評價方法與航天器結構產品研制過程相結合，同時與基于制造風險評估模型的航天器結構產品制造成熟度評價方法進行了結合，用來進一步提升制造成熟度評價的準確性，從而形成航天產品質量、效率、效益保證能力的量化衡量，適應航天產品高強度研制、高密度發射、高質量發展的形勢，促進航天器制造能力的持續提升。

1 航天器結構產品制造成熟度等級與評價指標模型

制造成熟度等級(MRL)是一種評估特定技術部件或系統制造成熟度和風險的通用度量標準和術語集，起源于美國，主要適應美國的技術與工業基礎、國防裝備采辦方式、裝備項目的管理模式，并且更多的面向批量生產，因此，在評估我國航天器結構產品制造時具有一定的局限性[11]。

本文以航天器結構產品為研究對象，將制造成熟度理論和評價方法與中國航天實際相結合，對航天器結構產品制造成熟度等級與評價指標進行建模，整個指標體系模型共分為4層，這4個層級之間有著一一隸屬和相互支撐的關系，同時每一層級的評價指標之間也相互影響，共同作用，并最終影響著航天器結構產品的制造成熟度。

1)維度層

維度層，共由3個維度評價指標構成，即制造技術維、制造過程控制維和制造管理維，分別從不同的思維角度來看待航天器結構產品制造成熟度的評價指標。

(1)制造技術維，是從制造技術能力的角度來評價航天器結構產品制造成熟度水平，主要是對制造技術在產品制造過程中的可制造性和對產品關鍵特性的控制程度進行評價。

(2)制造過程控制維，是從制造過程對生產基線的控制能力的角度來評價航天器結構產品制造成熟度水平，主要是對生產基線的建立、確認、評審、管控水平進行評價。

(3)制造管理維，是從制造過程對高復雜度、高可靠要求、高風險、社會化協作要求高的項目管理能力的角度，對航天器結構產品制造成熟度水平進行評價。它所評價關注的計劃管理、產品保證管理和外協管理，都不同于一般產品的類似內容，評價標準更高、要求更嚴。

2)類層

類層有3個維度共7類評價指標構成，即產品設計、產品工藝、生產基線管控、生產實施管控、制造計劃管理、產品保證管理和外協管理。“類”代表了與航天器結構產品制造成熟度有強關聯度的核心評價指標，這些指標直接關系到制造成熟度水平的高低?！邦悺敝笜艘彩窃u價制造成熟度水平或等級時必須給出的評價結果指標，這些指標的評價狀態直接決定了制造成熟度等級評價的結果。

3)域層

“域”代表了“類”評價指標的重要方面，它們是“類”評價指標最終評價結果的主要依據，大多是嵌入在產品制造流程中的獨立環節，共有20項評價指標構成，分別為：材料選用、設計簡化、質量與性能要求、制造方法可獲取性、檢驗要求、關鍵工序控制、生產基線建立、生產基線確認、人員、設備設施、原材料、文件記錄、環境控制、計劃流程設計、計劃變更管理、產保組織和隊伍、產保標準、產保文件、外協文件管理、供應商管理。

4)項層

項層指標是域層指標的具體評價標準，是開展制造成熟度評價的最基本依據，往往是評價檢查單上的基本項目。項層指標也是本評價指標體系模型中的最底層指標，關于項層指標，由于在本評價模型中沒有在模型圖中具體列明，現按照與域類評價指標的對應關系分別列明見表1，共由54項評價指標構成，項層是評價制造成熟度的直接應用指標，也是開展評價時各類打分表中的基本內容。

表1 航天器結構產品制造成熟度評價指標體系表Table 1 Manufacturing maturity evaluation index system of spacecraft structure products

續 表

基于上述體系模型，與我國航天器研制的4個階段劃分進行對應，充分考慮結構產品的特點，將我國航天器結構產品制造成熟度的等級分為4級，即M級(模樣)、C級(初樣)、Z級(正樣)和D級(定型)，從而構建出航天器結構產品制造成熟度等級與評價指標矩陣模型(見圖1)。

2 航天器結構產品制造成熟度模糊綜合評判方法

由于航天器結構產品大多結構復雜，工藝流程環節多，制造成熟度等級評估的不確定因素較多，很多指標難以量化，因此采用基于模糊數學的模糊綜合評判方法，根據模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，即用模糊數學對受到多重因素制約的事物或對象做出一個總體的評價。

在前文構建的航天器結構產品制造成熟度評估指標體系的基礎上，采用模糊綜合評判方法進行航天器結構產品制造成熟度等級評判方法的關鍵步驟包括以下內容。

1)建立航天器結構產品制造成熟度的模糊層次結構模型

根據前文所確定的航天器結構產品制造成熟度評價指標體系，按照所對應的層級，構建量化評價模型。

2)建立模糊層次評價集

建立航天器結構產品制造成熟度的模糊層次評價集，確定相應的分值，并按照前文的制造成熟度4級劃分來確定制造成熟度評價結果，見表2。

表2 制造成熟度評價表Table 2 Manufacturing maturity evaluation table

3)構建權重向量

第一，建立優先關系矩陣。將航天器結構產品制造成熟度評價指標體系中每一層級評價指標，按照對上一層級對應指標的影響程度進行兩兩比較。例如，生產實施管控類指標下的五個域指標，人員、設備設施、原材料、文件記錄、環境控制，將之進行兩兩比較，將比較結果作為對生產實施管控類指標進行評價的輸入條件。為了更準確的予以賦值，以更好地評價相應評價指標的制造成熟度水平，兩兩比較的結果不能簡單地分為“強”或“若”，而是要進行更為精細的劃分。一般來說，可將比較結果分九個等級，見表3。

表3 制造成熟度評價優先關系Talbe 3 Manufacturing maturity evaluation priority relationship

通過專家打分，并進行數據分析后，得到比較矩陣

(1)

式中：aij為專家打分值。

第二，構建模糊一致矩陣。獲得模糊一致矩陣為

(2)

式中：rij為權重值。

第三，求解權重向量。采用行和歸一化求解權重集為

(3)

式中：wi為權重向量值，rij為權重值。

第四，求得各指標的權重，形成權重集。

4)計算評判分數

最終的評價結果為

(4)

式中：H為評判分數，wi為權重向量值，aij為專家打分值。

5)確定所評價產品的最終的制造成熟度等級

根據最終的評判分數，按照制造成熟度評價表確定最終的制造成熟度等級。

3 航天器結構板產品制造成熟度評估應用驗證

基于本文提出的航天器結構產品制造成熟度等級評價方法，結合航天器結構板產品的研制工藝流程，對結構板產品的制造成熟度進行分析評價。結構板產品雖然有一定的產量，每年多達幾千塊，但其又不屬于設計定型的小批量研制類型，其單塊結構板之間的差異性還是比較明顯的，不具備剛性流水線產品的特點。因此，根據其設計狀態多變、工藝流程復雜、過程控制環節多等特點，采用本文提出的模糊綜合評判法對結構板的制造成熟度進行具體分析，以驗證方法的可行性和有效性。

1)結合結構板產品的研制特點建立制造成熟度評價指標體系

將設計技術、工藝技術；設計簡化、產品數量、產品品種、零件互換性、產品更改、生產基線管控、生產實施管控、制造計劃管理、制造控制、產品保證管理、外協管理、生產組織、專業化程度、生產重復性、設備專業化程度、工具專業化程度、設備自動化程度、物流自動化程度、設備布局、信息化程度、人員的技術能力、材料選用、材料可獲得性、供應商的穩定性作為二級指標體系，在二級指標體系的基礎上再進行各成熟度對應的三級指標體系分解，見表4。

表4 結構板制造成熟度指標體系Talbe 4 Structure board manufacturing maturity index system

2)結構板產品成熟度計算

步驟一：由質量管理部門統籌成熟度評估工作，制造單位質量管理部門具體執行上述調查，共計回收200余份調查問卷。通過對調查問卷進行整理、按照拉依達準則進行識別判斷以及最后的均值處理，得到了各項目的成熟度數值。

步驟二:為了簡化計算和提高設計精度，將影響結構板制造成熟度的影響因素按第一指標分為十個類別，按照對制造成熟度的影響程度進行兩兩比較，并通過調查問卷得到具體的優先級關系，并在此基礎上將數據進行與項目成熟度一致的處理后，匯總得到比較矩陣。

步驟三：在得到比較矩陣的基礎上按照前文敘述的方法得到模糊一致矩陣，進而采用行和歸一化求解權重集。

步驟四：計算各級制造成熟度。

步驟五：質量管理部門公布評估結果，各責任單位根據評估結果開展相應的改進工作。

3)近階段結構板制造問題統計

為了進一步驗證模型是否具有不定期活性評價、成熟度數據處理等能力以及是否貼合空間飛行結構產品柔性、小批量的特點，本文基于實時數據對比驗證計算結果的思想，針對某航天制造企業2018年12月至2019年6月期間，結構板實時制造流程問題事故率開展數據統計，以期對模型的功能做出驗證和分析(見表5)。

表5 航天器結構板制造問題統計表Talbe 5 Problems of spacecraft structural board manufacturing

對表5中的事故統計與成熟度對比分析的結果來看，事故率相對較多(事故數目大于等于15)的工藝技術、專業化程度、設備專業化程度、設備自動化程度以及物流自動化程度等元素在總體上看其成熟度處于區間[2,3.5]內，相對于其他元素而言具有明顯劣勢，從元素區間內部的對比結果上看，成熟度排名與事故誤差排名雖然具有一定的出入，這可能與產品生產的周期波動有關，但從區間角度上考慮仍然處于可接受誤差范圍；產品數量、產品品種、生產基線管控、生產實施管控、產品保證管理、生產組織以及材料可獲得性等元素是事故率比較少(事故數目小于5)的項目元素，容易觀察到其成熟度分布基本大于5級，成熟度排名與事故誤差排名雖然具有顯然的一致性，是比較理想的狀態；其余元素成熟度分布區間基本上處于[3.5，5]，與其余兩種分類形成明顯的呼應性。經過上述分析，本文成熟度模型在制造元素成熟度計算、制造元素成熟度對比分析、成熟度數據處理以及適應航天器產品柔性特點等方面具有一定的計算精度，基本滿足初始設定的需求，能夠用于現階段以及未來一定時間段內的成熟度計算。

4)結構板成熟度的評價

(1)從總體上而言，根據上述表征的成熟度分段可以判斷出該結構板產品制造成熟度位于定型級。在該等級下解決產品制造過程中的精準控制問題，通過標準、規范、數字化、自動化、在線監測、實時反饋等管理和技術手段，具備全要素實時追溯的特征，產品制造的穩定性升級。另外，說明該產品在同等類別制造體系中處于比較高級的階段，在實際生產流程中具有一定的先進性和完整性，企業具有一定的先進生產經驗和意識，同時也具備一定程度的物質基礎，如果能在正確的規劃下必定會實現穩定的快速發展。

(2)從類級指標成熟度與階段式成熟度評價模型相對應的角度上看，工藝技術、專業化程度、設備專業化程度以及設備自動化程度等生產元素是產品制造環節中的短板，是低于現階段生產標準的項目，這可能是企業結構板生產目前發展受阻和動力不足的主要原因，同時也會影響到企業整體的穩步和快速推進，是以后應該要著重解決的方面。在產品數量、外協管理以及物流自動化程度等生產元素具有較現階段標準更高的程度，這為下階段地發展奠定了一定的方便和基礎，如果能夠補足結構板目前生產不達標地項目，企業結構板生產會短期達到新高度。

(3)從各項目成熟度比較的結果來看，產品數量、產品品種、生產基線管控、生產實施管控、產品保證管理、生產組織以及材料可獲得性等項目是其明顯的優勢項目，這可能是企業能夠掌握一定競爭優勢的主要原因，是帶領企業發展的風向標，同時也是企業把握主動權的根基所在，因此以后發展歷程中要加以保持并在合適時機獲得進一步提升；工藝技術、專業化程度、設備專業化程度、設備自動化程度以及物流自動化程度等生產元素在總體上看，其成熟度相對較低，在一定程度上可能會拉低結構板生產的優勢，影響結構板生產地總體質量，是需要企業著重注意地方向；其余方面相對而言處于標準值附近浮動，在一定程度上具有比較穩定的均衡性，是保持結構板生產發展穩定的慣性因素，應該在往后的發展歷程中盡量做到均衡發展。

5)結構板產品制造成熟度提升建議

根據對某航天制造企業結構板產品在2018年12月至2019年6月近半年的動態統計數據進行成熟度評價的結果，工藝技術、設備自動化程度以及工具的專業化程度等要素的成熟度數值相對較低，是后續一個時期內需要重點提升的方面，建議采取以下三個方面的措施，并采取本文提出的制造成熟度評價模型和方法措施實施的效果進行實時評估，以更好地指導航天器結構產品制造成熟度的全面提升。

(1)結構板制造工藝過程進一步細化量化，細分到每一個工步或操作均可以進行可量化的程度，如面板涂膠量控制，需要進一步細化到涂膠實施過程中的量化控制，如涂膠設備的涂裝速度、膠液流量、噴涂時間等，以期提升工藝技術的成熟度。

(2)結構板制造過程中必須減少人為操作，在工藝過程細化量化的基礎上配置非標自動化設備，確保關鍵環節實現自動化實施、實時檢測，避免復合成型和后處理階段出現產品防護不當的劃傷、位置度偏差等影響制造成熟度提升的問題。

(3)以信息化手段提升結構板制造成熟度，信息驅動結構板生產線的自適應調整，如工藝設備、工裝、埋件、膠黏劑體系以及固化制度的快速準確匹配，以適應航天器蜂窩夾層結構板的狀態變化多、研制效率和質量要求高的特點，實現智能制造的全面升級，以全方位提升結構板制造成熟度等級。

4 結束語

本文提出了航天器結構產品制造成熟度等級評價方法，并以航天器結構板產品為對象，對其生產現狀進行了成熟度評價，結果表明：航天器結構板產品在工藝技術、設備自動化程度以及工具的專業化程度等方面成熟度相對較低，這與當前航天器結構板研制現狀基本相符，證明了該方法的有效性，為提高質量管控水平降低風險指明了方向，并且可為后續航天器結構產品制造過程薄弱環節識別提供技術方法，為航天器結構產品制造過程不斷優化、航天器結構產品研制能力進一步提升提供技術支撐。