航天产品成熟度研究

2011-12-27袁家军

航天器工程 2011年1期

袁家军

(中国航天科技集团公司,北京 100048)

1 引言

航天工程系统及其产品的研制活动一般具有探索性、先进性、复杂性、高风险性的突出特点,并具有高可靠、高质量、小子样研制及“一次成功”等特殊要求。

探索性是指在航天工程实践中,科学、技术和工程问题相耦合,给工程实施带来众多不确定性;先进性是指航天工程需要最新科技成果集大成,即需要综合运用相关专业领域最前沿的研究成果,使得航天工程成为技术先进性最为突出的复杂工程系统;复杂性是指跨学科集成,跨行业协作,系统庞大,参与人员众多,技术和管理复杂性高;高风险性是指发射后不可维护,局部问题可能导致整体失效;航天产品一般为单件研制,在小子样情况下实现高可靠、高质量要求,特别是重大航天工程影响大“一次成功”的难度极大。以上这些特点和要求都对航天系统开发和产品研制工作提出了更为严峻的挑战。另外,航天技术快速发展,使得越来越多的没有航天产品研制经验的新单位和人员加入到系统开发队伍中来,进一步增加了技术集成和工程管理的难度。

技术、产品、管理和队伍等的成熟是航天工程成功的重要保证,技术管理和队伍的成熟则是产品成熟的前提,探索和把握产品成熟的规律反过来对于促进技术、管理和队伍能力的提升提供了方向和步骤。因此,从理论上搞清实现产品成熟的途径和流程是航天系统工程理论和方法创新的重要课题。

我国航天领域产品成熟度的研究始于2003年,主要是为适应航天科研生产由单件研制向小批量生产转型这一新的发展趋势,针对航天产品研制品种多、状态多、研制队伍相对分散、老产品质量问题多、产品创新能力相对不足等问题而开展的。本文在对2003年以来研究工作阶段成果进行总结的基础上,针对航天产品高可靠、高质量及小子样研制的特点,运用系统工程的理论和方法,提出了产品成熟度理论框架,对产品成熟度的概念及产品成熟的本质特征和内在规律进行了探讨,对航天产品成熟度快速提升的途径和方法进行了系统阐述。

2 美国技术成熟度与制造成熟度简述

2.1 技术成熟度

技术成熟度(Technology Readiness Levels,TRL)是在20 世纪70年代由美国NASA提出。2003年美国国防部颁布了技术成熟度评价手册,主要针对应用新技术研制的新产品,强调从技术开发到产品转化过程中的新技术应用的完备性及其验证的充分性两个方面,并以技术成熟度等级加以度量[1-2]。

1)新技术应用的完备性:指新技术元素的应用对产品的功能、性能及可靠性指标等技术要求的满足程度,主要通过产品的关键技术元素特征进行度量。

2)验证充分性:指对所采用的新技术本身进行验证的环境与产品的真实使用环境的吻合程度,主要以验证环境特征与对应的新技术元素耐受环境的能力进行度量。

技术成熟度覆盖了新技术从概念研究到批量生产应用的全过程,设有9个度量等级,如表1所示。

表1 美国国防部技术成熟度等级定义Table1 Technology readiness levels definitions of DOD

2.2 制造成熟度

制造成熟度(M anufactoring Readiness Levels,M RL)是技术成熟度概念的拓展,2001年美国三军联合制造技术委员会提出了制造成熟度模型,2009年5月美国国防部颁布了制造成熟度手册[3],主要针对降低产品制造风险和制造成本,强调产品生产规范化程度及批量生产能力两个方面。

1)生产环节规范化程度:产品关键生产环节的识别以及控制的规范化程度。

2)批量生产能力:产品生产规模、连续稳定生产能力及其经济性。

制造成熟度共划分10个等级,如表2所示。

2.3 技术成熟度与制造成熟度分析

技术成熟度和制造成熟度评价技术具有重要的应用价值:

1)在工程系统研制中,按成熟度等级定义将产品的设计、制造分别作为独立要素进行系统化的分析和评价,有助于对设计、制造两要素的持续改进进行细化和量化的控制,有助于成熟度的快速提升。

表2 美国国防部制造成熟度等级定义Table2 Manufacturing readiness levels definitions of DOD

2)为航天工程系统的采办和项目管理提供了技术风险度量和管理的工具,并为用户和项目管理人员提供决策支持,有助于重大项目在技术管理方面的外部监督和约束机制的形成。

3)技术成熟度中对于关键技术元素的确定以及注重人的能力因素的考量具有普遍适用价值,值得借鉴。

国际航天领域采用的技术成熟度和制造成熟度评价技术在解决航天工程系统管理问题,特别是促进航天产品在小子样情况下快速成熟方面,存在以下缺陷和不足:

1)技术成熟度主要针对新技术元素应用于产品设计的原理及技术完备性,主要应用对象为新技术的研发及其向产品转化的评价,对一般性产品的内部特性和产品成熟的本质要求考虑不够深入,对如何提高航天产品成熟度缺乏有效的理论和方法支撑;

2)制造成熟度强调产品批量生产情况下的生产能力的构建和持续完善,对小子样产品成熟度提升的指导作用不显著;

3)将设计和制造进行独立评价和度量,在一定程度上缺乏系统性,不能有效地解决航天工程产品设计、工艺、过程控制等环节交叉耦合情况下的整体成熟问题;

4)侧重从用户和项目管理者角度给出度量、评价方法,没有从根本上提出小子样航天产品实现快速成熟的流程和方法。

3 航天产品成熟度的概念及主要内容

产品成熟度是对产品在研制、生产及使用环节等全生命周期所有技术要素的合理性、完备性以及在一定功能、性能水平下质量稳定性的一种度量。

产品成熟度研究的重点是产品成熟的本质特征和内在规律,其目的是针对小子样、高可靠、高质量等特点,为航天产品快速成熟提供有效途径和方法。

产品是设计出来的,制造出来的,也是管理出来的。产品成熟度的研究,必须运用系统工程的原理和方法,综合考虑产品的设计过程、生产制造过程及使用过程,将影响成熟的核心要素识别出来,并在产品实现和使用的全过程中加以控制。

从产品开发过程分析,首先,产品技术状态是衡量产品成熟程度的一条主线,即产品成熟度的提升本质上就是产品技术状态细化、量化及受控水平的提升,经过产品原理样机和工程样机设计、生产和验证后,在满足使用要求的前提下确定的产品技术状态成为产品基线。因此,产品基线是决定产品成熟度的重要要素之一。第二,如何科学地确定产品基线,也就是找出对产品的功能、性能和质量有决定性作用的各种参数,在此,我们称为关键特性,从航天产品一般由专业人员使用这一特殊性出发,可以在一定程度上缩小关键特性的范围,即将产品误操作等情况忽略,而只考虑产品的内部关键特性,即设计、制造和产品实现全过程质量控制三类关键特性。因此,产品成熟度提升的本质是对设计关键特性、制造关键特性和过程控制关键特性细化、量化和受控水平的提升。第三,针对航天产品小子样研制这一特殊性,加速产品由不成熟到成熟这一过程的重要手段是将产品状态及其关键特性等重要数据完整记录并充分挖掘,从中找出产品成熟的内在规律,而产品数据包则是产品成熟度提升的重要工具。第四,为有效地引导产品成熟度提升,需要制定一个合理可行的技术流程,明确产品成熟度快速提升的途径和方法,即建立产品成熟度快速提升模型。第五,应紧密结合航天型号的研制程序,制定产品成熟度模型及成熟度提升管理程序。

4 成熟度理论框架和快速提升方法

产品成熟度研究应重点从产品关键特性、产品基线确定、产品数据包、产品成熟度快速提升模型和产品成熟度模型五个方面开展。

4.1 产品关键特性

从产品的全生命周期分析,决定产品成熟程度的内部特性主要包括三个方面:即设计、制造工艺及产品实现全过程质量控制(简称“过程控制”)。从系统工程理论和方法分析,产品开发过程中这三方面是密切相关的。

1)设计关键特性:指特定的设计方案中,存在因产品使用环境变化对产品功能性能变化敏感的设计参数,因方案中选用的制造工艺偏差对功能性能敏感的设计参数,产品在最终状态下存在不可测试的关键功能性能等,决定该方案的关键设计参数的总和称为设计关键特性。

2)工艺关键特性:指特定的工艺方案中,存在影响产品的功能性能的不稳定的制造工艺、制造过程控制的不确定性及生产过程不可检验项目,决定该工艺方案的关键工艺参数的总和称为工艺关键特性。

3)过程控制关键特性:包括对产品设计关键特性的偏差控制项目,产品不可测试功能性能需要在制造过程中控制的项目等一系列产品生产过程数据项目的总和。

4.2 产品基线

技术状态控制是产品开发过程管理的核心内容,而技术状态基线的确定是关键。产品的成熟意味着产品技术状态控制水平的提升,即产品基线的提升,然而产品基线的确定至今尚缺乏一个通用的理论和方法指导。

产品基线的确定以产品的设计、工艺和过程控制三类关键特性为基础,建立系统完整的产品技术状态基线。从产品保证的角度看,产品基线是产品保证的关键要求。

4.3 产品数据包

产品数据包是产品设计、制造、检验、交付全过程技术活动量化控制结果的总和。数据包中的各项数据是生产过程的实际测量记录,包括数据和影像,其主要内容包括:

1)产品功能性数据:主要包括反映产品最终状态在使用环境下(试验状态)的功能性能的完整数据。

2)产品基础数据:主要包括构成产品的元器件、原材料、成品件等基础数据。

3)产品关键特性数据:主要包括产品设计、制造过程产生的设计、工艺和过程控制三类的关键特性。

产品数据包是产品成熟度提升的核心管理工具,产品数据包的设计本身也是产品开发活动的一项核心任务,需要系统策划,逐步优化完善[4]。

4.4 航天产品成熟度快速提升模型

从高质量、高可靠的要求出发,航天产品成熟度,是对产品固有质量、可靠性和可应用程度的综合度量,应用相对成熟的产品,意味着较低的风险。按照决定产品成熟程度的设计、工艺和过程控制三大关键特性,产品成熟度的基本度量要素应包括产品设计成熟程度、产品制造工艺成熟程度和产品过程控制成熟程度等三个方面:

1)产品设计成熟程度:主要表现在产品设计与研制技术要求的符合程度及完善程度,其核心在于设计关键特性识别、确定及其验证的充分性,在此过程中,特别要关注关键设计人员的能力水平及其作用的发挥。

2)产品制造工艺成熟程度:主要表现在产品工艺对设计要求的实现程度及其自身的完善程度,特别是产品制造工艺所达到的“可操作、可量化、可检测、可重复”程度,以及由“不同时间、不同地点、不同人员”生产出的产品的一致性程度,其核心在于工艺关键特性的识别、确定及其验证的充分性,在此过程中,特别要关注关键工艺人员的能力水平及作用发挥。

3)产品过程控制成熟程度:主要表现在产品研制、生产和应用阶段的保证工作要求及其配套措施的细化完善程度,特别是产品质量控制点设置的合理性及其控制要求的有效性和精细化程度,其核心在于过程控制关键特性的识别、确定的合理性、充分性,在此过程中特别要关注关键过程控制人员的能力水平及其作用的发挥。

传统航天产品开发模型通常称为“V”模型,如图1所示。在这一模型中,用户和采购方要求通过研制人员反复迭代的设计、分析、评价、权衡、决策和优化活动,逐级向下细化为各组成部分技术要求,并通过研制活动转化形成实物产品,再经过逐级验证、交付,并在高一级进行组装和集成,最终完成整个系统的研制和验证,并交付用户[5]。

工程实践表明,由于航天工程系统在任务要求、运行模式和运行环境等方面的特殊性,以及航天工程研制的探索性、先进性、复杂性、高风险性等四个突出特点,经历完整的“V”模型开发过程所形成的航天产品,不能达到令人满意的成熟程度。航天产品必须经历两次或更多次的“V”模型过程,通过反复迭代和深化完善才能实现成熟度的提升。

基于传统的“V”模型开发过程,建立航天产品快速成熟模型,简称为“W”模型,如图2所示。

在上述“W”模型的两次“V”模型过程中,后一次“V”模型过程是在产品飞行数据监测和比对分析基础上,对前一“V”模型过程结果的确认和完善,根据产品应用验证和改进完善程度,后一“V”模型过程可重复多次,每一次重复都是三类关键特性再识别、再设计、再验证的过程,是设计、工艺和过程控制量化、细化和规范化的过程,每一次新的过程都将使产品成熟程度在前一过程基础上得到提升,直至满足航天产品的高性能、高质量、高可靠要求。

产品实现快速成熟的过程可划分为产品初次研制、产品重复生产和使用、产品定型和升级改进等三个阶段。

图1 航天型号产品开发“V”模型Fig.1 V model of product development in aerospace project

图2 航天产品的快速成熟模型——“W”模型Fig.2 W model of quickly promoting maturity for aerospace product

第一阶段,产品初次研制阶段

本阶段是从使用或采购要求提出到研制形成基本满足要求的实物产品的过程,是产品成熟过程的起步阶段,其工作内容涵盖了当前型号研制程序中的方案、初样和正(试)样阶段工作。该阶段对应于产品开发“W”模型的第一个“V”模型过程。

本阶段的工作重点是产品的功能基线、研制(分配)基线和生产(产品)基线等三个重要基线的形成和确定,以及设计、工艺、过程控制三类关键特性的识别、控制与鉴定。

第二阶段,产品重复生产和使用阶段

本阶段是产品完成初次研制后的重复生产、使用和验证过程,是型谱化产品实现成熟度提升必需的重复应用和三类关键特性的“再识别、再设计、再验证”阶段,对应于产品开发“W”模型的第二个“V”型过程。依据应用验证情况,此过程可能反复多次。

本阶段的工作重点是产品功能、性能和生产质量稳定性的保证,以及基于应用验证结果的基线、关键特性的完善和细化。在本阶段,所有新状态均需经过充分验证。

第三阶段,产品定型和升级改进阶段

本阶段是产品完成小批量生产和应用验证后的状态固化和持续改进过程,是产品进入货架(即现货)供应模式并进一步提升其成熟度的阶段。进入本阶段时,产品已经达到了相当高的成熟度水平,可供型号直接选用。该阶段产品成熟度提升的过程仍然是基于重复生产和应用验证数据,通过重复“W”模型的第二个“V”模型过程实现。

本阶段的工作重点是货架产品(即现货产品)的成熟度提升。应通过成功数据包络分析不断完善、优化三类关键特性数据和产品基线,提升产品数据包的精细化程度,减小产品各项指标的离散程度,提高产品的一致性水平。与第二阶段相同,本阶段的所有新状态也需要经过充分验证。

在产品成熟度提升过程中,核心任务是关键特性的识别、确定及其验证,需要特别关注的是上述核心任务的实施过程中关键人员的职责定位、能力水平和作用的发挥。关键人员一般指产品负责人、部门技术负责人、独立评审委员会及上一级系统负责人。有效地组织能够胜任任务的技术团队,在明确岗位职责的前提下,充分发挥团队的整体优势是产品成熟度快速提升的重要因素。

4.5 产品成熟度模型

产品成熟度的表现形式就是标识产品成熟程度的基本方式。在工程中,清晰的产品成熟度标识有利于指导和推动产品成熟度的持续提升,也有利于航天型号选用产品时的权衡和比较。因此,科学合理的产品成熟度标识方法对于产品成熟度理论的深化应用具有重要作用。

产品成熟度是在产品开发过程的不同阶段,依据产品设计、工艺和过程控制等三要素的完备程度,以产品数据包为度量载体,进行综合度量的。这种度量方式既包含技术内容,也涵盖了管理的要素。单纯使用数学模型难以实现综合度量的要求,而使用定性方法又不能达到量化度量的要求。参考国外技术成熟度和制造成熟度评价方法的成功经验,航天产品成熟度采用基于统一等级标准的分级评定方法进行度量,即根据产品成熟度理论和产品发展规律,事先给出产品全生命周期的成熟度等级和划分评价准则,并在工程中依据产品实际情况判断其与产品成熟度等级和评价准则的符合程度,最终确定产品所达到的成熟度等级。这种方式既解决了技术和管理要素综合度量的问题,也满足了量化度量的应用需求,是目前最为有效、可行的工程实施方法[6-7]。

针对航天单机产品,建立了产品成熟度8级模型,如图3 示,具体产品等级划分和定义见表3。有关各成熟度等级产品的定级条件确定考虑的主要因素有:

1)三类关键特性的识别和细化;

2)产品基线的确定与控制;

3)数据包的建立与完善;

4)发生问题归零的闭环管理;

5)设计、生产、过程控制、关键人员能力的提高;

6)相关管理制度的完善。

图3 航天单机产品成熟度等级模型Fig.3 Product maturity levels of aerospace equipment

5 结束语

航天工程不是一般性质的技术探索活动,保证重大航天任务的一次成功是国家实力、国家形象的体现,应该成为航天工程追求的目标。任务成功要靠技术成熟和产品成熟来保证,靠队伍成熟和管理成熟来支撑。本文提出的产品成熟度理论框架,可应用于航天小子样研制情况下产品成熟度快速提升,也可作为复杂航天系统风险识别与控制的工具、技术团队能力提升的工具以及航天工程管理持续改进的工具。