基于管理熵理論的航天復雜新研產品研制風險控制管理

唐自新 許哲 李大明 周軼丁 胡成威 王耀兵

(1.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094；2.空間智能機器人系統技術與應用北京市重點實驗室，北京 100094；3.中國空間技術研究院，北京 100094)

0 引言

風險管理是項目管理的重要內容，也是項目實施與過程控制中的關鍵環節[1]。航天工程作為高技術、高風險的工程實施項目，對于風險的管理與控制尤為關注[2]。特別是針對復雜新研產品的風險分析與控制尤為重要。

近年來，隨著我國首次火星探測任務、嫦娥五號月面取樣返回任務、空間站在軌建造等國家重大專項工程任務的順利實施，火星車、表取采樣機械臂、核心艙機械臂等復雜新研空間機器人產品在重大專項工程實施過程中的作用日益重要。該類空間機器人產品屬于我國首次研制的航天復雜產品，其研制過程面臨前所未有的難度與挑戰。

空間站核心艙機械臂承擔著空間站在軌建造、運營維修、在軌拓展等任務，是我國空間站組建與運營全過程中不可或缺的重要裝備，是集成了電氣、機械、三維多體動力學、熱力學、光學等多個學科的空間機器人系統[3-4]。作為首次在軌應用的大型空間機器人系統，空間站核心艙機械臂的設計與研制、地面測試驗證十分復雜。該裝備在軌工作壽命長達10～15年，受空間環境影響巨大，其研制過程風險性極高[5]。

本文結合管理熵理論，以核心艙機械臂產品研制為例，分析航天復雜新研產品研制風險管控流程與措施。

1 管理熵理論概述

熵是系統的一個狀態函數，用于描述復雜系統的混亂或無序程度。熵值越高，代表系統的混亂或無序程度越大。整個系統的總熵由各子系統熵相加構成[6]。

1997年，任佩瑜教授將熵的概念應用于管理科學，基于系統論提出了管理熵的概念，指出管理熵是組織在從事管理活動的過程中，將管理所涉及的組織制度、政策制度、文化理念等因素綜合考慮的一種集成狀態。如果組織的管理模式為封閉式管理，那么在組織的封閉管理活動過程中，將會出現有效管理效力逐步減少、無效管理效力逐步增加的狀態，而此過程不可逆。

2000年，任佩瑜教授在管理熵理論與基本概念的基礎上，結合耗散結構理論，提出了管理耗散結構概念與理論，即當一個復雜的管理組織遠離管理平衡態時，需要不斷地與外部環境進行能量、物質和信息等多方面要素的交換，并在組織內部各單元、各要素的相互作用下，增加組織負熵，使自身有序度的增加大于自身無序度的增加，進而形成新的有序結構，并在新的有序結構下產生新的管理效能[7]。

管理熵計算公式如下

(1)

式中，i表示影響管理熵值的某個要素；ki表示該要素對應的影響權重；Si表示該影響要素所產生的管理熵值。Si的計算公式如下

(2)

以S內表示系統內部產生的熵值，S外表示系統從外部環境中引入的負熵值，系統總熵值S總的計算公式如下

S總=S內+S外

(3)

由上式可知，只有當系統總熵值S總≤0時，系統耗散結構才能形成，系統才是有序的，系統風險才是可控的。因此，對于項目管理者或組織管理者而言，要使項目管理或組織管理有序化發展，提高項目管理或組織管理風險可控度，降低風險發生概率，必須不斷從外部環境中引入適當的負熵因素，增加組織總負熵值，使S外≤0且S外≤-S內。

2 航天復雜新研產品特點與難點

2.1 產品構成

空間機器人產品涉及專業廣、產品構成復雜，屬于典型的航天復雜新研產品。按任務特點和環境因素，分為在軌操作機器人和行星探測機器人兩大類。在軌操作機器人主要指在微重力軌道環境中執行各類操作任務的空間機器人，如空間站核心艙機械臂。行星探測機器人主要指在月球、行星、小行星等地外天體上執行任務的空間機器人，如火星車和月面采樣機械臂[8]。

根據任務需求，核心艙機械臂需要完成艙段轉位與輔助對接、航天員出艙活動、艙外貨物搬運、艙外狀態檢查等8項在軌任務。同時，需要具備大負載、大范圍轉移，空間站艙體表面“爬行”，在軌可維修等主要功能。

2.2 產品特點與難點

空間機器人產品屬于在外太空應用的特種機器人，產品構成復雜，所涉及的專業門類眾多。同時，面臨應用環境特殊、任務多樣且多變等問題，產品研制具有以下特點與難點[9]：

(1)工作環境特殊。工作環境為地外空間，涉及超真空、高低溫、微重力、強輻射等特殊 環境，以及發射段和著陸段的振動、沖擊、噪聲等問題。

(2)工作壽命和可靠性要求高。空間機器人產品需要在外太空環境中工作10年之久，且維修、維護困難。因此，需要具備長壽命性和高可靠性。

(3)系統技術門類眾多。空間機器人產品涉及的專業廣泛，包括材料、力學、機械等多個學科，以及傳感技術、人機交互技術和人工智能技術等，學科與技術交叉多。

(4)系統接口組成復雜。空間機器人產品涉及機械、電氣、熱控等多個學科，以及人機交互界面，各類接口復雜多樣。

(5)工作任務多，適應能力強。空間機器人產品需要根據任務需求開展已知和未知的任務執行工作，需要具備較強的適應能力。

(6)系統設計約束條件多。空間機器人產品的系統設計除需滿足常規的發射段和空間環境要求，還面臨質量、功耗、尺寸、接口、性能等外部資源的約束與限制。

(7)地面驗證復雜。空間機器人產品是結合空間環境和工作任務而設計的一種特殊用途機器人。在地面重力環境下，難以開展大范圍、全任務覆蓋的全物理式試驗驗證。同時，系統的多自由度、應用場景的不確定性等因素使得地面驗證難度進一步加大。

3 風險分析與控制管理

航天項目實施過程中的風險因素主要包括技術風險、進度風險、管理風險和費用風險4個方面。考慮到航天項目一般為滿足國家層面需求，特別是滿足載人航天和深空探測等國家重大專項工程需求，因此費用風險暫不考慮。本文僅對技術風險、進度風險、管理風險進行分析。

3.1 項目管理熵邏輯分析

根據上述管理熵理論可知，對于航天復雜新研產品而言，內部管理正熵是風險管理與控制的重點，引入外部有利負熵是增加組織自身有序度、降低風險的重要手段。

由管理熵的定義與內涵可知，系統管理熵分為內部環境熵和外部環境熵。結合航天復雜新研產品特點和風險類別，將內部環境熵分為技術風險熵、進度風險熵和組織風險熵；將外部環境熵分為直接環境熵和間接環境熵。航天復雜新研產品管理熵邏輯分析圖如圖1所示。

3.2 構建風險評價指標體系

以航天復雜新研產品研制風險管理總熵值為目標，基于內部和外部兩個層面，從技術風險、進度風險、組織風險、外部直接環境、外部間接環境5個方面分析研制風險影響因素。通過對各影響因素的熵值估算，得到內部環境熵和外部環境熵的估算值以及產品研制風險管理總熵值。

航天復雜新研產品具有技術狀態新、涉及專業廣、結構復雜等特點，因此，產品研制的內部環境熵為正的概率較大，這也是產品研制風險的控制重點。同時，外部環境對產品研制也有一定的影響。因此，要分析內部環境正熵并加以有效控制，同時引入外部環境負熵抑制內部環境正熵，進而降低產品研制風險總熵，提高組織有序性，降低研制風險。

以空間機器人復雜新研產品為例，依據層次分析法(AHP)，對航天復雜新研產品研制風險熵進行層級與要素分解，建立航天復雜新研產品研制風險評價指標體系，見表1。

表1 航天復雜新研產品研制風險評價指標體系

3.3 風險分析與控制流程

當前，航天產品已經形成了全過程、全系統、全要素的多維風險管理模式與管理機制，有效保證了產品研制目標的實現[10]。

對于航天復雜新研產品而言，除參照一般航天產品的風險管理措施，還需要結合自身研制特點與難點進行風險管控。根據上述航天復雜新研產品研制風險評價指標體系，結合產品研制特點，對產品研制過程中的關鍵環節進行全面識別與分析，對產品研制過程中的各類風險進行分析與量化，形成基于管理熵的風險分析與控制流程，如圖2所示。

針對航天復雜新研產品研制過程的5個變量層影響因素，分析各因素風險發生概率和嚴重性，并估算熵值。根據風險熵值進行排序，明確優先級，形成風險清單。從內部和外部兩個方面制定風險控制措施，以有效控制風險。

3.4 風險控制措施應用與實踐

3.4.1 內部環境熵分析與控制措施

(1)技術風險熵。對于航天復雜新研產品而言，其技術狀態是研制的基礎條件。由于航天復雜新研產品采用了較多的新技術、新材料、新流程，其技術風險是內部環境熵增加的根本因素和主要推動力。同時，外界產品需求變化引發的技術狀態更改也會帶來一定的技術風險。例如，核心艙機械臂的驅動關節和末端執行器等單機屬于全新的機電熱一體化產品，是機械臂運動和抓取的關鍵單機產品。為滿足任務需求，采用了CF170高強度不銹鋼、7055高強高韌鋁合金等新材料和新技術，產品研制過程面臨較高風險。

(2)進度風險熵。航天復雜新研產品研制進度風險主要包括技術狀態變更、資源匹配不足和過程監控不利等。根本原因在于技術多變、計劃未考慮配套資源和計劃執行不到位等。

(3)組織風險熵。應根據產品研制需求組建航天復雜新研產品研制團隊。以空間站核心艙機械臂為例，項目團隊包括機、電、熱、控、光、傳感等多種專業人員，以及系統設計人員和項目管理人員。團隊構成、組織管理模式、組織溝通機制等屬于內部組織風險，其穩定性直接影響組織風險熵值。

為了減少內部風險對產品研制的制約與影響，有效降低內部風險熵，建議采取以下控制措施：

(1)建立專業的研制團隊。由各專業人員組成研制團隊，基于集成管理思維，保障團隊內部的溝通與聯系，提高整體協調能力，實現內部信息協同，降低內部組織風險熵值。

(2)建立高效的決策機制。建立滿足任務需求的風險最小化決策機制，利用緊湊的組織模式，實現高效的溝通與決策。

(3)建立技術變更控制委員會。采用項目技術經理總負責的分級管控機制，由項目技術經理牽頭，對系統技術狀態負責。同時，配備各組成部分的技術狀態負責人，對各自負責的內部技術狀態進行管控，對有接口關系的其他部分進行技術狀態協調控制，從而降低技術風險影響。

(4)加強進度風險控制。基于關鍵路徑法，制訂科學合理的產品研制計劃，充分考慮各環節所需配套的資源，提高產品研制計劃的穩定性和合理性。

以空間站核心艙機械臂產品研制項目為例。該項目集合了航天器系統設計、系統集成與測試、空間電子信息等專業人才，組建了專業化研制團隊；實現了技術層、管理層的高效溝通與決策；利用“4+2”技術把關方法[11]，嚴格管控產品內部各層級技術狀態，有效降低了技術風險熵；通過并行工程、關鍵鏈等方法，分析各單機研制過程，對重點單機、重點資源進行預判，保證了關鍵鏈工序的順利實施。

3.4.2 外部環境熵分析與控制措施

從管理熵理論可知，引入有效的外部負熵能夠降低系統整體熵值。外部間接環境分為自然環境和社會環境。航天項目通常服務于國家建設需要，因此，外部的自然環境和社會環境較為有利，影響也相對較小，本文暫不做分析。外部直接環境分為用戶需求變更和外部協作方支持兩個方面。其中，用戶任務需求變更包括技術變更和計劃變更兩個方面，外部協作方支持能力包括自身能力和雙方協作關系兩個方面。

(1)用戶需求變更。需求難度降低、計劃延期等可視為有利的外部負熵，應積極引入。反之，不利的變更將會對產品研制造成負面影響。通過調整內部狀態，降低內部熵值，以抵消外部不利因素造成的風險。

(2)外部協作方支持。對于一般性、技術難度不大的產品采用外協研制或加工，如一般性的零部件加工等，同時采用關鍵點跟蹤的方式進行監控。對于技術要求高或資源稀缺的外部資源需求，需要重點關注，并采用措施引入負熵以降低風險。

通過分析內部環境和外部環境5個變量層各要素的風險控制措施，制定12種風險控制措施，并對控制措施進行專家評價。航天復雜新研產品研制風險控制措施及評價見表2。

由表2可以看出，航天復雜新研產品研制風險主要在于內部環境，特別是針對用戶需求變更后的產品設計分析與技術狀態控制。同時，外部環境熵是降低內部環境熵的有效手段和途徑。由于用戶方面的外部環境熵往往是正熵，可通過溝通、分析或內部調整等多種方式降低其對研制風險總熵值的影響。

4 結語

本文基于管理熵理論，結合航天復雜新研產品研制風險管控重點，以空間站核心艙機械臂產品研制為例，構建航天復雜新研產品研制風險評價指標體系，從內部環境和外部環境兩個方面對各影響因素進行分析，提出具體的管理控制措施。通過案例實踐，驗證了該方法的合理性和可行性，可為類似航天復雜新研產品研制風險管控提供參考。

表2 航天復雜新研產品研制風險控制措施及評價