技術成熟度工具在核電型號研發(fā)中的應用探索

吳繼承WU Ji-cheng

（深圳中廣核工程設計有限公司，深圳 518000）

0 引言

技術成熟度是指研究對象的技術狀態(tài)相對于某個具體系統(tǒng)或項目而言所處的發(fā)展階段，反映了技術對于預期目標的滿足程度；技術成熟度等級（TRL，Technology Readiness Level）是進行技術成熟度量度和評估的標準。

上世紀六七十年代，美國航空航天局在開展的阿波羅登月項目中，為避免新技術應用對工程項目的重大影響，著手研究控制工程進度、防范新技術風險的管理措施，提出了技術成熟度的理念和方法。隨后，技術成熟度作為一種技術風險控制的手段，在軍工、航天等大型復雜工程領域得到快速發(fā)展。

核電領域與航天領域相似，由于技術的保守性和復雜性，決定了這一領域對技術成熟度有較高的要求。近年來，我國在核電技術研發(fā)領域投入巨大，如何借助技術成熟度的工具指導科技創(chuàng)新工作，量化投入產出，減少項目風險，具有非常重要的現實意義。為此，中核集團、國家核電集團和中國廣核集團均對技術成熟度進行了相關的研究，形成了一般的標準和評價方法。但如何結合不同的目的、目標去采用合適的標準方法，并有效指導核電型號研發(fā)的具體實踐？如何通過技術成熟度的評價方法，動態(tài)確定一項新技術、新產品所處的發(fā)展階段，確定產業(yè)化應用的時機且避免技術風險？如何通過技術成熟度的評價去識別研發(fā)投入的重心和方向，提高研發(fā)投入的價值創(chuàng)造？這些是本文重點探討的話題。

1 技術成熟度的等級標準

20 世紀70 年代，NASA 下屬的航空航天技術局（OAST）初步提出了技術成熟度的概念，并由Stan Sadin 制定了技術成熟度量級標準，用于評估新技術的成熟度。20世紀80 年代，美國航空航天局將技術成熟度用于評估技術發(fā)展的風險，成熟度的等級從最初6~7 個等級，逐步擴展成熟。到1995 年，NASA 的《技術完備水平白皮書》重新定義了TRL 等級，將技術成熟度擴展為4 個階段9 個等級：原理和技術概念驗證（TRL1—3）、技術攻關和演示驗證（TRL4—6）、產品開發(fā)和驗證（TRL7—8）、產品應用（TRL9），后續(xù)不同行業(yè)的技術成熟度規(guī)范標準中基本沿用了類似的定義。

我國的成熟度評價標準體系形成較晚，2009 年發(fā)布了《科學技術研究項目評價通則》（GB/T 22900-2009），按照基礎研究類項目、應用研究類項目和開發(fā)研究類項目分別制定了技術成熟度的評價指標，并在該標準中明確了基于WBS 分解的技術成熟度評價方法。在此基礎上，國家能源局2018 年發(fā)布了《核電技術成熟度評價規(guī)范》（NB/T 20511-2018）標準，給出了通用的核電技術成熟度等級[1]，見表1。

表1 核電技術成熟度等級劃分及定義

通過對技術成熟度等級劃分及定義描述分析，核電技術成熟度與研制階段、集成狀態(tài)和驗證環(huán)境三個關鍵屬性密切相關，這也是后續(xù)采用信息采集法進行技術成熟度評價的關鍵和核心。從定義角度，三個關鍵屬性的關系分析見表2。

表2 技術成熟度等級劃分及關鍵屬性內涵

2 技術成熟度評價方法的選取

技術成熟度的評價方法與評價目標、目的直接相關，需要結合評價的具體目的來選擇合適的方法。當前，針對一個復雜系統(tǒng)、設備或產品的技術成熟度評價，基本的評價思路是“從整體到局部，從局部到整體”。具體來說，就是首先對評價對象進行結構分解，結合結構分解識別關鍵的技術元素（CTE：Critical Technology Element），再對具體元素逐個進行評價，形成關鍵技術元素的成熟度清單；然后再“從局部到整體”，將關鍵技術元素的單項成熟度評價結果進行集成，形成對評價對象的整體成熟度結論。評價過程中，有兩個關鍵步驟涉及成熟度評價方法的選取，一是對關鍵技術元素的成熟度評價方法，目前主要有兩種評價方法：檢查單法和信息采集法；二是從關鍵技術元素的成熟度評價到被評價對象的集成成熟度評估，需要選擇適合的集成方法。

2.1 檢查單法

基于檢查單的評價方法是依據TRL 不同等級的定義，將每一成熟度等級的詳細內涵和指標進行分解，形成具體化的判定依據和準則，匯集形成每一成熟度等級的評價單。

在實際執(zhí)行過程中，一般不會針對每一個具體評價對象來設定檢查單，而是聚焦一個行業(yè)、一類產品進行檢查單的制定，必要時可以區(qū)分為不同類別和屬性的檢查單。譬如，某公司在核電技術成熟度評價中，建議采用基于評價檢查單的評價方法，該方法中考慮到評價對象的不同屬性，將評價單按照硬件、計算分析類軟件、儀控類軟件三個類別進行定義，并在定義中涵蓋了必須項目和可選項目。具體評價時，對照檢查單的準則和清單逐項確認，通過這種方式來確定成熟度等級。

在采用檢查單的評價方法進行成熟度評價時，一般采用先假定一個成熟度等級的方式，根據被評價對象關鍵技術元素的描述，假定一個成熟度等級，而后對照該成熟度等級表中的描述要求，評價該關鍵技術元素是否完全滿足檢查單中的條件要求。若不能滿足，則降低一級成熟度等級，再次對照成熟度檢查單中的要求進行對照分析；若能夠滿足，則提高一級成熟度等級再次進行對照。直到能夠確定該技術所處成熟度的位置為止。

檢查單法是一種結構化的評價方法，這種方法為后續(xù)程序化的進行技術成熟度評價創(chuàng)造了條件。其優(yōu)點是橫向可比性較強，缺點是與被評價技術元素的技術特征的針對性不強。

2.2 信息采集法

基于信息采集的技術成熟度評價方法是從關鍵技術元素的整個生命周期出發(fā)，根據其不同的研制階段、集成狀態(tài)、驗證環(huán)境，來確定該關鍵技術元素的TRL 等級技術特征描述，進而以此為標準，來確定被評價對象TRL 等級的一種方法。其特點是先根據TRL 通用等級標準和被評價對象的特點，制定被評價對象個體的TRL 標準，進而確定TRL 等級的方法。

在評價開始時首先要獲取該關鍵技術元素的相關信息，形成針對性的TRL 標準。為了有效獲取這些信息，通常采用如下問題方式進行信息采集[2]：

①該CTE 元素的技術狀態(tài)有哪些主要屬性？該技術屬性的參數是什么？如：設計功能、設計性能、比例尺寸、材料工藝、形態(tài)等。

②該CTE 元素與環(huán)境的關系，使用環(huán)境的屬性及參數是什么？如：溫度壓力環(huán)境，電磁屏蔽環(huán)境，輻射環(huán)境等的具體參數指標。

表3 技術成熟度檢查單示例（設備類）

③開發(fā)過程中該CTE 元素的哪些技術狀態(tài)或屬性需要進行試驗驗證？試驗驗證的關鍵屬性和參數是什么？如：原理性試驗，傳熱能力試驗等。

④該CTE 元素與其他部件或系統(tǒng)的集成關系，需要有哪些外部接口？如：設備與系統(tǒng)間的接口等，關鍵部件與設備的接口集成等。

⑤上述問題間的關聯關系是什么？相互之間有無互為因果、相互制約的關系？

結合上述問題，根據采集匯總的信息，結合表2 的成熟度標準和要求，確定被評價對象的TRL 標準。

信息采集法是充分考慮各評價對象本身的技術特征及成熟規(guī)律的一種方法，該方法從成熟度等級標準的通用定義出發(fā)，識別被評價技術對象本身技術成熟的一般規(guī)律，從技術狀態(tài)、集成程度、驗證環(huán)境三個維度，去定義每一個技術成熟度等級該項技術應滿足的條件，形成針對該技術的成熟度等級定義標準。通過上述過程可以發(fā)現，信息采集法給出的定義標準與被評價對象本身的技術成熟規(guī)律、技術特征密切相關，不具有普適性，但針對性強。一般的，通過等級定義后，基本便可確定當前技術狀態(tài)所處的成熟度等級。

2.3 系統(tǒng)技術成熟度的集成方法

由單個技術對象的技術成熟度評價去集成整個系統(tǒng)的技術成熟度時，通常有兩種方法：短板法和加權平均法。

短板法是指對由多個CTE 元素組成的項目或系統(tǒng)，以該項目或系統(tǒng)中CTE 元素成熟度等級最低的等級，作為該項目或系統(tǒng)的成熟度評價等級。具體公式如下：

TRL.s=min（TRL（i））

TRL.s：該系統(tǒng)或項目的成熟度綜合等級；

TRL（i）：第i 項CTE 元素的成熟度評價等級。

加權平均法[3]是指對由多個CTE 元素組成的項目或系統(tǒng)，以該項目或系統(tǒng)中CTE 元素成熟度等級和重要性進行加權平均，作為該項目或系統(tǒng)的成熟度評價等級。具體公式如下：

TRL.s：該系統(tǒng)或項目的成熟度綜合等級；

TRL（i）：第i 項CTE 元素的成熟度等級；

CTE（i）：第i 項CTE 元素的權重；

n：該系統(tǒng)或項目分解的CTE 元素數量。

短板法是尋找系統(tǒng)中成熟度最低的技術作為整個系統(tǒng)的技術成熟度等級，有利于識別短板；加權平均法是通過對構成系統(tǒng)的各項技術的重要性、困難度的判斷，形成一個各項技術的權重等級，通過加權平均計算的方式形成整個系統(tǒng)的成熟度等級，該方法評估的結果更具系統(tǒng)性。

2.4 評價目的與方法選取

使用技術成熟度對技術進行評價一般基于以下目的[4]：

①作為大型研發(fā)項目的組織管理工具和風險管理工具，用于評價大型研發(fā)項目的投入產出及階段轉換，避免無效的早期投入；

②識別研發(fā)項目的難點，以便針對性地投入資源，為關鍵技術的成熟制定相應的發(fā)展計劃；

③作為技術選擇工具，識別構成產品開發(fā)的技術成熟度要素，作為技術方向選擇的參考工具；

④制定技術發(fā)展路線圖的工具，結合成熟度評價去識別該項技術的成熟過程，繪制技術發(fā)展路線圖。

通過上述方法的介紹和分析，針對不同的評價目的，結合對象本身的技術特征，在工具和方法選擇上建議如下：

作為大型研發(fā)項目的組織管理工具和風險管理工具使用時，要重點關注兩個要素：項目/系統(tǒng)/產品的成熟度等級增長，以及構成項目/系統(tǒng)/產品中核心技術的成熟度等級增長情況。在進行投入產出評價時，對于系統(tǒng)的成熟度集成方法可以選用加權平均法，要合理評價系統(tǒng)整體集成度的提高，也要考慮技術成熟度的提高多大程度上是由非核心技術成熟度提高帶來的；在進行階段轉換時，要采用短板法，避免下一階段更大的風險。

作為研發(fā)項目難點識別工具時，可以采用一些簡化的方法。首先可以在進行技術元素分解的基礎上，針對不同技術元素與項目/產品的關聯性，識別該技術元素的重要度（可替換性）和困難度，針對重要、困難的技術元素進行成熟度評價即可。在評價方法選取上，推薦優(yōu)先使用信息采集法，該方法不但可以識別技術成熟度等級，也可以幫助識別該技術元素后續(xù)的技術成熟過程，為后續(xù)的技術攻關提供指引。系統(tǒng)集成方法選取上，要采用短板法，還可以以圖示的方式將關鍵技術元素的成熟度等級列出來，既識別最低成熟度等級的技術元素，也要對次最低的技術成熟度元素予以關注，以避免開發(fā)風險。

作為技術選擇工具時，對于單項技術元素的評價優(yōu)先推薦采用對照單法，以提升橫向可比性；對于成熟度的系統(tǒng)集成方法，推薦選用短板法。作為技術選擇工具時，除了成熟度本身的要素，決策者也要考慮可集成性、成本等其他因素。

作為制定技術發(fā)展路線圖的工具時，重點是要識別出關鍵技術元素的成熟過程。在評價流程中，可以針對不同技術元素與項目/產品的關聯性，識別該技術元素的重要度（可替換性）和困難度，針對重要、困難的技術元素進行成熟度評價。評價方法選取優(yōu)選信息采集法，以便更好確定后續(xù)的技術發(fā)展路線圖。該應用場景可以不進行系統(tǒng)的集成評價。

3 核電某型號研發(fā)的成熟度評價實踐

某核電型號是融合了三代核電技術的先進設計理念和我國現有壓水堆核電廠設計、建造、調試、運行的經驗，以及近年來核島發(fā)展及研究領域的成果，研發(fā)的滿足我國最新核安全法規(guī)要求和國際、國內最先進的標準要求的自主三代核電型號。為了充分暴露風險、避免在工程和運維階段產生較大的技術風險，開發(fā)單位在其研發(fā)轉工程階段開展了技術成熟度評價。

3.1 準備階段

根據評價需求，評價方和被評價方制定評價計劃，成立了評價工作組，對技術成熟度的評價方法、型號的關鍵技術特征進行了培訓，確保相關人員既熟知技術成熟度的方法和標準，亦清晰了解該型號的技術特征，具備相關領域的技術評價能力。

3.2 評價階段

3.2.1 開展技術分解結構

評價方和被評方代表針對該型號的特征，構建技術分解結構（TBS：Technology Breakdown Structure），分解結構涵蓋了主要設計方法、關鍵設備、軟件工具等領域。部分典型TBS 分解結構示例見表4。

表4 部分典型TBS 分解結構示例

3.2.2 形成關鍵技術元素清單

評價方從重要性和困難度兩個維度對TBS 結構中的技術元素進行了逐項分析，建立關鍵程度的綜合評價矩陣，識別了影響技術成熟度的關鍵技術元素，提出關鍵技術清單建議，提交評價方。所選的關鍵技術元素清單覆蓋了工程建造和運維階段的主要可能技術風險，如：新型的反應堆堆內構件和流量分配裝置、蒸汽發(fā)生器、二次側非能動余熱排出系統(tǒng)等。

3.2.3 評價關鍵技術元素的成熟度等級

針對識別出的關鍵技術元素，評價方為了確保相關技術成熟度的評價標準和維度的統(tǒng)一，經討論后決策采用檢查單法進行進行評價。評價團隊制定了適用于核電堆型的技術成熟度檢查單，對照檢查單，按照2.1 節(jié)的方法，對關鍵技術元素的成熟度等級進行了確定。如，針對蒸汽發(fā)生器，評價單的評價見表5。

表5 蒸汽發(fā)生器的成熟度評價示例（檢查單法）

3.2.4 成熟度等級的集成評價

通過上述評價，找出了某核電型號的關鍵技術元素，并得到了關鍵技術元素的成熟度等級。鑒于本次評價的目的是充分暴露風險，提前識別存在的技術短板和風險項，作為后續(xù)技術攻關和工程驗證階段的重點關注事項，評價組采用了短板法進行集成評價。確定了后續(xù)研制攻關和驗證的重點方向以及工程階段的關注要點。

3.3 總結階段

評價方就評價過程、評價準則及等級判定結論與被評方進行了充分溝通，完整記錄了相關分析評價過程，形成了某型號技術成熟度評價報告，作為該型號研制階段性的評價成果，指導了后續(xù)的型號研制和驗證過程。

4 結束語

通過對技術成熟度評價方法的系統(tǒng)分析和比較，并結合某核電型號研制階段的技術成熟度評價實踐，既認識到技術成熟度評價的普適性和風險量化分析的優(yōu)點，也認識到了該方法、工具的局限性。一是技術成熟度的評價既依賴于評價者對于擬開發(fā)技術的技術狀態(tài)的認識，也依賴于行業(yè)對于相關技術的發(fā)展水平和認知，具有一定的主觀性，因而不能絕對化。二是技術成熟度的評價是針對特定邊界范圍的評估，一項技術在某一企業(yè)可能成熟度很低，但同類技術在另一個企業(yè)技術成熟度可能很高，一定程度上取決于技術的可獲得性，所以技術成熟度的評價結論不能泛化。三是技術成熟度評價只聚焦于“技術”本身，不是“設計成熟性”、“工程成熟性”或“產品成熟性”評價，對于核電型號產品的工程可實現性考慮不多，因而近年來也有相關專家提出了“設計成熟度”、“制造成熟度”[5]等概念并提出了相應的評價工具，進一步豐富了項目管理的工具箱。