航天器结构产品制造成熟度等级评价方法及应用

李君三

(1 国防科技大学系统工程学院，长沙 410073)(2 中国空间技术研究院，北京 100094)

航天器结构产品具有典型的单件、小批量生产特点，其生产制造过程工艺流程多变、制造资源多变，手工操作过程比较多，操作过程存在一定的不确定性，成为航天器结构产品制造过程存在的风险。航天器结构产品研制一般分为产品开发和产品生产两个阶段，产品开发以产品完成设计验证和鉴定，形成产品生产基线为完成标志；产品生产阶段是以建立的生产基线为基础，以产品技术状态控制为重点开展生产工作。目前，在研制生产过程中，仅在两个阶段之间设置关键节点进行风险控制，这样的做法往往会带来前期验证不充分、程序和方法固化不及时等风险，造成生产阶段工作的被动。因此需要对研制生产过程各个阶段设置进一步的控制点进行风险评估，分步开展确认和总结工作，控制相关风险。

制造成熟度最早由美国国防部提出，主要用于评价制造能力和制造风险[1]。目前，欧美等地区和国家已在航空航天中进行了大范围的应用，在促进产品制造模式的转变和提升企业综合效能方面具有重要作用[2]。美国国防部已经将制造成熟度作为采办项目的强制性程序，并作为统一准则用于装备制造技术和能力评估[3-4]。美国从政府到军方再到国防军工机构都高度重视制造成熟度评价方法的研究和应用，波音公司、洛马公司、通用电气等一些大型企业也都在研制中采用了制造成熟度方法，用于加强对制造风险的识别和管理[5-6]。国内对制造成熟度理论和评价方法的研究还处于起步阶段[7-8]，目前已有的GJB8345-2015《装备制造成熟度等级划分及定义》、GJB8346-2015《装备制造成熟度评价程序》、Q/QJA53-2010《宇航单机产品成熟度定级规范》等偏重于定性的分析和评价，无法提供量化分析方法[9-10]。目前，由于我国与欧美等地区和国家宇航研制模式和特点的不同，国外制造成熟度理论方法无法在我国航天领域直接复用，如何将其与我国航天器产品制造相结合，形成本地化的制造成熟度评价方法并合理运用，以推动和促进航天器产品制造模式的转变，对于我国航天器制造具有重要的意义。

因此，本文提出航天器结构产品制造成熟度模糊综合评判方法，将制造成熟度理论和评价方法与航天器结构产品研制过程相结合，同时与基于制造风险评估模型的航天器结构产品制造成熟度评价方法进行了结合，用来进一步提升制造成熟度评价的准确性，从而形成航天产品质量、效率、效益保证能力的量化衡量，适应航天产品高强度研制、高密度发射、高质量发展的形势，促进航天器制造能力的持续提升。

1 航天器结构产品制造成熟度等级与评价指标模型

制造成熟度等级(MRL)是一种评估特定技术部件或系统制造成熟度和风险的通用度量标准和术语集，起源于美国，主要适应美国的技术与工业基础、国防装备采办方式、装备项目的管理模式，并且更多的面向批量生产，因此，在评估我国航天器结构产品制造时具有一定的局限性[11]。

本文以航天器结构产品为研究对象，将制造成熟度理论和评价方法与中国航天实际相结合，对航天器结构产品制造成熟度等级与评价指标进行建模，整个指标体系模型共分为4层，这4个层级之间有着一一隶属和相互支撑的关系，同时每一层级的评价指标之间也相互影响，共同作用，并最终影响着航天器结构产品的制造成熟度。

1)维度层

维度层，共由3个维度评价指标构成，即制造技术维、制造过程控制维和制造管理维，分别从不同的思维角度来看待航天器结构产品制造成熟度的评价指标。

(1)制造技术维，是从制造技术能力的角度来评价航天器结构产品制造成熟度水平，主要是对制造技术在产品制造过程中的可制造性和对产品关键特性的控制程度进行评价。

(2)制造过程控制维，是从制造过程对生产基线的控制能力的角度来评价航天器结构产品制造成熟度水平，主要是对生产基线的建立、确认、评审、管控水平进行评价。

(3)制造管理维，是从制造过程对高复杂度、高可靠要求、高风险、社会化协作要求高的项目管理能力的角度，对航天器结构产品制造成熟度水平进行评价。它所评价关注的计划管理、产品保证管理和外协管理，都不同于一般产品的类似内容，评价标准更高、要求更严。

2)类层

类层有3个维度共7类评价指标构成，即产品设计、产品工艺、生产基线管控、生产实施管控、制造计划管理、产品保证管理和外协管理。“类”代表了与航天器结构产品制造成熟度有强关联度的核心评价指标，这些指标直接关系到制造成熟度水平的高低。“类”指标也是评价制造成熟度水平或等级时必须给出的评价结果指标，这些指标的评价状态直接决定了制造成熟度等级评价的结果。

3)域层

“域”代表了“类”评价指标的重要方面，它们是“类”评价指标最终评价结果的主要依据，大多是嵌入在产品制造流程中的独立环节，共有20项评价指标构成，分别为：材料选用、设计简化、质量与性能要求、制造方法可获取性、检验要求、关键工序控制、生产基线建立、生产基线确认、人员、设备设施、原材料、文件记录、环境控制、计划流程设计、计划变更管理、产保组织和队伍、产保标准、产保文件、外协文件管理、供应商管理。

4)项层

项层指标是域层指标的具体评价标准，是开展制造成熟度评价的最基本依据，往往是评价检查单上的基本项目。项层指标也是本评价指标体系模型中的最底层指标，关于项层指标，由于在本评价模型中没有在模型图中具体列明，现按照与域类评价指标的对应关系分别列明见表1，共由54项评价指标构成，项层是评价制造成熟度的直接应用指标，也是开展评价时各类打分表中的基本内容。

表1 航天器结构产品制造成熟度评价指标体系表Table 1 Manufacturing maturity evaluation index system of spacecraft structure products

续 表

基于上述体系模型，与我国航天器研制的4个阶段划分进行对应，充分考虑结构产品的特点，将我国航天器结构产品制造成熟度的等级分为4级，即M级(模样)、C级(初样)、Z级(正样)和D级(定型)，从而构建出航天器结构产品制造成熟度等级与评价指标矩阵模型(见图1)。

2 航天器结构产品制造成熟度模糊综合评判方法

由于航天器结构产品大多结构复杂，工艺流程环节多，制造成熟度等级评估的不确定因素较多，很多指标难以量化，因此采用基于模糊数学的模糊综合评判方法，根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多重因素制约的事物或对象做出一个总体的评价。

在前文构建的航天器结构产品制造成熟度评估指标体系的基础上，采用模糊综合评判方法进行航天器结构产品制造成熟度等级评判方法的关键步骤包括以下内容。

1)建立航天器结构产品制造成熟度的模糊层次结构模型

根据前文所确定的航天器结构产品制造成熟度评价指标体系，按照所对应的层级，构建量化评价模型。

2)建立模糊层次评价集

建立航天器结构产品制造成熟度的模糊层次评价集，确定相应的分值，并按照前文的制造成熟度4级划分来确定制造成熟度评价结果，见表2。

表2 制造成熟度评价表Table 2 Manufacturing maturity evaluation table

3)构建权重向量

第一，建立优先关系矩阵。将航天器结构产品制造成熟度评价指标体系中每一层级评价指标，按照对上一层级对应指标的影响程度进行两两比较。例如，生产实施管控类指标下的五个域指标，人员、设备设施、原材料、文件记录、环境控制，将之进行两两比较，将比较结果作为对生产实施管控类指标进行评价的输入条件。为了更准确的予以赋值，以更好地评价相应评价指标的制造成熟度水平，两两比较的结果不能简单地分为“强”或“若”，而是要进行更为精细的划分。一般来说，可将比较结果分九个等级，见表3。

表3 制造成熟度评价优先关系Talbe 3 Manufacturing maturity evaluation priority relationship

通过专家打分，并进行数据分析后，得到比较矩阵

(1)

式中：aij为专家打分值。

第二，构建模糊一致矩阵。获得模糊一致矩阵为

(2)

式中：rij为权重值。

第三，求解权重向量。采用行和归一化求解权重集为

(3)

式中：wi为权重向量值，rij为权重值。

第四，求得各指标的权重，形成权重集。

4)计算评判分数

最终的评价结果为

(4)

式中：H为评判分数，wi为权重向量值，aij为专家打分值。

5)确定所评价产品的最终的制造成熟度等级

根据最终的评判分数，按照制造成熟度评价表确定最终的制造成熟度等级。

3 航天器结构板产品制造成熟度评估应用验证

基于本文提出的航天器结构产品制造成熟度等级评价方法，结合航天器结构板产品的研制工艺流程，对结构板产品的制造成熟度进行分析评价。结构板产品虽然有一定的产量，每年多达几千块，但其又不属于设计定型的小批量研制类型，其单块结构板之间的差异性还是比较明显的，不具备刚性流水线产品的特点。因此，根据其设计状态多变、工艺流程复杂、过程控制环节多等特点，采用本文提出的模糊综合评判法对结构板的制造成熟度进行具体分析，以验证方法的可行性和有效性。

1)结合结构板产品的研制特点建立制造成熟度评价指标体系

将设计技术、工艺技术；设计简化、产品数量、产品品种、零件互换性、产品更改、生产基线管控、生产实施管控、制造计划管理、制造控制、产品保证管理、外协管理、生产组织、专业化程度、生产重复性、设备专业化程度、工具专业化程度、设备自动化程度、物流自动化程度、设备布局、信息化程度、人员的技术能力、材料选用、材料可获得性、供应商的稳定性作为二级指标体系，在二级指标体系的基础上再进行各成熟度对应的三级指标体系分解，见表4。

表4 结构板制造成熟度指标体系Talbe 4 Structure board manufacturing maturity index system

2)结构板产品成熟度计算

步骤一：由质量管理部门统筹成熟度评估工作，制造单位质量管理部门具体执行上述调查，共计回收200余份调查问卷。通过对调查问卷进行整理、按照拉依达准则进行识别判断以及最后的均值处理，得到了各项目的成熟度数值。

步骤二:为了简化计算和提高设计精度，将影响结构板制造成熟度的影响因素按第一指标分为十个类别，按照对制造成熟度的影响程度进行两两比较，并通过调查问卷得到具体的优先级关系，并在此基础上将数据进行与项目成熟度一致的处理后，汇总得到比较矩阵。

步骤三：在得到比较矩阵的基础上按照前文叙述的方法得到模糊一致矩阵，进而采用行和归一化求解权重集。

步骤四：计算各级制造成熟度。

步骤五：质量管理部门公布评估结果，各责任单位根据评估结果开展相应的改进工作。

3)近阶段结构板制造问题统计

为了进一步验证模型是否具有不定期活性评价、成熟度数据处理等能力以及是否贴合空间飞行结构产品柔性、小批量的特点，本文基于实时数据对比验证计算结果的思想，针对某航天制造企业2018年12月至2019年6月期间，结构板实时制造流程问题事故率开展数据统计，以期对模型的功能做出验证和分析(见表5)。

表5 航天器结构板制造问题统计表Talbe 5 Problems of spacecraft structural board manufacturing

对表5中的事故统计与成熟度对比分析的结果来看，事故率相对较多(事故数目大于等于15)的工艺技术、专业化程度、设备专业化程度、设备自动化程度以及物流自动化程度等元素在总体上看其成熟度处于区间[2,3.5]内，相对于其他元素而言具有明显劣势，从元素区间内部的对比结果上看，成熟度排名与事故误差排名虽然具有一定的出入，这可能与产品生产的周期波动有关，但从区间角度上考虑仍然处于可接受误差范围；产品数量、产品品种、生产基线管控、生产实施管控、产品保证管理、生产组织以及材料可获得性等元素是事故率比较少(事故数目小于5)的项目元素，容易观察到其成熟度分布基本大于5级，成熟度排名与事故误差排名虽然具有显然的一致性，是比较理想的状态；其余元素成熟度分布区间基本上处于[3.5，5]，与其余两种分类形成明显的呼应性。经过上述分析，本文成熟度模型在制造元素成熟度计算、制造元素成熟度对比分析、成熟度数据处理以及适应航天器产品柔性特点等方面具有一定的计算精度，基本满足初始设定的需求，能够用于现阶段以及未来一定时间段内的成熟度计算。

4)结构板成熟度的评价

(1)从总体上而言，根据上述表征的成熟度分段可以判断出该结构板产品制造成熟度位于定型级。在该等级下解决产品制造过程中的精准控制问题，通过标准、规范、数字化、自动化、在线监测、实时反馈等管理和技术手段，具备全要素实时追溯的特征，产品制造的稳定性升级。另外，说明该产品在同等类别制造体系中处于比较高级的阶段，在实际生产流程中具有一定的先进性和完整性，企业具有一定的先进生产经验和意识，同时也具备一定程度的物质基础，如果能在正确的规划下必定会实现稳定的快速发展。

(2)从类级指标成熟度与阶段式成熟度评价模型相对应的角度上看，工艺技术、专业化程度、设备专业化程度以及设备自动化程度等生产元素是产品制造环节中的短板，是低于现阶段生产标准的项目，这可能是企业结构板生产目前发展受阻和动力不足的主要原因，同时也会影响到企业整体的稳步和快速推进，是以后应该要着重解决的方面。在产品数量、外协管理以及物流自动化程度等生产元素具有较现阶段标准更高的程度，这为下阶段地发展奠定了一定的方便和基础，如果能够补足结构板目前生产不达标地项目，企业结构板生产会短期达到新高度。

(3)从各项目成熟度比较的结果来看，产品数量、产品品种、生产基线管控、生产实施管控、产品保证管理、生产组织以及材料可获得性等项目是其明显的优势项目，这可能是企业能够掌握一定竞争优势的主要原因，是带领企业发展的风向标，同时也是企业把握主动权的根基所在，因此以后发展历程中要加以保持并在合适时机获得进一步提升；工艺技术、专业化程度、设备专业化程度、设备自动化程度以及物流自动化程度等生产元素在总体上看，其成熟度相对较低，在一定程度上可能会拉低结构板生产的优势，影响结构板生产地总体质量，是需要企业着重注意地方向；其余方面相对而言处于标准值附近浮动，在一定程度上具有比较稳定的均衡性，是保持结构板生产发展稳定的惯性因素，应该在往后的发展历程中尽量做到均衡发展。

5)结构板产品制造成熟度提升建议

根据对某航天制造企业结构板产品在2018年12月至2019年6月近半年的动态统计数据进行成熟度评价的结果，工艺技术、设备自动化程度以及工具的专业化程度等要素的成熟度数值相对较低，是后续一个时期内需要重点提升的方面，建议采取以下三个方面的措施，并采取本文提出的制造成熟度评价模型和方法措施实施的效果进行实时评估，以更好地指导航天器结构产品制造成熟度的全面提升。

(1)结构板制造工艺过程进一步细化量化，细分到每一个工步或操作均可以进行可量化的程度，如面板涂胶量控制，需要进一步细化到涂胶实施过程中的量化控制，如涂胶设备的涂装速度、胶液流量、喷涂时间等，以期提升工艺技术的成熟度。

(2)结构板制造过程中必须减少人为操作，在工艺过程细化量化的基础上配置非标自动化设备，确保关键环节实现自动化实施、实时检测，避免复合成型和后处理阶段出现产品防护不当的划伤、位置度偏差等影响制造成熟度提升的问题。

(3)以信息化手段提升结构板制造成熟度，信息驱动结构板生产线的自适应调整，如工艺设备、工装、埋件、胶黏剂体系以及固化制度的快速准确匹配，以适应航天器蜂窝夹层结构板的状态变化多、研制效率和质量要求高的特点，实现智能制造的全面升级，以全方位提升结构板制造成熟度等级。

4 结束语

本文提出了航天器结构产品制造成熟度等级评价方法，并以航天器结构板产品为对象，对其生产现状进行了成熟度评价，结果表明：航天器结构板产品在工艺技术、设备自动化程度以及工具的专业化程度等方面成熟度相对较低，这与当前航天器结构板研制现状基本相符，证明了该方法的有效性，为提高质量管控水平降低风险指明了方向，并且可为后续航天器结构产品制造过程薄弱环节识别提供技术方法，为航天器结构产品制造过程不断优化、航天器结构产品研制能力进一步提升提供技术支撑。