軍機總裝裝配大綱質量風險等級評價模型研究

楊二豪，劉玉松，黃吉傳，劉正剛

1.成都飛機工業（集團）有限責任公司，四川 成都 610092

2.空軍裝備部駐成都地區第一軍事代表室，四川 成都 610092

軍機制造是復雜的系統工程，是離散式制造和總裝的有機結合，為符合國際適航管理需求，適應軍機多批次、小批量、單架次的生產管理特點，國內外軍機總裝普遍采用基于裝配大綱（AO）的生產管理模式。AO 是工藝部門根據工程設計要求、現有工藝水平和質量保證要求，編寫的指導生產的工藝文件[1]，同時也是生產、檢驗的記錄文件，操作人員根據AO內容完成規定的裝配或試驗動作，以形成飛機最終的質量狀態。目前，軍機總裝AO主要包含工藝信息、生產信息，缺少質量風險信息，因風險識別不到位的質量問題時有發生，加之現階段軍機總裝風險管理現狀是重視項目整體的技術風險、費用風險和進度風險等，輕視產品制造過程中具體環節的質量風險，造成缺陷的產生甚至傳遞。Baiman等[2]指出，缺陷產品進入市場后將產生外部故障成本，包括維修成本、運輸成本，以及企業形象等。對于軍機而言，產品缺陷可能影響部隊戰訓任務，導致外部故障處置歸零代價非常高，如果離開裝備使用安全，戰斗力將無從談起[3]。因此，對產品制造過程質量風險的預先識別與評價、劃分質量風險等級、建立分等級的質量管控機制十分重要。

目前，針對產品制造過程常用的質量風險評價方法是過程失效模式及影響分析（PFMEA）。PFMEA 起源于20世紀50 年代的美國，80 年代中期我國頒布了相應的PFMEA 技術標準[4]。PFMEA 至今已在汽車、船舶、食品[5-7]等多個領域廣泛應用，取得了良好的效果。研究表明，PFMEA目前主要應用于生產過程穩定的大批量、標準化制造過程的質量風險分析[8-9]，通過計算風險優先數（RPN）來評價制造過程的風險等級[10-11]。然而，對于軍機總裝小批量、多狀態生產模式，在質量風險識別與評價過程中，工程技術人員需要綜合分析產品制造過程中的人、機、料、法、環等構成因素，既要考慮不同因素之間的相對重要性，也要考慮各因素在產品制造過程中因頻繁調整帶來的不確定性。因此，軍機總裝過程的質量風險識別與評價是一個復雜的、涉及多風險因素的多準則決策問題，難以用基于PFMEA 簡單評定準則表[12]的RPN 計算結果進行準確評價。

為此，結合軍機總裝以AO 為基礎制造單元的生產模式特點，通過對PFMEA 評價要素進行適應性修改，提出了AO風險等級評價模型以及風險接受準則，以解決軍機總裝復雜生產模式下的產品制造過程風險評價與分級管控問題，并將基于模型輸出的風險管控方法應用于國內某主機廠C的軍機總裝制造過程中，驗證其有效性和可行性。

1 PFMEA的局限性

PFMEA 評價體系的核心是對產品制造過程潛在失效模式的評價要素進行判定與評分，并按公式RPN = S × O ×D[13]計算RPN 值，作為對潛在失效模式風險等級的評價依據，RPN值越大，失效模式的危害性越大。這里的評價要素指 嚴 重 度（Severity）、頻 度（Occurrence）、探 測 度（Detection），嚴重度S用以評價失效模式的影響程度，頻度O 用以評價失效模式發生的可能性大小，探測度D 用以評價失效模式的檢驗難度。

PFMEA 適用于生產穩定、自動化程度高、過程控制體系完善的產品制造過程，但對于生產波動大、以手工作業為主的軍機總裝而言，存在明顯的局限性:（1）PFMEA評價體系中，嚴重度S 的評價標準無法準確描述軍機制造過程及產品失效對于產線、質量、產品功能等的影響，且評價維度單一；（2）由于軍機總裝小批量的生產模式難以獲得足夠的失效發生頻數，因此，無法采用PFMEA 中頻度O 的評價標準對失效模式的頻度做出正確評定；（3）由于軍機總裝多狀態的特點難以開發具有較強針對性且成本可接受的探測方法[14]，且檢驗屬于非增值活動，可以通過強化工序執行過程進行質量保證，前提是實現軍機制造過程構成因素可評價。因此，在對潛在失效模式進行判定時需要引入新的評價要素，用以評價制造過程構成因素的重要程度，進而提升風險識別的區分度。

2 AO風險等級評價模型構造

風險等級即對質量風險進行區分，依據風險對結果的影響程度對風險進行排序，以評估質量風險的等級。AO風險等級評價模型，以AO為最小評價單元，結合軍機總裝特點對PFMEA評價體系的局限性進行優化，具體為對嚴重度S、頻度O 的評價標準進行重新描述，引入并定義因素水平（Factor），由嚴重度S、頻度O、因素水平F組成AO風險等級的評價要素。換言之，AO風險等級是頻度和程度的綜合度量，其結構模型如圖1所示。

圖1 風險等級評價遞階層次結構模型Fig.1 Risk level evaluation of hierarchical structure model

為實現風險等級的量化評價，定義AO 風險等級系數（RLC）為因素水平F、頻度O 和嚴重度S 的乘積，計算公式如下。

RLC = F × O × S （1）

式中，F為因素水平，指產品制造過程構成因素對制造過程的重要程度；O為頻度，指風險發生的概率；S為嚴重度，指風險發生所產生后果對過程或產品的影響程度。

2.1 因素水平評價方法

因素水平F是指AO執行所需構成因素對制造過程的重要程度，由工程技術人員基于軍機的系統原理結合工藝流程設計進行識別與定義。構成因素主要是指在工藝設計層面從4M1E[15]的角度出發，即人（Man）、機（Machine）、料（Material）、法（Method）、環（Environment），識別軍機在內外場等不同環境下的狀態及人員、方法、設備的適應性等。因素水平F 采用數學計算的方法進行描述。基于軍機總裝不同專業在總裝環節的不同特點，確定數學計算的強相關變量。目前，國內外軍機總裝專業可劃分為裝配方向和試驗方向。

2.1.1 裝配方向

包括電氣電網敷設、導管及成附件安裝、大部件裝配與測量等。其工作特點是以人工手動操作為主，工作互通性較強。

現定義裝配因素水平Fz，計算公式如下

式中:Rn、Jn、Ln、Fn、Hn分別為人、機、料、法、環，n取值由評價維度決定；k1～k5為權重系數。

裝配工作一般會經歷開工條件評估（Method &Environment）、庫房領料（Material）、工具準備（Machine）、上機操作（Man）等步驟，但所涉及的4M1E因素對飛機制造過程以及最終質量狀態的重要程度不同，需要考慮不同因素之間的相對重要性，故在式（2）中引入了權重系數。此外，總裝環節的4M1E 中單一因素通常是由多個子因素構成的，以人因素Rn為例，其子因素包括但不限于操作人員數量R1、技能水平R2等，從AO 執行以及保證過程質量的角度分析，R1和R2不是相互獨立的子集，而是相互影響的交集，因此，Rn在式（2）中的表現形式為多項相乘。綜上，n的取值原則如下:仍以人因素Rn為例，其子因素包括操作人員數量、技能水平等，將每個子因素視為影響過程質量的一個評價維度，若只考慮單一評價維度，n取值1，考慮兩個維度，則n取值2，以此類推。Jn、Ln、Fn、Hn同理。根據上述原則，在工程應用時可視情況考慮相對重要維度的影響程度，以簡化測算過程。

2.1.2 試驗方向

包括全機導通、液壓總調、系統通電、飛控試驗等。其工作特點是需要借助外部設備，尤其需要考慮系統交聯程度以及上電、上壓情況等。

現定義試驗因素水平Fs，計算公式如下

式中，Rn、Jn、Fn、Hn分別為人、機、法、環，n取值由評價維度決定；k1～k4為權重系數。

與式（2）不同的是，因總裝試驗啟動的前置條件是機上裝配狀態已達到試驗要求，因此，式（3）中不再單獨評價料因素Ln。

2.2 頻度評價方法

頻度O是指AO質量風險在軍機制造過程中發生的可能性大小，用發生概率量化評價。頻度O 采用分級評分的方法進行描述。在PFMEA評價體系中，計算頻度O需要對大量的生產數據進行統計分析，為解決數據量不足的問題，鄭國棟[16]等提出采用“相似零件”的統計方法。借鑒該方法，依據工藝流程將總裝工作劃分為電氣電網敷設、管路裝配、大部件裝配、試驗4 種類別，在不同類別中將質量特征相似的質量問題類型合并為一類，形成“相似類型”，通過統計分析“相似類型”發生概率的百分比，確定風險發生的頻度數，從而制定頻度O的評定準則，見表1。

表1 頻度（O）評定準則Table 1 Occurrence evaluation criteria

2.3 嚴重度評價方法

嚴重度S是指AO質量風險產生后果對過程或產品的影響程度。嚴重度S 采用分級評分的方法進行描述。在PFMEA評價體系中，由于評價維度單一且針對性不強，因此嚴重度S無法真實反映質量風險對軍機的影響程度。因此，參考GJBZ 1391—2006中武器裝備常用嚴酷度類型及定義、GJB 5711—2006 中裝備質量問題定義，以及PFMEA—2019中嚴重度評估標準，結合軍機總裝制造特征、軍機功能屬性等，制定嚴重度S 評定準則時，將評價維度劃分為對過程的影響和對顧客/產品的影響，既要考慮軍機在出總裝前對裝配或試驗過程的影響程度，還要考慮軍機出總裝后對試飛和交付的影響程度，同時將影響程度與價值相關聯實現部分標準的量化評價，見表2。

表2 嚴重度（S）評定準則Table 2 Severity evaluation criteria

2.4 風險接受準則

依據軍機總裝過程對質量風險的承受能力或容忍度，制定風險接受準則，采用風險等級進行描述。GBJ 5852—2006給出了風險接受準則示例，對風險等級的劃分進行了說明，在此基礎上，考慮到軍機總裝AO 數量、重要程度以及可執行性等，將AO 風險等級劃分為超高風險、高風險、中風險和低風險，形成AO風險等級的四級風險接受準則。一般情況下，超高風險為不可接受風險，必須采用嚴格的控制措施消除；高風險為不可接受風險，需要采取合理的控制措施消除、轉移或降低風險等級；中風險為不可接受風險，需要控制和監控；低風險為可接受風險，但必須進行監測，必要時需采取相應的控制措施。在工程應用時，通過識別AO的風險評價要素F、O、S并計算風險等級系數RLC對潛在質量風險進行區分和排序，參考風險接受準則確定AO風險等級，形成AO風險清單。

3 應用實例分析

國內主機廠C 主要承擔軍機電氣電網安裝、系統管路安裝、整機大部件對合、系統安裝調試與試驗等總裝集成任務，其基礎制造單元為AO。現以主機廠C為算例，簡述AO風險等級評價模型的應用方法及效果。

3.1 確定AO風險等級

3.1.1 因素水平F

由式（2）和式（3）可知，因素水平F 的本質是對裝配或試驗過程構成因素的評估及其綜合計算。因此，F的計算初始條件是:基于主機廠C的工藝設計，識別并確定影響AO執行的4M1E 因素，進而建立各因素在不同情況下的子因素評定準則，見表3、表4。根據表3，可將式（2）簡化如下

表3 裝配4M1E因素評定準則Table 3 4M1E factors evaluation criteria for assembly

常見的權重系數確定方法有AHP 層次法、CRⅠTⅠC 法、熵值法、專家經驗法等，其中，專家經驗法的優勢是對數據統計量要求不高[17]。根據有經驗的專家結合自身的知識和經驗對評估對象的可能性做出判斷，評定權值的專家成員具備本專業5年以上工作經驗，并統一權重確定規則，主機廠C 采用專家經驗法對式（4）中權重系數進行賦值，取k1=0.2、k2=0.3、k3=0.15、k4=0.15、k5=0.2。

根據表4，可將式（3）簡化如下

表4 試驗4M1E因素評定準則Table 4 4M1E factors evaluation criteria for test

采用專家經驗法對式（5）中的權重系數進行賦值，取k1=0.1、k2=0.2、k3=0.3、k4=0.4。

3.1.2 頻度O和嚴重度S

由頻度O 和嚴重度S 的評價方法可知，其輸入為質量問題歷史數據。航空裝備在生產以及使用的過程中會產生很多的數據[18]，數據的來源因主機廠情況而異，一般來源但不限于制造、交付或維修過程的失效清單、顧客反饋問題清單、系統性診斷報告等，應涵蓋軍機研制、生產、接裝、外場使用維護全過程。主機廠C 通過建立質量數據信息反饋鏈，使得數據信息逐級正向傳遞、逆向反饋，利用數據中臺，形成信息快速響應閉環，如圖2 所示。將數據信息回溯至相應的裝配或試驗AO 中，依據表1 和表2 即可得出O 和S的取值。

圖2 軍機全生命周期信息反饋鏈模型Fig. 2 Ⅰnformation chain model for the entire life cycle of military aircraft

3.1.3 風險等級系數與風險等級

以主機廠C 的裝配和試驗AO 為評價對象，通過式（1）可以測算出每本AO 的風險等級系數RLC（F、O、S）。基于風險接受準則建立適用于主機廠C的風險等級系數與風險等級的對應關系，見表5。表6列舉了部分AO風險等級。

表5 風險等級系數與風險等級對應關系Table 5 Corresponding relationship between RLC and risk level

表6 部分AO的風險等級Table 6 Risk level of some AO

統計主機廠C歷史上產生過質量問題的AO，以質量問題數為評價標準，分析質量問題數排名前20的AO與AO風險等級的相關性，如圖3所示。

圖3 質量問題與AO關聯性分析Fig. 3 Correlation analysis between failure and AO

分析可知，歷史上產生質量問題數較多的AO（＞10條）均為超高風險等級，質量問題數較少的AO（＜3 條）中低風險等級占比為66.67%，說明AO 風險等級評價模型對風險識別的準確性，驗證了模型結果與主機廠C 實際情況一致。

3.2 基于AO風險等級的質量管控方法

基于AO風險等級評價模型的質量管控方法以實現軍機質量狀態的AO 為載體，將質量管控重點從風險事件轉為風險過程，通過計算RLC（F、O、S）科學區分AO風險的高中低水平，在質量管控活動中，根據AO風險等級進行分類施策，進而提高質量管控的效率效能，具體做法如下:

（1） 在技術層面，建立制造端風險等級、檢驗端質量問題、控制端改進策略三者的邏輯關系，通過循環迭代，從源頭上對潛在質量風險進行有效控制，以滲液/油為例，質量風險控制邏輯如圖4所示。

圖4 基于AO風險等級的管控策略Fig. 4 Control strategy based on AO risk level

（2）在管理層面，提高高風險以上AO 審簽級別，或利用信息技術實現AO 風險顯性化，以對操作過程進行風險提示等；或在計劃排產時，使AO風險等級與操作技能等級相匹配，實現人力資源合理分配等；或在檢驗驗收時，根據AO風險等級合理規劃檢驗驗收細則，將高風險AO納入軍檢、總檢、專檢項目，將中低風險AO納入自檢項目，減少同質化檢驗，縮短軍機交付周期等。

3.3 基于AO風險等級的質量改進成效

軍機總裝環節主要以手工作業為主，經統計分析，自模型實施以來，人為因素相關的質量問題發生概率明顯降低，見表7。

表7 質量問題發生概率統計Table 7 Probability of failure statistics

總體而言，主機廠C 應用AO 風險等級評價模型對軍機總裝AO的風險等級進行了準確區分，并在實施基于AO風險等級的質量管控方法后，各項質量指標均有較大程度改善，平均單機不合格數下降73.12%，單機超差數下降44.83%，單機報廢數下降53.85%，產品整體質量控制水平得到提升。

4 結論

通過研究，可以得出以下結論:

（1）本文通過對總裝產品制造過程特點的綜合分析，以總裝基礎制造單元AO 為載體，提出以因素水平F、頻度O及嚴重度S為評價要素的AO風險等級評價模型，定義并給出風險等級系數RLC（F、O、S）的計算方法，實現了AO風險等級的量化評價，并依據總裝過程對風險的承受能力制定了風險接受準則。

（2）本文提出的AO 風險等級評價模型的評價結果能為軍機制造過程質量風險精準管控提供輸入，有利于對裝備整個形成過程中的關鍵特性進行監督，提高質量監督效能，在主機廠C 的應用實踐中，取得了較好的質量改進效果。