航天工程系統(tǒng)技術(shù)成熟度評估方法研究

（北京理工大學(xué)管理與經(jīng)濟學(xué)院，北京 100081）

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）基于阿波羅登月項目的實踐，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［1］。20世紀(jì)70年代中期，NASA 引入技術(shù)成熟度等級（Technology Readiness Level，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［2］。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，美國國防部（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劃中都必須應(yīng)用TRL。西方其它國家學(xué)習(xí)美國經(jīng)驗，也在國防采辦中積極推廣TRL。例如，英國國防部（MoD）于2005年開發(fā)了技術(shù)嵌入度量標(biāo)準(zhǔn)（Technology Insertion Metric）［3］，包括技術(shù)成熟度（TRL）等級、系統(tǒng)（集成）成熟度等級（Sytems（Integration）Readiness Level）、集成成熟度等級（Integration Maturity Level）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)工程的各個階段實踐中；加拿大國防部（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（Technology Maturity Level System，TML System），并將其應(yīng)用于加拿大國防部系統(tǒng)與設(shè)備采辦的管理系統(tǒng)——國防管理系統(tǒng)（Defence Management System，DMS）中［4］。

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［5-8］；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)方法等直接計算技術(shù)集成成熟度［9-10］；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［11-13］。

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、運載火箭、發(fā)射場、測控通信、著陸場和空間實驗室八大系統(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)；就底層的單機技術(shù)而言，它可以分解為設(shè)計、材料、工藝、方法、設(shè)備、單機集成技術(shù)6類基本構(gòu)成要素。

圖1 航天工程技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Aerospace engineering technology system structure

3 單機構(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，例如在美國國防部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［14-15］。按照9級評價標(biāo)準(zhǔn)，可以針對某一具體航天工程單機構(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。

表1 技術(shù)成熟度等級劃分Table 1 Technology readiness level grading

1）設(shè)計成熟度評價

設(shè)計的技術(shù)層次包括3個層面：物理原理設(shè)計→結(jié)構(gòu)設(shè)計→工藝設(shè)計。參照技術(shù)成熟度9級劃分方法，可將航天單機設(shè)計成熟度定義為9級（見表2）。設(shè)計工作中，針對一個具體的單機可依據(jù)表2級別定義做出其設(shè)計成熟度等級評價。

表2 航天工程單機設(shè)計成熟度等級劃分Table 2 Unit design readiness level grading in aerospace engineering

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證和實施，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［16］。

在此，可結(jié)合積木式方法的實施步驟，將單機使用材料的技術(shù)成熟度按9個等級劃分見表3。

表3 航天工程單機材料成熟度等級劃分Table 3 Unit material readiness level grading in aerospace engineering

3）工藝成熟度評價

產(chǎn)品制造工藝成熟程度［17］：主要表現(xiàn)在產(chǎn)品工藝對設(shè)計要求的實現(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、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。

可考慮工藝狀態(tài)、工藝基礎(chǔ)、工藝實施和保障條件等內(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)而針對實際單機對象作出成熟度評價。

表4 航天工程單機制造工藝成熟度等級劃分Table 4 Unit manufacturing process readiness level grading in aerospace engineering

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)此可以評價實際單機制造的方法成熟度。

表5 航天工程單機制造方法成熟度等級劃分Table 5 Unit manufacturing method readiness level grading in aerospace engineering

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。航天工程單機制造使用設(shè)備的9級成熟度等級劃分見表6。

表6 航天工程單機制造使用的設(shè)備成熟度等級劃分Table 6 Unit manufacturing equipment readiness level grading in aerospace engineering

6）單機集成技術(shù)成熟度評價

單機制造會涉及多種技術(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(dá)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(jié)合實際單機對象，完成具體單機集成技術(shù)成熟度評價。表7給出了一個單機集成技術(shù)成熟度等級劃分定義［18］，可供單機集成技術(shù)成熟度評價中參考。

表7 單機集成技術(shù)成熟度等級劃分Table 7 Unit integration technology readiness level grading

同時，上述單機集成技術(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 航天工程系統(tǒng)技術(shù)成熟度的逐層評估

1）航天工程單機技術(shù)成熟度評價

假定第k個單機有p個基本要素，第l個要素的技術(shù)成熟度評價為Rkl（l＝1，2，……，p），其對應(yīng)賦予的技術(shù)權(quán)重為Wkl；假定該單機集成技術(shù)成熟度評價為RkS，其集成技術(shù)權(quán)重為WkS，且有＋WkS＝1。則第k個單機技術(shù)成熟度評價為

2）航天工程子系統(tǒng)技術(shù)成熟度評價

假定第j子系統(tǒng)由m個單機構(gòu)成，第k個單機的技術(shù)成熟度為Rjk（k＝1，2，……，m），其對應(yīng)賦予的技術(shù)權(quán)重為Wjk；假定該j子系統(tǒng)集成技術(shù)成熟度評價為RjS，其集成技術(shù)權(quán)重為WjS，且有＋WjS＝1。則第j子系統(tǒng)技術(shù)成熟度評價為

3）航天工程分系統(tǒng)技術(shù)成熟度評價

假定第i個分系統(tǒng)有n個子系統(tǒng)，第j個子系統(tǒng)的技術(shù)成熟度為Rij（j＝1，2，……，n），其對應(yīng)賦予的技術(shù)權(quán)重為Wij；假定第i分系統(tǒng)集成技術(shù)成熟度評價為RiS，其集成技術(shù)權(quán)重為WiS，且有＋WiS＝1。則第i個分系統(tǒng)技術(shù)成熟度評價為

4）航天工程整體系統(tǒng)技術(shù)成熟度評價

假定航天工程系統(tǒng)有q個分系統(tǒng)，第i個分系統(tǒng)的技術(shù)成熟度為Ri（i＝1，2，……，q），其對應(yīng)賦予的技術(shù)權(quán)重為Wi；假定該系統(tǒng)集成技術(shù)成熟度評價為RS，其集成技術(shù)權(quán)重為WS，且有＋WS＝1。則該航天工程系統(tǒng)的整體系統(tǒng)成熟度評價為

5 結(jié)束語

從目前的理論研究與實際應(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立技術(shù)成熟度評估。這種做法雖然容易實現(xiàn)，但并不符合實際技術(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)從最基本的單機構(gòu)成要素為起點進(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)成熟度評估的實際工作產(chǎn)生有意義的影響。

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