航天工程系統(tǒng)技術(shù)成熟度評(píng)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(gè)微小的差錯(cuò)都可能造成工程實(shí)施的不成功。因此，技術(shù)成熟度問(wèn)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(guó)國(guó)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(lái)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(jí)(TechnologyReadinessLevel，TRL)的概念以評(píng)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(jí)。1995 年NASA出臺(tái)《TRL白皮書(shū)》，將TRL分為9級(jí)，并制定了具體應(yīng)用規(guī)范和程序。
此后，美國(guó)(DoD)借鑒NASA 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，于2003出版了《TRL評(píng)估手冊(cè)》，并要求所有重要國(guó)防采辦計(jì)劃中都必須應(yīng)用TRL。西方其它國(guó)家學(xué)習(xí)美國(guó)經(jīng)驗(yàn)，也在國(guó)防采辦中積極推廣TRL。例如，英國(guó)(MoD)于2005年開(kāi)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(jí)、系統(tǒng)(集成)成熟度等級(jí)(Sytems(Integration)ReadinessLevel)、集成成熟度等級(jí)(IntegrationMaturityLevel)3個(gè)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(gè)階段實(shí)踐中;加拿大(DND)于2006年開(kāi)發(fā)出了原型的綜合評(píng)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(guó)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)中。不過(guò)，技術(shù)成熟度評(píng)估方法的研究與應(yīng)用一直側(cè)重于對(duì)單一技術(shù)的評(píng)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(gè)問(wèn)題，并針對(duì)技術(shù)集成問(wèn)題開(kāi)展了某些技術(shù)集成成熟度評(píng)估方法研究。比如，一些學(xué)者提出了集成成熟度等級(jí)(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(shí)，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(duì)系統(tǒng)集成狀態(tài)技術(shù)成熟度評(píng)估;一些學(xué)者通過(guò)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(píng)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(duì)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(guò)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(píng)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(píng)估體系，最終完成對(duì)航天工程的整體技術(shù)成熟度評(píng)估。
2航天工程技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一個(gè)分層次描述
一項(xiàng)航天工程往往可以分解為若干個(gè)分系統(tǒng)，每個(gè)分系統(tǒng)又可以分解為多個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)則由眾多單機(jī)構(gòu)成。比如，中國(guó)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(chǎng)、測(cè)控通信、著陸場(chǎng)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(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成;進(jìn)一步從神舟號(hào)飛船的推進(jìn)艙構(gòu)成看，其安裝有推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)劑、飛船電源、太陽(yáng)電池翼、環(huán)境控制和通信等系統(tǒng)、設(shè)備。可見(jiàn)，一項(xiàng)航天工程有著極其復(fù)雜的系統(tǒng)構(gòu)成，其對(duì)應(yīng)的技術(shù)系統(tǒng)也是十分復(fù)雜的。為此，可以對(duì)應(yīng)于航天工程的系統(tǒng)組成，形成一個(gè)具有多層次結(jié)構(gòu)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)。其中，每一個(gè)層次技術(shù)都是通過(guò)下一級(jí)相關(guān)技術(shù)的集成而構(gòu)成的一個(gè)技術(shù)集成體，因此每一個(gè)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(píng)價(jià)
技術(shù)成熟度等級(jí)一般劃分為9級(jí)，例如在美國(guó)2009年版的《技術(shù)成熟度評(píng)估案頭書(shū)》中，將技術(shù)成熟度等級(jí)劃分為9級(jí)，其含義見(jiàn)表1。按照9級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可以針對(duì)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(píng)價(jià)，進(jìn)而自下而上逐層匯總評(píng)價(jià)結(jié)果，最終得出整體系統(tǒng)的技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)。
1)設(shè)計(jì)成熟度評(píng)價(jià)
設(shè)計(jì)的技術(shù)層次包括3個(gè)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(jí)劃分方法，可將航天單機(jī)設(shè)計(jì)成熟度定義為9級(jí)(見(jiàn)表2)。設(shè)計(jì)工作中，針對(duì)一個(gè)具體的單機(jī)可依據(jù)表2級(jí)別定義做出其設(shè)計(jì)成熟度等級(jí)評(píng)價(jià)。
2)材料成熟度評(píng)價(jià)
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(duì)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(duì)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(gè)等級(jí)劃分見(jiàn)表3。
3)工藝成熟度評(píng)價(jià)
產(chǎn)品制造工藝成熟程度：主要表現(xiàn)在產(chǎn)品工藝對(duì)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(cè)、可重復(fù)程度，以及由不同時(shí)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(shí)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(jí)成熟度評(píng)價(jià)模型定義制造工藝成熟度等級(jí)劃分(見(jiàn)表4)。在具體的評(píng)價(jià)中，每個(gè)維度確立典型評(píng)價(jià)要素，確定成熟度模型中每一級(jí)的.評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而針對(duì)實(shí)際單機(jī)對(duì)象作出成熟度評(píng)價(jià)。
4)方法成熟度評(píng)價(jià)
方法在技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)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(gè)重要環(huán)節(jié)。比如，方法可體現(xiàn)在可靠性評(píng)價(jià)、質(zhì)量控制、模型化、仿真能力、測(cè)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(jí)成熟度評(píng)價(jià)模型定義方法成熟程度等級(jí)劃分(見(jiàn)表5)，據(jù)此可以評(píng)價(jià)實(shí)際單機(jī)制造的方法成熟度。
5)設(shè)備成熟度評(píng)價(jià)
設(shè)備成熟度評(píng)價(jià)是對(duì)航天工程制造應(yīng)用的設(shè)備成熟度給出評(píng)價(jià)，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(jí)成熟度等級(jí)劃分見(jiàn)表6。
6)單機(jī)集成技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)
單機(jī)制造會(huì)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(duì)技術(shù)集成能力劃分級(jí)別，結(jié)合實(shí)際單機(jī)對(duì)象，完成具體單機(jī)集成技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)。表7給出了一個(gè)單機(jī)集成技術(shù)成熟度等級(jí)劃分定義，可供單機(jī)集成技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)中參考。
同時(shí)，上述單機(jī)集成技術(shù)成熟度等級(jí)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(gè)級(jí)別的各自9級(jí)技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)定義。
4結(jié)束語(yǔ)
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(píng)估思維，即對(duì)系統(tǒng)某一級(jí)別對(duì)象完成獨(dú)立技術(shù)成熟度評(píng)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(gè)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(jiǎn)單的裝置技術(shù)與制造問(wèn)題都可能影響到一個(gè)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(píng)價(jià)，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(píng)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(jià)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(jiàn)的，希望能對(duì)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(píng)估的實(shí)際工作產(chǎn)生有意義的影響。
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