技术成熟度工具在核电型号研发中的应用探索

吴继承WU Ji-cheng

（深圳中广核工程设计有限公司，深圳 518000）

0 引言

技术成熟度是指研究对象的技术状态相对于某个具体系统或项目而言所处的发展阶段，反映了技术对于预期目标的满足程度；技术成熟度等级（TRL，Technology Readiness Level）是进行技术成熟度量度和评估的标准。

上世纪六七十年代，美国航空航天局在开展的阿波罗登月项目中，为避免新技术应用对工程项目的重大影响，着手研究控制工程进度、防范新技术风险的管理措施，提出了技术成熟度的理念和方法。随后，技术成熟度作为一种技术风险控制的手段，在军工、航天等大型复杂工程领域得到快速发展。

核电领域与航天领域相似，由于技术的保守性和复杂性，决定了这一领域对技术成熟度有较高的要求。近年来，我国在核电技术研发领域投入巨大，如何借助技术成熟度的工具指导科技创新工作，量化投入产出，减少项目风险，具有非常重要的现实意义。为此，中核集团、国家核电集团和中国广核集团均对技术成熟度进行了相关的研究，形成了一般的标准和评价方法。但如何结合不同的目的、目标去采用合适的标准方法，并有效指导核电型号研发的具体实践？如何通过技术成熟度的评价方法，动态确定一项新技术、新产品所处的发展阶段，确定产业化应用的时机且避免技术风险？如何通过技术成熟度的评价去识别研发投入的重心和方向，提高研发投入的价值创造？这些是本文重点探讨的话题。

1 技术成熟度的等级标准

20 世纪70 年代，NASA 下属的航空航天技术局（OAST）初步提出了技术成熟度的概念，并由Stan Sadin 制定了技术成熟度量级标准，用于评估新技术的成熟度。20世纪80 年代，美国航空航天局将技术成熟度用于评估技术发展的风险，成熟度的等级从最初6~7 个等级，逐步扩展成熟。到1995 年，NASA 的《技术完备水平白皮书》重新定义了TRL 等级，将技术成熟度扩展为4 个阶段9 个等级：原理和技术概念验证（TRL1—3）、技术攻关和演示验证（TRL4—6）、产品开发和验证（TRL7—8）、产品应用（TRL9），后续不同行业的技术成熟度规范标准中基本沿用了类似的定义。

我国的成熟度评价标准体系形成较晚，2009 年发布了《科学技术研究项目评价通则》（GB/T 22900-2009），按照基础研究类项目、应用研究类项目和开发研究类项目分别制定了技术成熟度的评价指标，并在该标准中明确了基于WBS 分解的技术成熟度评价方法。在此基础上，国家能源局2018 年发布了《核电技术成熟度评价规范》（NB/T 20511-2018）标准，给出了通用的核电技术成熟度等级[1]，见表1。

表1 核电技术成熟度等级划分及定义

通过对技术成熟度等级划分及定义描述分析，核电技术成熟度与研制阶段、集成状态和验证环境三个关键属性密切相关，这也是后续采用信息采集法进行技术成熟度评价的关键和核心。从定义角度，三个关键属性的关系分析见表2。

表2 技术成熟度等级划分及关键属性内涵

2 技术成熟度评价方法的选取

技术成熟度的评价方法与评价目标、目的直接相关，需要结合评价的具体目的来选择合适的方法。当前，针对一个复杂系统、设备或产品的技术成熟度评价，基本的评价思路是“从整体到局部，从局部到整体”。具体来说，就是首先对评价对象进行结构分解，结合结构分解识别关键的技术元素（CTE：Critical Technology Element），再对具体元素逐个进行评价，形成关键技术元素的成熟度清单；然后再“从局部到整体”，将关键技术元素的单项成熟度评价结果进行集成，形成对评价对象的整体成熟度结论。评价过程中，有两个关键步骤涉及成熟度评价方法的选取，一是对关键技术元素的成熟度评价方法，目前主要有两种评价方法：检查单法和信息采集法；二是从关键技术元素的成熟度评价到被评价对象的集成成熟度评估，需要选择适合的集成方法。

2.1 检查单法

基于检查单的评价方法是依据TRL 不同等级的定义，将每一成熟度等级的详细内涵和指标进行分解，形成具体化的判定依据和准则，汇集形成每一成熟度等级的评价单。

在实际执行过程中，一般不会针对每一个具体评价对象来设定检查单，而是聚焦一个行业、一类产品进行检查单的制定，必要时可以区分为不同类别和属性的检查单。譬如，某公司在核电技术成熟度评价中，建议采用基于评价检查单的评价方法，该方法中考虑到评价对象的不同属性，将评价单按照硬件、计算分析类软件、仪控类软件三个类别进行定义，并在定义中涵盖了必须项目和可选项目。具体评价时，对照检查单的准则和清单逐项确认，通过这种方式来确定成熟度等级。

在采用检查单的评价方法进行成熟度评价时，一般采用先假定一个成熟度等级的方式，根据被评价对象关键技术元素的描述，假定一个成熟度等级，而后对照该成熟度等级表中的描述要求，评价该关键技术元素是否完全满足检查单中的条件要求。若不能满足，则降低一级成熟度等级，再次对照成熟度检查单中的要求进行对照分析；若能够满足，则提高一级成熟度等级再次进行对照。直到能够确定该技术所处成熟度的位置为止。

检查单法是一种结构化的评价方法，这种方法为后续程序化的进行技术成熟度评价创造了条件。其优点是横向可比性较强，缺点是与被评价技术元素的技术特征的针对性不强。

2.2 信息采集法

基于信息采集的技术成熟度评价方法是从关键技术元素的整个生命周期出发，根据其不同的研制阶段、集成状态、验证环境，来确定该关键技术元素的TRL 等级技术特征描述，进而以此为标准，来确定被评价对象TRL 等级的一种方法。其特点是先根据TRL 通用等级标准和被评价对象的特点，制定被评价对象个体的TRL 标准，进而确定TRL 等级的方法。

在评价开始时首先要获取该关键技术元素的相关信息，形成针对性的TRL 标准。为了有效获取这些信息，通常采用如下问题方式进行信息采集[2]：

①该CTE 元素的技术状态有哪些主要属性？该技术属性的参数是什么？如：设计功能、设计性能、比例尺寸、材料工艺、形态等。

②该CTE 元素与环境的关系，使用环境的属性及参数是什么？如：温度压力环境，电磁屏蔽环境，辐射环境等的具体参数指标。

表3 技术成熟度检查单示例（设备类）

③开发过程中该CTE 元素的哪些技术状态或属性需要进行试验验证？试验验证的关键属性和参数是什么？如：原理性试验，传热能力试验等。

④该CTE 元素与其他部件或系统的集成关系，需要有哪些外部接口？如：设备与系统间的接口等，关键部件与设备的接口集成等。

⑤上述问题间的关联关系是什么？相互之间有无互为因果、相互制约的关系？

结合上述问题，根据采集汇总的信息，结合表2 的成熟度标准和要求，确定被评价对象的TRL 标准。

信息采集法是充分考虑各评价对象本身的技术特征及成熟规律的一种方法，该方法从成熟度等级标准的通用定义出发，识别被评价技术对象本身技术成熟的一般规律，从技术状态、集成程度、验证环境三个维度，去定义每一个技术成熟度等级该项技术应满足的条件，形成针对该技术的成熟度等级定义标准。通过上述过程可以发现，信息采集法给出的定义标准与被评价对象本身的技术成熟规律、技术特征密切相关，不具有普适性，但针对性强。一般的，通过等级定义后，基本便可确定当前技术状态所处的成熟度等级。

2.3 系统技术成熟度的集成方法

由单个技术对象的技术成熟度评价去集成整个系统的技术成熟度时，通常有两种方法：短板法和加权平均法。

短板法是指对由多个CTE 元素组成的项目或系统，以该项目或系统中CTE 元素成熟度等级最低的等级，作为该项目或系统的成熟度评价等级。具体公式如下：

TRL.s=min（TRL（i））

TRL.s：该系统或项目的成熟度综合等级；

TRL（i）：第i 项CTE 元素的成熟度评价等级。

加权平均法[3]是指对由多个CTE 元素组成的项目或系统，以该项目或系统中CTE 元素成熟度等级和重要性进行加权平均，作为该项目或系统的成熟度评价等级。具体公式如下：

TRL.s：该系统或项目的成熟度综合等级；

TRL（i）：第i 项CTE 元素的成熟度等级；

CTE（i）：第i 项CTE 元素的权重；

n：该系统或项目分解的CTE 元素数量。

短板法是寻找系统中成熟度最低的技术作为整个系统的技术成熟度等级，有利于识别短板；加权平均法是通过对构成系统的各项技术的重要性、困难度的判断，形成一个各项技术的权重等级，通过加权平均计算的方式形成整个系统的成熟度等级，该方法评估的结果更具系统性。

2.4 评价目的与方法选取

使用技术成熟度对技术进行评价一般基于以下目的[4]：

①作为大型研发项目的组织管理工具和风险管理工具，用于评价大型研发项目的投入产出及阶段转换，避免无效的早期投入；

②识别研发项目的难点，以便针对性地投入资源，为关键技术的成熟制定相应的发展计划；

③作为技术选择工具，识别构成产品开发的技术成熟度要素，作为技术方向选择的参考工具；

④制定技术发展路线图的工具，结合成熟度评价去识别该项技术的成熟过程，绘制技术发展路线图。

通过上述方法的介绍和分析，针对不同的评价目的，结合对象本身的技术特征，在工具和方法选择上建议如下：

作为大型研发项目的组织管理工具和风险管理工具使用时，要重点关注两个要素：项目/系统/产品的成熟度等级增长，以及构成项目/系统/产品中核心技术的成熟度等级增长情况。在进行投入产出评价时，对于系统的成熟度集成方法可以选用加权平均法，要合理评价系统整体集成度的提高，也要考虑技术成熟度的提高多大程度上是由非核心技术成熟度提高带来的；在进行阶段转换时，要采用短板法，避免下一阶段更大的风险。

作为研发项目难点识别工具时，可以采用一些简化的方法。首先可以在进行技术元素分解的基础上，针对不同技术元素与项目/产品的关联性，识别该技术元素的重要度（可替换性）和困难度，针对重要、困难的技术元素进行成熟度评价即可。在评价方法选取上，推荐优先使用信息采集法，该方法不但可以识别技术成熟度等级，也可以帮助识别该技术元素后续的技术成熟过程，为后续的技术攻关提供指引。系统集成方法选取上，要采用短板法，还可以以图示的方式将关键技术元素的成熟度等级列出来，既识别最低成熟度等级的技术元素，也要对次最低的技术成熟度元素予以关注，以避免开发风险。

作为技术选择工具时，对于单项技术元素的评价优先推荐采用对照单法，以提升横向可比性；对于成熟度的系统集成方法，推荐选用短板法。作为技术选择工具时，除了成熟度本身的要素，决策者也要考虑可集成性、成本等其他因素。

作为制定技术发展路线图的工具时，重点是要识别出关键技术元素的成熟过程。在评价流程中，可以针对不同技术元素与项目/产品的关联性，识别该技术元素的重要度（可替换性）和困难度，针对重要、困难的技术元素进行成熟度评价。评价方法选取优选信息采集法，以便更好确定后续的技术发展路线图。该应用场景可以不进行系统的集成评价。

3 核电某型号研发的成熟度评价实践

某核电型号是融合了三代核电技术的先进设计理念和我国现有压水堆核电厂设计、建造、调试、运行的经验，以及近年来核岛发展及研究领域的成果，研发的满足我国最新核安全法规要求和国际、国内最先进的标准要求的自主三代核电型号。为了充分暴露风险、避免在工程和运维阶段产生较大的技术风险，开发单位在其研发转工程阶段开展了技术成熟度评价。

3.1 准备阶段

根据评价需求，评价方和被评价方制定评价计划，成立了评价工作组，对技术成熟度的评价方法、型号的关键技术特征进行了培训，确保相关人员既熟知技术成熟度的方法和标准，亦清晰了解该型号的技术特征，具备相关领域的技术评价能力。

3.2 评价阶段

3.2.1 开展技术分解结构

评价方和被评方代表针对该型号的特征，构建技术分解结构（TBS：Technology Breakdown Structure），分解结构涵盖了主要设计方法、关键设备、软件工具等领域。部分典型TBS 分解结构示例见表4。

表4 部分典型TBS 分解结构示例

3.2.2 形成关键技术元素清单

评价方从重要性和困难度两个维度对TBS 结构中的技术元素进行了逐项分析，建立关键程度的综合评价矩阵，识别了影响技术成熟度的关键技术元素，提出关键技术清单建议，提交评价方。所选的关键技术元素清单覆盖了工程建造和运维阶段的主要可能技术风险，如：新型的反应堆堆内构件和流量分配装置、蒸汽发生器、二次侧非能动余热排出系统等。

3.2.3 评价关键技术元素的成熟度等级

针对识别出的关键技术元素，评价方为了确保相关技术成熟度的评价标准和维度的统一，经讨论后决策采用检查单法进行进行评价。评价团队制定了适用于核电堆型的技术成熟度检查单，对照检查单，按照2.1 节的方法，对关键技术元素的成熟度等级进行了确定。如，针对蒸汽发生器，评价单的评价见表5。

表5 蒸汽发生器的成熟度评价示例（检查单法）

3.2.4 成熟度等级的集成评价

通过上述评价，找出了某核电型号的关键技术元素，并得到了关键技术元素的成熟度等级。鉴于本次评价的目的是充分暴露风险，提前识别存在的技术短板和风险项，作为后续技术攻关和工程验证阶段的重点关注事项，评价组采用了短板法进行集成评价。确定了后续研制攻关和验证的重点方向以及工程阶段的关注要点。

3.3 总结阶段

评价方就评价过程、评价准则及等级判定结论与被评方进行了充分沟通，完整记录了相关分析评价过程，形成了某型号技术成熟度评价报告，作为该型号研制阶段性的评价成果，指导了后续的型号研制和验证过程。

4 结束语

通过对技术成熟度评价方法的系统分析和比较，并结合某核电型号研制阶段的技术成熟度评价实践，既认识到技术成熟度评价的普适性和风险量化分析的优点，也认识到了该方法、工具的局限性。一是技术成熟度的评价既依赖于评价者对于拟开发技术的技术状态的认识，也依赖于行业对于相关技术的发展水平和认知，具有一定的主观性，因而不能绝对化。二是技术成熟度的评价是针对特定边界范围的评估，一项技术在某一企业可能成熟度很低，但同类技术在另一个企业技术成熟度可能很高，一定程度上取决于技术的可获得性，所以技术成熟度的评价结论不能泛化。三是技术成熟度评价只聚焦于“技术”本身，不是“设计成熟性”、“工程成熟性”或“产品成熟性”评价，对于核电型号产品的工程可实现性考虑不多，因而近年来也有相关专家提出了“设计成熟度”、“制造成熟度”[5]等概念并提出了相应的评价工具，进一步丰富了项目管理的工具箱。