航天工程系統技術成熟度評估方法研究

（北京理工大學管理與經濟學院，北京 100081）

1 引言

航天工程屬于復雜系統，其系統結構復雜、運用技術復雜、組織管理復雜，任何一個微小的差錯都可能造成工程實施的不成功。因此，技術成熟度問題首先在航天領域獲得研究并在實踐中得到廣泛應用。美國國家航空航天局（NASA）基于阿波羅登月項目的實踐，早在1969年就產生了要準確闡述未來空間系統應用新技術狀態的觀點［1］。20世紀70年代中期，NASA 引入技術成熟度等級（Technology Readiness Level，TRL）的概念以評估新技術的成熟度；20世紀70年代末，NASA 產生了最早度量技術成熟度的標準——技術成熟度等級［2］。1995年NASA 出臺《TRL 白皮書》，將TRL分為9級，并制定了具體應用規范和程序。

此后，美國國防部（DoD）借鑒NASA 評價標準，于2003出版了《TRL評估手冊》，并要求所有重要國防采辦計劃中都必須應用TRL。西方其它國家學習美國經驗，也在國防采辦中積極推廣TRL。例如，英國國防部（MoD）于2005年開發了技術嵌入度量標準（Technology Insertion Metric）［3］，包括技術成熟度（TRL）等級、系統（集成）成熟度等級（Sytems（Integration）Readiness Level）、集成成熟度等級（Integration Maturity Level）3個方面內容，并將這種度量標準應用于武器系統工程的各個階段實踐中；加拿大國防部（DND）于2006年開發出了原型的綜合評估體系——技術成熟度體系（Technology Maturity Level System，TML System），并將其應用于加拿大國防部系統與設備采辦的管理系統——國防管理系統（Defence Management System，DMS）中［4］。

目前，技術成熟度方法不僅應用于軍工領域，也被廣泛應用在國民經濟的各個行業中。不過，技術成熟度評估方法的研究與應用一直側重于對單一技術的評估，從而在需要多種關鍵技術集成的復雜系統工程應用中產生了局限性。一些相關研究已經注意到了這個問題，并針對技術集成問題開展了某些技術集成成熟度評估方法研究。比如，一些學者提出了集成成熟度等級（IRL）概念，認為不同技術之間進行組合或者技術集成時，要考慮集成的物理屬性及各關鍵技術間相互作用、兼容性、可靠性、可維修性、可保障性等要素，完成對系統集成狀態技術成熟度評估［5-8］；一些學者通過建立技術單元體系結構，采用加權方法等直接計算技術集成成熟度［9-10］；一些學者探討了武器裝備體系層面的技術成熟度評估方法［11-13］。

航天工程的系統結構具有復雜的層次性，對應存在著實現其功能的技術系統結構，且技術與技術間以及技術模塊間需要通過集成技術完成連接。因此，本文研究認為，航天工程系統的技術成熟度評估應遵循航天工程本身的技術實現系統，去構建逐層集成的技術成熟度評估體系，最終完成對航天工程的整體技術成熟度評估。

2 航天工程技術系統結構的一個分層次描述

一項航天工程往往可以分解為若干個分系統，每個分系統又可以分解為多個子系統，每個子系統則由眾多單機構成。比如，中國載人航天工程由航天員、空間應用、載人飛船、運載火箭、發射場、測控通信、著陸場和空間實驗室八大系統組成；就載人飛船分系統而言，它由推進艙、返回艙、軌道艙3個子系統構成；進一步從神舟號飛船的推進艙構成看，其安裝有推進系統發動機和推進劑、飛船電源、太陽電池翼、環境控制和通信等系統、設備?？梢?，一項航天工程有著極其復雜的系統構成，其對應的技術系統也是十分復雜的。為此，可以對應于航天工程的系統組成，形成一個具有多層次結構的技術實現系統（見圖1）。其中，每一個層次技術都是通過下一級相關技術的集成而構成的一個技術集成體，因此每一個技術層中都包括了集成技術；就底層的單機技術而言，它可以分解為設計、材料、工藝、方法、設備、單機集成技術6類基本構成要素。

圖1 航天工程技術系統結構Fig.1 Aerospace engineering technology system structure

3 單機構成中的要素技術成熟度評價

技術成熟度等級一般劃分為9級，例如在美國國防部2009年版的《技術成熟度評估案頭書》中，將技術成熟度等級劃分為9 級，其含義見表1［14-15］。按照9級評價標準，可以針對某一具體航天工程單機構成中的要素技術成熟度首先給出評價，進而自下而上逐層匯總評價結果，最終得出整體系統的技術成熟度評價。

表1 技術成熟度等級劃分Table 1 Technology readiness level grading

1）設計成熟度評價

設計的技術層次包括3個層面：物理原理設計→結構設計→工藝設計。參照技術成熟度9級劃分方法，可將航天單機設計成熟度定義為9級（見表2）。設計工作中，針對一個具體的單機可依據表2級別定義做出其設計成熟度等級評價。

表2 航天工程單機設計成熟度等級劃分Table 2 Unit design readiness level grading in aerospace engineering

2）材料成熟度評價

航天工程中使用的材料復雜，且許多材料是特種材料、新發明的材料。因此，確認材料的成熟度對工程實施的可靠性極為重要。材料的應用通常采用積木式方法逐步驗證和實施，即對材料從試件、元件、組件、部件，直到全尺寸部件結構都需要進行嚴格考核［16］。

在此，可結合積木式方法的實施步驟，將單機使用材料的技術成熟度按9個等級劃分見表3。

表3 航天工程單機材料成熟度等級劃分Table 3 Unit material readiness level grading in aerospace engineering

3）工藝成熟度評價

產品制造工藝成熟程度［17］：主要表現在產品工藝對設計要求的實現程度及其自身的完善程度，特別是產品制造工藝所達到的可操作、可量化、可檢測、可重復程度，以及由不同時間、不同地點、不同人員生產出的產品的一致性程度，其核心在于工藝關鍵特性的識別、確定及其驗證的充分性。

可考慮工藝狀態、工藝基礎、工藝實施和保障條件等內容維度，依據9級成熟度評價模型定義制造工藝成熟度等級劃分（見表4）。在具體的評價中，每個維度確立典型評價要素，確定成熟度模型中每一級的評價標準，進而針對實際單機對象作出成熟度評價。

表4 航天工程單機制造工藝成熟度等級劃分Table 4 Unit manufacturing process readiness level grading in aerospace engineering

4）方法成熟度評價

方法在技術成熟度評價中常常被輕視，而它涉及的方面很多，且是技術成熟程度的一個重要環節。比如，方法可體現在可靠性評價、質量控制、模型化、仿真能力、測試，概念模型、仿真模型、仿真結果分析、工藝模型等諸多方面。

同理，可以依據9級成熟度評價模型定義方法成熟程度等級劃分（見表5），據此可以評價實際單機制造的方法成熟度。

表5 航天工程單機制造方法成熟度等級劃分Table 5 Unit manufacturing method readiness level grading in aerospace engineering

5）設備成熟度評價

設備成熟度評價是對航天工程制造應用的設備成熟度給出評價，它主要體現為完整的生產設備及制造能力。航天工程單機制造使用設備的9級成熟度等級劃分見表6。

表6 航天工程單機制造使用的設備成熟度等級劃分Table 6 Unit manufacturing equipment readiness level grading in aerospace engineering

6）單機集成技術成熟度評價

單機制造會涉及多種技術運用，每項單一技術的成熟度高并不能保證單機制造的整體技術成熟度達到高水平，因為還取決于其技術間的集成水平。因此，可對技術集成能力劃分級別，結合實際單機對象，完成具體單機集成技術成熟度評價。表7給出了一個單機集成技術成熟度等級劃分定義［18］，可供單機集成技術成熟度評價中參考。

表7 單機集成技術成熟度等級劃分Table 7 Unit integration technology readiness level grading

同時，上述單機集成技術成熟度等級劃分，可根據具體系統背景進行適當修訂，形成子系統、分析統、系統3個級別的各自9級技術成熟度評價定義。

4 航天工程系統技術成熟度的逐層評估

1）航天工程單機技術成熟度評價

假定第k個單機有p個基本要素，第l個要素的技術成熟度評價為Rkl（l＝1，2，……，p），其對應賦予的技術權重為Wkl；假定該單機集成技術成熟度評價為RkS，其集成技術權重為WkS，且有＋WkS＝1。則第k個單機技術成熟度評價為

2）航天工程子系統技術成熟度評價

假定第j子系統由m個單機構成，第k個單機的技術成熟度為Rjk（k＝1，2，……，m），其對應賦予的技術權重為Wjk；假定該j子系統集成技術成熟度評價為RjS，其集成技術權重為WjS，且有＋WjS＝1。則第j子系統技術成熟度評價為

3）航天工程分系統技術成熟度評價

假定第i個分系統有n個子系統，第j個子系統的技術成熟度為Rij（j＝1，2，……，n），其對應賦予的技術權重為Wij；假定第i分系統集成技術成熟度評價為RiS，其集成技術權重為WiS，且有＋WiS＝1。則第i個分系統技術成熟度評價為

4）航天工程整體系統技術成熟度評價

假定航天工程系統有q個分系統，第i個分系統的技術成熟度為Ri（i＝1，2，……，q），其對應賦予的技術權重為Wi；假定該系統集成技術成熟度評價為RS，其集成技術權重為WS，且有＋WS＝1。則該航天工程系統的整體系統成熟度評價為

5 結束語

從目前的理論研究與實際應用情況看，都傾向于單一技術成熟度評估思維，即對系統某一級別對象完成獨立技術成熟度評估。這種做法雖然容易實現，但并不符合實際技術系統的整體結構關系。任何一個技術系統的先進性、成熟性、可靠性都依賴于各層次技術的情況及其技術集成能力，簡單的裝置技術與制造問題都可能影響到一個航天工程的安全性能。因此，本文認為應從最基本的單機構成要素為起點進行技術成熟度評價，進而按照逐層集成的方法完成一項航天工程整體技術系統成熟度的評估工作。本文的研究成果主要體現在思維與方法的創新價值，實際應用可能存在許多困難與復雜性，但其合理性是顯而易見的，希望能對航天工程特別是重大航天工程整體技術系統成熟度評估的實際工作產生有意義的影響。

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