军机总装装配大纲质量风险等级评价模型研究
时间：2023-06-19 20:00:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
杨二豪，刘玉松，黄吉传，刘正刚
1.成都飞机工业（集团）有限责任公司，四川 成都 610092
2.空军装备部驻成都地区第一军事代表室，四川 成都 610092
军机制造是复杂的系统工程，是离散式制造和总装的有机结合，为符合国际适航管理需求，适应军机多批次、小批量、单架次的生产管理特点，国内外军机总装普遍采用基于装配大纲（AO）的生产管理模式。AO 是工艺部门根据工程设计要求、现有工艺水平和质量保证要求，编写的指导生产的工艺文件[1]，同时也是生产、检验的记录文件，操作人员根据AO内容完成规定的装配或试验动作，以形成飞机最终的质量状态。目前，军机总装AO主要包含工艺信息、生产信息，缺少质量风险信息，因风险识别不到位的质量问题时有发生，加之现阶段军机总装风险管理现状是重视项目整体的技术风险、费用风险和进度风险等，轻视产品制造过程中具体环节的质量风险，造成缺陷的产生甚至传递。Baiman等[2]指出，缺陷产品进入市场后将产生外部故障成本，包括维修成本、运输成本，以及企业形象等。对于军机而言，产品缺陷可能影响部队战训任务，导致外部故障处置归零代价非常高，如果离开装备使用安全，战斗力将无从谈起[3]。因此，对产品制造过程质量风险的预先识别与评价、划分质量风险等级、建立分等级的质量管控机制十分重要。
目前，针对产品制造过程常用的质量风险评价方法是过程失效模式及影响分析（PFMEA）。PFMEA 起源于20世纪50 年代的美国，80 年代中期我国颁布了相应的PFMEA 技术标准[4]。PFMEA 至今已在汽车、船舶、食品[5-7]等多个领域广泛应用，取得了良好的效果。研究表明，PFMEA目前主要应用于生产过程稳定的大批量、标准化制造过程的质量风险分析[8-9]，通过计算风险优先数（RPN）来评价制造过程的风险等级[10-11]。然而，对于军机总装小批量、多状态生产模式，在质量风险识别与评价过程中，工程技术人员需要综合分析产品制造过程中的人、机、料、法、环等构成因素，既要考虑不同因素之间的相对重要性，也要考虑各因素在产品制造过程中因频繁调整带来的不确定性。因此，军机总装过程的质量风险识别与评价是一个复杂的、涉及多风险因素的多准则决策问题，难以用基于PFMEA 简单评定准则表[12]的RPN 计算结果进行准确评价。
为此，结合军机总装以AO 为基础制造单元的生产模式特点，通过对PFMEA 评价要素进行适应性修改，提出了AO风险等级评价模型以及风险接受准则，以解决军机总装复杂生产模式下的产品制造过程风险评价与分级管控问题，并将基于模型输出的风险管控方法应用于国内某主机厂C的军机总装制造过程中，验证其有效性和可行性。
PFMEA 评价体系的核心是对产品制造过程潜在失效模式的评价要素进行判定与评分，并按公式RPN = S × O ×D[13]计算RPN 值，作为对潜在失效模式风险等级的评价依据，RPN值越大，失效模式的危害性越大。这里的评价要素指 严 重 度（Severity）、频 度（Occurrence）、探 测 度（Detection），严重度S用以评价失效模式的影响程度，频度O 用以评价失效模式发生的可能性大小，探测度D 用以评价失效模式的检验难度。
PFMEA 适用于生产稳定、自动化程度高、过程控制体系完善的产品制造过程，但对于生产波动大、以手工作业为主的军机总装而言，存在明显的局限性:（1）PFMEA评价体系中，严重度S 的评价标准无法准确描述军机制造过程及产品失效对于产线、质量、产品功能等的影响，且评价维度单一；
（2）由于军机总装小批量的生产模式难以获得足够的失效发生频数，因此，无法采用PFMEA 中频度O 的评价标准对失效模式的频度做出正确评定；
（3）由于军机总装多状态的特点难以开发具有较强针对性且成本可接受的探测方法[14]，且检验属于非增值活动，可以通过强化工序执行过程进行质量保证，前提是实现军机制造过程构成因素可评价。因此，在对潜在失效模式进行判定时需要引入新的评价要素，用以评价制造过程构成因素的重要程度，进而提升风险识别的区分度。
风险等级即对质量风险进行区分，依据风险对结果的影响程度对风险进行排序，以评估质量风险的等级。AO风险等级评价模型，以AO为最小评价单元，结合军机总装特点对PFMEA评价体系的局限性进行优化，具体为对严重度S、频度O 的评价标准进行重新描述，引入并定义因素水平（Factor），由严重度S、频度O、因素水平F组成AO风险等级的评价要素。换言之，AO风险等级是频度和程度的综合度量，其结构模型如图1所示。
图1 风险等级评价递阶层次结构模型Fig.1 Risk level evaluation of hierarchical structure model
为实现风险等级的量化评价，定义AO 风险等级系数（RLC）为因素水平F、频度O 和严重度S 的乘积，计算公式如下。
RLC = F × O × S （1）
式中，F为因素水平，指产品制造过程构成因素对制造过程的重要程度；
O为频度，指风险发生的概率；
S为严重度，指风险发生所产生后果对过程或产品的影响程度。
2.1 因素水平评价方法
因素水平F是指AO执行所需构成因素对制造过程的重要程度，由工程技术人员基于军机的系统原理结合工艺流程设计进行识别与定义。构成因素主要是指在工艺设计层面从4M1E[15]的角度出发，即人（Man）、机（Machine）、料（Material）、法（Method）、环（Environment），识别军机在内外场等不同环境下的状态及人员、方法、设备的适应性等。因素水平F 采用数学计算的方法进行描述。基于军机总装不同专业在总装环节的不同特点，确定数学计算的强相关变量。目前，国内外军机总装专业可划分为装配方向和试验方向。
2.1.1 装配方向
包括电气电网敷设、导管及成附件安装、大部件装配与测量等。其工作特点是以人工手动操作为主，工作互通性较强。
现定义装配因素水平Fz，计算公式如下
式中:Rn、Jn、Ln、Fn、Hn分别为人、机、料、法、环，n取值由评价维度决定；
k1～k5为权重系数。
装配工作一般会经历开工条件评估（Method &Environment）、库房领料（Material）、工具准备（Machine）、上机操作（Man）等步骤，但所涉及的4M1E因素对飞机制造过程以及最终质量状态的重要程度不同，需要考虑不同因素之间的相对重要性，故在式（2）中引入了权重系数。此外，总装环节的4M1E 中单一因素通常是由多个子因素构成的，以人因素Rn为例，其子因素包括但不限于操作人员数量R1、技能水平R2等，从AO 执行以及保证过程质量的角度分析，R1和R2不是相互独立的子集，而是相互影响的交集，因此，Rn在式（2）中的表现形式为多项相乘。综上，n的取值原则如下:仍以人因素Rn为例，其子因素包括操作人员数量、技能水平等，将每个子因素视为影响过程质量的一个评价维度，若只考虑单一评价维度，n取值1，考虑两个维度，则n取值2，以此类推。Jn、Ln、Fn、Hn同理。根据上述原则，在工程应用时可视情况考虑相对重要维度的影响程度，以简化测算过程。
2.1.2 试验方向
包括全机导通、液压总调、系统通电、飞控试验等。其工作特点是需要借助外部设备，尤其需要考虑系统交联程度以及上电、上压情况等。
现定义试验因素水平Fs，计算公式如下
式中，Rn、Jn、Fn、Hn分别为人、机、法、环，n取值由评价维度决定；
k1～k4为权重系数。
与式（2）不同的是，因总装试验启动的前置条件是机上装配状态已达到试验要求，因此，式（3）中不再单独评价料因素Ln。
2.2 频度评价方法
频度O是指AO质量风险在军机制造过程中发生的可能性大小，用发生概率量化评价。频度O 采用分级评分的方法进行描述。在PFMEA评价体系中，计算频度O需要对大量的生产数据进行统计分析，为解决数据量不足的问题，郑国栋[16]等提出采用“相似零件”的统计方法。借鉴该方法，依据工艺流程将总装工作划分为电气电网敷设、管路装配、大部件装配、试验4 种类别，在不同类别中将质量特征相似的质量问题类型合并为一类，形成“相似类型”，通过统计分析“相似类型”发生概率的百分比，确定风险发生的频度数，从而制定频度O的评定准则，见表1。
表1 频度（O）评定准则Table 1 Occurrence evaluation criteria
2.3 严重度评价方法
严重度S是指AO质量风险产生后果对过程或产品的影响程度。严重度S 采用分级评分的方法进行描述。在PFMEA评价体系中，由于评价维度单一且针对性不强，因此严重度S无法真实反映质量风险对军机的影响程度。因此，参考GJBZ 1391—2006中武器装备常用严酷度类型及定义、GJB 5711—2006 中装备质量问题定义，以及PFMEA—2019中严重度评估标准，结合军机总装制造特征、军机功能属性等，制定严重度S 评定准则时，将评价维度划分为对过程的影响和对顾客/产品的影响，既要考虑军机在出总装前对装配或试验过程的影响程度，还要考虑军机出总装后对试飞和交付的影响程度，同时将影响程度与价值相关联实现部分标准的量化评价，见表2。
表2 严重度（S）评定准则Table 2 Severity evaluation criteria
2.4 风险接受准则
依据军机总装过程对质量风险的承受能力或容忍度，制定风险接受准则，采用风险等级进行描述。GBJ 5852—2006给出了风险接受准则示例，对风险等级的划分进行了说明，在此基础上，考虑到军机总装AO 数量、重要程度以及可执行性等，将AO 风险等级划分为超高风险、高风险、中风险和低风险，形成AO风险等级的四级风险接受准则。一般情况下，超高风险为不可接受风险，必须采用严格的控制措施消除；
高风险为不可接受风险，需要采取合理的控制措施消除、转移或降低风险等级；
中风险为不可接受风险，需要控制和监控；
低风险为可接受风险，但必须进行监测，必要时需采取相应的控制措施。在工程应用时，通过识别AO的风险评价要素F、O、S并计算风险等级系数RLC对潜在质量风险进行区分和排序，参考风险接受准则确定AO风险等级，形成AO风险清单。
国内主机厂C 主要承担军机电气电网安装、系统管路安装、整机大部件对合、系统安装调试与试验等总装集成任务，其基础制造单元为AO。现以主机厂C为算例，简述AO风险等级评价模型的应用方法及效果。
3.1 确定AO风险等级
3.1.1 因素水平F
由式（2）和式（3）可知，因素水平F 的本质是对装配或试验过程构成因素的评估及其综合计算。因此，F的计算初始条件是:基于主机厂C的工艺设计，识别并确定影响AO执行的4M1E 因素，进而建立各因素在不同情况下的子因素评定准则，见表3、表4。根据表3，可将式（2）简化如下
表3 装配4M1E因素评定准则Table 3 4M1E factors evaluation criteria for assembly
常见的权重系数确定方法有AHP 层次法、CRⅠTⅠC 法、熵值法、专家经验法等，其中，专家经验法的优势是对数据统计量要求不高[17]。根据有经验的专家结合自身的知识和经验对评估对象的可能性做出判断，评定权值的专家成员具备本专业5年以上工作经验，并统一权重确定规则，主机厂C 采用专家经验法对式（4）中权重系数进行赋值，取k1=0.2、k2=0.3、k3=0.15、k4=0.15、k5=0.2。
根据表4，可将式（3）简化如下
表4 试验4M1E因素评定准则Table 4 4M1E factors evaluation criteria for test
采用专家经验法对式（5）中的权重系数进行赋值，取k1=0.1、k2=0.2、k3=0.3、k4=0.4。
3.1.2 频度O和严重度S
由频度O 和严重度S 的评价方法可知，其输入为质量问题历史数据。航空装备在生产以及使用的过程中会产生很多的数据[18]，数据的来源因主机厂情况而异，一般来源但不限于制造、交付或维修过程的失效清单、顾客反馈问题清单、系统性诊断报告等，应涵盖军机研制、生产、接装、外场使用维护全过程。主机厂C 通过建立质量数据信息反馈链，使得数据信息逐级正向传递、逆向反馈，利用数据中台，形成信息快速响应闭环，如图2 所示。将数据信息回溯至相应的装配或试验AO 中，依据表1 和表2 即可得出O 和S的取值。
图2 军机全生命周期信息反馈链模型Fig. 2 Ⅰnformation chain model for the entire life cycle of military aircraft
3.1.3 风险等级系数与风险等级
以主机厂C 的装配和试验AO 为评价对象，通过式（1）可以测算出每本AO 的风险等级系数RLC（F、O、S）。基于风险接受准则建立适用于主机厂C的风险等级系数与风险等级的对应关系，见表5。表6列举了部分AO风险等级。
表5 风险等级系数与风险等级对应关系Table 5 Corresponding relationship between RLC and risk level
表6 部分AO的风险等级Table 6 Risk level of some AO
统计主机厂C历史上产生过质量问题的AO，以质量问题数为评价标准，分析质量问题数排名前20的AO与AO风险等级的相关性，如图3所示。
图3 质量问题与AO关联性分析Fig. 3 Correlation analysis between failure and AO
分析可知，历史上产生质量问题数较多的AO（＞10条）均为超高风险等级，质量问题数较少的AO（＜3 条）中低风险等级占比为66.67%，说明AO 风险等级评价模型对风险识别的准确性，验证了模型结果与主机厂C 实际情况一致。
3.2 基于AO风险等级的质量管控方法
基于AO风险等级评价模型的质量管控方法以实现军机质量状态的AO 为载体，将质量管控重点从风险事件转为风险过程，通过计算RLC（F、O、S）科学区分AO风险的高中低水平，在质量管控活动中，根据AO风险等级进行分类施策，进而提高质量管控的效率效能，具体做法如下:
（1） 在技术层面，建立制造端风险等级、检验端质量问题、控制端改进策略三者的逻辑关系，通过循环迭代，从源头上对潜在质量风险进行有效控制，以渗液/油为例，质量风险控制逻辑如图4所示。
图4 基于AO风险等级的管控策略Fig. 4 Control strategy based on AO risk level
（2）在管理层面，提高高风险以上AO 审签级别，或利用信息技术实现AO 风险显性化，以对操作过程进行风险提示等；
或在计划排产时，使AO风险等级与操作技能等级相匹配，实现人力资源合理分配等；
或在检验验收时，根据AO风险等级合理规划检验验收细则，将高风险AO纳入军检、总检、专检项目，将中低风险AO纳入自检项目，减少同质化检验，缩短军机交付周期等。
3.3 基于AO风险等级的质量改进成效
军机总装环节主要以手工作业为主，经统计分析，自模型实施以来，人为因素相关的质量问题发生概率明显降低，见表7。
表7 质量问题发生概率统计Table 7 Probability of failure statistics
总体而言，主机厂C 应用AO 风险等级评价模型对军机总装AO的风险等级进行了准确区分，并在实施基于AO风险等级的质量管控方法后，各项质量指标均有较大程度改善，平均单机不合格数下降73.12%，单机超差数下降44.83%，单机报废数下降53.85%，产品整体质量控制水平得到提升。
通过研究，可以得出以下结论:
（1）本文通过对总装产品制造过程特点的综合分析，以总装基础制造单元AO 为载体，提出以因素水平F、频度O及严重度S为评价要素的AO风险等级评价模型，定义并给出风险等级系数RLC（F、O、S）的计算方法，实现了AO风险等级的量化评价，并依据总装过程对风险的承受能力制定了风险接受准则。
（2）本文提出的AO 风险等级评价模型的评价结果能为军机制造过程质量风险精准管控提供输入，有利于对装备整个形成过程中的关键特性进行监督，提高质量监督效能，在主机厂C 的应用实践中，取得了较好的质量改进效果。
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