航天測控任務全過程管理質效影響因素分析

王育輝，昝少東，，邱德敏，袁 野

(1.空軍工程大學 裝備管理與無人機工程學院，陜西 西安 710051；2.宇航動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710043)

0 引言

近年來隨著我國航天事業的蓬勃發展,航天發射次數和密度連創新高,已由2018年的39次增至2022年的64次,2023年計劃發射70次左右,在軌航天器數量也突破了600顆[1]。由此帶來的是航天測控站進行任務準備和執行的周期大幅縮短,同時對各類航天器的發射入軌及長期管理維護都提出了更高的質量要求。以載人航天任務為例,安全可靠性要求高、技術參數復雜、設備狀態多變、任務流程環節眾多和人員操作要求嚴格等,使得航天測控站面臨的質量管理壓力巨大,不容絲毫閃失[2]。

隨著管理經驗和科學技術的發展,質量管理理論和手段不斷得到豐富,基于標準操作規范(Standard Operation Procedure,SOP)、精細化管理(Delicacy Management,DM)、全過程質量管理(Total Quality Control,TQC)、全面質量管理(Total Quality Management,TQM)等在工業生產、建筑工程項目管理、航天裝備制造和項目質量管理評價等領域得到廣泛應用[3-4]。近年來,國內外學者將圖論與質量管理理論相結合,進行了大量有益研究,如采用流程圖、因果圖、拓撲圖、樹狀圖和魚骨圖等使項目流程更加清晰,管理要素更加明確,特別是近年來基于圖論快速發展的復雜網絡理論在質量管理領域得到應用,如陳靜等[5]構建了一種基于復雜網絡的軍事通信網絡模型,確定了關鍵節點的排序信息。方愛麗等[6]從復雜網絡的角度對計算機信息產業質量系統進行建模,根據其結構屬性和動力學特征確定了該系統中的關鍵核心企業。萬能等[7]將FMEA等分析工具與復雜網絡理論相結合,提出了供應鏈質量控制因素網關鍵質控點及工序的識別方法。張芹等[8]從質量管理工具與復雜網絡結合的角度出發,構建了PCB質量因素控制網絡,利用復雜網絡理論知識進行分析,發現了PCB質量因素控制網絡近似服從冪律分布,確定了需要預防的關鍵質量因素,減少質量缺陷的產生。孫曉峰等[9]從航天企業相關方在航天生產中的作用出發,對相關方在企業質量管控中的重要作用進行了分析,從相關方“選擇”“使用”“評價”等環節出發,探索建立了相關方質量管理體系,促使相關方不斷提升質量管理水平。

航天測控任務是一種牽涉面廣、因素變量多、人員因素影響大的有向復雜系統,輸入輸出關系復雜,利用復雜網絡致因理論可有效研究航天測控任務全流程質量管理難題,主要方法是以任務主要流程為基準,梳理整個流程中發生質量問題的相關因素、可能性和影響域,從大量典型質量問題案例及原因分析中提煉出問題機理和問題模型,分析質量問題發生的起因和演進過程,為量化分析質量問題、辨識關鍵因素和提出優化改進措施提供理論依據[10]。

本文在分析航天測控任務質量問題特點的基礎上,借鑒現有事故致因理論思想[11],分析某重點型號航天任務中,地面測控系統歷年來典型質量問題數據資料,通過對各類數據梳理整合,結合測控任務實際,詳細列舉航天測控任務準備及實施過程中的各種質量控制因素,并根據其關聯關系建立航天測控任務質量控制因素網,基于復雜網絡理論計算該網絡節點度、網絡直徑、度分布和聚類系數等重要指標,辨識整個航天測控任務質量控制因素網絡的關鍵步驟和關鍵質量質控點,結合曾發生的質量問題及風險,優化這些關鍵步驟和關鍵質量質控點[12],以提升航天測控任務質量管理的效率和水平。

1 航天測控任務復雜網絡構建

建立航天測控任務質量控制因素網絡的前提是梳理任務全過程的主要環節及相關因素,首先按照任務全過程建立任務流程圖,對任務流程圖中的每個任務步驟進行因果圖分析,然后對每個任務步驟相關聯的質量控制因素進行質量保證(Quality Assurance,QA)矩陣分析,根據這些節點之間的因果關系和相關關系建立質量控制因素相關矩陣[13],最后建立航天測控任務質量控制因素復雜網絡。

1.1 影響航天測控任務質量的控制因素

將影響任務是否成功的質量因素作為網絡節點,各節點之間的作用輸入和作用輸出、關聯關系作為邊,則航天測控任務質量控制因素網絡轉化為相互關聯的節點經由關聯關系拓展所構成的復雜網絡[14]。根據鄰接矩陣的定義將節點i與節點j之間的關系設為aij,當i與j相連時aij=1;反之,當i與j不相連時aij=0。

將航天測控任務全過程分為任務輸入、人員培訓、任務準備、狀態建立、任務實施和應急處置6個組成部分,其輸入的主要內容為制定方案、設備性能和合作方狀態等,輸出則為任務完成度,以及遙控發令、遙測外測數據、圖像等收發數據質量,輸入的質量決定著輸出的任務質量;其他任務步驟和質量控制因素作為任務執行的中間過程,也是提高任務全過程質量管理水平及任務成功率的重點。某型號航天測控任務的簡單流程包括:制定方案、合作方狀態核查、飛行器狀態評估、崗前培訓、氣象條件分析、電磁環境監測、設備檢查、病毒查殺、線路巡檢、啟動計劃、數據檢查、發令檢查、發送上行功率、目標捕獲、應急處置、狀態監視和數據質量分析等主要任務流程。在實際任務執行過程中,任務流程中的每個步驟都不同程度地影響著任務質量,即任務的總體成功率;而每個步驟又關聯著諸多質量控制因素,因此航天測控任務質量問題的發生是全部控制因素相互影響、共同作用的結果。梳理近年來航天測控任務整個過程中影響任務質量的控制因素和發現質量問題涉及的任務步驟,繪制控制因素與任務步驟之間的關聯,如圖1所示。

為分析質量問題、影響任務質量的控制因素和任務步驟之間的因果關系,基于關聯圖將航天測控任務質量控制因素網絡,按照人員、設備、材料、法規和環境5個方面分類確定了59個質量控制因素[15],如表1所示。

表1 航天測控任務質量控制因素Tab.1 Quality control factors

1.2 質量控制因素網絡模型

根據表1梳理出的質量控制因素,統計某型號航天任務二十余年來在準備和執行過程中發生的典型質量問題數百起,歸納整理出任務步驟與質量控制因素之間的輸入輸出連接,以及質量問題與質量控制因素之間的作用連接,將質量控制因素關聯圖轉化為航天測控任務質量控制因素復雜網絡圖。首先將任務步驟或質量控制因素——如違規操作、誤操作、報告不及時、數據處理不及時、病毒感染、驗證不充分和制度落實不嚴等主因素視為各自獨立的節點,再將功率值設置錯誤、上行未起掃和設計缺陷等由主因素細化拓展出的子因素作為其相鄰的節點,將引入的聯系作為節點的入邊,將節點導致的影響作為出邊[16],建立鄰接矩陣并利用Networkx工具包建立影響任務質量因素控制網絡模型,該模型包括125個節點、299條邊,如圖2所示。

圖2 航天測控任務質量因素控制網絡Fig.2 Aerospace TT&C tasks quality factor control network

由圖2可以看出,基本上所有節點之間都有連接,即質量控制因素會受到一個或多個因素的影響,證明了航天測控任務質量管理結果的好壞,即任務實施是否成功是各種質量控制因素疊加交互影響的結果,符合任務實際執行經驗。如圖2所示的非均勻分布復雜網絡拓撲結構表明,該網絡中節點的活躍程度并不相同。采用辨識節點重要性的方法,如節點度、度分布、節點介數和聚類系數等,從網絡中辨識出一些重要節點具有實際意義,可基于上述指標值辨識航天測控任務質量控制網絡中核心、關鍵質量控制因素[17],并以此為依據制定相應的應急和預防措施來提高航天測控站及整個地面測控網的任務質量管理水平。

2 質量因素控制網絡表征特性

復雜網絡模型建立后,需進一步獲取其網絡統計特征參數以進行模型分析[18],如表示網絡節點特征的節點度ki、節點平均度k和度分布Pk,以及表示節點間關系特征的平均路徑長度L和平均聚類系數C等。在表征任務過程進行時,參數被賦予了影響整個任務質量的物理含義;隨著網絡中節點和邊定義的改變,以上特征參量也相應地發生改變。

2.1 節點度和度分布

設航天測控任務質量因素控制網絡模型為G=(V,E),其中V={v1,v2,…,vn}表示網絡中節點的集合,E={(vi,vj)|vi,vj∈V}表示網絡中邊的集合。設An×n=(aij)n×n為對應的鄰接矩陣,節點i和節點j之間若有邊連接,則aij=1,否則aij=0。

根據鄰接矩陣的定義,可以將節點度定義為:

(1)

由此可得節點度較大的網絡節點如表2所示。

表2 度值較大的網絡節點Tab.2 Nodes with larger degrees

節點度是評估網絡中節點影響力的主要指標之一,其定義是網絡中該節點出邊與入邊的數量。在質量控制因素網絡中,節點度的大小表征該節點對整個網絡的影響程度,其度值越大代表該節點在網絡中的影響力越大。

度分布是指網絡中任意節點的節點度值為k的概率,即網絡中節點度值為k的節點數nk與該網絡節點總數n的比值:

(2)

由此,可得質量因素控制網絡節點度及概率分布,如圖3所示。

圖3 節點度及概率分布Fig.3 Node degree and probability distribution

通過統計網絡中節點度的概率分布情況,可以分析復雜網絡模型的基本結構特性。

2.2 網絡直徑和平均路徑長度

復雜網絡中任意兩節點間距離的最大值稱為該網絡的直徑,即:

(3)

式中:dij為節點i和節點j之間最短路徑的總數。

平均路徑長度L為任意兩節點間距離的平均值,即:

(4)

(5)

式中:U為單位指示函數,當i=j時δij=1,否則δij=0,l為i、j兩節點之間最短路徑長度。

平均路徑長度用來表征網絡中任意節點之間的平均分離程度,可以刻畫航天測控任務復雜網絡的分離程度。網絡直徑用來描述航天測控任務質量網絡的局域結構特點,可以用于研究該網絡的模塊性和層次性。

2.3 平均聚類系數

(6)

表3 聚類系數較大的網絡節點Tab.3 Nodes with larger clustering coefficient

平均聚類系數用來描述復雜網絡的局域結構特點,可以表征該網絡的模塊性和層次性。對質量因素控制網絡來說,聚類系數越大,表明影響任務質量的節點之間的相關性越大。

2.4 節點介數

節點介數為經過某節點的最短路徑數目和網絡中最短路徑數目的比值,用來表征節點在整個網絡中的影響力。節點i的介數可表示為:

(7)

表4 介數較大的網絡節點Tab.4 Nodes with larger betweenness

節點的介數值用于表征網絡的連通性,介數越大則表明該節點在質量因素控制網絡中的傳播能力越強,即當任務流程經由該節點的邊繼續進行時,將會引發更多的質量問題,因此在任務流程中消除介數值較大的節點,能有效提高任務成功率。

3 質效影響因素分析

3.1 質量因素控制網絡特征分析

本文對航天測控任務質量因素控制網絡特性進行分析,統計得到該網絡拓撲結構的主要特征參數,如表5所示。

表5 航天測控任務質量因素控制網絡拓撲參數Tab.5 Aerospace TT&C tasks quality factor network topology parameters

在該網絡中,節點度的最大值為18,最小值為1,最大入度為17,最大出度為12,網絡中各節點度值差距較大,說明航天測控任務網絡的結構和功能布置分布不均勻。網絡直徑為7,從各質量問題節點到航天測控任務成功的平均最短路徑為3.42,說明網絡中發生的質量問題平均通過3個中間節點就可以影響質量管理目標,即整個航天測控任務網絡的魯棒性不足,質量問題很容易影響整體任務的成功率。平均聚類系數為0.082,網絡節點呈現出較明顯的局部集聚現象,結合表3的數據,反映出航天測控任務過程中部分人員和設備因素引發的問題比較集中。

但是，高級人工智能將以其高級能力將相生相克的大體平衡打破，它不依賴于其他任何生物，且可以超出人類的控制。如果高級人工智能被設定(或自我設定)的任務是無限復制X，那它就可能霸占地球(甚至比地球更大的范圍)，使人類毀滅。如果X是不斷復制自身，如藍藻復制自己，那么，人工智能會利用一切可以利用的資源來復制自身，并且沒有任何力量能夠阻擋。人工智能通過自我復制來毀滅人類，與藍藻的自我復制一樣，是無需情感的非有意識行為。不過，高級人工智能只是有可能毀滅人類，而非必然。

度值較大的質量問題節點如表2和圖3所示。目標捕獲、設備故障應急和誤操作的度值較大,說明人員因素和設備因素對航天測控任務質量的影響至關重要,在實際的任務過程中,任務狀態建立、任務準備及實施、應急處置等環節都離不開人員具體落實,人員因素極易導致質量問題的發生,因而保證崗位人員在上崗前接受相應的崗前培訓及應急操作培訓是必不可少的環節。而任務實施過程中設備一旦發生故障,如基帶故障和伺服故障均屬于關鍵設備因素,如果應急處置不當,也會對任務的成功率造成不利影響,因此也需要重點防控。除此之外,崗位人員質量意識培樹、規范操作流程以及完善應急方案等法規制度,也能使任務符合質量管理規定的標準。

3.2 航天測控任務質量管理過程優化

航天測控任務社會影響大、投入資源多、實施周期長,在全過程管理中追求的是零問題、零失誤的質量管理目標。本文根據航天測控全過程列舉了影響任務質量的控制因素和常見質量問題,按照任務關鍵步驟與質量控制因素、質量控制因素相互間的關聯關系建立復雜網絡模型,經分析該復雜網絡的特征參數發現,節點度值、聚類系數和介數值較大的節點也是在實際航天測控任務質量管理過程中常見的問題爆發點,需給予重點關注和預防。因此,復雜網絡模型的建立科學地驗證了實際工作中的管理經驗,可以更加精確地定位關鍵質量控制因素,從而及早發現和消除問題隱患,優化全過程質量管理系統。

表2中,節點度值最大的節點為目標捕獲,與此相關聯的重要質量控制因素如圖4所示,有人員因素、設備因素和材料因素,因此在航天測控任務質量管理過程中應重點管控崗位人員在目標捕獲過程中的違規操作和誤操作,同時降低關鍵設備故障概率。

圖4 重要質量控制因素關聯Fig.4 Association diagram of key quality control factors

根據圖4列出的與目標捕獲相關的所有質量控制因素及其導致的質量問題,提出以下優化措施:

① 建立航天測控任務全過程質量管理體系,基于航天測控任務質量控制因素關聯圖和復雜網絡模型,準確定位質量控制因素之間的相互關系及某個質量控制因素引發的質量問題,從任務整體角度量化分析復雜網絡特征參數,準確識別出需要重點管控的質量因素,并針對重點質量因素制定相應的預防和管控措施。

② 扎實開展崗位業務知識培訓,牢固樹立崗位人員質量意識及法規意識,制定科學合理的流程操作手冊,杜絕違規操作、減少誤操作,必要時應組織專項考核,對崗位人員的理論知識和操作水平進行檢驗,以減少因違規操作和誤操作引發的質量問題。

③ 加強任務前設備巡檢,按照維護制度檢查維護好天線伺服、電機、傳動機構及高功放等重點環節,必要時還應對容易發生故障的設備系統進行專項維護,降低設備故障風險隱患。

④ 加強崗位人員應急知識和應急操作培訓,針對任務特點設計應急科目并演練,使崗位人員面對突發情況能有效應對。

除以上措施外,還可以細化分析其他需要防控的質量控制因素并采取相應的措施,以減少對航天測控任務質量的不利影響。

4 結束語

全面梳理了航天測控任務全過程管理中的質量控制因素,并以某型號航天測控任務歷年質量問題數據為依據,按照人員、設備、材料、法規和環境5種影響任務質量的宏觀因素進行科學分類,基于復雜網絡理論分析質量控制因素之間的關聯關系,建立了航天測控任務質量因素控制網絡。研究發現,復雜網絡理論與質量分析工具相結合可以真實反映航天測控任務質量管理全過程,根據節點度及度分布、平均路徑長度、聚類系數和節點介數等網絡特征參數,全面整體地分析了影響任務質量的主要因素,準確辨識需要管控和改進的關鍵因素,并提出切實有效的全過程質量管理優化措施,能有效解決實際管理工作中的問題,提高后續航天測控任務質量管理的效率和水平。