唐自新 許哲 李大明 周軼丁 胡成威 王耀兵
(1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094;2.空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100094;3.中國(guó)空間技術(shù)研究院,北京 100094)
風(fēng)險(xiǎn)管理是項(xiàng)目管理的重要內(nèi)容,也是項(xiàng)目實(shí)施與過(guò)程控制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。航天工程作為高技術(shù)、高風(fēng)險(xiǎn)的工程實(shí)施項(xiàng)目,對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)的管理與控制尤為關(guān)注[2]。特別是針對(duì)復(fù)雜新研產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)分析與控制尤為重要。
近年來(lái),隨著我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)、嫦娥五號(hào)月面取樣返回任務(wù)、空間站在軌建造等國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)工程任務(wù)的順利實(shí)施,火星車(chē)、表取采樣機(jī)械臂、核心艙機(jī)械臂等復(fù)雜新研空間機(jī)器人產(chǎn)品在重大專(zhuān)項(xiàng)工程實(shí)施過(guò)程中的作用日益重要。該類(lèi)空間機(jī)器人產(chǎn)品屬于我國(guó)首次研制的航天復(fù)雜產(chǎn)品,其研制過(guò)程面臨前所未有的難度與挑戰(zhàn)。
空間站核心艙機(jī)械臂承擔(dān)著空間站在軌建造、運(yùn)營(yíng)維修、在軌拓展等任務(wù),是我國(guó)空間站組建與運(yùn)營(yíng)全過(guò)程中不可或缺的重要裝備,是集成了電氣、機(jī)械、三維多體動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、光學(xué)等多個(gè)學(xué)科的空間機(jī)器人系統(tǒng)[3-4]。作為首次在軌應(yīng)用的大型空間機(jī)器人系統(tǒng),空間站核心艙機(jī)械臂的設(shè)計(jì)與研制、地面測(cè)試驗(yàn)證十分復(fù)雜。該裝備在軌工作壽命長(zhǎng)達(dá)10~15年,受空間環(huán)境影響巨大,其研制過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)性極高[5]。
本文結(jié)合管理熵理論,以核心艙機(jī)械臂產(chǎn)品研制為例,分析航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險(xiǎn)管控流程與措施。
熵是系統(tǒng)的一個(gè)狀態(tài)函數(shù),用于描述復(fù)雜系統(tǒng)的混亂或無(wú)序程度。熵值越高,代表系統(tǒng)的混亂或無(wú)序程度越大。整個(gè)系統(tǒng)的總熵由各子系統(tǒng)熵相加構(gòu)成[6]。
1997年,任佩瑜教授將熵的概念應(yīng)用于管理科學(xué),基于系統(tǒng)論提出了管理熵的概念,指出管理熵是組織在從事管理活動(dòng)的過(guò)程中,將管理所涉及的組織制度、政策制度、文化理念等因素綜合考慮的一種集成狀態(tài)。如果組織的管理模式為封閉式管理,那么在組織的封閉管理活動(dòng)過(guò)程中,將會(huì)出現(xiàn)有效管理效力逐步減少、無(wú)效管理效力逐步增加的狀態(tài),而此過(guò)程不可逆。
2000年,任佩瑜教授在管理熵理論與基本概念的基礎(chǔ)上,結(jié)合耗散結(jié)構(gòu)理論,提出了管理耗散結(jié)構(gòu)概念與理論,即當(dāng)一個(gè)復(fù)雜的管理組織遠(yuǎn)離管理平衡態(tài)時(shí),需要不斷地與外部環(huán)境進(jìn)行能量、物質(zhì)和信息等多方面要素的交換,并在組織內(nèi)部各單元、各要素的相互作用下,增加組織負(fù)熵,使自身有序度的增加大于自身無(wú)序度的增加,進(jìn)而形成新的有序結(jié)構(gòu),并在新的有序結(jié)構(gòu)下產(chǎn)生新的管理效能[7]。
管理熵計(jì)算公式如下
(1)
式中,i表示影響管理熵值的某個(gè)要素;ki表示該要素對(duì)應(yīng)的影響權(quán)重;Si表示該影響要素所產(chǎn)生的管理熵值。Si的計(jì)算公式如下
(2)
以S內(nèi)表示系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的熵值,S外表示系統(tǒng)從外部環(huán)境中引入的負(fù)熵值,系統(tǒng)總熵值S總的計(jì)算公式如下
S總=S內(nèi)+S外
(3)
由上式可知,只有當(dāng)系統(tǒng)總熵值S總≤0時(shí),系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)才能形成,系統(tǒng)才是有序的,系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)才是可控的。因此,對(duì)于項(xiàng)目管理者或組織管理者而言,要使項(xiàng)目管理或組織管理有序化發(fā)展,提高項(xiàng)目管理或組織管理風(fēng)險(xiǎn)可控度,降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率,必須不斷從外部環(huán)境中引入適當(dāng)?shù)呢?fù)熵因素,增加組織總負(fù)熵值,使S外≤0且S外≤-S內(nèi)。
空間機(jī)器人產(chǎn)品涉及專(zhuān)業(yè)廣、產(chǎn)品構(gòu)成復(fù)雜,屬于典型的航天復(fù)雜新研產(chǎn)品。按任務(wù)特點(diǎn)和環(huán)境因素,分為在軌操作機(jī)器人和行星探測(cè)機(jī)器人兩大類(lèi)。在軌操作機(jī)器人主要指在微重力軌道環(huán)境中執(zhí)行各類(lèi)操作任務(wù)的空間機(jī)器人,如空間站核心艙機(jī)械臂。行星探測(cè)機(jī)器人主要指在月球、行星、小行星等地外天體上執(zhí)行任務(wù)的空間機(jī)器人,如火星車(chē)和月面采樣機(jī)械臂[8]。
根據(jù)任務(wù)需求,核心艙機(jī)械臂需要完成艙段轉(zhuǎn)位與輔助對(duì)接、航天員出艙活動(dòng)、艙外貨物搬運(yùn)、艙外狀態(tài)檢查等8項(xiàng)在軌任務(wù)。同時(shí),需要具備大負(fù)載、大范圍轉(zhuǎn)移,空間站艙體表面“爬行”,在軌可維修等主要功能。
空間機(jī)器人產(chǎn)品屬于在外太空應(yīng)用的特種機(jī)器人,產(chǎn)品構(gòu)成復(fù)雜,所涉及的專(zhuān)業(yè)門(mén)類(lèi)眾多。同時(shí),面臨應(yīng)用環(huán)境特殊、任務(wù)多樣且多變等問(wèn)題,產(chǎn)品研制具有以下特點(diǎn)與難點(diǎn)[9]:
(1)工作環(huán)境特殊。工作環(huán)境為地外空間,涉及超真空、高低溫、微重力、強(qiáng)輻射等特殊 環(huán)境,以及發(fā)射段和著陸段的振動(dòng)、沖擊、噪聲等問(wèn)題。
(2)工作壽命和可靠性要求高??臻g機(jī)器人產(chǎn)品需要在外太空環(huán)境中工作10年之久,且維修、維護(hù)困難。因此,需要具備長(zhǎng)壽命性和高可靠性。
(3)系統(tǒng)技術(shù)門(mén)類(lèi)眾多。空間機(jī)器人產(chǎn)品涉及的專(zhuān)業(yè)廣泛,包括材料、力學(xué)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科,以及傳感技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)和人工智能技術(shù)等,學(xué)科與技術(shù)交叉多。
(4)系統(tǒng)接口組成復(fù)雜??臻g機(jī)器人產(chǎn)品涉及機(jī)械、電氣、熱控等多個(gè)學(xué)科,以及人機(jī)交互界面,各類(lèi)接口復(fù)雜多樣。
(5)工作任務(wù)多,適應(yīng)能力強(qiáng)??臻g機(jī)器人產(chǎn)品需要根據(jù)任務(wù)需求開(kāi)展已知和未知的任務(wù)執(zhí)行工作,需要具備較強(qiáng)的適應(yīng)能力。
(6)系統(tǒng)設(shè)計(jì)約束條件多??臻g機(jī)器人產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)除需滿(mǎn)足常規(guī)的發(fā)射段和空間環(huán)境要求,還面臨質(zhì)量、功耗、尺寸、接口、性能等外部資源的約束與限制。
(7)地面驗(yàn)證復(fù)雜。空間機(jī)器人產(chǎn)品是結(jié)合空間環(huán)境和工作任務(wù)而設(shè)計(jì)的一種特殊用途機(jī)器人。在地面重力環(huán)境下,難以開(kāi)展大范圍、全任務(wù)覆蓋的全物理式試驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí),系統(tǒng)的多自由度、應(yīng)用場(chǎng)景的不確定性等因素使得地面驗(yàn)證難度進(jìn)一步加大。
航天項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)因素主要包括技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)、管理風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)4個(gè)方面??紤]到航天項(xiàng)目一般為滿(mǎn)足國(guó)家層面需求,特別是滿(mǎn)足載人航天和深空探測(cè)等國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)工程需求,因此費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)暫不考慮。本文僅對(duì)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)、管理風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。
根據(jù)上述管理熵理論可知,對(duì)于航天復(fù)雜新研產(chǎn)品而言,內(nèi)部管理正熵是風(fēng)險(xiǎn)管理與控制的重點(diǎn),引入外部有利負(fù)熵是增加組織自身有序度、降低風(fēng)險(xiǎn)的重要手段。
由管理熵的定義與內(nèi)涵可知,系統(tǒng)管理熵分為內(nèi)部環(huán)境熵和外部環(huán)境熵。結(jié)合航天復(fù)雜新研產(chǎn)品特點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)別,將內(nèi)部環(huán)境熵分為技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)熵、進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)熵和組織風(fēng)險(xiǎn)熵;將外部環(huán)境熵分為直接環(huán)境熵和間接環(huán)境熵。航天復(fù)雜新研產(chǎn)品管理熵邏輯分析圖如圖1所示。
以航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險(xiǎn)管理總熵值為目標(biāo),基于內(nèi)部和外部?jī)蓚€(gè)層面,從技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)、組織風(fēng)險(xiǎn)、外部直接環(huán)境、外部間接環(huán)境5個(gè)方面分析研制風(fēng)險(xiǎn)影響因素。通過(guò)對(duì)各影響因素的熵值估算,得到內(nèi)部環(huán)境熵和外部環(huán)境熵的估算值以及產(chǎn)品研制風(fēng)險(xiǎn)管理總熵值。
航天復(fù)雜新研產(chǎn)品具有技術(shù)狀態(tài)新、涉及專(zhuān)業(yè)廣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn),因此,產(chǎn)品研制的內(nèi)部環(huán)境熵為正的概率較大,這也是產(chǎn)品研制風(fēng)險(xiǎn)的控制重點(diǎn)。同時(shí),外部環(huán)境對(duì)產(chǎn)品研制也有一定的影響。因此,要分析內(nèi)部環(huán)境正熵并加以有效控制,同時(shí)引入外部環(huán)境負(fù)熵抑制內(nèi)部環(huán)境正熵,進(jìn)而降低產(chǎn)品研制風(fēng)險(xiǎn)總熵,提高組織有序性,降低研制風(fēng)險(xiǎn)。
以空間機(jī)器人復(fù)雜新研產(chǎn)品為例,依據(jù)層次分析法(AHP),對(duì)航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險(xiǎn)熵進(jìn)行層級(jí)與要素分解,建立航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,見(jiàn)表1。
表1 航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
當(dāng)前,航天產(chǎn)品已經(jīng)形成了全過(guò)程、全系統(tǒng)、全要素的多維風(fēng)險(xiǎn)管理模式與管理機(jī)制,有效保證了產(chǎn)品研制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[10]。
對(duì)于航天復(fù)雜新研產(chǎn)品而言,除參照一般航天產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)管理措施,還需要結(jié)合自身研制特點(diǎn)與難點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管控。根據(jù)上述航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,結(jié)合產(chǎn)品研制特點(diǎn),對(duì)產(chǎn)品研制過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行全面識(shí)別與分析,對(duì)產(chǎn)品研制過(guò)程中的各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析與量化,形成基于管理熵的風(fēng)險(xiǎn)分析與控制流程,如圖2所示。
針對(duì)航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制過(guò)程的5個(gè)變量層影響因素,分析各因素風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率和嚴(yán)重性,并估算熵值。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)熵值進(jìn)行排序,明確優(yōu)先級(jí),形成風(fēng)險(xiǎn)清單。從內(nèi)部和外部?jī)蓚€(gè)方面制定風(fēng)險(xiǎn)控制措施,以有效控制風(fēng)險(xiǎn)。
3.4.1 內(nèi)部環(huán)境熵分析與控制措施
(1)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)熵。對(duì)于航天復(fù)雜新研產(chǎn)品而言,其技術(shù)狀態(tài)是研制的基礎(chǔ)條件。由于航天復(fù)雜新研產(chǎn)品采用了較多的新技術(shù)、新材料、新流程,其技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)是內(nèi)部環(huán)境熵增加的根本因素和主要推動(dòng)力。同時(shí),外界產(chǎn)品需求變化引發(fā)的技術(shù)狀態(tài)更改也會(huì)帶來(lái)一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。例如,核心艙機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器等單機(jī)屬于全新的機(jī)電熱一體化產(chǎn)品,是機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)和抓取的關(guān)鍵單機(jī)產(chǎn)品。為滿(mǎn)足任務(wù)需求,采用了CF170高強(qiáng)度不銹鋼、7055高強(qiáng)高韌鋁合金等新材料和新技術(shù),產(chǎn)品研制過(guò)程面臨較高風(fēng)險(xiǎn)。
(2)進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)熵。航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)主要包括技術(shù)狀態(tài)變更、資源匹配不足和過(guò)程監(jiān)控不利等。根本原因在于技術(shù)多變、計(jì)劃未考慮配套資源和計(jì)劃執(zhí)行不到位等。
(3)組織風(fēng)險(xiǎn)熵。應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品研制需求組建航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制團(tuán)隊(duì)。以空間站核心艙機(jī)械臂為例,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)包括機(jī)、電、熱、控、光、傳感等多種專(zhuān)業(yè)人員,以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和項(xiàng)目管理人員。團(tuán)隊(duì)構(gòu)成、組織管理模式、組織溝通機(jī)制等屬于內(nèi)部組織風(fēng)險(xiǎn),其穩(wěn)定性直接影響組織風(fēng)險(xiǎn)熵值。
為了減少內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)對(duì)產(chǎn)品研制的制約與影響,有效降低內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)熵,建議采取以下控制措施:
(1)建立專(zhuān)業(yè)的研制團(tuán)隊(duì)。由各專(zhuān)業(yè)人員組成研制團(tuán)隊(duì),基于集成管理思維,保障團(tuán)隊(duì)內(nèi)部的溝通與聯(lián)系,提高整體協(xié)調(diào)能力,實(shí)現(xiàn)內(nèi)部信息協(xié)同,降低內(nèi)部組織風(fēng)險(xiǎn)熵值。
(2)建立高效的決策機(jī)制。建立滿(mǎn)足任務(wù)需求的風(fēng)險(xiǎn)最小化決策機(jī)制,利用緊湊的組織模式,實(shí)現(xiàn)高效的溝通與決策。
(3)建立技術(shù)變更控制委員會(huì)。采用項(xiàng)目技術(shù)經(jīng)理總負(fù)責(zé)的分級(jí)管控機(jī)制,由項(xiàng)目技術(shù)經(jīng)理牽頭,對(duì)系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)負(fù)責(zé)。同時(shí),配備各組成部分的技術(shù)狀態(tài)負(fù)責(zé)人,對(duì)各自負(fù)責(zé)的內(nèi)部技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行管控,對(duì)有接口關(guān)系的其他部分進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)協(xié)調(diào)控制,從而降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)影響。
(4)加強(qiáng)進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)控制?;陉P(guān)鍵路徑法,制訂科學(xué)合理的產(chǎn)品研制計(jì)劃,充分考慮各環(huán)節(jié)所需配套的資源,提高產(chǎn)品研制計(jì)劃的穩(wěn)定性和合理性。
以空間站核心艙機(jī)械臂產(chǎn)品研制項(xiàng)目為例。該項(xiàng)目集合了航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成與測(cè)試、空間電子信息等專(zhuān)業(yè)人才,組建了專(zhuān)業(yè)化研制團(tuán)隊(duì);實(shí)現(xiàn)了技術(shù)層、管理層的高效溝通與決策;利用“4+2”技術(shù)把關(guān)方法[11],嚴(yán)格管控產(chǎn)品內(nèi)部各層級(jí)技術(shù)狀態(tài),有效降低了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)熵;通過(guò)并行工程、關(guān)鍵鏈等方法,分析各單機(jī)研制過(guò)程,對(duì)重點(diǎn)單機(jī)、重點(diǎn)資源進(jìn)行預(yù)判,保證了關(guān)鍵鏈工序的順利實(shí)施。
3.4.2 外部環(huán)境熵分析與控制措施
從管理熵理論可知,引入有效的外部負(fù)熵能夠降低系統(tǒng)整體熵值。外部間接環(huán)境分為自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境。航天項(xiàng)目通常服務(wù)于國(guó)家建設(shè)需要,因此,外部的自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境較為有利,影響也相對(duì)較小,本文暫不做分析。外部直接環(huán)境分為用戶(hù)需求變更和外部協(xié)作方支持兩個(gè)方面。其中,用戶(hù)任務(wù)需求變更包括技術(shù)變更和計(jì)劃變更兩個(gè)方面,外部協(xié)作方支持能力包括自身能力和雙方協(xié)作關(guān)系兩個(gè)方面。
(1)用戶(hù)需求變更。需求難度降低、計(jì)劃延期等可視為有利的外部負(fù)熵,應(yīng)積極引入。反之,不利的變更將會(huì)對(duì)產(chǎn)品研制造成負(fù)面影響。通過(guò)調(diào)整內(nèi)部狀態(tài),降低內(nèi)部熵值,以抵消外部不利因素造成的風(fēng)險(xiǎn)。
(2)外部協(xié)作方支持。對(duì)于一般性、技術(shù)難度不大的產(chǎn)品采用外協(xié)研制或加工,如一般性的零部件加工等,同時(shí)采用關(guān)鍵點(diǎn)跟蹤的方式進(jìn)行監(jiān)控。對(duì)于技術(shù)要求高或資源稀缺的外部資源需求,需要重點(diǎn)關(guān)注,并采用措施引入負(fù)熵以降低風(fēng)險(xiǎn)。
通過(guò)分析內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境5個(gè)變量層各要素的風(fēng)險(xiǎn)控制措施,制定12種風(fēng)險(xiǎn)控制措施,并對(duì)控制措施進(jìn)行專(zhuān)家評(píng)價(jià)。航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險(xiǎn)控制措施及評(píng)價(jià)見(jiàn)表2。
由表2可以看出,航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險(xiǎn)主要在于內(nèi)部環(huán)境,特別是針對(duì)用戶(hù)需求變更后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析與技術(shù)狀態(tài)控制。同時(shí),外部環(huán)境熵是降低內(nèi)部環(huán)境熵的有效手段和途徑。由于用戶(hù)方面的外部環(huán)境熵往往是正熵,可通過(guò)溝通、分析或內(nèi)部調(diào)整等多種方式降低其對(duì)研制風(fēng)險(xiǎn)總熵值的影響。
本文基于管理熵理論,結(jié)合航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險(xiǎn)管控重點(diǎn),以空間站核心艙機(jī)械臂產(chǎn)品研制為例,構(gòu)建航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,從內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境兩個(gè)方面對(duì)各影響因素進(jìn)行分析,提出具體的管理控制措施。通過(guò)案例實(shí)踐,驗(yàn)證了該方法的合理性和可行性,可為類(lèi)似航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險(xiǎn)管控提供參考。
表2 航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險(xiǎn)控制措施及評(píng)價(jià)