靖連天 朱旭斌 熊園園 孫小冬
(1航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院,北京,100071;2西北工業(yè)大學(xué),西安,710072)
關(guān)鍵元器件對(duì)航天系統(tǒng)和設(shè)備的性能起著至關(guān)重要的作用,是航天型號(hào)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源,關(guān)鍵元器件國(guó)產(chǎn)化對(duì)于將我國(guó)建設(shè)成為航天強(qiáng)國(guó)意義重大。 “核高基”重大專(zhuān)項(xiàng)實(shí)施以來(lái),突破了一批重大技術(shù),研制出一批關(guān)鍵產(chǎn)品,顯著推動(dòng)了元器件國(guó)產(chǎn)化研制能力。然而,以 “核心電子器件”為代表的關(guān)鍵元器件的應(yīng)用卻非常有限,主要是由于采用了大量的新設(shè)計(jì)、新工藝和新材料,缺乏可靠使用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和成功上天飛行的經(jīng)歷,同時(shí)對(duì)于關(guān)鍵元器件應(yīng)用支持也較為有限,導(dǎo)致航天關(guān)鍵元器件的應(yīng)用存在較大風(fēng)險(xiǎn),用戶(hù)不敢使用。
航天關(guān)鍵元器件的應(yīng)用是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,涉及整機(jī)單位、器件研制單位、保證機(jī)構(gòu)和驗(yàn)證機(jī)構(gòu)等多家單位,電、熱、力、材料、機(jī)械、軟件等多個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域,生產(chǎn)、采購(gòu)、保證、裝聯(lián)調(diào)試、可靠使用等多個(gè)環(huán)節(jié),具有參與單位數(shù)量多、專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域跨度大、工作環(huán)節(jié)多等特點(diǎn),導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)源種類(lèi)繁雜,風(fēng)險(xiǎn)因素?cái)?shù)量多,提前識(shí)別航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)是保證其成功應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。本文從風(fēng)險(xiǎn)管控過(guò)程的前端出發(fā),在分析航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)屬性的基礎(chǔ)上,基于航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)之間存在交互關(guān)系,利用ISM-HHM組合方法對(duì)航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別和分析。
目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)風(fēng)險(xiǎn)屬性并未有明確的研究界定,從人們對(duì)風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知的過(guò)程和關(guān)注的要素出發(fā),航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)屬性是指航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)內(nèi)涵、風(fēng)險(xiǎn)特征和風(fēng)險(xiǎn)分類(lèi)等要素的統(tǒng)稱(chēng)[1]。
航天關(guān)鍵元器件是航天型號(hào)的戰(zhàn)略性資源,是對(duì)航天型號(hào)性能提升起重大作用的關(guān)鍵器件[2]。航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)指:航天關(guān)鍵元器件的研制生產(chǎn)、裝機(jī)和使用等3個(gè)階段中產(chǎn)生的對(duì)其在航天裝備中的成功應(yīng)用產(chǎn)生負(fù)面影響的不確定性,可用發(fā)生可能性和后果嚴(yán)重性進(jìn)行表征。還可視為,關(guān)鍵元器件應(yīng)用過(guò)程中導(dǎo)致其不能按質(zhì)、按費(fèi)、按期在航天型號(hào)中使用的因素發(fā)生的概率和產(chǎn)生的后果[3]。
航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別是對(duì)影響關(guān)鍵元器件在航天型號(hào)中成功應(yīng)用的各種不確定性進(jìn)行發(fā)現(xiàn),主要識(shí)別可能影響關(guān)鍵元器件的風(fēng)險(xiǎn)因素和事件,貫穿研制生產(chǎn)、裝機(jī)和應(yīng)用等三個(gè)階段,并涵蓋關(guān)鍵元器件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、工藝、材料等內(nèi)在要素和工程中所需的人員、設(shè)備、方法和環(huán)境等外在要素。
1.2.1 航天關(guān)鍵元器件特征
航天關(guān)鍵元器件與一般的貨架元器件產(chǎn)品存在較大不同,具體特征如下。
a)技術(shù)復(fù)雜度高。相對(duì)一般元器件而言,航天關(guān)鍵元器件采用了大量的新設(shè)計(jì)、新工藝、新材料,決定了其技術(shù)復(fù)雜度高。
b)外協(xié)外購(gòu)多、生產(chǎn)周期長(zhǎng)。航天關(guān)鍵元器件的高技術(shù)復(fù)雜性和研制單位的技術(shù)專(zhuān)業(yè)性決定了航天關(guān)鍵元器件的生產(chǎn)過(guò)程需要大量的工序外協(xié)和原材料 (零件)外購(gòu),尤其是體制外的外協(xié)和外購(gòu),這也可能會(huì)導(dǎo)致航天關(guān)鍵元器件的生產(chǎn)不能完全自主可控,延長(zhǎng)了航天關(guān)鍵元器件的生產(chǎn)周期。
c)需求量少,生產(chǎn)成本高。航天型號(hào)對(duì)航天關(guān)鍵元器件的需求量少,航天關(guān)鍵元器件只能小批量生產(chǎn),難以形成規(guī)模效應(yīng),因此生產(chǎn)成本較高,生產(chǎn)單位維持航天關(guān)鍵元器件的穩(wěn)定、及時(shí)供應(yīng)存在一定風(fēng)險(xiǎn)。
d)質(zhì)量保證難度大。航天關(guān)鍵元器件的高技術(shù)復(fù)雜性和航天型號(hào)的高質(zhì)量、高可靠性要求決定航天關(guān)鍵元器件的質(zhì)量保證技術(shù)不同于一般元器件,具有較大的難度。橫向看,不同專(zhuān)業(yè)元器件的技術(shù)特性不同,質(zhì)量保證的要求和方法應(yīng)有所不同。縱向看,由于不同型號(hào)的應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用條件不同,對(duì)同一專(zhuān)業(yè)航天關(guān)鍵元器件的質(zhì)量要求也有所不同。
e)用戶(hù)了解少,應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)缺乏。核心電子器件從立項(xiàng)至驗(yàn)收,用戶(hù)的作用主要體現(xiàn)在器件的試用上,缺少與研制單位的信息交流與溝通,參與程度不足,導(dǎo)致用戶(hù)對(duì)航天關(guān)鍵元器件的了解較少。由于首次在航天工程中使用航天關(guān)鍵元器件,用戶(hù)對(duì)器件的測(cè)試、裝聯(lián)、調(diào)試等應(yīng)用過(guò)程缺乏經(jīng)驗(yàn)。
f)應(yīng)用支持能力不足。當(dāng)前航天關(guān)鍵元器件缺少專(zhuān)業(yè)化、規(guī)范化并可指導(dǎo)型號(hào)設(shè)計(jì)師應(yīng)用的信息,不利于產(chǎn)品的工程應(yīng)用。受限于國(guó)內(nèi)工業(yè)基礎(chǔ)水平,生產(chǎn)廠在產(chǎn)品詳細(xì)測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)、應(yīng)用案例等方面的信息往往比較少。
1.2.2 航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)特征
航天關(guān)鍵元器件特征決定了其在航天型號(hào)中的應(yīng)用具有較大的風(fēng)險(xiǎn),具體表現(xiàn)在以下幾方面。
a)風(fēng)險(xiǎn)不確定性大。航天關(guān)鍵元器件在航天工程中的應(yīng)用包括生產(chǎn)、采購(gòu)、質(zhì)量保證、裝聯(lián)、應(yīng)用等多個(gè)環(huán)節(jié),未知因素多。同時(shí),由于航天關(guān)鍵元器件的應(yīng)用涉及到創(chuàng)新性的保證技術(shù)和應(yīng)用技術(shù),導(dǎo)致存在較大的不確定性。
b)風(fēng)險(xiǎn)后果影響大。航天關(guān)鍵元器件的應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)如未及時(shí)識(shí)別和控制,會(huì)傳遞到整機(jī)或更高層次中,導(dǎo)致嚴(yán)重后果,引起較大的風(fēng)險(xiǎn)損失。如航天關(guān)鍵元器件無(wú)法正常供貨,如不及時(shí)采取措施,極有可能影響航天型號(hào)的進(jìn)度。
c)風(fēng)險(xiǎn)損失關(guān)聯(lián)度高。航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用的各環(huán)節(jié)之間的關(guān)聯(lián)度很高,一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)很可能導(dǎo)致后續(xù)一系列工作產(chǎn)生連帶損失;另一方面,航天工程型號(hào)的進(jìn)度、質(zhì)量、成本等目標(biāo)之間也存在關(guān)聯(lián),一項(xiàng)目標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題會(huì)影響工程其他目標(biāo)的有效實(shí)現(xiàn)。
目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)航天項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)分類(lèi)方法有很多種,常用的分類(lèi)有:風(fēng)險(xiǎn)的可預(yù)測(cè)性、風(fēng)險(xiǎn)的影響程度、風(fēng)險(xiǎn)可管理性以及風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源等[4]。航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)復(fù)雜且不易識(shí)別,為了更系統(tǒng)推進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和管控工作的開(kāi)展,參照一般航天項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)的劃分標(biāo)準(zhǔn),本文從風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源維度,將航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)劃分為6類(lèi)風(fēng)險(xiǎn),見(jiàn)表1。
表1 航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)分類(lèi)
航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)之間存在著一定的的交互關(guān)系,為了能夠系統(tǒng)識(shí)別這些風(fēng)險(xiǎn),作者采用了解釋結(jié)構(gòu)等級(jí)全息建模方法 (InterpretativeStructuralModeling-HierarchicalHolographic Modeling,簡(jiǎn)稱(chēng) ISM-HHM)。ISM-HHM是由解釋結(jié)構(gòu)建模 (ISM)和層次全息建模 (HHM)組合形成的一種創(chuàng)新的分析系統(tǒng)要素之間交互關(guān)系,并能從多維度、多視角展示系統(tǒng)特征和本質(zhì)的方法[5]。ISM是研究要素之間具有交互關(guān)系系統(tǒng)的有效方法,它是利用圖論中的關(guān)聯(lián)矩陣原理來(lái)研究復(fù)雜系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),以此來(lái)描述要素之間的交互關(guān)系,最終利用一個(gè)多級(jí)梯階結(jié)構(gòu)圖來(lái)刻畫(huà)系統(tǒng)[6]。HHM最早是由美國(guó)人Haimes提出和發(fā)展的,它能夠把系統(tǒng)分解成多個(gè)子系統(tǒng)來(lái)分析研究,并且能夠確定大部分風(fēng)險(xiǎn)和不確定性[7]。ISM與HHM的結(jié)合,能夠系統(tǒng)地識(shí)別航天關(guān)鍵元器件風(fēng)險(xiǎn)及風(fēng)險(xiǎn)之間的邏輯。ISM最有價(jià)值的一點(diǎn)就是能夠清楚地表達(dá)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)之間的層次關(guān)系;HHM最有價(jià)值和關(guān)鍵的方面之一就是能夠捕捉和展現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)在的特征和本質(zhì),被廣泛用于工程項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別之中。
在對(duì)航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)分類(lèi)的基礎(chǔ)上,建立航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)的解釋結(jié)構(gòu)模型。
3.1.1 定義風(fēng)險(xiǎn)因素之間交互關(guān)系
定義Cij為航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)因素之間交互關(guān)系,通常利用邏輯關(guān)系符號(hào)B、E、I、U表示。其中,B表示風(fēng)險(xiǎn)因素Si影響風(fēng)險(xiǎn)因素Sj;E表示風(fēng)險(xiǎn)因素Sj影響風(fēng)險(xiǎn)因素Si;I表示風(fēng)險(xiǎn)因素Si與風(fēng)險(xiǎn)因素Sj交互影響;U表示風(fēng)險(xiǎn)因素Si與風(fēng)險(xiǎn)因素Sj互不影響。Cij的計(jì)算公式如下:
通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)專(zhuān)家組的研討,對(duì)上述6類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)交互關(guān)系進(jìn)行比較判斷,風(fēng)險(xiǎn)因素之間的交互關(guān)系見(jiàn)表 2。
表2 航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)因素交互關(guān)系
由表2可知:進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)S1影響費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)S3和管理風(fēng)險(xiǎn) S5;質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn) S2影響管理風(fēng)險(xiǎn) S5;技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)S4受進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)S1、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)S2和費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)S3影響,并影響管理風(fēng)險(xiǎn)S5;管理風(fēng)險(xiǎn)S5影響進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)S1和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)S4,并受費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)S3影響;環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)S6受進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)S1、費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)S3和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)S1影響。
根據(jù)上述判斷,建立航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)因素交互關(guān)系的鄰接矩陣A,其中,風(fēng)險(xiǎn)因素之間的關(guān)系用0和1表示,Si影響Sj或Sj影響Si,則為1,Si與Sj互不影響,則為0,具體如下:
3.1.2 根據(jù)鄰接矩陣計(jì)算可達(dá)矩陣
可達(dá)矩陣是指用矩陣形式描述有向連接圖各節(jié)點(diǎn)之間,經(jīng)過(guò)一定長(zhǎng)度的通路后可以達(dá)到的程度??蛇_(dá)矩陣R可由鄰接矩陣A經(jīng)過(guò)布爾代數(shù)運(yùn)算得到,A1=A+I,An=(A+I )n, 當(dāng)An=An-1時(shí), An-1即為可達(dá)矩陣R,通過(guò)計(jì)算,A3=A4,航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)因素的可達(dá)矩陣R如下:
3.1.3 劃分區(qū)域、級(jí)間和強(qiáng)連通塊
根據(jù)可達(dá)矩陣,可計(jì)算Si影響的風(fēng)險(xiǎn)因素集合(可達(dá)集RSi()),受Si影響的風(fēng)險(xiǎn)因素集合,記作前因集ASi(),以及兩者的共同集合,記作T=RSi()∩ASi(),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 可達(dá)矩陣風(fēng)險(xiǎn)因素交互關(guān)系相關(guān)集合
由表3可知, 共同集合R(S6)∩A(S6)=A(S6)=S6≠φ,因此風(fēng)險(xiǎn)因素Si構(gòu)成的系統(tǒng)中只有一個(gè)連通域。 根據(jù)R(Si)∩A(Si)=A(Si)的判定規(guī)則確定出最底層風(fēng)險(xiǎn)因素集合。通過(guò)計(jì)算,可以將上述6類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)因素劃分為3個(gè)層級(jí),即L={L1, L2, L3}, 其中, 連通域中最高級(jí)要素為L(zhǎng)1={S3},L2={S1,S2,S4,S5},L3={S6}。L2中的風(fēng)險(xiǎn)因素相互可達(dá),屬于強(qiáng)連通塊。根據(jù)上述區(qū)域、級(jí)間以及強(qiáng)連通塊的劃分結(jié)果,可得航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)的ISM框圖,如圖1所示。
通過(guò)結(jié)構(gòu)模型可知,航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)位于解釋結(jié)構(gòu)模型的底層,表明對(duì)S1、S2、S4、S5等風(fēng)險(xiǎn)因素均存在影響,在風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別時(shí)要注意國(guó)家、政府和市場(chǎng)政策等的變化。屬于強(qiáng)連通塊,在風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別時(shí),要注意它們之間的交互影響。S3位于解釋結(jié)構(gòu)模型頂層,表明S1、S2、S4、S5等風(fēng)險(xiǎn)因素均會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。總體來(lái)說(shuō),航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)之間存在著直接或間接的交互關(guān)系,在風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別時(shí)要注意關(guān)聯(lián)影響。
圖1 航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)的ISM框圖
圍繞本文1.3中S1~S6等 6大類(lèi)風(fēng)險(xiǎn),構(gòu)建多維度的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別框架模型 (HHM),以期進(jìn)一步識(shí)別航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)因素。航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別HHM模型如圖2所示。
通過(guò)航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別框架模型(HHM),可以從管理、技術(shù)、質(zhì)量、環(huán)境、進(jìn)度、費(fèi)用等視角進(jìn)一步識(shí)別風(fēng)險(xiǎn),并經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代的過(guò)程確定航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)的所有風(fēng)險(xiǎn)因素。
以技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)為例,構(gòu)建二者之間的ISM-HHM框圖。首先確定S2與S4的HHM框圖如圖3所示。
然后將S4和S2作為初步識(shí)別的應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn),根據(jù)3.1.1~3.1.3,構(gòu)建航天關(guān)鍵元器件的ISMHHM框圖如圖4所示。
圖2 航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別HHM框圖
圖3 技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的HHM框圖
圖4 技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的ISM-HHM框圖
圖4反映的是在技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)視角下,航天關(guān)鍵元器件研制單位、保證單位、用戶(hù)單位在器件應(yīng)用過(guò)程中可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)因素框圖。圖4是用來(lái)分析各風(fēng)險(xiǎn)因素的交互關(guān)系的,圖3是用來(lái)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的。
各風(fēng)險(xiǎn)因素的交互關(guān)系:設(shè)備質(zhì)量和原材料質(zhì)量都會(huì)影響生產(chǎn)技術(shù)的實(shí)現(xiàn),進(jìn)而可能導(dǎo)致器件質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生,形成質(zhì)量問(wèn)題。此外,設(shè)備質(zhì)量還會(huì)對(duì)保證技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)產(chǎn)生影響,而原材料質(zhì)量和設(shè)備質(zhì)量之間,保證技術(shù)、生產(chǎn)技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)之間不存在交互關(guān)系。
如需要識(shí)別更為系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源和受其影響的風(fēng)險(xiǎn),可以在ISM-HHM基礎(chǔ)框圖的構(gòu)架上,建立更多子系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的ISM-HHM框圖。
航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)解釋結(jié)構(gòu)模型(ISM)表明,航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用的6大類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)之間存在直接或間接的交互關(guān)系。通過(guò)構(gòu)建不同風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型視角下的航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)ISM-HHM框圖,可以刻畫(huà)不同風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型中各子風(fēng)險(xiǎn)因素之間的關(guān)系,反映不同利益相關(guān)方所關(guān)注的重點(diǎn)。
航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別是復(fù)雜的系統(tǒng)工程,涉及技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)、管理風(fēng)險(xiǎn)等眾多風(fēng)險(xiǎn)因素,將ISM-HHM方法引入航天關(guān)鍵元器件應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別之中,對(duì)于研制單位、保證單位和用戶(hù)單位等利益相關(guān)方日后的風(fēng)險(xiǎn)管控工作提供了重要支持。