CN111815136A - 一种航空产品全生命周期成熟度建模方法 - Google Patents

一种航空产品全生命周期成熟度建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种航空产品全生命周期成熟度建模方法，包括步骤：1)根据待评估的航空产品的全生命周期的定义和要点确定航空产品的五个成熟度等级阶段，建立各成熟度等级下航空产品的三级评价指标体系；2)采用专家调查法以及层次分析法确定三级评价指标体系中各三级指标所占权重；3)根据各三级指标所占权重，对各一级指标进行综合计算，获取各一级指标对应的得分；4)根据得分采用模糊隶属度函数法获取航空产品成熟度评价结果。与现有技术相比，本发明可将产品生命周期数字化，保证数字模型的有效性、可追溯性，使飞机设计生产以及使用过程更加安全、高效，实现设计制造以及售后服务一体化。

Description

一种航空产品全生命周期成熟度建模方法
技术领域
本发明涉及产品成熟度建模方法，尤其是涉及一种航空产品全生命周期成熟度建模方法。
背景技术
中国传统航空产品研制过程中设计部门与制造部门分离，研制流程多为单向串行，导致航空产品研制具有技术含量高、研发成本大、投资风险多、研制周期长等特点。近年来，随着航空航天产业的迅速发展，各航空制造企业竞相对航天单机产品进行设计制造一体化的理论研究以及模型搭建，以达到缩短研制周期、降低生产制造成本以及提高产品质量的目的。
产品的全生命周期以需求分析作为起点，经过规划与设计投入生产，通过出售，在用户处运行、使用，再经过维修保养，最终被回收再处置。上述完整生命周期的管理过程称为产品全生命周期管理。它强调各个部门的并行工作，强调设计与制造的最优方案，保证在充分考虑各相关因素的影响后，通过决策建立高效的运行机制，使得产品具有更好的可设计性，可制造性，可维护性，最大限度地实现产能与质量的共赢。
成熟度是对产品固有质量和可靠性的完备程度以及可应用程度的综合度量。由于成熟度模型适用于对复杂产品研制流程的管理和优化，所以将成熟度模型应用于航空产品全生命周期的并行协同模式中，实现对航空产品生产运行阶段的准确定位，从而对航空产品全生命周期过程进行更加有效的流程控制。然而，针对产品的全生命周期，目前尚未有统一的成熟度定义，且缺乏结合具体航空制造企业开展成熟度模型构建。此外，对于航空制造企业来说，设计制造一体化研究涉及专业广、技术难度大，目前绝大多数产品评估模型主要围绕设计环节，延伸至制造环节的较少。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种航空产品全生命周期成熟度建模方法，该方法通过对航空产品建立生命周期等级及各成熟度阶段准确定位的评价模型，从而实现对产品的高效、精准、一体化管控。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种航空产品全生命周期成熟度建模方法，该方法实现的具体内容包括：
步骤一、构建航空产品成熟度评估指标体系。
根据航空产品全生命周期的定义和要点确定产品的各个阶段，结合专家调研得到的航空产品生产设计经验以及数据的可获取性进行考虑，选择5个一级指标，15个二级指标，以及二级指标下对应的更详细的三级指标作为全生命周期成熟度的评估指标体系。其中二级指标对一级指标进行阶段划分，三级指标为二级指标下的实际可测评项。根据评价指标体系将产品全生命周期分为5个成熟度等级阶段，各成熟度等级与一级指标之间采用模糊隶属函数的关系，不完全一一对应，其中各级成熟度曲线最高点对应该级成熟度的标准值。
各成熟度等级下产品的评价指标体系为：
一级指标包括需求规划指标、产品设计指标、生产制造指标、运行使用指标和售后服务指标，其中需求规划指标包括两个二级指标：用户需求指标和整体规划指标，用户需求指标包括外观需求、功能需求、价格需求三项三级指标。整体规划指标包括技术可行性规划、经济可行性规划、方案可行性规划、关键技术确定四项三级指标。
产品设计指标包括总体设计方案、详细设计方案、设计方案定型三项二级指标，其中，总体设计方案包括产品总体设计三级指标；详细设计方案包括三维外观设计、产品功能设计、产品系统设计、产品可靠性设计四项三级指标；设计方案定型包括总体方案强度评估、结构布局的动力学评估、确定设计方案三项三级指标。
生产制造指标包括零部件采购、零部件质量检测、飞机组装、最终质量检查四项二级指标，其中，零部件采购包括外购件确定、自制件确定、采购计划制定三项三级指标；零部件质量检测包括X光检查、强度测试、电导率测试、数控机床粗加工、热处理五项三级指标；飞机组装包括骨架装配、系统安装、机舱容忍度测试、组件安装、配件安装、整体外观定型六项三级指标；最终质量检查包括缺陷检测、结构关键件试验、客户标准检验、寿命评估四项三级指标。
运行使用指标包括试飞测试、交付使用、产品保养、产品维修、产品退役五项二级指标，其中，试飞测试包括功能测试、强度测试、极限测试三项三级指标；交付使用包括外场服务工作、客户整体评价两项三级指标；产品保养包括系统保养、安全测评两项三级指标；产品维修包括隐患区域维修三级指标；产品退役包括航空产品退役三级指标。
步骤二、采用专家调查法以及层次分析法确定各三级指标所占权重。
由于一级指标下的各级指标中所包含的评判因素较多，而各因素相对于上一级指标所占的权重不完全相同，若直接对其进行综合评价会导致评判结果失效或失真，因此采用专家调查法以及层次分析法分别对三级指标中各子要素在其对应的一级指标中所占的权重大小进行确定。具体步骤如下：
(1)采用专家调查法对测评项指标进行评定，分别获得各一级指标下对应三级指标之间的判断矩阵。
针对成熟度指标体系中的三级指标，采用向专家发放调查问卷的方式分别对各三级指标中各实际可测评项分别进行评定。将各三级指标按两两比较的方式进行相互比较，判断矩阵的标度方法为：当标度为1时，判断两个因素具有同样重要性；当标度为3时，判断两个因素中一个因素比另一个因素稍微重要；当标度为5时，判断两个因素中一个因素比另一个因素明显重要；当标度为7时，判断两个因素中一个因素比另一个因素强烈重要；当标度为9时，判断两个因素中一个因素比另一个因素极端重要；当标度为2、4、6、8中的某个值时，则表示上述两个相邻判断的中值。
由专家调查组按标度规则以及评估指标体系对各三级指标在其一级指标中的重要性程度进行判定，得到产品的指标权重判断矩阵。假设三级指标中有n个因素，进行两两比较后获得的判断矩阵形式如下：
Figure BDA0002561309190000031
式中，aij表示三级指标中i元素(三级指标i)对于j元素(三级指标j)的重要程度。
(2)得到判断矩阵之后，求出矩阵的最大特征值λmax和最大特征值对应的特征向量经归一化后得到的权向量矩阵W。W中各元素对应三级指标的重要性权值。
(3)对步骤(2)的计算结果进行一致性检验。
其中，一致性指标CI的计算方法为：
Figure BDA0002561309190000041
为了衡量CI的大小，引入随机一致性指标RI，得到一致性比率CR，其计算方法如下：
Figure BDA0002561309190000042
若CR＜0.1，则矩阵A通过一致性检验，反之再次使用专家调查法，根据标度信息对判断矩阵重新构造，直到最终矩阵通过检验。
(4)对于M位专家给出的M份调查问卷，采用算术平均法对其权重进行最终计算，公式如下所示：
Figure BDA0002561309190000043
其中：M为调查表问卷数量，Fir为某三级指标i对应于某一级指标r的权重。
步骤三、根据步骤二得到的各三级指标所占权重，对各一级指标进行综合评估，获取各一级指标对应的得分。
根据各部门技术人员的综合评估，得到航空产品目前阶段下各三级指标的完成情况。其中评估等级按照0至3的等级进行划分，评估划分标准为：
等级为0，表示该阶段未开始实施；等级为1，表示该阶段处于初始阶段；等级为2，表示该阶段已进行一半实施过程；等级为3，表示该阶段实施已经完工。
将三级指标的评定等级得分与对应一级指标中的权重相结合，得到各一级指标在专家经验评估下的得分，公式如下所示：
Figure BDA0002561309190000044
其中，Fir为三级指标i在一级指标r中所占的权重，Di为三级指标i的评价得分等级，N为一级指标r中包含的三级指标的数量，Qr表示一级指标r的评估得分。
根据各一级指标评估得分建立一级指标的专家评价得分矩阵Q：
Q＝{Q1,Q2,Q3,Q4,Q5}
步骤四、采用模糊隶属度函数法获取航空产品成熟度评价结果。
对于成熟度评价方法，采用模糊隶属度函数法，得出成熟度模糊综合评价因素集为：
C＝{R1,R2,R3,R4,R5}
其中，C为成熟度评价因素集合，Ri表示各一级指标。
将确定的评价因素代入隶属度函数中进行统计运算，得到隶属度值，最后进行归一化处理，建立隶属度矩阵R，如下表所示。由于这种模糊度的不确定性，矩阵中的数值用[0，1]表示，值越大，则证明其隶属程度越高。
不同成熟度阶段各一级指标隶属度矩阵
阶段一 阶段二 阶段三 阶段四 阶段五
R<sub>1</sub> R<sub>11</sub> R<sub>12</sub> R<sub>13</sub> R<sub>14</sub> R<sub>12</sub>
R<sub>2</sub> R<sub>21</sub> R<sub>22</sub> R<sub>23</sub> R<sub>24</sub> R<sub>25</sub>
R<sub>3</sub> R<sub>31</sub> R<sub>32</sub> R<sub>33</sub> R<sub>34</sub> R<sub>35</sub>
R<sub>4</sub> R<sub>41</sub> R<sub>42</sub> R<sub>43</sub> R<sub>44</sub> R<sub>45</sub>
R<sub>5</sub> R<sub>51</sub> R<sub>52</sub> R<sub>53</sub> R<sub>54</sub> R<sub>55</sub>
结合步骤三中专家评价得分矩阵Q，通过算法运算B＝Q×R，得到成熟度评价结果B。
B＝{B1,B2,B3,B4,B5}
采用min-max标准化方法对成熟度评价结果进行归一化处理，得到归一化评价结果B′：
B′＝{B′1,B′2,B′3,B′4,B′5}
将成熟度五个阶段权重均分，得到评判集合M：
M＝[0.20,0.20,0.20,0.20,0.20]
得出最后的评价结果：
A＝B′×M
评价结果A即为航空产品在全生命周期中的成熟度，而根据归一化结果B′中各向量大小，可知产品在各成熟度阶段中的成熟度等级，最终得到成熟度等级评价图。根据两级成熟度评价结果以及成熟度直方图可直观得出产品当前在全生命周期中所处位置，并对下一阶段任务的进行提供可靠依据，便于研发及运行进程安全高效完成。
步骤五、对得到的航空产品成熟度进行分析，对其提出阶段性意见。
经过评估得到航空产品全生命周期的成熟度等级以及各等级阶段下的二级成熟度，针对此评估结果，能够掌握产品当前的制造使用或维修状态，便于推进该航空产品的设计制造进程，可提前介入航空产品的项目交接、交付使用以及维修过程，防止由于检测不及时而引起的故障事故，同时可对国产航空产品的整体生命周期有充分了解。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明在航空产品以及技术成熟度的基础上建立产品全生命周期成熟度模型，能够对航空产品从设计生产至退役的全过程进行成熟度评定，并对各个成熟度阶段下的状态进行二级成熟度评定，从而对航空产品进行标准化管理，使飞机设计生产以及使用过程更加安全、高效，实现设计制造以及售后服务一体化。
2)本发明建模方法对航空产品从设计至维修退役阶段的全生命周期建立了成熟度指标模型，可将产品生命周期数字化，更好地体现基于成熟度模型的全生命周期管控，能够全程监视审查产品全生命周期的数据，保证数字模型的有效性、可追溯性，实现并行设计以及故障诊断，为航空产品制造业实现全生命周期的有效管控的目标提供了一种解决方案；
3)本发明针对航空产品从设计至维修退役阶段的全生命周期建立了成熟度指标模型，从而得到航空产品全生命周期评价标准，为产品全生命周期等级评定提供了参考标准。
附图说明
图1为本发明航空产品全生命周期成熟度建模方法的建模流程示意图；
图2为本发明航空产品全生命周期成熟度等级划分图；
图3为实施例中的成熟度等级评价图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明涉及一种航空产品全生命周期成熟度建模方法，包括下列步骤：
S1、构建成熟度评估指标体系。
根据全生命周期的定义和要点确定产品的各个阶段，结合专家调研得到的航空产品生产设计经验以及数据的可获取性进行考虑，选择5个一级指标，15个二级指标，以及二级指标下对应的更详细的三级指标作为全生命周期成熟度的评估指标体系。其中二级指标对一级指标进行阶段划分，三级指标为二级指标下的实际可测评项，评价指标体系如表1所示。
表1成熟度评估指标体系
Figure BDA0002561309190000071
Figure BDA0002561309190000081
根据评价指标体系将产品全生命周期分为5个成熟度等级阶段，各成熟度等级与一级指标之间采用模糊隶属函数的关系，不完全一一对应，其中各级成熟度曲线最高点对应该级成熟度的标准值。各成熟度等级下产品的评价指标如图2所示。
S2、采用专家调查法以及层次分析法确定各三级指标所占权重。
由于一级指标下的各级指标中所包含的评判因素较多，而各因素相对于上一级指标所占的权重不完全相同，若直接对其进行综合评价会导致评判结果失效或失真，所以采用专家调查法以及层次分析法分别对三级指标中各子要素在其对应的一级指标中所占的权重大小进行确定。
S3、对各一级指标进行综合评估，得到各一级指标对应的得分。
S4、采用模糊隶属度函数法获取产品成熟度评价。
实施例
本实施例以某国产教练机为例对本发明进行说明，根据其全生命周期的研制运行特点，结合全生命周期评价指标体系，根据此评价指标体系将产品全生命周期分为5个成熟度等级，成熟度等级越高，说明产品生命越靠近全生命周期的末期，即产品即将退役。
在得到该教练机评价指标体系后，采用专家调查法以及层次分析法分别对三级指标中各子要素在其对应的一级指标中所占的权重大小进行确定。以一级指标“运行使用”为例，采用专家调查法对其下4个三级指标进行评定。
表2“运行使用”指标体系
Figure BDA0002561309190000082
获得判断矩阵如下：
Figure BDA0002561309190000091
得到判断矩阵之后，求出矩阵的最大特征值：
λ＝5.073
以及最大特征值对应的特征向量经归一化后得到的权向量矩阵W：
w＝(0.263,0.475,0.055,0.090,0.110)T
则一致性指标为：
Figure BDA0002561309190000092
引入随机一致性指标RI，RI的取值如表3所示：
表3随机一致性指标RI
n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
RI 0 0 0.58 0.90 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45 1.49 1.51
因n＝5，则本实施例引入的随机一致性指标RI为1.12，则可求出一致性比率为：
Figure BDA0002561309190000093
即通过一致性检验。
之后将三级指标的评定等级得分与对应一级指标中的权重相结合，得到各一级指标在专家经验评估下的得分，此一级指标下各三级指标得分如下表所示：
表4三级指标专家评价得分
三级指标 得分
功能测试 3
强度测试 2
极限测试 1
外场服务工作 2
客户整体评价 1
所以该一级指标得分为：
Q4＝0.263×3+0.475×2+0.055×1+0.090×2+0.110×1＝2.084
经上述方法得到所有一级指标得分如下所示：
表5一级指标最终评价得分
Figure BDA0002561309190000094
Figure BDA0002561309190000101
根据各一级指标评估得分建立专家评价得分矩阵Q：
Q＝{3.000,3.000,2.785,2.084,0.032}
建立隶属度矩阵R：
Figure BDA0002561309190000102
结合步骤三中专家评价得分矩阵Q，通过算法运算B＝Q×R，得到成熟度评价结果B。
B＝{3.48,3.46,3.21,2.30,0.34}
采用min-max标准化方法对成熟度评价结果进行归一化处理，得到归一化评价结果B′：
B′＝{1.00,0.99,0.91,0.62,0.00}
将评价结果B′与评判集合M相乘得出最后的评价结果：
A＝0.704
由评价结果A可知该航空产品在全生命周期中的成熟度为70.4％，而根据归一化结果B′中各向量大小，可知产品在各成熟度阶段中的成熟度等级，最终得到成熟度等级评价图，如图3所示。
通过分析可知，本发明提出的成熟度评价模型真实反映了产品全生命周期的进展情况，该产品在全生命周期阶段总体成熟度达到70.4％，而根据各成熟度阶段下的二级成熟度直方图可以直观反映出产品全生命周期流程过程中的薄弱环节，以此为评价标准进行相关工作的分配。结合该航空产品成熟度数据对相应部门现存问题进行分析并给出指导意见。有利于对航天产品进行实时快捷监控以及生产使用反馈，提升航天产品设计制造的生产效率以及操作安全性能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种航空产品全生命周期成熟度建模方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)根据待评估的航空产品的全生命周期的定义和要点确定航空产品的五个成熟度等级阶段，建立各成熟度等级下航空产品的三级评价指标体系；
2)采用专家调查法以及层次分析法确定三级评价指标体系中各三级指标所占权重；
3)根据步骤2)获取的各三级指标所占权重，对各一级指标进行综合计算，获取各一级指标对应的得分；
4)根据步骤3)获取的得分，采用模糊隶属度函数法获取航空产品成熟度评价结果。
2.根据权利要求1所述的一种航空产品全生命周期成熟度建模方法，其特征在于，步骤1)具体包括下列步骤：
11)根据各成熟度等级阶段确定成熟度等级一级指标，并将各成熟度等级与确定的一级指标之间建立模糊隶属函数关系；
12)对一级指标进行划分，获取二级指标；
13)对二级指标进行划分，获取三级指标，建立各成熟度等级下航空产品的三级评价指标体系。
3.根据权利要求1所述的一种航空产品全生命周期成熟度建模方法，其特征在于，步骤2)具体包括下列步骤：
21)采用专家调查法对测评项指标进行评定，分别获取各一级指标下对应三级指标之间的判断矩阵；
22)计算步骤21)的判断矩阵的最大特征值及最大特征值对应的特征向量经归一化后的权向量矩阵，将权向量矩阵中各元素对应三级指标的重要性权值；
23)对步骤22)的计算结果进行一致性检验，若未通过一致性检验，则重新执行步骤21)，直至一致性检验通过；
24)采用算术平均法对通过一致性检验的重要性权值进行最终计算，获取三级指标对应于一级指标的权重。
4.根据权利要求3所述的一种航空产品全生命周期成熟度建模方法，其特征在于，步骤23)中，进行一致性检验的具体内容为：
231)对步骤21)的判断矩阵的最大特征值计算一致性指标CI：
Figure FDA0002561309180000021
式中，λmax为判断矩阵的最大特征值；
232)引入随机一致性指标RI，计算一致性比率CR：
Figure FDA0002561309180000022
233)对一致性比率CR进行判断，若CR＜0.1，则矩阵A通过一致性检验，反正重新执行步骤21)，直至一致性检验通过。
5.根据权利要求3所述的一种航空产品全生命周期成熟度建模方法，其特征在于，步骤24)中，重要性权值的最终计算表达式为：
Figure FDA0002561309180000023
式中，M为专家调查法所采用的调查表问卷数量，Fir为某三级指标i对应于某一级指标r的权重。
6.根据权利要求1所述的一种航空产品全生命周期成熟度建模方法，其特征在于，步骤3)的具体内容为：
将三级指标的评定等级得分与对应一级指标中的权重相结合，获取各一级指标在专家经验评估下的得分Qr，其表达式为：
Figure FDA0002561309180000024
式中，Fir为三级指标i在一级指标r中所占的权重，Di为三级指标i的评价得分等级，N为一级指标r中包含的三级指标的数量，Qr为一级指标r在专家经验评估下的评估得分；
根据各一级指标评估得分建立一级指标的专家评价得分矩阵Q：
Q＝{Q1,Q2,Q3,Q4,Q5}。
7.根据权利要求6所述的一种航空产品全生命周期成熟度建模方法，其特征在于，所述三级指标的评定等级的划分标准为：
获取航空产品目前阶段下各三级指标的完成情况，若该阶段未开始实施，则等级为0，若该阶段处于初始阶段，则等级为1，若该阶段已进行一半实施过程，则等级为2，若该阶段实施已经完工，则等级为3。
8.根据权利要求1所述的一种航空产品全生命周期成熟度建模方法，其特征在于，步骤4)具体包括下列步骤：
41)采用模糊隶属度函数法，获取成熟度模糊综合评价因素集C：
C＝{R1,R2,R3,R4,R5}
式中，Ri表示各一级指标，i＝1、2、…、5；
42)将确定的评价因素代入隶属度函数中进行统计运算，得到隶属度值；
43)对隶属度值进行归一化处理，建立隶属度矩阵R；
44)将隶属度矩阵R与步骤3)获取的专家评价得分矩阵相乘，获取成熟度评价结果；
45)对步骤44)的成熟度评价结果进行归一化处理，得到归一化评价结果；
46)将成熟度五个阶段权重均分，获取评判集合，将其与归一化评价结果相乘，获取最终评价结果。
9.根据权利要求1所述的一种航空产品全生命周期成熟度建模方法，其特征在于，所述各成熟度等级下航空产品的三级评价指标体系包括五个一级指标，十五个二级指标以及二级指标下对应的多个三级指标。
10.根据权利要求9所述的一种航空产品全生命周期成熟度建模方法，其特征在于，所述一级指标包括需求规划指标、产品设计指标、生产制造指标、运行使用指标和售后服务指标。
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