航天系统级产品成熟度评价方法研究与实践_王俊伟.pdf

2023年第06期45航天工业管理Management&Practice管理与实践王俊伟等*/北京特种工程设计研究院航天系统级产品成熟度评价方法研究与实践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。产品成熟度等级是指对产品成熟度进行度量和评测的一种标准。它是为提升航天产品资源利用效率，提高产品通用性，以更加适应航天产品小批量、多品种的研制发展趋势，提供针对航天产品的一套切合可行的通用性度量。现有航天产品成熟度评价方法和标准主要针对单机级产品，此外在航天工程实践中也陆续开展了针对地面设备、卫星及共用平台、航天元器件、火箭发动机等特定产品的产品成熟度模型及方法研究。而针对航天系统级产品，在不能简单套用单机级产品成熟度理论和方法的前提下，需要开展体系化的通用性成熟度理论方法研究。一、航天系统级产品成熟度定义按照结构层次，航天产品硬件主要分为系统、分系统、单机、组件、部件和零件。航天系统级 其他作者：王萌、刘瑜（中国航天系统科学与工程研究院），朱雄峰（北京特种工程设计研究院），杨超（中国航天系统科学与工程研究院）2023年第06期46航天工业管理Management&Practice管理与实践产品主要指卫星、飞船、火箭等，研制工作涉及系统结构、分系统、单机、零部件等产品层次。对于系统级产品评价内容的权衡相对更加复杂，且其内部的单机产品成熟与否对系统级产品的成熟度状态有直接影响，因此在研究系统级产品成熟度时，不仅要结合研制进程从整体角度考量其具体成熟度状态，还必须将其内部单机的产品成熟度纳入考虑。面向航天系统级产品成熟照单机产品成熟度的等级划分，对系统级产品成熟度等级建立映射关系，如图 1 所示。在系统级产品成熟度的每个等级中，将对应产品研制阶段的关键工作作为各等级的核心标志内容，应用典型成熟度评价方法，给出确定的系统级产品成熟度的评价等级定义（见表 1）。参照单机产品成熟度的等级划分，系统级产品成熟度分为 7 级，对应产品状态是原理度的研究背景，将试验鉴定作为产品研制过程中的重要阶段，遵循系统级产品的生命周期规律，以“方案论证初样研制正/试样研制首飞多次飞行状态固化批生产”为关键链条。将试验鉴定的 3 个环路“性能试验状态鉴定”“效能试验定型”“在役考核改进升级”与系统级产品的生命周期进行对照，结合各阶段具有代表意义的里程碑事件，参可行性/方案论证初样研制正/试样研制首飞多次飞行状态固化1级2级3级4级5级6级批生产7级环路1：性能试验状态鉴定环路2：效能试验定型图1 产品成熟度等级阶段试验鉴定映射关系图等级等级名称等级定义1 级原理样机产品 完成关键技术研发与攻关、方案可行性论证等预研工作，通过相关技术和方案评审，但尚未开展工程验证的产品，达到 1 级定级条件2 级工程样机产品 在 1 级基础上，完成工程样机产品的初样研制，并按（中或低逼真度）任务条件完成关键功能性能、接口匹配性等考核试验并满足验证要求的产品，达到 2 级定级条件3 级应用验证产品 在 2 级基础上，完成应用验证产品的正样研制，并按真实任务条件完成整机级别的任务考核和试验，并满足验收条件的产品，达到 3 级定级条件4 级一次飞行产品 在 3 级基础上，完成飞行产品的生产、交付，并成功完成一次飞行任务，达到 4 级定级条件5 级多次飞行产品 在 4 级基础上，又连续成功完成 2 次飞行任务考核，满足相关指标要求，达到 5 级定级条件6 级状态鉴定产品 在 5 级基础上，完成状态鉴定工作，满足规定的可靠性、寿命指标要求，可进行小批量生产，达到 6 级定级条件7 级稳定生产产品 在 6 级基础上，经小批量生产，并再成功完成 3 次以上实际任务考核，具备良好的质量和可靠性，可以重复稳定生产，达到 7 级定级条件表1 系统级产品成熟度的等级划分及定义2023年第06期47航天工业管理Management&Practice管理与实践样机产品、工程样机产品、应用验证产品、一次飞行产品、多次飞行产品、状态鉴定产品和稳定生产产品。其中 1 级、2级、3 级对应的是型号研制阶段，从研制计划的实施、工作的落实出发，降低产品的研制风险；4 级、5 级通过飞行任务的考核验证功能性能的 实 现；6 级通过状态鉴定和 技 术 固 化，明确最终产品功 能 性 能；7级通过稳定生产确认产品满足实际使用要求，并建立稳定的供应水平。系统级产品成熟度的 16 级对应单机产品成熟度的 16 级，7 级要求稳定生产出满足要求的产品，从数量级来看，达不到批量生产的程度。相对系统级产品的稳定生产，单机产品的批量生产数量更大、稳定性更高。二、技术状态更改对系统级产品成熟度的影响研究从系统级产品的内部结构出发，研究技术状态更改对系统级产品成熟度的影响，分别对技术状态更改的定位、内容和类别进行界定，结合技术状态更改发生的单机或接口的重要性和系统关联性，根据系统级产品在更改发生前的产品成熟度等级，判定影响程度，如图 2 所示。由于技术状态更改直接作用更改的单机在系统里的关键程度，具体可以分为：I 级，很重要，是系统实现关键功能性能的重要组成部分；II 级，一般重要，与系统实现关键功能性能有关；III级，不重要，与系统实现关键功能性能无关。系统关联性指发生技术状态更改的单机与系统内其他主要单机或接口关联的个数，在判断发生技术状态更改的单机产品对系统级产品成熟度影响时，也需要同步检查与其相关联的其他单机或接口的技术状态变化。技术状态更改对系统级产品成熟度影响评价流程可以归纳为：第一步确定技术状态更改基本信息（定位、内容、类别）；第二步判断发生技术状态更改后的单机产品成熟度等级；第三步评价得到发生技术状态更改的单机产品重要性；第四步列举该单机产品的关联单机；第五步逐一判断关联单机是否发生技术状态于单机而非系统，技术状态更改首先影响单机的产品成熟度，通过单机级产品成熟度变化进而影响系统级产品成熟度。故技术状态更改对系统级产品成熟度的影响需要考虑的因素更多。技术状态更改的基本要素指的是，技术状态发生更改时首先需要确认的 5 个基本信息，分别是定位、内容、类别、单机重要性和系统关联性。定位指确定技术状态更改发生的位置，一般是单机或者接口。内容指明确技术状态更改的内容，包括功能基线、分配基线等。类别指技术状态更改影响类别，根据单机产品技术状态更改的类别可分为 I 类、II 类和 III 类（技术状态管理（GJB 3206A-2010）。单机重要性指发生技术状态之前产品成熟度定级之后产品成熟度定级技术状态更改单机重要性系统关联性定位内容类别图2 技术状态更改影响分析图由于技术状态更改直接作用于单机而非系统，技术状态更改首先影响单机的产品成熟度，通过单机级产品成熟度变化进而影响系统级产品成熟度。故技术状态更改对系统级产品成熟度的影响需要考虑的因素更多。2023年第06期48航天工业管理Management&Practice管理与实践更改，如若发生技术状态更改，则回到第一步；第六步遍历完所有关联单机后，结合配套单机定级准则（见表 2）判断系统级产品成熟度等级，如图 3 所示。三、系统级产品成熟度评价细则系统级产品成熟度定级实施细则包含了在产品趋于成熟的不同阶段，其成熟度提升所涉及到的所有内容。系统级产品成熟度共设置设计、生产、试验和交付4 项评价内容。基于层次全息模型（HHM）对产品在研制过程中各个阶段的主要工作内容进行多元场景要素分析，通过分解和筛选得到评价要素。评价要素是实施系统级产品研制过程中必须要关注的工作重点，其内涵可以逐步分解细化，形成多个层次的要素。基于 HHM 从涵盖系统级产品研制全过程的设计、生产、试验、交付 4 项评估内容中筛选出10 余项系统级产品成熟度评价要素，如图 4 所示。根据评价要素的实现流程（方案设计及计划安排、设计实现及过程控制、功能验证及审查和状态鉴定及固化）进行梳理，得到系统级产品成熟度的评价要素随等级增加而变化的对照表，并根据该表进一步得到各级评价细则检查单。（1）研制技术要求根据产品的初始用户需求，经过任务分解、理论分析、仿真计算等工作，将抽象化的需求目标转化为可识别、可达到的明确技术要求以及约束条件，最终形成规范化的文件要求。（2）系统设计方案根据研制技术要求的输入，成熟度等级系统级产品成熟度定级准则（配套单机）1 级配套单机产品的产品成熟度 1 级（含）以上比例达到 100%2 级配套单机产品的产品成熟度 2 级（含）以上比例达到 100%3 级配套单机产品的产品成熟度 3 级（含）以上比例达到 100%4 级配套单机产品的产品成熟度 4 级（含）以上比例达到 100%5 级配套单机产品的产品成熟度 4 级（含）以上比例达到 100%，5 级（含）以上不低于 90%6 级配套单机产品的产品成熟度 5 级（含）以上比例达到 100%，6 级（含）以上不低于 90%7 级配套单机产品的产品成熟度 6 级（含）以上比例达到 100%，7 级（含）以上不低于 80%表2 系统级产品中成熟度定级准则（配套单机）发生技术状态更改确定技术状态更改基本信息（定位、内容、类别）判断发生技术状态更改后的单机产品成熟度等级列举与该单机产品关联的其他关键单机/接口评价发生技术状态更改的单机产品重要性是否发生技术状态更改根据配套单机定级准则，判断系统级产品成熟度等级逐一判断是否给出结论图3 技术状态更改对系统级产品成熟度的影响评价流程2023年第06期49航天工业管理Management&Practice管理与实践进行系统化的整体方案设计，该方案必须涵盖所有技术要求，并考虑可实现性、设计裕度、容错和偏差、生产能力、指标可实现性、内外部接口等内容，方案必须接受规范的评审，评审结果将作为后续研制工作的输入。（3）工作计划及流程根据研制技术要求和系统设计方案，对后续研制工作中需要开展的各项工作进行计划及流程安排，必须明确工作内容、工作责任单位、工作时间、工作成果和指标要求等事项，在经过评审和确认后，按照该计划执行研制工作，必要时应当由主管部门在关键节点开展计划监督，确保研制工作的有序进行。（4）关键技术/项目识别和攻关在任务分析的基础上，识别工作中的关键技术和项目，分析和预测其攻关的难度、对整个研制工作的影响程度、风险等级，有目标地开展可行性论证、关键技术和项目的攻关，必要时可以采取有效的控制措施，确保不影响研制计划。（5）全程质量控制按照质量特性大纲或者工作计划的安排和相关标准，开展质量特性工作，编制相关技术文件和工程报告，总结产品的质量特性工作成果。同时详细记录项目进程中发生的所有质量问题，并按照“双五条”原则完成质量问题归零活动，确保问题得到解决并留下工作记录和报告。（6）配套单机产品配套单机产品是指在系统级产品配套表中的单机产品。单机产品成熟度达到一定等级是系统级产品成熟度达到相应等级的充分条件，此外系统级产品还应将其设计方案、生产管理、试验验证以及验收评审纳入到全面监管范围内。（7）系统产品总装按照系统总体的要求，将各个分系统有机地组合起来，形成具有质量特性、精度和功能都能满足要求的系统级产品，确保能够正常执行各种预定的任务，遵循工艺方案、过程控制和其他配套资源的管理。（8）综合测试从初样的桌面联试、典型测试、发射场合练到正样发射的各个阶段以及环境（力学、热学、电磁）都需要进行全面完整的测试，其目的是检验系统级产品总体设计的正确性，充分暴露系统产品的设计和生产工艺缺陷。（9）大型试验大型试验通常指电磁兼容试验、可靠性试验、大型地面联合试验等，是验证系统级产品能力的重要手段，应针对已确定的研设计试验交付生产研制技术要求系统设计方案配套单机产品成熟度配套单机产品综合测试大型试验产品交付数据统计与分析系统产品总装工作计划与流程关键技术/项目识别与攻关图4 基于HHM模型的系统级产品成熟度评价要素分解图根据研制技术要求和系统设计方案，对后续研制工作中需要开展的各项工作进行计划及流程安排，必须明确工作内容、工作责任单位、工作时间、工作成果和指标要求等事项，在经过评审和确认后，按照该计划执行研制工作，必要时应当由主管部门在关键节点开展计划监督，确保研制工作的有序进行。2023年第06期50航天工业管理Management&Practice管理与实践制技术要求，实施系统各项试验验证活动，以验证系统对各项技术要求的实现能力。（10）产品交付根据固有特性和使用要求，编 制 验 收 文件，通过操作手册文档汇编描述产品交付以及使用操作的正确步骤和注意事项。（11）数据统计与分析数据指产品使用后的数据，是后续提升任务能力、质量可靠性的重要输入，必须持续利用实际使用数据，对已完成的设计和生产结果进行反复验证和改进，使系统在任务条件下达到高质量、高可靠性要求。四、试点评价选取某新型发动机为评价对象，开展系统级产品成熟度试点评价。在应用上述评价检查单对其开展评价时，需要遵循成熟度定级程序，即当某产品被评为产品成熟度 N 级时，它必须全部满足成熟度 N 级的评价准则，不能全部满足（N+1）级的评价准则。为适应批量生产要求，该型发动机生产、试验、总装、工艺验收等正逐步开展新平台使用、流程优化等工作，满足成熟度 5 级的所有评价要求，未完成成熟度 6 级的“工作计划与流程”评价要素要求的内容。因此，该型发动机产品成熟度为 5 级（见表 4）。该型发动机的产品成熟度 6级的评价要素“工作计划与流程”为“不满足”，其他评价要素均已完成，按照“就低不就高”的原则，产品成熟度应为 5 级，但该产品实际已完成了批量生产的绝大部分工作，只是在评价节点的“工作计划与流程”这一评价要素上尚未完成所有工作，这是评价节点与阶段性工作节点的冲突，而非产品有实际产品成熟度的欠缺。因此，在实际开展评价时，遇到此类情况，可以将评价节点安排在阶段性工作节点之后，以便提高评价结果的准确性。本文针对航天系统级产品这一评价对象，参照宇航单机产品成熟度定级规定（Q/QJA 53），结合试验鉴定的 3 个典型环路，提出了包含 7 个等级的航天系统级产品通用性的成熟度分级与定义，通过分析系统级产品复杂性、单机重要程度以及系统级关联性给出技术状态更改对系统级产品成熟度等级变化的影响。结合层次全系模型从设计、生产、试验、交付 4 个环节提出11 个评价要素，给出评价要素随等级提升的变化情况以及成熟度各级检查单，最后通过某新型发动机的试点评价，验证了系统级产品成熟度理论和方法的准确性。（责任编辑李晗）产品成熟度等级评价要素完成情况5 级：多次飞行产品6 级：状态鉴定产品研制技术要求是是系统设计方案是是工作计划与流程是否关键技术/项目识别与攻关是是全程质量控制是是配套单机产品是是系统产品总装是是综合测试是是大型试验是是产品交付是是数据统计与分析是是表4 某新型发动机系统级产品成熟度评价要素完成情况统计表选取某新型发动机为评价对象，开展系统级产品成熟度试点评价。在应用上述评价检查单对其开展评价时，需要遵循成熟度定级程序，即当某产品被评为产品成熟度 N级时，它必须全部满足成熟度 N 级的评价准则，不能全部满足(N+1)级的评价准则。