一种航天工程制造成熟度等级确定方法

摘要

一种航天工程制造成熟度等级确定方法，首先对成熟度分级并进行定义，并根据待评价制造技术或产品的不同，从航天工程制造成熟度评价要素表中选取每一等级的评价要素，确定每个要素的权重；然后确定用于判定成熟度等级的成熟指数阈值，并根据成熟指数计算公式计算初评等级的成熟指数；最后根据自评等级的成熟指数选择向更高等级或更低等级计算成熟指数，确定最终的成熟度等级。本发明最终实现了航天工程制造技术或产品的成熟度等级确定，给出了航天工程制造成熟度等级确定的定量计算方法，最大程度上满足了我国航天工程制造技术和产品成熟状态评价的需求，为航天工程制造成熟计划制定，制造能力提升提供了有力工具。

说明书

技术领域

本发明涉及一种制造成熟度等级确定方法，尤其涉及一种针对航天工程制 造特点制定的制造成熟度等级确定方法，属于技术评价领域。

背景技术

航天工程和国防高新装备主要面临两大风险，一是不成熟的设计，二是不 成熟的制造能力。美国NASA对1960至2000年间的50个太空系统进行了分 析，发现在众多导致这些系统失败的原因中，生产制造是仅次于设计的第二大 失败要素。美国审计署(GAO)通过对美国国防部(DoD)的重大采办项目中 出现的性能下降、成本增加和工期延误等问题进行分析，发现主要原因一是在 国防采办项目的关键决策点缺乏制造知识，二是在项目研发前期缺少对制造的 评价，缺乏统一的评价标准。我国航天工程对生产制造管理十分重视，特别是 如何采用客观量化的方法对制造的成熟状态进行评价，需求迫切。

制造成熟度(Manufacturing Readiness Levels，MRLs)，是DoD提出的 用于衡量采办项目中制造技术、工艺、产品、制造能力成熟状态的概念，目的 是确定制造成熟状态，管理和控制采办项目的制造风险。目前，制造成熟度已 写入DoD国防采办条例，该条例要求在重大采办项目的关键节点进行制造成熟 度等级确定。美国一些重要机构，例如波音、洛·马、GE、雷神、西科斯基、 霍尼韦尔等也采用制造成熟度理论识别和管理型号研制中的制造风险。

DoD的制造成熟度方法分为10级，起始于确定制造内涵(MRL 1级)，终 止于实现全速率生产能力，转向精益化生产(MRL 10级)。该方法的内涵是， 针对有批生产能力要求的制造，强调通过在制造成熟度各级别不断建设制造能 力，逐步模拟并实现全速率生产能力的成熟过程。

DoD的制造成熟度方法应用于我国航天工程具有一定的局限性。我国航天 制造从生产批量模式来说主要可以分为两类：第一类是有批量生产要求的制造， 例如战术武器等系统级的产品和部分单机级、部件级、元器件级产品，第二类 是以单件(包括数量不多的多件)为主的制造，例如战略武器、运载火箭、卫 星、飞船和探测器等系统级产品以及其它单机级、部件级和元器件级的产品。 DoD的制造成熟度方法对于上述第一类制造具有一定的适用性，但是对于第二 类制造，即以单件制造为特点的制造类型，DoD的制造成熟度等级确定方法不 太适用。原因是，以单件制造为特点的航天产品通常不存在批量生产要求，也 不具备传统意义上的生产线，其制造成熟的过程和目标与DoD的制造成熟度方 法并不一致。所以，目前我国航天仍旧缺乏一种全面的、适用于不同制造批量 模式的制造成熟度等级确定方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有的国外制造成熟度评价方法在我国航 天工程应用方面的局限性，提出了一种航天工程制造成熟度等级确定方法，对 航天制造成熟度进行了分级，对各等级进行了定义，同时给出了航天工程制造 成熟度评价要素表、成熟指数计算公式和等级确定方法，最终实现了航天工程 制造技术或产品的成熟度等级确定。本发明给出了航天工程制造成熟指数的定 量计算方法以及成熟度的等级，最大程度上满足了我国航天工程制造技术和产 品成熟状态评价的需求，为航天工程制造成熟计划制定，制造能力提升提供了 有力工具。

本发明的技术解决方案是：一种航天工程制造成熟度等级确定方法，其特 征在于步骤如下：

(1)将航天工程制造成熟度等级分为10级，并对每一等级的成熟度进行 定义；

(2)根据待评价制造技术或产品的不同，从航天工程制造成熟度评价要素 表中选取每一等级的评价要素，并确定每个要素的权重，所述选取的每一等级 评价要素权重的取值范围为0～1，所有评价要素权重之和为1；

(3)根据待评价制造技术或产品的不同，给出用于确定成熟度等级的成熟 指数的阈值R；

(4)根据预先设定的初评等级i，利用步骤(2)中的评价要素和每个要 素的权重，计算待评价制造技术或产品初评等级i的成熟指数r_i，所述成熟指数 r_i由公式：

      $r_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\xi }_{\mathrm{ij}}·M_{\mathrm{ij}},i=\mathrm{1,2},...,10;j=\mathrm{1,2},...,n$      

给出，其中n为第i个等级选取的评价要素的个数，ξ_ij为第i个等级第j个评 价要素的权重，M_ij取值为0或者1，若满足第i个等级第j个评价要素，则M_ij为 1，否则，M_ij为0；

(5)若步骤(4)中待评价制造技术或产品预先设定的初评等级i的成熟 指数r_i大于等于R，则依次计算待评价制造技术或产品更高等级的成熟指数， 若存在r_i′≥R且r_i′+1<R，则待评价制造技术或产品的最终成熟度等级为i′；若步骤 (4)中待评价制造技术或产品的初评等级i的成熟度指数r_i小于R，则依次计 算待评价制造技术或产品更低等级的成熟指数，若存在r_i″≥R且r_i″+1<R，则待评 价制造技术或产品的最终成熟度等级为i″。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明提供了一种科学量化的航天工程制造技术和产品的制造成熟度 确定方法，有助于掌握制造技术、产品、制造能力的发展现状与成熟度等级， 便于衡量当前状态与目标要求的差距，发现当前制造中存在的短板和不足，为 制造风险管理与控制提供帮助；

(2)本发明中给出的航天工程制造成熟度评价要素表和成熟度等级定义适 用于航天的不同制造批量模式(单件制造与批量生产)，根据待评价航天工程制 造技术和产品的不同特点，可裁减使用；

(3)本发明中给出的航天工程制造成熟度等级确定方法体现了航天工程制 造成熟特点，从航天现有制造管理过程关心的制造要素出发，从人、机、料、 法、环、测等环节制定制造成熟度评价要素表，对制造成熟指数进行计算，并 确定成熟度等级。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

具体实施方式

如图1所示为本发明的方法流程图，从图1可知，本发明提供的一种航天 工程制造成熟度等级确定方法，步骤如下：

(1)将航天工程制造成熟度等级分为10级，并对每一等级的成熟度进行 定义；所述每一等级的成熟度定义如表1所示：

表1

            

表1中涉及到的术语解释：

在航天制造成熟度等级定义中使用了一些术语，准确理解这些术语对于掌 握制造成熟度各级内涵和要求起到重要作用。制造成熟度定义中涉及的重要术 语主要包括三个方面：一是产品载体，即制造对象，包括概念样件、原理样件、 演示样件、工程样件等；二是生产环境，包括实验室环境、相关生产环境、典 型生产环境等，这里的生产环境不仅仅是指温度、湿度等狭义的环境，而是一 种广义的概念，指各制造要素(例如设备/工具、人员、工艺、材料、环境等) 成熟的一种状态；三是对产品载体进行演示验证的试验环境，包括模拟使用环 境、典型使用环境等。

1)概念样件：用于验证新的制造技术原理的可行性而制造的样件。通常， 概念样件可在一定程度上实现预期功能，但它的材料、性能、外形、尺寸等相 对于最终产品差别较大，也可能没有具体的工程型号需求。

2)原理样件：用于在实验室环境中演示制造技术原理、验证关键制造技术 或工艺满足技术攻关要求而制造的试验样件。通常原理样件在材料、工艺、外 形、尺寸、性能等方面与最终产品存在一定差别，但相对于概念样件更接近最 终产品要求。

3)演示样件：用于在相关生产环境中验证制造技术及制造能力而制造的样 件。演示样件的材料、外形尺寸、功能和性能均已接近或基本达到最终产品的 使用要求，它将与其它部件、单机或分系统集成为系统的演示样机，在高逼真 度的模拟使用环境中开展演示试验验证。

4)工程样件：用于在典型生产环境中验证制造技术和制造能力满足型号研 制要求而制造的试验样件。工程样件的材料、外形尺寸、功能和性能基本已达 到最终产品的使用要求，它将与其它部件、单机或分系统集成为系统的工程样 机，在典型使用环境中开展试验验证。

5)实验室环境：用于验证制造技术及制造原理的简易制造环境，该环境中 制造要素(例如设备/工具、人员、工艺、材料等)的状态通常不是最终真实性 的生产要素，与最终生产要素的状态差距较大。

6)相关生产环境：是指各制造要素(例如设备/工具、人员、工艺、材料、 环境等)接近最终生产时状态的一种广义的概念。生产相关环境中，生产车间 具备了最终生产时的一些最关键的设备、人员、工具、材料等，工艺方法比较 成熟，已接近最终技术状态。

7)典型生产环境：是指各制造要素(例如设备/工具、人员、工艺、材料、 环境等)基本符合最终生产要素状态的一种广义的概念。该环境基本具备了最 终生产要素中所有的真实要素，设备/工具、人员技能、设施、材料等基本满足 最终生产要求，工艺方法成熟，尽可能使用最终生产工艺，工艺指令规范。

8)模拟使用环境：是使用环境的一个特殊的子集，模拟了最终使用环境中 最重要、最关键的方面。它通常指地面环境，对于与空间环境关系密切的关键 技术，其模拟使用环境还包括空间飞行环境。

9)典型使用环境：该环境基本体现了最终使用环境的所有关键要素，是真 实的、具有代表性的使用环境。

10)逼真度：逼真度是指当前状态相对于最终要求状态的相似程度。通常 分为低、中、高逼真度。

如表1所示，航天制造成熟度分为10个级别，1级成熟度最低，10级成 熟度最高。航天制造成熟度定义重点关注两方面内容，一是可制造性，即能够 制造出工程要求的性能稳定的产品，是1级至7级重点强调的内容，要求在逐 步完善和成熟的生产环境中制造出工程所需产品，并且通过相应的试验验证。 二是可生产性，即实现工程最终要求的生产能力，是8级至10主要强调的内 容。

使用时首先需要对被评对象进行分析，如果是有批量生产要求的制造类型， 则直接采用表1中的定义；如果是单件制造(或数量不多的多件)类型，则需 要对表1中的等级定义进行裁剪，该类型制造的等级定义只包括表1中的等级 1-等级9级，并且等级8、等级9中不包括小批量生产的内容。

(2)根据待评价制造技术或产品的不同制造特点，从航天工程制造成熟度 评价要素表中选取每一等级的评价要素，并确定每个要素的权重，所述选取的 每一等级评价要素权重的取值范围为0～1，所有评价要素权重之和为1；所述 航天工程制造成熟度评价要素表包括10个等级的评价要素表，分别如表2～表 11所示，表2～表11依次表示成熟度等级1的评价要素表到成熟度等级10的 评价要素表，

表2～表11所示的评价要素表为通用的评价要素表。选取待评价制造技术或 产品的评价要素时，需分析待评价对象的制造特点，如果待评价对象属于单件 制造范畴，则评价要素表中关于批生产的内容可以裁减。

表2

            

表3

            

表4

                   

            

表5

            

表6

                   

表7

            

表8

            

表9

            

表10

      

序号 评价要素 1 最终产品是否在使用环境中通过执行任务得到验证？ 2 是否明确了小批生产能力的相关要求？ 3 设计、工艺、材料、设备、人员等是否满足小批量生产要求？ 4 生产能力是否达到了小批量生产的预期要求？

表11

      

序号 评价要素 1 是否明确了大批量生产能力的相关要求？ 2 设计、工艺、材料、设备、人员等是否满足批量生产要求？ 3 生产能力是否达到了预期要求？ 4 产品是否经过广泛使用得到验证？

。

(3)根据待评价制造技术或产品的不同，给出用于确定成熟度等级的成熟 指数的阈值R；

(4)根据预先设定的初评等级i，利用步骤(2)中的评价要素和每个要 素的权重，计算待评价制造技术或产品初评等级i的成熟指数r_i，所述成熟指数 r_i由公式：

      $r_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\xi }_{\mathrm{ij}}·M_{\mathrm{ij}},i=\mathrm{1,2},...,10;j=\mathrm{1,2},...,n$      

给出，其中n为第i个等级选取的评价要素的个数，ξ_ij为第i个等级第j个评 价要素的权重，M_ij取值为0或者1，若满足第i个等级第j个评价要素，则M_ij为 1，否则，M_ij为0；

(5)若步骤(4)中待评价制造技术或产品的初评等级i的成熟指数r_i大于 等于R，则依次计算待评价制造技术或产品更高等级的成熟指数，若存在r_i′≥R 且r_i′+1<R，则待评价制造技术或产品的最终成熟度等级为i′；若步骤(4)中待 评价制造技术或产品的初评等级i的成熟指数r_i小于R，则依次计算待评价制造 技术或产品更低等级的成熟指数，若存在r_i″≥R且r_i″+1<R，则待评价制造技术或 产品的最终成熟度等级为i″。

实施例

根据工程需求，需确定某舱段制造的成熟度等级。根据制造成熟度的分级 和等级定义，初评等级为MRL 5级，设定的用于确定最终成熟度等级的成熟指 数阈值为0.8。

由于该舱段制造属于单件制造(或数量不多的几件)，不存在批量生产要 求，所以在通用MRL 5级评价要素表中，选择正确的评价要素并给出各评价要 素的权重值，并确定各评价要素的满足情况，满足时M取值为1，不满足时M 取值为0。结果如表12所示。

根据上述步骤(4)的成熟指数计算公式，计算初评等级的成熟指数r₅＝1， 大于阈值0.8。根据上述步骤(5)，需计算更高级别，即MRL 6级的成熟指数。 MRL 6级的评价要素、各评价要素的权重及M值如表13所示。根据成熟指数 计算公式，MRL 6级的成熟指数为r₆＝0.55，小于阈值0.8，则该舱段最终的成 熟度等级为MRL 5级。

表12

                   

            

表13