航天工程系統技術(shù)成熟度評估方法研究論文
1引言
航天工程屬于復雜系統，其系統結構復雜、運用技術(shù)復雜、組織管理復雜，任何一個(gè)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(wèn)題首先在航天領(lǐng)域獲得研究并在實(shí)踐中得到廣泛應用。美國國家航空航天局(NASA)基于阿波羅登月項目的實(shí)踐，早在1969年就產(chǎn)生了要準確闡述未來(lái)空間系統應用新技術(shù)狀態(tài)的觀(guān)點(diǎn)。20世紀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70年代末，NASA產(chǎn)生了最早度量技術(shù)成熟度的標準———技術(shù)成熟度等級。1995 年NASA出臺《TRL白皮書(shū)》，將TRL分為9級，并制定了具體應用規范和程序。
此后，美國(DoD)借鑒NASA 評價(jià)標準，于2003出版了《TRL評估手冊》，并要求所有重要國防采辦計劃中都必須應用TRL。西方其它國家學(xué)習美國經(jīng)驗，也在國防采辦中積極推廣TRL。例如，英國(MoD)于2005年開(kāi)發(fā)了技術(shù)嵌入度量標準(TechnologyInsertionMetric)，包括技術(shù)成熟度(TRL)等級、系統(集成)成熟度等級(Sytems(Integration)ReadinessLevel)、集成成熟度等級(IntegrationMaturityLevel)3個(gè)方面內容，并將這種度量標準應用于武器系統工程的各個(gè)階段實(shí)踐中;加拿大(DND)于2006年開(kāi)發(fā)出了原型的綜合評估體系———技術(shù)成熟度體系(TechnologyMaturityLevelSystem，TMLSystem)，并將其應用于加拿大系統與設備采辦的管理系統———國防管理系統(DefenceManagementSystem，DMS)中。
目前，技術(shù)成熟度方法不僅應用于軍工領(lǐng)域，也被廣泛應用在國民經(jīng)濟的各個(gè)行業(yè)中。不過(guò)，技術(shù)成熟度評估方法的研究與應用一直側重于對單一技術(shù)的評估，從而在需要多種關(guān)鍵技術(shù)集成的復雜系統工程應用中產(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，并針對技術(shù)集成問(wèn)題開(kāi)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，完成對系統集成狀態(tài)技術(shù)成熟度評估;一些學(xué)者通過(guò)建立技術(shù)單元體系結構，采用加權方法等直接計算技術(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。
航天工程的系統結構具有復雜的層次性，對應存在著(zhù)實(shí)現其功能的技術(shù)系統結構，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，本文研究認為，航天工程系統的技術(shù)成熟度評估應遵循航天工程本身的技術(shù)實(shí)現系統，去構建逐層集成的技術(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)系統結構的一個(gè)分層次描述
一項航天工程往往可以分解為若干個(gè)分系統，每個(gè)分系統又可以分解為多個(gè)子系統，每個(gè)子系統則由眾多單機構成。比如，中國載人航天工程由航天員、空間應用、載人飛船、運載火箭、發(fā)射場(chǎng)、測控通信、著(zhù)陸場(chǎng)和空間實(shí)驗室八大系統組成;就載人飛船分系統而言，它由推進(jìn)艙、返回艙、軌道艙3個(gè)子系統構成;進(jìn)一步從神舟號飛船的推進(jìn)艙構成看，其安裝有推進(jìn)系統發(fā)動(dòng)機和推進(jìn)劑、飛船電源、太陽(yáng)電池翼、環(huán)境控制和通信等系統、設備�？梢�(jiàn)，一項航天工程有著(zhù)極其復雜的系統構成，其對應的技術(shù)系統也是十分復雜的。為此，可以對應于航天工程的系統組成，形成一個(gè)具有多層次結構的技術(shù)實(shí)現系統(見(jiàn)圖1)。其中，每一個(gè)層次技術(shù)都是通過(guò)下一級相關(guān)技術(shù)的集成而構成的一個(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);就底層的單機技術(shù)而言，它可以分解為設計、材料、工藝、方法、設備、單機集成技術(shù)6類(lèi)基本構成要素。
3單機構成中的要素技術(shù)成熟度評價(jià)
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(shū)》中，將技術(shù)成熟度等級劃分為9級，其含義見(jiàn)表1。按照9級評價(jià)標準，可以針對某一具體航天工程單機構成中的要素技術(shù)成熟度首先給出評價(jià)，進(jìn)而自下而上逐層匯總評價(jià)結果，最終得出整體系統的技術(shù)成熟度評價(jià)。
1)設計成熟度評價(jià)
設計的技術(shù)層次包括3個(gè)層面：物理原理設計→結構設計→工藝設計。參照技術(shù)成熟度9級劃分方法，可將航天單機設計成熟度定義為9級(見(jiàn)表2)。設計工作中，針對一個(gè)具體的單機可依據表2級別定義做出其設計成熟度等級評價(jià)。
2)材料成熟度評價(jià)
航天工程中使用的材料復雜，且許多材料是特種材料、新發(fā)明的材料。因此，確認材料的成熟度對工程實(shí)施的可靠性極為重要。材料的應用通常采用積木式方法逐步驗證和實(shí)施，即對材料從試件、元件、組件、部件，直到全尺寸部件結構都需要進(jìn)行嚴格考核。在此，可結合積木式方法的實(shí)施步驟，將單機使用材料的技術(shù)成熟度按9個(gè)等級劃分見(jiàn)表3。
3)工藝成熟度評價(jià)
產(chǎn)品制造工藝成熟程度：主要表現在產(chǎn)品工藝對設計要求的實(shí)現程度及其自身的完善程度，特別是產(chǎn)品制造工藝所達到的可操作、可量化、可檢測、可重復程度，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)鍵特性的識別、確定及其驗證的充分性�？煽紤]工藝狀態(tài)、工藝基礎、工藝實(shí)施和保障條件等內容維度，依據9級成熟度評價(jià)模型定義制造工藝成熟度等級劃分(見(jiàn)表4)。在具體的評價(jià)中，每個(gè)維度確立典型評價(jià)要素，確定成熟度模型中每一級的.評價(jià)標準，進(jìn)而針對實(shí)際單機對象作出成熟度評價(jià)。
4)方法成熟度評價(jià)
方法在技術(shù)成熟度評價(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。比如，方法可體現在可靠性評價(jià)、質(zhì)量控制、模型化、仿真能力、測試，概念模型、仿真模型、仿真結果分析、工藝模型等諸多方面。同理，可以依據9級成熟度評價(jià)模型定義方法成熟程度等級劃分(見(jiàn)表5)，據此可以評價(jià)實(shí)際單機制造的方法成熟度。
5)設備成熟度評價(jià)
設備成熟度評價(jià)是對航天工程制造應用的設備成熟度給出評價(jià)，它主要體現為完整的生產(chǎn)設備及制造能力。航天工程單機制造使用設備的9級成熟度等級劃分見(jiàn)表6。
6)單機集成技術(shù)成熟度評價(jià)
單機制造會(huì )涉及多種技術(shù)運用，每項單一技術(shù)的成熟度高并不能保證單機制造的整體技術(shù)成熟度達到高水平，因為還取決于其技術(shù)間的集成水平。因此，可對技術(shù)集成能力劃分級別，結合實(shí)際單機對象，完成具體單機集成技術(shù)成熟度評價(jià)。表7給出了一個(gè)單機集成技術(shù)成熟度等級劃分定義，可供單機集成技術(shù)成熟度評價(jià)中參考。
同時(shí)，上述單機集成技術(shù)成熟度等級劃分，可根據具體系統背景進(jìn)行適當修訂，形成子系統、分析統、系統3個(gè)級別的各自9級技術(shù)成熟度評價(jià)定義。
4結束語(yǔ)
從目前的理論研究與實(shí)際應用情況看，都傾向于單一技術(shù)成熟度評估思維，即對系統某一級別對象完成獨立技術(shù)成熟度評估。這種做法雖然容易實(shí)現，但并不符合實(shí)際技術(shù)系統的整體結構關(guān)系。任何一個(gè)技術(shù)系統的先進(jìn)性、成熟性、可靠性都依賴(lài)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，本文認為應從最基本的單機構成要素為起點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)成熟度評價(jià)，進(jìn)而按照逐層集成的方法完成一項航天工程整體技術(shù)系統成熟度的評估工作。本文的研究成果主要體現在思維與方法的創(chuàng )新價(jià)值，實(shí)際應用可能存在許多困難與復雜性，但其合理性是顯而易見(jiàn)的，希望能對航天工程特別是重大航天工程整體技術(shù)系統成熟度評估的實(shí)際工作產(chǎn)生有意義的影響。
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