大科学装置升级改造工程项目范围管理的实践——以EAST 诊断系统为例

文/扈嘉辉 臧 庆 赵君煜（.中国科学院合肥物质科学研究院，2.中国科学技术大学）

中国科学院等离子体物理研究所自主设计、建设、运行的东方超环（EAST）超导托卡马克装置，是国家发展计划委员会正式批准建设的国家“九五”重大科学工程。它的科学目标是建造一个具有非圆截面的大型超导托卡马克装置及其实验系统，发展并建立在超导托卡马克装置上进行稳态运行所需要的多种技术，开展稳态、安全和高效运行的先进托卡马克聚变反应堆基础物理问题的实验研究，为我国下一代聚变工程试验堆的概念设计奠定坚实基础。EAST 的三大目标为：产生≥1 兆安培的等离子体电流、持续时间将达到1千秒、在高功率加热下温度将超过1 亿度[1]。EAST 装置于2006 年完成总装调试，并进行了首次等离子体放电调试，2010 年获得高约束模（H 模）等离子体，2017 年在国际上率先实现了超过100 秒的H 模，2021 年5 月实现100 秒1 亿度高温等离子体的稳定运行，2021 年12 月成功实现1056 秒长脉冲高参数等离子体运行。

等离子体诊断是用实验方法测定等离子体参量的技术，是托卡马克实验研究的关键工具，为EAST 物理实验提供较为翔实、可靠的等离子体物理参数。在EAST 实验中，诊断系统可以用于有效控制等离子体、理解等离子体动力学行为、优化等离子体性能。经过多年的发展，EAST 装置已经拥有七十多项等离子体诊断系统，安装在EAST 装置的11 个水平窗口及上下窗口上（见图1），分别由中科院等离子体所九室、六室、七室、十二室，以及中国科学技术大学、北京大学、东华大学多家单位多个科研团队负责建设、运行和研究。窗口资源紧张、诊断系统众多、新诊断不断投入是EAST 诊断系统的显著特点，诊断系统为EAST 装置100 秒1 亿度和1000 秒长脉冲高参数等离子体的实现和物理理解做出了重要贡献。

图1 EAST 诊断系统布局俯视图

随着EAST 实验研究水平的不断提升，下一阶段，EAST 将向更高参数迈进，预计将在未来几年开展400秒高约束模稳态运行和1000 秒1 亿度等离子体运行等高水平实验。针对如此高目标的放电时长和高参数，无论从诊断本身的工作稳定性和对于相关物理理解的充分性，都对诊断系统提出了更高的要求。

诊断系统升级改造项目管理小组通过范围管理实践，准时有序地完成了本轮升级改造目标要求。

一、项目范围管理概念

项目管理知识体系指南对项目范围管理进行了定义，即确保项目做且只做所需的全部工作，以成功完成项目的各个过程。

项目范围管理是全局性和基础性的工作，是项目其他管理的基础。项目范围能确定项目的边界，明确主要可交付成果，做好范围管理能提高对项目成本、进度和资源估算的准确性；项目范围管理及控制的有效性，是衡量项目是否达到成功的一个必要标准，范围管理做得不到位，会使项目在进度、成本和质量上都受到严重影响，严重的话会导致项目的失败。

二、项目范围管理实践

诊断系统升级改造项目是EAST 性能提升项目的重要子项目，项目周期是2020 年7 月至2021 年5月。该项目作为科研项目，具有范围广、时间紧、要求高的特点，现以该项目范围管理实践为例，从制定范围管理计划、收集需求、定义范围、制定工作分解结构（WBS）四大范围管理典型过程展开分析探讨[2-3]。

1.制定项目范围管理计划

凡事预则立，不预则废，好的计划是成功的一半。范围管理计划是范围管理统领性文件，为管理范围提供指南和方向，是将产生项目产品所需进行的项目工作渐进明细的过程。

在等离子体所《EAST 性能提升总体方案》和《窗口调整文件》的基础上，召开诊断系统升级改造讨论会，邀请磁约束核聚变物理研究领域专家、EAST 实验运行负责人、EAST 内部部件负责人、EAST 诊断各子系统负责人、等离子体所下属机械加工厂长期从事EAST 改造维护的资深工程师等组成专家组，并邀请诊断系统升级改造项目相关人员参会，在以往改造维护经验的基础上，参照国内外磁约束核聚变装置的发展状况，综合考虑前沿物理研究需求、当前国内外技术可行性等，并结合为下一代中国聚变工程实验堆（CFETR）预研的目标，充分讨论、分析、挖掘本轮诊断系统升级改造的目标和需求。

经过会议的反复讨论，最终制定了诊断系统升级改造项目的范围管理计划，内容包括以下几方面。

（1）明确如何获取需求。由于EAST 诊断系统具有多学科交叉、多方参与、工艺复杂、精度要求高的特性，各子诊断系统研发、运行人员，经过长期专注研究和实践探索，对相关研究进展和国内外发展方向更为熟悉了解。所以该项目中，针对EAST 性能提升后的高稳态高约束运行目标，由各子诊断系统首先分析和评估自己系统存在的问题和不足，参照国内外发展状况，提出子系统升级改造或新增的需求。

（2）明确如何对项目范围进行定义。明确了此次诊断系统升级改造的原则，以及诊断系统升级改造评审的规则和程序，经所领导办公会（以下简称所层面）批准后，分发给各诊断子系统。

升级改造原则：

①重点支持现有诊断向精细化方向发展；

②支持新诊断（方法、技术）解决EAST 尚未实现的重要物理参数诊断；

③支持面向CFETR 物理研究的诊断方法、技术预研；

④避免重复、低效诊断建设，勇于淘汰落后诊断；

⑤推进共享窗口建设，为阶段性诊断测试提供条件；

⑥逐步完善数据使用规则，建立充分的数据共享平台；

⑦注重科学性，兼顾“人”的培养。

同时明确了诊断系统升级改造评审规则和程序（见图2），并将诊断物理评审、技术方案评审的机制作为EAST 诊断系统建设的长效机制。此评审规则和程序也是控制范围变更的流程。

图2 诊断升级改造评审规则和程序

（3）明确如何创建工作分解结构。以各子系统在EAST 上安装的物理分布（窗口）为基础，按可交付物和项目生命周期进行自上而下分解。以子项目为分解结构的第一层，各子项目生命周期为分解结构的第二层，每一层都对应具体的负责人。

（4）明确如何进行范围确认。此项目范围确认分为实验室测试验收、子系统集成测试验收及EAST 实验运行期间等离子体条件下联调确认三个部分，验收结果都要形成书面记录，对未通过验收内容要监督整改。

（5）明确如何进行范围控制。对干系人提出的变更需求，按照诊断升级改造评审规则和程序，严格进行物理和技术评审，并经所层面批准后，方可纳入诊断系统升级改造项目进行统一管理。

2.收集需求

项目的需求直接决定了项目的范围，不准确、不明晰的需求会导致项目执行过程中范围的不断蔓延。

根据《项目范围管理计划》要求，首先通知各诊断子系统、诊断Shutter 和插板阀自动状态监测系统、综合布线的相关负责人，针对EAST 性能提升后的高稳态高约束运行目标和磁约束核聚变未来发展方向，充分评估分析各自子系统目前存在的问题和不足，提出子系统升级改造的物理、技术方案，绘制设计图，以及预期达到的目标参数、验收标准、设计依据、存在的风险等，形成书面报告报给诊断系统升级改造项目管理小组进行分类汇总。

为充分收集需求，诊断系统升级改造项目管理小组还采用了引导式研讨会的方法，组织部分原理及诊断方向相近的系统进行会议研讨，如中科大JW 诊断系统与等离子体所四室的W 诊断系统，分析探讨双方系统的区别和联系，引导进行集成升级。项目管理小组采用了标杆对照的方法，以美国DIII-D 装置为标杆，促进M、C、综合布线等系统对比分析目前EAST相关系统的优越和不足之处，提出对不足之处进行相应升级改造的需求。项目管理小组还采用原型法，以T系统开发的Shutter 和插板阀监测管理系统为原型，通过访谈、会议、实地观察调研等方式，了解EAST 其他诊断子系统的Shutter 及插板阀结构、工作要求及现场环境，形成诊断Shutter 和插板阀自动状态监测管理系统的建设需求。采用系统交互方法，通过系统分析EAST 运行管理流程，提出诊断Shutter 和插板阀自动监测管理系统要与锂化、真空系统交互数据，增强EAST 装置运行管理智能化的需求[4]。

经过充分分析挖掘，最终形成各类需求共计38个（以子系统为单位），具体见表1。

表1 EAST 诊断系统升级改造项目需求分类汇总

3.定义范围

定义范围过程就是一个将高层级需求渐进分解成具体工作任务的过程，该项目中以EAST 性能提升后实验运行的诊断需求为总目标，根据收集到的各子系统需求文件，经过专家会议评审，将总目标分解到各子系统的任务上。

收集好各子系统的需求文件后，按照《项目范围管理计划》中确定的评审规则和程序，组建由磁约束聚变物理研究负责人、诊断研究负责人、EAST 实验运行负责人、维护改造工程师负责人等资深人员组成的专家组，召集评审会议，会上各子诊断系统首先对自己提出的需求和方案进行详细汇报，专家组逐一对各项需求进行详细物理和技术评审，分析评估各项需求与EAST 性能提升后实验运行的关联度、物理上的有效性、技术上的可行性以及装置实验运行的安全稳定性，并同时评审确定项目的可交付物、验收标准等，最终形成详细的项目范围说明书，经所层面审批同意后，分发给各诊断子系统、维护改造工程师等相关干系人。

4.制定WBS

WBS 以可交付成果为导向对项目要素进行分解，它归纳和定义了项目的整个工作范围，每下降一层代表对项目工作的更详细定义，并为每个工作包分配具体的负责人，实现把项目的目标、范围、项目组成员等有序地关联起来。

工作分解结构要有合理的工作包大小，项目所细分的工作包的详细密度并非越高越好，要与项目的特点特性相结合。EAST 诊断系统升级改造项目作为科研研发项目，最显著的特点就是多学科交叉、多方参与、专业性强，各子诊断系统经过长期专注研究和实践探索，对相关研究进展和国内外发展方向更为熟悉了解，所以比较适合大块的工作包，让成员能够有自主性来围绕可交付物设计工作任务。过细的工作包会让成员感到被过度管理，而且也需要花费过多的时间来更新任务状态。

所以诊断系统升级改造项目中，以定义范围过程形成的范围说明书为基础，按照《项目范围管理计划》中确定的创建工作分解结构的方式，结合专家意见及以往改造建设经验，将项目范围进行逐层分解。分解结构首先以各窗口、Shutter 和插板阀自动监测管理系统、诊断布线规范化等子项目为第一层、窗口大法兰改造或子项目生命周期为第二层（见表2）；诊断各子系统升级改造的工作分解结构是以窗口为第一层，子系统为第二层，以各项工作生命周期作为第三层，并为每一个工作包分配相应的责任人[5]。该工作分解结构也为项目进度控制、成本控制等提供了基础。

表2 以子项目为第一层项目工作分解结构（续）

表2 以子项目为第一层项目工作分解结构

三、项目范围管理改进和优化建议

1.工作分解结构中每个工作包应该有唯一的负责人，对于多人负责的事务应该进一步明确角色职责

对于WBS 中每个工作包应该明确唯一的负责人。明确了负责人，既是明确了授权，也是明确了责任。负责人清楚了解自己的任务后，就可以发挥主观能动性，统筹推进工作包进展，提高工作效率；负责人唯一对自己工作的结果负责，不会发生推诿扯皮的事情。

对于多人负责的工作包，应该为每个成员分配明确的角色，并定义角色的职责，如谁负责、谁审批、咨询谁、通知谁，等等。为了方便制表表示，可以使用代码来标识，如R（Responsible）表示负责人、A（Accountable）表示审批人、C（Consulted）表示咨询人、I（Informed）表示通知人。明确了角色分配，既能使每一个项目成员明白在各个流程中的职责，也可以看出每个成员的工作负荷、是否有足够的人来承担所有的任务等，有了这些信息就可以判断项目的人力资源配置情况，为诊断系统升级改造项目的管理者的管理决策提供支持。

2.将上游的工作阶段结果纳入本项目的范围管理中，加强与上游部门的沟通，提前介入开展检查和范围确认工作

本项目中部分诊断子系统需安装在钨铜下偏滤器上，安装位置和空间必须在偏滤器组装完成前，由上游工作组（N 工作组）进行设计预留。EAST 共有48件钨铜下偏滤器，此次诊断升级改造项目涉及其中14件，每件下偏滤器均由钨铜块、钨串、DOME、END BOX、Casssette、水盒等组件组成，各组件加工完成后还需要进行焊接、氦检、烘烤、检漏等工序，全部通过后才能形成一件合格的钨铜下偏滤器，所以下偏滤器出现返工的成本较高。另外，在EAST 性能提升项目中，钨铜下偏滤器项目始终处于关键路径上，返工对项目整体进度影响较大。

诊断系统升级改造项目实施过程中，N 工作组设计人员根据所层面评审通过的诊断系统的相关需求完成设计图纸后，没有交由诊断系统确认，就交于加工厂进行加工，在K、L、C 等窗口的部分下偏滤器件加工组装完成，交由诊断系统进行诊断系统安装时，才发现部分预留的安装空间不能满足需求，相关诊断系统无法有效安装。发现此问题后，诊断系统改造工作组立即与N 工作组进行沟通整改，并同时制定下偏滤器加工件范围确认程序，组织其他诊断子系统相关干系人，对尚未完工的下偏滤器件提前集中进行检查确认，对可能不符合需求的图纸或加工件及时提出纠正意见并监督整改。这些措施的实施，有效避免了相关返工的出现，保障了项目目标的顺利实现。

3.应提高质量管理意识，按照质量管理体系要求进行各环节工作

中科院等离子体所经过长期不懈的努力，已建立起质量手册、程序文件、规范性文件及质量记录三层质量管理体系，并通过中国新时代认证中心的质量管理体系认证，是等离子体所质量管理工作的纲领性文件。诊断系统升级改造项目时间紧、项目多、工艺复杂，更应提高质量管理意识，按照所里质量管理体系，加强升级改造过程中设计、加工、测试等环节的质量工作，对过程中的各类记录要签字齐全、分类妥善保管，减少质量通病，避免不必要的返工，从而提高项目目标实现的可能性。

四、结语

诊断系统升级改造项目管理小组通过范围管理实践，进行了C、D、F、G、J、P 等窗口20 多项诊断位置调整与升级，新增10 多项诊断，以及10 多项充气系统，在改造实现EAST 诊断系统集成优化的同时，补充了必要诊断数据，提升了诊断系统、时空分辨率和可靠性，在随后开展的两轮EAST 实验中，90%以上诊断子系统全程参与实验，实验中均运行良好，诊断数据平均有效率（有效数据/测量数据）均能达到90%以上，诊断系统升级改造的性能参数得到验证，实现了升级改造项目的目标。在升级改造项目过程中，项目管理团队将项目范围管理贯穿项目始终，通过引入专业的管理理论和方法，锻炼了项目团队人员的管理能力和水平，也保障了项目的顺利完成。