航天工程系統(tǒng)技術(shù)成熟度評估方法研究論文
1引言
航天工程屬于復(fù)雜系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)用技術(shù)復(fù)雜、組織管理復(fù)雜，任何一個微小的差錯都可能造成工程實(shí)施的不成功。因此，技術(shù)成熟度問題首先在航天領(lǐng)域獲得研究并在實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。美國國家航空航天局(NASA)基于阿波羅登月項(xiàng)目的實(shí)踐，早在1969年就產(chǎn)生了要準(zhǔn)確闡述未來空間系統(tǒng)應(yīng)用新技術(shù)狀態(tài)的觀點(diǎn)。20世紀(jì)70年代中期，NASA 引入技術(shù)成熟度等級(TechnologyReadinessLevel，TRL)的概念以評估新技術(shù)的成熟度;20世紀(jì)70年代末，NASA產(chǎn)生了最早度量技術(shù)成熟度的標(biāo)準(zhǔn)———技術(shù)成熟度等級。1995 年NASA出臺《TRL白皮書》，將TRL分為9級，并制定了具體應(yīng)用規(guī)范和程序。
此后，美國(DoD)借鑒NASA 評價標(biāo)準(zhǔn)，于2003出版了《TRL評估手冊》，并要求所有重要國防采辦計(jì)劃中都必須應(yīng)用TRL。西方其它國家學(xué)習(xí)美國經(jīng)驗(yàn)，也在國防采辦中積極推廣TRL。例如，英國(MoD)于2005年開發(fā)了技術(shù)嵌入度量標(biāo)準(zhǔn)(TechnologyInsertionMetric)，包括技術(shù)成熟度(TRL)等級、系統(tǒng)(集成)成熟度等級(Sytems(Integration)ReadinessLevel)、集成成熟度等級(IntegrationMaturityLevel)3個方面內(nèi)容，并將這種度量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于武器系統(tǒng)工程的各個階段實(shí)踐中;加拿大(DND)于2006年開發(fā)出了原型的綜合評估體系———技術(shù)成熟度體系(TechnologyMaturityLevelSystem，TMLSystem)，并將其應(yīng)用于加拿大系統(tǒng)與設(shè)備采辦的管理系統(tǒng)———國防管理系統(tǒng)(DefenceManagementSystem，DMS)中。
目前，技術(shù)成熟度方法不僅應(yīng)用于軍工領(lǐng)域，也被廣泛應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)的各個行業(yè)中。不過，技術(shù)成熟度評估方法的研究與應(yīng)用一直側(cè)重于對單一技術(shù)的評估，從而在需要多種關(guān)鍵技術(shù)集成的復(fù)雜系統(tǒng)工程應(yīng)用中產(chǎn)生了局限性。一些相關(guān)研究已經(jīng)注意到了這個問題，并針對技術(shù)集成問題開展了某些技術(shù)集成成熟度評估方法研究。比如，一些學(xué)者提出了集成成熟度等級(IRL)概念，認(rèn)為不同技術(shù)之間進(jìn)行組合或者技術(shù)集成時，要考慮集成的物理屬性及各關(guān)鍵技術(shù)間相互作用、兼容性、可靠性、可維修性、可保障性等要素，完成對系統(tǒng)集成狀態(tài)技術(shù)成熟度評估;一些學(xué)者通過建立技術(shù)單元體系結(jié)構(gòu)，采用加權(quán)方法等直接計(jì)算技術(shù)集成成熟度;一些學(xué)者探討了武器裝備體系層面的技術(shù)成熟度評估方法。
航天工程的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的層次性，對應(yīng)存在著實(shí)現(xiàn)其功能的技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，且技術(shù)與技術(shù)間以及技術(shù)模塊間需要通過集成技術(shù)完成連接。因此，本文研究認(rèn)為，航天工程系統(tǒng)的技術(shù)成熟度評估應(yīng)遵循航天工程本身的技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，去構(gòu)建逐層集成的技術(shù)成熟度評估體系，最終完成對航天工程的整體技術(shù)成熟度評估。
2航天工程技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一個分層次描述
一項(xiàng)航天工程往往可以分解為若干個分系統(tǒng)，每個分系統(tǒng)又可以分解為多個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)則由眾多單機(jī)構(gòu)成。比如，中國載人航天工程由航天員、空間應(yīng)用、載人飛船、運(yùn)載火箭、發(fā)射場、測控通信、著陸場和空間實(shí)驗(yàn)室八大系統(tǒng)組成;就載人飛船分系統(tǒng)而言，它由推進(jìn)艙、返回艙、軌道艙3個子系統(tǒng)構(gòu)成;進(jìn)一步從神舟號飛船的推進(jìn)艙構(gòu)成看，其安裝有推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)動機(jī)和推進(jìn)劑、飛船電源、太陽電池翼、環(huán)境控制和通信等系統(tǒng)、設(shè)備�？梢�，一項(xiàng)航天工程有著極其復(fù)雜的系統(tǒng)構(gòu)成，其對應(yīng)的技術(shù)系統(tǒng)也是十分復(fù)雜的。為此，可以對應(yīng)于航天工程的系統(tǒng)組成，形成一個具有多層次結(jié)構(gòu)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)(見圖1)。其中，每一個層次技術(shù)都是通過下一級相關(guān)技術(shù)的集成而構(gòu)成的一個技術(shù)集成體，因此每一個技術(shù)層中都包括了集成技術(shù);就底層的單機(jī)技術(shù)而言，它可以分解為設(shè)計(jì)、材料、工藝、方法、設(shè)備、單機(jī)集成技術(shù)6類基本構(gòu)成要素。
3單機(jī)構(gòu)成中的要素技術(shù)成熟度評價
技術(shù)成熟度等級一般劃分為9級，例如在美國2009年版的《技術(shù)成熟度評估案頭書》中，將技術(shù)成熟度等級劃分為9級，其含義見表1。按照9級評價標(biāo)準(zhǔn)，可以針對某一具體航天工程單機(jī)構(gòu)成中的要素技術(shù)成熟度首先給出評價，進(jìn)而自下而上逐層匯總評價結(jié)果，最終得出整體系統(tǒng)的技術(shù)成熟度評價。
1)設(shè)計(jì)成熟度評價
設(shè)計(jì)的技術(shù)層次包括3個層面：物理原理設(shè)計(jì)→結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)→工藝設(shè)計(jì)。參照技術(shù)成熟度9級劃分方法，可將航天單機(jī)設(shè)計(jì)成熟度定義為9級(見表2)。設(shè)計(jì)工作中，針對一個具體的單機(jī)可依據(jù)表2級別定義做出其設(shè)計(jì)成熟度等級評價。
2)材料成熟度評價
航天工程中使用的材料復(fù)雜，且許多材料是特種材料、新發(fā)明的材料。因此，確認(rèn)材料的成熟度對工程實(shí)施的可靠性極為重要。材料的應(yīng)用通常采用積木式方法逐步驗(yàn)證和實(shí)施，即對材料從試件、元件、組件、部件，直到全尺寸部件結(jié)構(gòu)都需要進(jìn)行嚴(yán)格考核。在此，可結(jié)合積木式方法的實(shí)施步驟，將單機(jī)使用材料的技術(shù)成熟度按9個等級劃分見表3。
3)工藝成熟度評價
產(chǎn)品制造工藝成熟程度：主要表現(xiàn)在產(chǎn)品工藝對設(shè)計(jì)要求的實(shí)現(xiàn)程度及其自身的完善程度，特別是產(chǎn)品制造工藝所達(dá)到的可操作、可量化、可檢測、可重復(fù)程度，以及由不同時間、不同地點(diǎn)、不同人員生產(chǎn)出的產(chǎn)品的一致性程度，其核心在于工藝關(guān)鍵特性的識別、確定及其驗(yàn)證的充分性�？煽紤]工藝狀態(tài)、工藝基礎(chǔ)、工藝實(shí)施和保障條件等內(nèi)容維度，依據(jù)9級成熟度評價模型定義制造工藝成熟度等級劃分(見表4)。在具體的評價中，每個維度確立典型評價要素，確定成熟度模型中每一級的.評價標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而針對實(shí)際單機(jī)對象作出成熟度評價。
4)方法成熟度評價
方法在技術(shù)成熟度評價中常常被輕視，而它涉及的方面很多，且是技術(shù)成熟程度的一個重要環(huán)節(jié)。比如，方法可體現(xiàn)在可靠性評價、質(zhì)量控制、模型化、仿真能力、測試，概念模型、仿真模型、仿真結(jié)果分析、工藝模型等諸多方面。同理，可以依據(jù)9級成熟度評價模型定義方法成熟程度等級劃分(見表5)，據(jù)此可以評價實(shí)際單機(jī)制造的方法成熟度。
5)設(shè)備成熟度評價
設(shè)備成熟度評價是對航天工程制造應(yīng)用的設(shè)備成熟度給出評價，它主要體現(xiàn)為完整的生產(chǎn)設(shè)備及制造能力。航天工程單機(jī)制造使用設(shè)備的9級成熟度等級劃分見表6。
6)單機(jī)集成技術(shù)成熟度評價
單機(jī)制造會涉及多種技術(shù)運(yùn)用，每項(xiàng)單一技術(shù)的成熟度高并不能保證單機(jī)制造的整體技術(shù)成熟度達(dá)到高水平，因?yàn)檫�取決于其技術(shù)間的集成水平。因此，可對技術(shù)集成能力劃分級別，結(jié)合實(shí)際單機(jī)對象，完成具體單機(jī)集成技術(shù)成熟度評價。表7給出了一個單機(jī)集成技術(shù)成熟度等級劃分定義，可供單機(jī)集成技術(shù)成熟度評價中參考。
同時，上述單機(jī)集成技術(shù)成熟度等級劃分，可根據(jù)具體系統(tǒng)背景進(jìn)行適當(dāng)修訂，形成子系統(tǒng)、分析統(tǒng)、系統(tǒng)3個級別的各自9級技術(shù)成熟度評價定義。
4結(jié)束語
從目前的理論研究與實(shí)際應(yīng)用情況看，都傾向于單一技術(shù)成熟度評估思維，即對系統(tǒng)某一級別對象完成獨(dú)立技術(shù)成熟度評估。這種做法雖然容易實(shí)現(xiàn)，但并不符合實(shí)際技術(shù)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)關(guān)系。任何一個技術(shù)系統(tǒng)的先進(jìn)性、成熟性、可靠性都依賴于各層次技術(shù)的情況及其技術(shù)集成能力，簡單的裝置技術(shù)與制造問題都可能影響到一個航天工程的安全性能。因此，本文認(rèn)為應(yīng)從最基本的單機(jī)構(gòu)成要素為起點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)成熟度評價，進(jìn)而按照逐層集成的方法完成一項(xiàng)航天工程整體技術(shù)系統(tǒng)成熟度的評估工作。本文的研究成果主要體現(xiàn)在思維與方法的創(chuàng)新價值，實(shí)際應(yīng)用可能存在許多困難與復(fù)雜性，但其合理性是顯而易見的，希望能對航天工程特別是重大航天工程整體技術(shù)系統(tǒng)成熟度評估的實(shí)際工作產(chǎn)生有意義的影響。
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