基于風險評估的航空發(fā)動機設計質(zhì)量控制點設置方法研究

王 剛，李倫未，許 多

(1.中航出版?zhèn)髅接邢挢熑喂?，北?00012；2.中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

基于風險評估的航空發(fā)動機設計質(zhì)量控制點設置方法研究

王 剛1，李倫未2，許 多2

(1.中航出版?zhèn)髅接邢挢熑喂?，北?00012；2.中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

基于風險評估技術(shù)，研究了航空發(fā)動機設計過程質(zhì)量控制點的設置方法。將每項設計工作的失效視為一個風險源，根據(jù)制定的具體化風險準則確定其后果嚴重性、發(fā)生可能性以及風險等級大小，在設計過程中設置不同層次的質(zhì)量控制點。結(jié)合航空發(fā)動機方案階段的設計流程，采用該方法進行分析，表明了將風險評估技術(shù)應用于設計質(zhì)量控制點設置或優(yōu)化的可行性和有效性。

航空發(fā)動機；設計質(zhì)量控制點；設計WBS；風險評估；風險準則

1 引言

作為現(xiàn)代常規(guī)武器裝備復雜系統(tǒng)產(chǎn)品的重要組成之一，航空發(fā)動機具有研制周期長、耗資巨大的特點，同時深受國家科技水平、工業(yè)基礎等因素的限制。美、英、法、俄等國，無一例外都將航空發(fā)動機列為重大關(guān)鍵技術(shù)或重點支持的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，我國也于2015年首次將航空發(fā)動機列入國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。由于航空發(fā)動機集成了一系列尖端高新技術(shù)，牽扯多學科、多領(lǐng)域、多行業(yè)，其技術(shù)難度大、潛在風險高，因此如何科學有效地對研制過程中的風險進行管理，成為當前航空發(fā)動機研制項目管理的重要課題[1-3]。

目前，我國現(xiàn)有航空發(fā)動機設計過程大多以完成最終圖紙/報告為目標，并以此為導向?qū)⑾嚓P(guān)設計步驟進行拼湊和串聯(lián)。由此帶來的問題是：一方面缺少對中間過程設計工作的關(guān)注，導致工作不精細或不完善；另一方面控制點較粗獷，僅有少許評審點，對中間過程的設計質(zhì)量缺乏精細、有效地管控，難以將設計風險分散化和碎片化。這些弊病事實上已造成很多項目研制過程中的設計反復、生產(chǎn)拖延、試驗故障等問題，也造成進度調(diào)整、經(jīng)費增加、人力浪費等不利影響。從質(zhì)量管理的質(zhì)量杠桿圖[4-5]可以看出，產(chǎn)品設計過程是質(zhì)量控制的源頭，設計質(zhì)量的提升將帶來產(chǎn)品質(zhì)量的巨大收益。

鑒于設計質(zhì)量控制的重要性和急迫性，設置多層次、全流程、成體系的設計質(zhì)量控制體系成為必要。本文基于典型航空渦扇/渦噴發(fā)動機的設計流程，探討了設置分層次設計質(zhì)量控制點的方法，并選擇了一個典型設計過程進行應用。

2 設計質(zhì)量控制點設置方法

航空發(fā)動機設計由一系列相互關(guān)聯(lián)的設計工作組成，對其設計質(zhì)量的控制應以設計流程(或其中的各項設計工作)為基礎。而在流程中哪些環(huán)節(jié)設置質(zhì)量控制點，必然取決于各個環(huán)節(jié)設計工作的重要性和對前后設計工作的影響程度。如果把設計工作失效看成一種風險源，則可以利用風險評估技術(shù)對設計工作失效進行影響評估，然后按風險等級遴選出作為設計質(zhì)量控制的主要環(huán)節(jié)，并設置不同層次的控制點。

2.1 確定設計WBS

本文假定航空發(fā)動機設計流程已成型或已完成精細化構(gòu)建，且實際設計工作按照這套設計流程運行；同時，設計流程具有清晰的階段界限和上下層次(通常設計流程的層級應分解到能明確專業(yè)界面為止，以便確定設計WBS(即工作分解結(jié)構(gòu))層級)。

設計WBS是對產(chǎn)品設計過程中所應完成的工作自上而下形成的一種層次體系[6]，通常包括WBS工作明細表(表1)和WBS工作說明表。

表1 典型設計WBS工作明細表示例Table 1 Typicalexamplesof designWBSwork list

2.2 制定風險準則

風險評估是一種評價風險發(fā)生可能性及后果嚴重性，進而確定風險指數(shù)和等級的科學方法[2-3]，包括風險識別、風險分析和風險評價的全過程[7-8]，如圖1所示。

工作失效風險分析和評價[6-8]必須制定相應的準則進行判定，包括后果等級準則、可能性等級準則及風險等級準則。

圖1 風險評估過程Fig.1 Processof risk evaluation

2.2.1 后果等級準則

風險后果的嚴重性等級[7-8]是對風險嚴重程度(即不利或負面影響造成的后果的相對嚴重性)的度量，根據(jù)通用判定準則具體化后見表2。

表2 后果等級細化準則Table 2 Specified consequencesgrade criterion

2.2.2 可能性等級準則

風險發(fā)生的可能性等級[7-8]是對風險發(fā)生可能性(即不利或負面影響發(fā)生的相對概率大小)的度量，根據(jù)通用判定準則具體化后見表3。

2.2.3 風險等級準則

風險評價指數(shù)R(R=可能性×嚴重性)可作為衡量風險大小的一項綜合指標。根據(jù)風險評價指數(shù)的大小，可繪出風險矩陣圖[7-8]作為風險等級判定的直接依據(jù)。風險矩陣圖的一般形式見表4，表中紅色區(qū)域為Ⅰ類，高風險；黃色區(qū)域為Ⅱ類，中等風險；綠色區(qū)域為Ⅲ類，較低風險。

2.3 工作失效風險分析及等級確定

2.3.1 后果嚴重性分析

針對設計WBS中的每一項工作，根據(jù)其具體工作內(nèi)容及與其他設計工作間的相互關(guān)系(特別是輸入輸出、數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系)，分析當該工作失效時可能造成的各方面影響，以及各種影響的范圍和程度；然后根據(jù)后果等級準則(表2)，確定各條影響的相應等級；最后取各條影響中的最高等級，作為該項工作失效的后果等級。

表3 可能性等級具體化準則Table 3 Specified probability grade criterion

表4 風險矩陣表Table 4 Riskmatrix

為使分析結(jié)果更加準確和合理，引入技術(shù)咨詢或顧問專家小組，對設計工作失效的每一條影響分別進行等級評分，去掉最大值和最小值后取平均值，并進行圓整后作為該條影響的相應等級。如，專家小組有n位專家，各專家對某條影響的等級評分分別為xi，其中最大值和最小值分別為xmax、xmin，則該條影響的等級為：

某條影響后果等級=

該項工作失效的后果等級為：

這種方法一定程度上能減少分析結(jié)果的分散性，消除不同領(lǐng)域、專業(yè)人員在認識和經(jīng)驗上的差異，但需確保專家小組成員應是各領(lǐng)域、專業(yè)具有代表性和權(quán)威性的專家，從而保證設計質(zhì)量控制點的設置方案具有權(quán)威性和廣泛適用性。

2.3.2 發(fā)生可能性分析

針對設計WBS中的每一項工作，分析該工作失效的相對概率，并根據(jù)可能性等級準則(表3)，確定該項工作失效的可能性等級。同理，為使分析結(jié)果更加準確和合理，亦引入技術(shù)咨詢或顧問專家小組。如，專家小組有n位專家，各專家對某項設計工作失效發(fā)生可能性的等級評分分別為yi，其中最大值和最小值分別為ymax、ymin，則該項設計工作失效發(fā)生可能性的等級為：

某項設計工作失效發(fā)生可能性等級=

2.3.3 風險等級確定

基于分析得出的后果等級和可能性等級，根據(jù)風險等級表(表4)，確定設計WBS(表1)中每一項工作失效的風險等級，其一般形式見表5。

表5 設計工作失效風險等級Table 5 Risk grade of design work failure

2.4 設置設計質(zhì)量控制點

根據(jù)各項設計工作失效風險等級大小(表5)，分別確定相應的質(zhì)量控制類型，以達到分層次控制的目標。

(1)Ⅰ類風險：設置評審/審查點，進行嚴格的技術(shù)質(zhì)量審查，確保相應工作按規(guī)定要求完成；對于風險評價指數(shù)達到25的設計環(huán)節(jié)，應考慮作為關(guān)鍵決策點，提交總師系統(tǒng)和(或)主管機關(guān)決策。

(2)Ⅱ類風險：設置專項檢查點，針對相應工作進行專項檢查，確保相應工作按規(guī)定要求完成，但僅在總師系統(tǒng)安排下由內(nèi)部進行控制。

(3)Ⅲ類風險：由設計流程中的角色自行控制。

3 應用案例

3.1 確定設計WBS

航空發(fā)動機研制通常包含論證、方案、工程研制及設計定型等多個階段[1]。作為應用案例，本文選取方案階段一個典型批次的設計WBS進行應用分析，見表6。

表6 典型設計WBS示例Table 6 Typicalexamplesof designWBS

3.2 工作失效風險分析及等級確定

以表6編碼為W0101的設計工作——邊界與界面識別為例，按2.3.1方法進行工作失效影響后果分析，結(jié)果見表7。可見，邊界與界面識別工作失效影響條目的后果等級最高為5，即為該工作失效的后果等級。

表7 工作失效后果分析Table7Consequencesanalysisofworkfailure

按2.3.2方法進行工作失效可能性分析，結(jié)果見表8。由此，邊界與界面識別工作失效的風險指數(shù)為15。根據(jù)風險矩陣(表4)，該工作的失效風險等級為I類。

表8 工作失效可能性分析Table8Probabilityanalysisofworkfailure

表9 設計工作失效風險等級及控制點類型Table9Riskgradeandcontrolpointtypeofdesignworkfailure

針對表6列出的所有設計工作，按上述步驟和方法進行分析，結(jié)果見表9。

續(xù)表9

3.3 設置設計質(zhì)量控制點

根據(jù)2.4的原則，確定設計質(zhì)量控制點的類型，見表9。可見，與原有設計質(zhì)量控制方式相比，新增了若干評審點和專項檢查點，形成了至少三個層次的管控機制。

通過這種科學分析的方法，使得設計質(zhì)量控制點更加明確、顯性化和層次化，更有利于分層、不同顆粒度地實施，實現(xiàn)了對設計質(zhì)量的立體管控，即設計自查對專項檢查形成支撐，兩者再對評審形成支撐。同時，由于設計WBS中的各項工作按流程組織，因此事實上形成了對設計流程的全過程控制，實現(xiàn)了設計質(zhì)量由單純的結(jié)果管控向過程和結(jié)果管控并重的轉(zhuǎn)變。另外，這些新增的質(zhì)量控制點多數(shù)集中于設計過程前期，有利于提前發(fā)現(xiàn)、逐步應對潛在設計風險，實現(xiàn)由事后處理向事先預防與事后處理結(jié)合的質(zhì)量管控方式的轉(zhuǎn)變，保證項目后續(xù)的順利推進，避免了以往由于設計缺陷不能及時發(fā)現(xiàn)而導致后續(xù)試制、試驗過程中問題或故障集中爆發(fā)的情況出現(xiàn)。

4 結(jié)論

本文分析了現(xiàn)有航空渦扇/渦噴發(fā)動機設計質(zhì)量控制點的一般問題，并基于設計流程和設計WBS，探究了將風險評估的技術(shù)和方法應用于設計質(zhì)量控制點設置的可能性和有效性。其基本思路是，將每項設計工作失效視為一個風險源，依據(jù)風險準則對其影響后果和發(fā)生可能性進行分析，得出風險等級，進而依據(jù)風險等級確定所需的設計質(zhì)量控制點的類型。實際應用結(jié)果顯示，上述方法應用于設計質(zhì)量控制點的設置合適、可行，工程可操作性較強，相比于傳統(tǒng)的依據(jù)經(jīng)驗設置控制點的方式更為科學、精細，更具指導性。

[1]GJB 2993-1997，武器裝備研制項目管理[S].

[2]張健壯，承 文，史克祿.武器裝備研制項目風險管理[M].北京：中國宇航出版社，2010.

[3]李金林.武器裝備研制項目風險管理[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2010.

[4]溫 鵬.六西格瑪設計(DFSS)在航空科研院所的應用研究[D].長春：吉林大學，2013.

[5]中航工業(yè)精益六西格瑪研究所.六西格瑪設計(DFSS)培訓教材[M].4版.北京：中航工業(yè)精益六西格瑪研究所，2015.

[6]GJB 2116-1994，工作分解結(jié)構(gòu)[S].

[7]GJB/Z 171-2013，武器裝備研制項目風險管理指南[S].

[8]FDJ-GF1.10，風險管理規(guī)范[S].

M ethods of aero-engine design quality controlpoint setting based on risk evaluation technology

WANGGang1，LILun-wei2，XU Duo2
(1.China Aviation Publishing&Media CO.,LTD，Beijing 100012，China；2.AECCSichuan Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

The quality control point constructingmethods of aero-engine design processwas studied based on risk evaluation technology.Each design work failure could be regarded as a risk source,and according to the formulated refined risk criterion,the consequences,probability and risk grade could be determined. Consequently,multi-level quality control points could be set in the design process.Thismethod has been applied to the conceptual design phase of aero-engines.The results demonstrate that themethod of setting or optimizing design quality controlpointsbased on risk evaluation ispracticable and effective.

aero-engine；design quality control point；designWBS；risk evaluation；risk criterion

V37

A

1672-2620(2017)03-0057-06

2016-06-22；

2016-10-14

王 剛(1982-)，男，河北唐山人，工程師，主要從事國防科技情報工程咨詢、航空科研聲像保障及可視化信息咨詢等工作。