CN103646147A - 一种宇航元器件的成熟度综合评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种宇航元器件的成熟度综合评价方法。该方法针对目前元器件生产厂设计验证不充分，宇航元器件鉴定技术能力不足的现状，提出一种基于成熟度模型的宇航元器件综合评价方法，对元器件性能指标进行数字等级量化，为确保宇航元器件的选用，提供判断方法。该专利首先确定宇航元器件成熟度的概念，然后对元器件成熟度的等级做出了明确划分，给出各等级划分的主要工作内容，再给出元器件的评价准则、综合评分方法、以及评价实施步骤，最后给出了元器件的成熟度提升程序，为宇航元器件产品性能的持续提升，提供重要的理论基础。

Description

一种宇航元器件的成熟度综合评价方法

技术领域

本发明涉及一种宇航元器件的成熟度综合评价方法，具体面向宇航用元器件，应用成熟度评价方法对元器件性能做出综合评价。

背景技术

成熟度是元器件、系统或整套设备，从规划、设计、研发、到使用，以及后续应用或提升的一种成熟等级。产品成熟度是将成熟度的概念引入到产品开发与应用之中，从成熟度等级上，判断产品的研发周期，从而缩短研发周期，节约研发成本，减小研发风险。

目前关于成熟度问题的提出，美国航空航天局在20世纪80年代提出技术成熟度概念，并于2002年4月5日，在颁布的DoD5000.2-R文件中，将技术成熟度的等级扩展为9级。2003年，美国国防部在颁布的《技术成熟度评估手册》中，对成熟度等级做出了明确的规定，并于2005年3月将技术成熟度评估方法，应用于F/A-22猛禽飞机、联合攻击战斗机JSF的研制和B2飞机雷达改造等项目做出了评估，结果表明采用成熟技术等级高的作为项目开端，比采用不成熟的技术制造产生的成本多增加32%，进度多推迟6个月，由此可见，采用不成熟的技术将会给项目研制带来巨大的风险。

我国在元器件成熟度问题中的研究，还处于探索阶段，目前还没有明确的标准对元器件的成熟度等级进行划分，也没有相应的评价准则。同时，国产宇航元器件的研制水平与国外相比，无论从元器件的材料、工艺，还是元器件研制的技术储备等方面均有一定的差距。因此，基于宇航元器件的成熟度综合评价方法，急需解决，为我国宇航元器件的国产化与元器件的可靠性保证，提供科学的理论判据。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的空白，提供了一种宇航元器件成熟度的综合评价方法。

本发明的技术解决方案是：一种宇航元器件成熟度的综合评价方法，其具体通过如下技术方案来实现：

技术方案1、一种宇航元器件的成熟度综合评价方法，包括：宇航元器件成熟度概念、宇航元器件成熟度等级划分、宇航元器件成熟度评价准则、宇航元器件成熟度评分方法、评估步骤、以及宇航元器件成熟度提升程序。 

技术方案2、针对技术方案1所述的一种宇航元器件的成熟度综合评价方法，其宇航元器件成熟度概念定义为：宇航元器件成熟度概念是指对元器件从设计、生产加工、试验验证、到使用状况等全生命周期所有要素合理性、完备性以及可靠性的一种度量。

技术方案3、基于宇航元器件成熟度等级的划分，共分为9个成熟度等级，根据等级的划分确定各等级名称，以及相应的工作内容；

（1）第一级：概念阶段

     通过调研研究，掌握取得的成果及相关技术积累；收集论文、资料；研究、发表论文、专著以及形成的专利情况；

（2）第二阶段：关键技术攻关阶段

      提出课题任务的总体设计方案；运用已有积累、成果和准备创新技术进行总体设计；分析已有技术、创新技术和外来技术，明确创新技术实现方案，提出技术集成方案可行性；

（3）第三阶段：初样研制阶段

     对器件进行正式开发和初样研制；在实验室环境中，对确定的技术进行开发、研制；在仿真环境中，对实验室环境验证后的结果进一步分析、验证；实现器件性能基本满足设计要求；

（4）第四阶段：正样研制阶段

      在初样基础上对器件进行正样样品研制；在试验环境中，对器件进行考核，并进行试验验证，实现器件性能、可靠性满足应用要求；

（5）第五阶段：鉴定定型阶段

      对器件进行鉴定检验，满足器件详细规范、宇航采购规范等要求；

（6）第六阶段：地面验证阶段

      在地面模拟环境中评估、完善鉴定定型器件，并使其测试性能指标满足地面测试要求；

（7）第七阶段：飞行验证阶段

      满足宇航使用的实际飞行应用；对元器件在实际空间飞行环境进行验证，满足应用要求，确定飞行验证方案；

（8）第八阶段：小批量应用阶段

      满足扩展宇航用户的实际应用，实现元器件小批量在宇航实际环境中的应用；

（9）第九阶段：大规模应用阶段

      实现产业化，完成研制任务；在实际宇航环境中，完成产业化考核，实现大规模应用。

技术方案4、基于宇航元器件成熟度评价准则的确定，对宇航元器件成熟度评估准则的关键域要素进行了划分，划分为三个关键域，即：原理设计域、加工制造工艺域，以及试验验证域；又在三个关键域的大类中，包含了各关键域中重要的域内要素，并确定了域内要素的组成。

技术方案5、基于宇航元器件成熟度评分方法的确定，给出元器件成熟度评分数学模型公式                                                

，设置各级成熟度等级评分门限值0.6N，如果成熟度评价值大于或等于0.6N，则满足该等级的评价标准，否则（CRL＜0.6N）该器件的成熟度等级将降为N-1级；其中CRL为元器件成熟度（Component Readiness Levels，CRL），i为模型中关键要素的个数，n为各要素的个数，N为元器件成熟度等级分值（不同的等级对应不同的分值，例如在计算成熟度等级1级的评价过程中，N=1；成熟度等级2级的评价过程中，N=2；依此类推），α与γ分别为权重系数。

技术方案6、基于宇航元器件成熟度评估步骤的确定，依据获取元器件设计、使用等级信息的差别，元器件成熟度等级评估步骤分为：中间阶段评价法与起始逐级评价法。

技术方案7、基于宇航元器件成熟度提升程序的设计，提出宇航元器件“梯形”成熟度提升模型，实现元器件各阶段循环验证，达到逐步提升元器件成熟度等级的目的。

发明与现有技术相比的优点在于：

本发明针对国内元器件生产、设计以及宇航环境使用特点，提出一种宇航元器件的成熟度综合评价方法，规定了宇航元器件成熟度的定义，划分了宇航元器件成熟度等级标准，建立了宇航元器件的评价体系，以及具体实现步骤，最后对宇航元器件成熟度提升程序进行了设计，达到元器件成熟度等级提升的目的。本发明适用于宇航用元器件的分析和评价技术，为宇航元器件从设计、生产加工、试验验证、到使用状况等全生命周期要素评价提供量化标准，同时也为我国航天重大型号项目的研制建设，提供重要的技术支撑。

附图说明

图1为本发明宇航元器件成熟度综合评价系统原理框图；

图2为本发明宇航元器件成熟度提升“梯形”模型原理图。

具体实施方式

本发明是一种宇航元器件成熟度的综合评价方法，根据技术方法特征主要分为宇航元器件概念的制定，宇航元器件成熟度等级划分及内容确定，宇航元器件成熟度评价准则的建立，宇航元器件成熟度评分方法的研究，评估步骤过程实现，以及宇航元器件成熟度提升程序的制定等内容。具体实现系统原理框图如图1所示：

步骤1、确定一种宇航元器件的成熟度综合评价方法研究内容。

如图1所示，可以清晰掌握本发明方法所包含的研究内容，通过对目前现有国内外研究资料的调研，并结合宇航系统的特点，梳理出基于宇航元器件的成熟度综合评价体系构成，归纳总结出宇航元器件成熟度的定义；并根据元器件设计、生产、以及宇航应用，划分了元器件的成熟度等级；在划分的成熟度等级基础上，进一步制定宇航元器件的评价准则，确定不同划分等级中，各关键域要素的组成，构建科学合理的宇航元器件成熟度综合评价准则要素表；建立元器件成熟度评价数学模型公式，并设置达到评价等级标准的等级门限值，按照综合评价准则要素表相关内容，对元器件成熟度进行评价；在评价过程中根据获取元器件等级信息的差别，将宇航元器件成熟度评估步骤分为中间阶段法，以及起始逐级评价法，两种步骤进行评价，给出具体评价步骤；最后给出宇航元器件成熟度提升程序，为元器件成熟度等级持续提升提供方法。

步骤2、宇航元器件成熟度概念确定。

目前，关于成熟度的概念，有基于产品技术成熟度、制造成熟度的概念定义，但对于宇航元器件的成熟度概念，还没有明确的定义。本发明结合元器件生产设计特点，以及宇航应用的特点，提出宇航元器件成熟度概念定义：宇航元器件成熟度概念是指对元器件从设计、生产加工、试验验证、到使用状况等全生命周期所有要素合理性、完备性以及可靠性的一种度量。

    步骤3、宇航元器件成熟度等级的划分。

宇航元器件从元器件研制到宇航应用主要经历以下阶段：概念阶段→关键技术攻关阶段→ 初样试制阶段→正样研制阶段→鉴定定型阶段→地面验证阶段→飞行验证阶段→小批量应用阶段→大规模应用阶段等九个阶段。此九个阶段覆盖了元器件从开始的概念设计、到样品研制、样品定型、地面性能验证、飞行验证检验（面向宇航）、到最后大规模应用的全设计验证周期。本发明方法依据此九阶段，将宇航元器件成熟度等级划分为九个等级。各等级划分名称，以及阶段的工作内容如表1所示。

表1   宇航元器件成熟度等级划分表

 

上表根据划分的成熟度等级，明确了各相应等级的工作研究内容，同时也为步骤4，元器件成熟度评价准则中评价要素的确定，提供了基础。

步骤4、基于宇航元器件成熟度评价准则的确定。

元器件从立项、设计研制、生产到性能验证，以及最后的定型大规模应用，经历了复杂与长期的试验过程。此过程包括了元器件原理设计、器件加工制造工艺、以及试验验证等几个关键域要素，因此对于元器件的成熟度评估准则，要充分掌握此试验过程的关键域要素，细化评价标准。

对于元器件评估准则中的关键域要素，可以分为3个关键域，即：原理设计域、加工制造工艺域，以及试验验证域。在3个关键域的大类中，又包含了各关键域中重要的域内要素，各域内要素又构成评价各关键域的重要因素。此元器件评估准则要素表，要依据每各等级界定范围，及在界定范围内合理设置域内要素。表2中，以典型宇航飞行阶段成熟度等级7级为例，给出了各成熟度等级的界定范围，并根据成熟度等级的三大关键域，给出各级成熟度的域内要素。其余等级域内要素的确定，依据实际设计应用情况进行调整，例如概念阶段（成熟度等级1级）、关键技术攻关阶段（成熟度等级2级），此阶段处于元器件关键技术的研究阶段，因此不涉及试验验证阶段的内容。

 

步骤5、基于宇航元器件成熟度评分方法的确定。

    各等级宇航元器件成熟度评估要素表的建立，是宇航元器件成熟度评分方法确定的基础与重要依据，由于不同关键要素在元器件中的权重不同，使用元器件成熟度评价模型对不同型号的元器件进行成熟度评价时，不能对不同评价指标所得到的分值，直接相加而获得，因此系统采用综合评价的方法对元器件成熟度进行评价打分。

综合评价是基于系统分析的思想，运用各种数学模型为确定宇航元器件满足宇航应用的成熟度和在宇航工程中的可用性而展开的进行描述、分析和提供评价结论等一系列工作。该方法采用无量纲的分数进行综合评价，即先分别按不同指标的评价标准对各评价指标进行评分，然后采用加权相加的方法获得总分。其中，在评分过程中，各要素的权重系数直接影响着评价结果的准确性，合理确定权重对宇航元器件成熟度评价有重要的意义。该权重系数的确定是通过专家问卷调查和专家答辩的方式，将各指标的定性语言描述转化为定量数据表述的过程。因此元器件成熟度模型计算公式为：

其中CRL为元器件成熟度（Component Readiness Levels，CRL），i为模型中关键要素的个数，n为各要素的个数，N为元器件成熟度等级分值（不同的等级对应不同的分值，例如在计算成熟度等级1级的评价过程中，N=1；成熟度等级2级的评价过程中，N=2；依此类推），α与γ分别为权重系数。该公式表明了元器件关键要素与各因素之间，以及成熟度等级值之间的联系，进一步为元器件成熟度评价标准提供了数学理论基础。

本发明以元器件在达到成熟度等级6级的基础上，对其是否满足成熟度等级7级进行评估为例，说明元器件成熟度的综合评价方法。成熟度等级7级的评估表及域内要素如表2所示，表中给出了三大类域以及每个域中所对应域内要素的权重值，及其分配情况，该等级下权重与分别由专家定量给出。要素成熟度等级分值N，根据评价的成熟度等级做出调整，评价成熟度等级7级时，N=7；在评价时，如果研制的元器件没有满足域中域内要素的条件要求，此时的要素等级分值N赋值为0，即N=0；达到条件要求N赋值为7，即N=7。在所有域内要素评价完成，即给出要素等级分值N的分布情况后，将各域权重分值累计加和，最后得出成熟度等级值。

该成熟度等级值规定，如果最后得出该等级下成熟度等级值CRL≥0.6N，则证明该种元器件在该等级下达到成熟度要求，满足进行下一更高等级的成熟度评价条件，否则，表明该种器件的成熟度只达到N-1级等级。表3中，表明器件所有的域内要素均满足条件，所以最后CRL=7≥0.6N（0.6x7=4.2）证明达到成熟度等级7级，并满足成熟度等级进一步评价的第8等级要求。成熟度达到标准的门槛限制为0.6N，如果成熟度评价值大于或等于0.6N，则满足该等级的评价标准，否则（CRL<0.6N）该器件的成熟度等级将降为N-1级。

步骤6、基于宇航元器件成熟度评估步骤的确定。

在评价过程中根据获取元器件等级信息的差别，将宇航元器件成熟度评估步骤分为中间阶段法，以及起始逐级评价法。

中间阶段评价法步骤为：

（1）   依据器件等级定义和阶段性性能指标状态，确定器件起始预估成熟度等级。

（2）  逐条检查预估等级判定条件，判断是否满足该等级条件。

（3）确定等级。如果达到等级条件，则进入更高一等级的判定条件进行评价；如果未达到等级条件，则进入更低一等级的判定条件进行判定。重复此过程，直至被评技术满足等级N判定条件的要求，且不满足等级N+1级判定要求时，则确定该器件的成熟度等级为N级。

起始逐级评价法步骤为：

从成熟度第一等级N=1开始，判断被评估技术是否满足该等级的评定条件，如果满足条件，则评价是否满足更高一级的评定条件。直到不满足N级评定条件为止，被评定元器件的成熟度等级为N-1级。

步骤7、宇航元器件成熟度提升程序的设计。

    为了进一步完善宇航元器件成熟度体系，在确定了元器件成熟度评价方法、评估准则、及评分方法后，元器件成熟度提升程序是在元器件原有成熟度等级的基础上，通过实验测试等方法，改进元器件的制造工艺、使用性能等因素，从而再次提升元器件成熟度等级的一种方法。

    本发明根据宇航元器件设计、生产、以及使用性能等实际情况，提出了宇航元器件的“梯形”成熟度提升模型，其模型结构图如图2所示。该模型从宇航元器件实际的设计要求出发，经历关键技术攻关、元器件设计、器件样品研制、器件初样品验证等阶段，该阶段完成了初级宇航元器件样品的初级研制过程；该阶段完成后，再经过元器件的地面、空间性能验证，通过该阶段的验证发现元器件在性能与设计方面存在的问题与缺陷；再通过器件改进与再设计、器件样品再生产、器件样品再验证等阶段，确定元器件的成熟度；元器件成熟度的提升是一个循环验证与提升的过程，因此通过循环验证过程，将决定元器件成熟度的诸多关键要素，再次通过改进验证等过程，达到元器件成熟度不断提升的目的；不断提升的元器件成熟度等级，将进一步的指导元器件的定型，从而完成器件定型后的大量供应。此模型体现了宇航元器件从“设计、研制、验证”到“再设计、再研制、再验证”的过程，不断通过循环验证阶段，提升元器件的成熟度。

Claims (7)

1.一种宇航元器件的成熟度综合评价方法，其特征在于包括：宇航元器件成熟度概念、宇航元器件成熟度等级划分、宇航元器件成熟度评价准则、宇航元器件成熟度评分方法、评估步骤、以及宇航元器件成熟度提升程序。

2. 根据权利要求1所述的一种宇航元器件的成熟度综合评价方法，其中宇航元器件成熟度概念是指对元器件从设计、生产加工、试验验证、到使用状况等全生命周期所有要素合理性、完备性以及可靠性的一种度量。

3.根据权利要求1所述的一种宇航元器件的成熟度综合评价方法，其中，将宇航元器件成熟度等级划分为9个成熟度等级，根据成熟度等级的划分确定各等级名称，以及相应的工作内容；

（1）第一级：概念阶段

     调研研究，掌握取得的成果及相关技术积累；收集论文、资料；研究发表的论文、专著以及形成的专利情况；

（2）第二级：关键技术攻关阶段

      提出总体设计方案；运用已有积累、成果和准备创新技术进行总体设计；分析已有技术、创新技术和外来技术，明确创新技术实现方案，提出技术集成方案可行性；

（3）第三级：初样研制阶段

     对器件进行正式开发和初样研制；在实验室环境中，对确定的技术进行开发、研制；在仿真环境中，对实验室环境验证后的结果进一步分析、验证；实现器件性能基本满足设计要求；

（4）第四级：正样研制阶段

      在初样基础上对器件进行正样样品研制；在试验环境中，对器件进行考核，并进行试验验证，实现器件性能、可靠性满足应用要求；

（5）第五级：鉴定定型阶段

      对器件进行鉴定检验，满足器件详细规范、宇航采购规范等要求；

（6）第六级：地面验证阶段

      在地面模拟环境中评估、完善鉴定定型器件，并使其测试性能指标满足地面测试要求；

（7）第七级：飞行验证阶段

      满足宇航使用的实际飞行应用；对元器件在实际空间飞行环境进行验证，满足应用要求，确定飞行验证方案；

（8）第八级：小批量应用阶段

      满足扩展宇航用户的实际应用，实现元器件小批量在宇航实际环境中的应用；

（9）第九级：大规模应用阶段实现产业化，完成研制任务；在实际宇航环境中，完成产业化考核，实现大规模应用。

4.根据权利要求1所述的一种宇航元器件的成熟度综合评价方法，其中，基于宇航元器件成熟度评价准则的确定，对宇航元器件成熟度评估准则的关键域要素进行划分，即：原理设计域、加工制造工艺域，以及试验验证域；又在三个关键域的大类中，包含了各关键域中重要的域内要素，并确定域内要素的组成。

5. 根据权利要求1所述的一种宇航元器件的成熟度综合评价方法，其中，基于宇航元器件成熟度评分方法的确定，给出元器件成熟度评分数学模型公式                                                

，设置各级成熟度等级评分门限值0.6N，如果成熟度评价值大于或等于0.6N，则满足该等级的评价标准，否则（CRL＜0.6N）该器件的成熟度等级将降为N-1级；

其中CRL为元器件成熟度，i为模型中关键要素的个数，n为各要素的个数，N为元器件成熟度等级分值，α与γ分别为权重系数。

6.根据权利要求1所述的一种宇航元器件的成熟度综合评价方法，其中，基于宇航元器件成熟度评估步骤的确定，依据获取元器件设计、使用等级信息的差别，元器件成熟度等级评估步骤分为：中间阶段评价法与起始逐级评价法。

7.根据权利要求1所述的一种宇航元器件的成熟度综合评价方法，其中，基于宇航元器件成熟度提升程序的设计，提出宇航元器件“梯形”成熟度提升模型，实现元器件各阶段循环验证，达到逐步提升元器件成熟度等级的目的。

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