軍機總裝裝配大綱質(zhì)量風險等級評價模型研究

楊二豪，劉玉松，黃吉傳，劉正剛

1.成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，四川 成都 610092

2.空軍裝備部駐成都地區(qū)第一軍事代表室，四川 成都 610092

軍機制造是復雜的系統(tǒng)工程，是離散式制造和總裝的有機結合，為符合國際適航管理需求，適應軍機多批次、小批量、單架次的生產(chǎn)管理特點，國內(nèi)外軍機總裝普遍采用基于裝配大綱（AO）的生產(chǎn)管理模式。AO 是工藝部門根據(jù)工程設計要求、現(xiàn)有工藝水平和質(zhì)量保證要求，編寫的指導生產(chǎn)的工藝文件[1]，同時也是生產(chǎn)、檢驗的記錄文件，操作人員根據(jù)AO內(nèi)容完成規(guī)定的裝配或試驗動作，以形成飛機最終的質(zhì)量狀態(tài)。目前，軍機總裝AO主要包含工藝信息、生產(chǎn)信息，缺少質(zhì)量風險信息，因風險識別不到位的質(zhì)量問題時有發(fā)生，加之現(xiàn)階段軍機總裝風險管理現(xiàn)狀是重視項目整體的技術風險、費用風險和進度風險等，輕視產(chǎn)品制造過程中具體環(huán)節(jié)的質(zhì)量風險，造成缺陷的產(chǎn)生甚至傳遞。Baiman等[2]指出，缺陷產(chǎn)品進入市場后將產(chǎn)生外部故障成本，包括維修成本、運輸成本，以及企業(yè)形象等。對于軍機而言，產(chǎn)品缺陷可能影響部隊戰(zhàn)訓任務，導致外部故障處置歸零代價非常高，如果離開裝備使用安全，戰(zhàn)斗力將無從談起[3]。因此，對產(chǎn)品制造過程質(zhì)量風險的預先識別與評價、劃分質(zhì)量風險等級、建立分等級的質(zhì)量管控機制十分重要。

目前，針對產(chǎn)品制造過程常用的質(zhì)量風險評價方法是過程失效模式及影響分析（PFMEA）。PFMEA 起源于20世紀50 年代的美國，80 年代中期我國頒布了相應的PFMEA 技術標準[4]。PFMEA 至今已在汽車、船舶、食品[5-7]等多個領域廣泛應用，取得了良好的效果。研究表明，PFMEA目前主要應用于生產(chǎn)過程穩(wěn)定的大批量、標準化制造過程的質(zhì)量風險分析[8-9]，通過計算風險優(yōu)先數(shù)（RPN）來評價制造過程的風險等級[10-11]。然而，對于軍機總裝小批量、多狀態(tài)生產(chǎn)模式，在質(zhì)量風險識別與評價過程中，工程技術人員需要綜合分析產(chǎn)品制造過程中的人、機、料、法、環(huán)等構成因素，既要考慮不同因素之間的相對重要性，也要考慮各因素在產(chǎn)品制造過程中因頻繁調(diào)整帶來的不確定性。因此，軍機總裝過程的質(zhì)量風險識別與評價是一個復雜的、涉及多風險因素的多準則決策問題，難以用基于PFMEA 簡單評定準則表[12]的RPN 計算結果進行準確評價。

為此，結合軍機總裝以AO 為基礎制造單元的生產(chǎn)模式特點，通過對PFMEA 評價要素進行適應性修改，提出了AO風險等級評價模型以及風險接受準則，以解決軍機總裝復雜生產(chǎn)模式下的產(chǎn)品制造過程風險評價與分級管控問題，并將基于模型輸出的風險管控方法應用于國內(nèi)某主機廠C的軍機總裝制造過程中，驗證其有效性和可行性。

1 PFMEA的局限性

PFMEA 評價體系的核心是對產(chǎn)品制造過程潛在失效模式的評價要素進行判定與評分，并按公式RPN = S × O ×D[13]計算RPN 值，作為對潛在失效模式風險等級的評價依據(jù)，RPN值越大，失效模式的危害性越大。這里的評價要素指 嚴 重 度（Severity）、頻 度（Occurrence）、探 測 度（Detection），嚴重度S用以評價失效模式的影響程度，頻度O 用以評價失效模式發(fā)生的可能性大小，探測度D 用以評價失效模式的檢驗難度。

PFMEA 適用于生產(chǎn)穩(wěn)定、自動化程度高、過程控制體系完善的產(chǎn)品制造過程，但對于生產(chǎn)波動大、以手工作業(yè)為主的軍機總裝而言，存在明顯的局限性:（1）PFMEA評價體系中，嚴重度S 的評價標準無法準確描述軍機制造過程及產(chǎn)品失效對于產(chǎn)線、質(zhì)量、產(chǎn)品功能等的影響，且評價維度單一；（2）由于軍機總裝小批量的生產(chǎn)模式難以獲得足夠的失效發(fā)生頻數(shù)，因此，無法采用PFMEA 中頻度O 的評價標準對失效模式的頻度做出正確評定；（3）由于軍機總裝多狀態(tài)的特點難以開發(fā)具有較強針對性且成本可接受的探測方法[14]，且檢驗屬于非增值活動，可以通過強化工序執(zhí)行過程進行質(zhì)量保證，前提是實現(xiàn)軍機制造過程構成因素可評價。因此，在對潛在失效模式進行判定時需要引入新的評價要素，用以評價制造過程構成因素的重要程度，進而提升風險識別的區(qū)分度。

2 AO風險等級評價模型構造

風險等級即對質(zhì)量風險進行區(qū)分，依據(jù)風險對結果的影響程度對風險進行排序，以評估質(zhì)量風險的等級。AO風險等級評價模型，以AO為最小評價單元，結合軍機總裝特點對PFMEA評價體系的局限性進行優(yōu)化，具體為對嚴重度S、頻度O 的評價標準進行重新描述，引入并定義因素水平（Factor），由嚴重度S、頻度O、因素水平F組成AO風險等級的評價要素。換言之，AO風險等級是頻度和程度的綜合度量，其結構模型如圖1所示。

圖1 風險等級評價遞階層次結構模型Fig.1 Risk level evaluation of hierarchical structure model

為實現(xiàn)風險等級的量化評價，定義AO 風險等級系數(shù)（RLC）為因素水平F、頻度O 和嚴重度S 的乘積，計算公式如下。

RLC = F × O × S （1）

式中，F(xiàn)為因素水平，指產(chǎn)品制造過程構成因素對制造過程的重要程度；O為頻度，指風險發(fā)生的概率；S為嚴重度，指風險發(fā)生所產(chǎn)生后果對過程或產(chǎn)品的影響程度。

2.1 因素水平評價方法

因素水平F是指AO執(zhí)行所需構成因素對制造過程的重要程度，由工程技術人員基于軍機的系統(tǒng)原理結合工藝流程設計進行識別與定義。構成因素主要是指在工藝設計層面從4M1E[15]的角度出發(fā)，即人（Man）、機（Machine）、料（Material）、法（Method）、環(huán)（Environment），識別軍機在內(nèi)外場等不同環(huán)境下的狀態(tài)及人員、方法、設備的適應性等。因素水平F 采用數(shù)學計算的方法進行描述?；谲姍C總裝不同專業(yè)在總裝環(huán)節(jié)的不同特點，確定數(shù)學計算的強相關變量。目前，國內(nèi)外軍機總裝專業(yè)可劃分為裝配方向和試驗方向。

2.1.1 裝配方向

包括電氣電網(wǎng)敷設、導管及成附件安裝、大部件裝配與測量等。其工作特點是以人工手動操作為主，工作互通性較強。

現(xiàn)定義裝配因素水平Fz，計算公式如下

式中:Rn、Jn、Ln、Fn、Hn分別為人、機、料、法、環(huán)，n取值由評價維度決定；k1～k5為權重系數(shù)。

裝配工作一般會經(jīng)歷開工條件評估（Method &Environment）、庫房領料（Material）、工具準備（Machine）、上機操作（Man）等步驟，但所涉及的4M1E因素對飛機制造過程以及最終質(zhì)量狀態(tài)的重要程度不同，需要考慮不同因素之間的相對重要性，故在式（2）中引入了權重系數(shù)。此外，總裝環(huán)節(jié)的4M1E 中單一因素通常是由多個子因素構成的，以人因素Rn為例，其子因素包括但不限于操作人員數(shù)量R1、技能水平R2等，從AO 執(zhí)行以及保證過程質(zhì)量的角度分析，R1和R2不是相互獨立的子集，而是相互影響的交集，因此，Rn在式（2）中的表現(xiàn)形式為多項相乘。綜上，n的取值原則如下:仍以人因素Rn為例，其子因素包括操作人員數(shù)量、技能水平等，將每個子因素視為影響過程質(zhì)量的一個評價維度，若只考慮單一評價維度，n取值1，考慮兩個維度，則n取值2，以此類推。Jn、Ln、Fn、Hn同理。根據(jù)上述原則，在工程應用時可視情況考慮相對重要維度的影響程度，以簡化測算過程。

2.1.2 試驗方向

包括全機導通、液壓總調(diào)、系統(tǒng)通電、飛控試驗等。其工作特點是需要借助外部設備，尤其需要考慮系統(tǒng)交聯(lián)程度以及上電、上壓情況等。

現(xiàn)定義試驗因素水平Fs，計算公式如下

式中，Rn、Jn、Fn、Hn分別為人、機、法、環(huán)，n取值由評價維度決定；k1～k4為權重系數(shù)。

與式（2）不同的是，因總裝試驗啟動的前置條件是機上裝配狀態(tài)已達到試驗要求，因此，式（3）中不再單獨評價料因素Ln。

2.2 頻度評價方法

頻度O是指AO質(zhì)量風險在軍機制造過程中發(fā)生的可能性大小，用發(fā)生概率量化評價。頻度O 采用分級評分的方法進行描述。在PFMEA評價體系中，計算頻度O需要對大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，為解決數(shù)據(jù)量不足的問題，鄭國棟[16]等提出采用“相似零件”的統(tǒng)計方法。借鑒該方法，依據(jù)工藝流程將總裝工作劃分為電氣電網(wǎng)敷設、管路裝配、大部件裝配、試驗4 種類別，在不同類別中將質(zhì)量特征相似的質(zhì)量問題類型合并為一類，形成“相似類型”，通過統(tǒng)計分析“相似類型”發(fā)生概率的百分比，確定風險發(fā)生的頻度數(shù)，從而制定頻度O的評定準則，見表1。

表1 頻度（O）評定準則Table 1 Occurrence evaluation criteria

2.3 嚴重度評價方法

嚴重度S是指AO質(zhì)量風險產(chǎn)生后果對過程或產(chǎn)品的影響程度。嚴重度S 采用分級評分的方法進行描述。在PFMEA評價體系中，由于評價維度單一且針對性不強，因此嚴重度S無法真實反映質(zhì)量風險對軍機的影響程度。因此，參考GJBZ 1391—2006中武器裝備常用嚴酷度類型及定義、GJB 5711—2006 中裝備質(zhì)量問題定義，以及PFMEA—2019中嚴重度評估標準，結合軍機總裝制造特征、軍機功能屬性等，制定嚴重度S 評定準則時，將評價維度劃分為對過程的影響和對顧客/產(chǎn)品的影響，既要考慮軍機在出總裝前對裝配或試驗過程的影響程度，還要考慮軍機出總裝后對試飛和交付的影響程度，同時將影響程度與價值相關聯(lián)實現(xiàn)部分標準的量化評價，見表2。

表2 嚴重度（S）評定準則Table 2 Severity evaluation criteria

2.4 風險接受準則

依據(jù)軍機總裝過程對質(zhì)量風險的承受能力或容忍度，制定風險接受準則，采用風險等級進行描述。GBJ 5852—2006給出了風險接受準則示例，對風險等級的劃分進行了說明，在此基礎上，考慮到軍機總裝AO 數(shù)量、重要程度以及可執(zhí)行性等，將AO 風險等級劃分為超高風險、高風險、中風險和低風險，形成AO風險等級的四級風險接受準則。一般情況下，超高風險為不可接受風險，必須采用嚴格的控制措施消除；高風險為不可接受風險，需要采取合理的控制措施消除、轉(zhuǎn)移或降低風險等級；中風險為不可接受風險，需要控制和監(jiān)控；低風險為可接受風險，但必須進行監(jiān)測，必要時需采取相應的控制措施。在工程應用時，通過識別AO的風險評價要素F、O、S并計算風險等級系數(shù)RLC對潛在質(zhì)量風險進行區(qū)分和排序，參考風險接受準則確定AO風險等級，形成AO風險清單。

3 應用實例分析

國內(nèi)主機廠C 主要承擔軍機電氣電網(wǎng)安裝、系統(tǒng)管路安裝、整機大部件對合、系統(tǒng)安裝調(diào)試與試驗等總裝集成任務，其基礎制造單元為AO?，F(xiàn)以主機廠C為算例，簡述AO風險等級評價模型的應用方法及效果。

3.1 確定AO風險等級

3.1.1 因素水平F

由式（2）和式（3）可知，因素水平F 的本質(zhì)是對裝配或試驗過程構成因素的評估及其綜合計算。因此，F(xiàn)的計算初始條件是:基于主機廠C的工藝設計，識別并確定影響AO執(zhí)行的4M1E 因素，進而建立各因素在不同情況下的子因素評定準則，見表3、表4。根據(jù)表3，可將式（2）簡化如下

表3 裝配4M1E因素評定準則Table 3 4M1E factors evaluation criteria for assembly

常見的權重系數(shù)確定方法有AHP 層次法、CRⅠTⅠC 法、熵值法、專家經(jīng)驗法等，其中，專家經(jīng)驗法的優(yōu)勢是對數(shù)據(jù)統(tǒng)計量要求不高[17]。根據(jù)有經(jīng)驗的專家結合自身的知識和經(jīng)驗對評估對象的可能性做出判斷，評定權值的專家成員具備本專業(yè)5年以上工作經(jīng)驗，并統(tǒng)一權重確定規(guī)則，主機廠C 采用專家經(jīng)驗法對式（4）中權重系數(shù)進行賦值，取k1=0.2、k2=0.3、k3=0.15、k4=0.15、k5=0.2。

根據(jù)表4，可將式（3）簡化如下

表4 試驗4M1E因素評定準則Table 4 4M1E factors evaluation criteria for test

采用專家經(jīng)驗法對式（5）中的權重系數(shù)進行賦值，取k1=0.1、k2=0.2、k3=0.3、k4=0.4。

3.1.2 頻度O和嚴重度S

由頻度O 和嚴重度S 的評價方法可知，其輸入為質(zhì)量問題歷史數(shù)據(jù)。航空裝備在生產(chǎn)以及使用的過程中會產(chǎn)生很多的數(shù)據(jù)[18]，數(shù)據(jù)的來源因主機廠情況而異，一般來源但不限于制造、交付或維修過程的失效清單、顧客反饋問題清單、系統(tǒng)性診斷報告等，應涵蓋軍機研制、生產(chǎn)、接裝、外場使用維護全過程。主機廠C 通過建立質(zhì)量數(shù)據(jù)信息反饋鏈，使得數(shù)據(jù)信息逐級正向傳遞、逆向反饋，利用數(shù)據(jù)中臺，形成信息快速響應閉環(huán)，如圖2 所示。將數(shù)據(jù)信息回溯至相應的裝配或試驗AO 中，依據(jù)表1 和表2 即可得出O 和S的取值。

圖2 軍機全生命周期信息反饋鏈模型Fig. 2 Ⅰnformation chain model for the entire life cycle of military aircraft

3.1.3 風險等級系數(shù)與風險等級

以主機廠C 的裝配和試驗AO 為評價對象，通過式（1）可以測算出每本AO 的風險等級系數(shù)RLC（F、O、S）?；陲L險接受準則建立適用于主機廠C的風險等級系數(shù)與風險等級的對應關系，見表5。表6列舉了部分AO風險等級。

表5 風險等級系數(shù)與風險等級對應關系Table 5 Corresponding relationship between RLC and risk level

表6 部分AO的風險等級Table 6 Risk level of some AO

統(tǒng)計主機廠C歷史上產(chǎn)生過質(zhì)量問題的AO，以質(zhì)量問題數(shù)為評價標準，分析質(zhì)量問題數(shù)排名前20的AO與AO風險等級的相關性，如圖3所示。

圖3 質(zhì)量問題與AO關聯(lián)性分析Fig. 3 Correlation analysis between failure and AO

分析可知，歷史上產(chǎn)生質(zhì)量問題數(shù)較多的AO（＞10條）均為超高風險等級，質(zhì)量問題數(shù)較少的AO（＜3 條）中低風險等級占比為66.67%，說明AO 風險等級評價模型對風險識別的準確性，驗證了模型結果與主機廠C 實際情況一致。

3.2 基于AO風險等級的質(zhì)量管控方法

基于AO風險等級評價模型的質(zhì)量管控方法以實現(xiàn)軍機質(zhì)量狀態(tài)的AO 為載體，將質(zhì)量管控重點從風險事件轉(zhuǎn)為風險過程，通過計算RLC（F、O、S）科學區(qū)分AO風險的高中低水平，在質(zhì)量管控活動中，根據(jù)AO風險等級進行分類施策，進而提高質(zhì)量管控的效率效能，具體做法如下:

（1） 在技術層面，建立制造端風險等級、檢驗端質(zhì)量問題、控制端改進策略三者的邏輯關系，通過循環(huán)迭代，從源頭上對潛在質(zhì)量風險進行有效控制，以滲液/油為例，質(zhì)量風險控制邏輯如圖4所示。

圖4 基于AO風險等級的管控策略Fig. 4 Control strategy based on AO risk level

（2）在管理層面，提高高風險以上AO 審簽級別，或利用信息技術實現(xiàn)AO 風險顯性化，以對操作過程進行風險提示等；或在計劃排產(chǎn)時，使AO風險等級與操作技能等級相匹配，實現(xiàn)人力資源合理分配等；或在檢驗驗收時，根據(jù)AO風險等級合理規(guī)劃檢驗驗收細則，將高風險AO納入軍檢、總檢、專檢項目，將中低風險AO納入自檢項目，減少同質(zhì)化檢驗，縮短軍機交付周期等。

3.3 基于AO風險等級的質(zhì)量改進成效

軍機總裝環(huán)節(jié)主要以手工作業(yè)為主，經(jīng)統(tǒng)計分析，自模型實施以來，人為因素相關的質(zhì)量問題發(fā)生概率明顯降低，見表7。

表7 質(zhì)量問題發(fā)生概率統(tǒng)計Table 7 Probability of failure statistics

總體而言，主機廠C 應用AO 風險等級評價模型對軍機總裝AO的風險等級進行了準確區(qū)分，并在實施基于AO風險等級的質(zhì)量管控方法后，各項質(zhì)量指標均有較大程度改善，平均單機不合格數(shù)下降73.12%，單機超差數(shù)下降44.83%，單機報廢數(shù)下降53.85%，產(chǎn)品整體質(zhì)量控制水平得到提升。

4 結論

通過研究，可以得出以下結論:

（1）本文通過對總裝產(chǎn)品制造過程特點的綜合分析，以總裝基礎制造單元AO 為載體，提出以因素水平F、頻度O及嚴重度S為評價要素的AO風險等級評價模型，定義并給出風險等級系數(shù)RLC（F、O、S）的計算方法，實現(xiàn)了AO風險等級的量化評價，并依據(jù)總裝過程對風險的承受能力制定了風險接受準則。

（2）本文提出的AO 風險等級評價模型的評價結果能為軍機制造過程質(zhì)量風險精準管控提供輸入，有利于對裝備整個形成過程中的關鍵特性進行監(jiān)督，提高質(zhì)量監(jiān)督效能，在主機廠C 的應用實踐中，取得了較好的質(zhì)量改進效果。