基于管理熵理論的航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險控制管理

唐自新 許哲 李大明 周軼丁 胡成威 王耀兵

(1.北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094；2.空間智能機器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點實驗室，北京 100094；3.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094)

0 引言

風(fēng)險管理是項目管理的重要內(nèi)容，也是項目實施與過程控制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。航天工程作為高技術(shù)、高風(fēng)險的工程實施項目，對于風(fēng)險的管理與控制尤為關(guān)注[2]。特別是針對復(fù)雜新研產(chǎn)品的風(fēng)險分析與控制尤為重要。

近年來，隨著我國首次火星探測任務(wù)、嫦娥五號月面取樣返回任務(wù)、空間站在軌建造等國家重大專項工程任務(wù)的順利實施，火星車、表取采樣機械臂、核心艙機械臂等復(fù)雜新研空間機器人產(chǎn)品在重大專項工程實施過程中的作用日益重要。該類空間機器人產(chǎn)品屬于我國首次研制的航天復(fù)雜產(chǎn)品，其研制過程面臨前所未有的難度與挑戰(zhàn)。

空間站核心艙機械臂承擔(dān)著空間站在軌建造、運營維修、在軌拓展等任務(wù)，是我國空間站組建與運營全過程中不可或缺的重要裝備，是集成了電氣、機械、三維多體動力學(xué)、熱力學(xué)、光學(xué)等多個學(xué)科的空間機器人系統(tǒng)[3-4]。作為首次在軌應(yīng)用的大型空間機器人系統(tǒng)，空間站核心艙機械臂的設(shè)計與研制、地面測試驗證十分復(fù)雜。該裝備在軌工作壽命長達10～15年，受空間環(huán)境影響巨大，其研制過程風(fēng)險性極高[5]。

本文結(jié)合管理熵理論，以核心艙機械臂產(chǎn)品研制為例，分析航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險管控流程與措施。

1 管理熵理論概述

熵是系統(tǒng)的一個狀態(tài)函數(shù)，用于描述復(fù)雜系統(tǒng)的混亂或無序程度。熵值越高，代表系統(tǒng)的混亂或無序程度越大。整個系統(tǒng)的總熵由各子系統(tǒng)熵相加構(gòu)成[6]。

1997年，任佩瑜教授將熵的概念應(yīng)用于管理科學(xué)，基于系統(tǒng)論提出了管理熵的概念，指出管理熵是組織在從事管理活動的過程中，將管理所涉及的組織制度、政策制度、文化理念等因素綜合考慮的一種集成狀態(tài)。如果組織的管理模式為封閉式管理，那么在組織的封閉管理活動過程中，將會出現(xiàn)有效管理效力逐步減少、無效管理效力逐步增加的狀態(tài)，而此過程不可逆。

2000年，任佩瑜教授在管理熵理論與基本概念的基礎(chǔ)上，結(jié)合耗散結(jié)構(gòu)理論，提出了管理耗散結(jié)構(gòu)概念與理論，即當(dāng)一個復(fù)雜的管理組織遠離管理平衡態(tài)時，需要不斷地與外部環(huán)境進行能量、物質(zhì)和信息等多方面要素的交換，并在組織內(nèi)部各單元、各要素的相互作用下，增加組織負熵，使自身有序度的增加大于自身無序度的增加，進而形成新的有序結(jié)構(gòu)，并在新的有序結(jié)構(gòu)下產(chǎn)生新的管理效能[7]。

管理熵計算公式如下

(1)

式中，i表示影響管理熵值的某個要素；ki表示該要素對應(yīng)的影響權(quán)重；Si表示該影響要素所產(chǎn)生的管理熵值。Si的計算公式如下

(2)

以S內(nèi)表示系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的熵值，S外表示系統(tǒng)從外部環(huán)境中引入的負熵值，系統(tǒng)總熵值S總的計算公式如下

S總=S內(nèi)+S外

(3)

由上式可知，只有當(dāng)系統(tǒng)總熵值S總≤0時，系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)才能形成，系統(tǒng)才是有序的，系統(tǒng)風(fēng)險才是可控的。因此，對于項目管理者或組織管理者而言，要使項目管理或組織管理有序化發(fā)展，提高項目管理或組織管理風(fēng)險可控度，降低風(fēng)險發(fā)生概率，必須不斷從外部環(huán)境中引入適當(dāng)?shù)呢撿匾蛩兀黾咏M織總負熵值，使S外≤0且S外≤-S內(nèi)。

2 航天復(fù)雜新研產(chǎn)品特點與難點

2.1 產(chǎn)品構(gòu)成

空間機器人產(chǎn)品涉及專業(yè)廣、產(chǎn)品構(gòu)成復(fù)雜，屬于典型的航天復(fù)雜新研產(chǎn)品。按任務(wù)特點和環(huán)境因素，分為在軌操作機器人和行星探測機器人兩大類。在軌操作機器人主要指在微重力軌道環(huán)境中執(zhí)行各類操作任務(wù)的空間機器人，如空間站核心艙機械臂。行星探測機器人主要指在月球、行星、小行星等地外天體上執(zhí)行任務(wù)的空間機器人，如火星車和月面采樣機械臂[8]。

根據(jù)任務(wù)需求，核心艙機械臂需要完成艙段轉(zhuǎn)位與輔助對接、航天員出艙活動、艙外貨物搬運、艙外狀態(tài)檢查等8項在軌任務(wù)。同時，需要具備大負載、大范圍轉(zhuǎn)移，空間站艙體表面“爬行”，在軌可維修等主要功能。

2.2 產(chǎn)品特點與難點

空間機器人產(chǎn)品屬于在外太空應(yīng)用的特種機器人，產(chǎn)品構(gòu)成復(fù)雜，所涉及的專業(yè)門類眾多。同時，面臨應(yīng)用環(huán)境特殊、任務(wù)多樣且多變等問題，產(chǎn)品研制具有以下特點與難點[9]：

(1)工作環(huán)境特殊。工作環(huán)境為地外空間，涉及超真空、高低溫、微重力、強輻射等特殊 環(huán)境，以及發(fā)射段和著陸段的振動、沖擊、噪聲等問題。

(2)工作壽命和可靠性要求高。空間機器人產(chǎn)品需要在外太空環(huán)境中工作10年之久，且維修、維護困難。因此，需要具備長壽命性和高可靠性。

(3)系統(tǒng)技術(shù)門類眾多。空間機器人產(chǎn)品涉及的專業(yè)廣泛，包括材料、力學(xué)、機械等多個學(xué)科，以及傳感技術(shù)、人機交互技術(shù)和人工智能技術(shù)等，學(xué)科與技術(shù)交叉多。

(4)系統(tǒng)接口組成復(fù)雜。空間機器人產(chǎn)品涉及機械、電氣、熱控等多個學(xué)科，以及人機交互界面，各類接口復(fù)雜多樣。

(5)工作任務(wù)多，適應(yīng)能力強。空間機器人產(chǎn)品需要根據(jù)任務(wù)需求開展已知和未知的任務(wù)執(zhí)行工作，需要具備較強的適應(yīng)能力。

(6)系統(tǒng)設(shè)計約束條件多。空間機器人產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計除需滿足常規(guī)的發(fā)射段和空間環(huán)境要求，還面臨質(zhì)量、功耗、尺寸、接口、性能等外部資源的約束與限制。

(7)地面驗證復(fù)雜。空間機器人產(chǎn)品是結(jié)合空間環(huán)境和工作任務(wù)而設(shè)計的一種特殊用途機器人。在地面重力環(huán)境下，難以開展大范圍、全任務(wù)覆蓋的全物理式試驗驗證。同時，系統(tǒng)的多自由度、應(yīng)用場景的不確定性等因素使得地面驗證難度進一步加大。

3 風(fēng)險分析與控制管理

航天項目實施過程中的風(fēng)險因素主要包括技術(shù)風(fēng)險、進度風(fēng)險、管理風(fēng)險和費用風(fēng)險4個方面。考慮到航天項目一般為滿足國家層面需求，特別是滿足載人航天和深空探測等國家重大專項工程需求，因此費用風(fēng)險暫不考慮。本文僅對技術(shù)風(fēng)險、進度風(fēng)險、管理風(fēng)險進行分析。

3.1 項目管理熵邏輯分析

根據(jù)上述管理熵理論可知，對于航天復(fù)雜新研產(chǎn)品而言，內(nèi)部管理正熵是風(fēng)險管理與控制的重點，引入外部有利負熵是增加組織自身有序度、降低風(fēng)險的重要手段。

由管理熵的定義與內(nèi)涵可知，系統(tǒng)管理熵分為內(nèi)部環(huán)境熵和外部環(huán)境熵。結(jié)合航天復(fù)雜新研產(chǎn)品特點和風(fēng)險類別，將內(nèi)部環(huán)境熵分為技術(shù)風(fēng)險熵、進度風(fēng)險熵和組織風(fēng)險熵；將外部環(huán)境熵分為直接環(huán)境熵和間接環(huán)境熵。航天復(fù)雜新研產(chǎn)品管理熵邏輯分析圖如圖1所示。

3.2 構(gòu)建風(fēng)險評價指標體系

以航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險管理總熵值為目標，基于內(nèi)部和外部兩個層面，從技術(shù)風(fēng)險、進度風(fēng)險、組織風(fēng)險、外部直接環(huán)境、外部間接環(huán)境5個方面分析研制風(fēng)險影響因素。通過對各影響因素的熵值估算，得到內(nèi)部環(huán)境熵和外部環(huán)境熵的估算值以及產(chǎn)品研制風(fēng)險管理總熵值。

航天復(fù)雜新研產(chǎn)品具有技術(shù)狀態(tài)新、涉及專業(yè)廣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，因此，產(chǎn)品研制的內(nèi)部環(huán)境熵為正的概率較大，這也是產(chǎn)品研制風(fēng)險的控制重點。同時，外部環(huán)境對產(chǎn)品研制也有一定的影響。因此，要分析內(nèi)部環(huán)境正熵并加以有效控制，同時引入外部環(huán)境負熵抑制內(nèi)部環(huán)境正熵，進而降低產(chǎn)品研制風(fēng)險總熵，提高組織有序性，降低研制風(fēng)險。

以空間機器人復(fù)雜新研產(chǎn)品為例，依據(jù)層次分析法(AHP)，對航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險熵進行層級與要素分解，建立航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險評價指標體系，見表1。

表1 航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險評價指標體系

3.3 風(fēng)險分析與控制流程

當(dāng)前，航天產(chǎn)品已經(jīng)形成了全過程、全系統(tǒng)、全要素的多維風(fēng)險管理模式與管理機制，有效保證了產(chǎn)品研制目標的實現(xiàn)[10]。

對于航天復(fù)雜新研產(chǎn)品而言，除參照一般航天產(chǎn)品的風(fēng)險管理措施，還需要結(jié)合自身研制特點與難點進行風(fēng)險管控。根據(jù)上述航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險評價指標體系，結(jié)合產(chǎn)品研制特點，對產(chǎn)品研制過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行全面識別與分析，對產(chǎn)品研制過程中的各類風(fēng)險進行分析與量化，形成基于管理熵的風(fēng)險分析與控制流程，如圖2所示。

針對航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制過程的5個變量層影響因素，分析各因素風(fēng)險發(fā)生概率和嚴重性，并估算熵值。根據(jù)風(fēng)險熵值進行排序，明確優(yōu)先級，形成風(fēng)險清單。從內(nèi)部和外部兩個方面制定風(fēng)險控制措施，以有效控制風(fēng)險。

3.4 風(fēng)險控制措施應(yīng)用與實踐

3.4.1 內(nèi)部環(huán)境熵分析與控制措施

(1)技術(shù)風(fēng)險熵。對于航天復(fù)雜新研產(chǎn)品而言，其技術(shù)狀態(tài)是研制的基礎(chǔ)條件。由于航天復(fù)雜新研產(chǎn)品采用了較多的新技術(shù)、新材料、新流程，其技術(shù)風(fēng)險是內(nèi)部環(huán)境熵增加的根本因素和主要推動力。同時，外界產(chǎn)品需求變化引發(fā)的技術(shù)狀態(tài)更改也會帶來一定的技術(shù)風(fēng)險。例如，核心艙機械臂的驅(qū)動關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器等單機屬于全新的機電熱一體化產(chǎn)品，是機械臂運動和抓取的關(guān)鍵單機產(chǎn)品。為滿足任務(wù)需求，采用了CF170高強度不銹鋼、7055高強高韌鋁合金等新材料和新技術(shù)，產(chǎn)品研制過程面臨較高風(fēng)險。

(2)進度風(fēng)險熵。航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制進度風(fēng)險主要包括技術(shù)狀態(tài)變更、資源匹配不足和過程監(jiān)控不利等。根本原因在于技術(shù)多變、計劃未考慮配套資源和計劃執(zhí)行不到位等。

(3)組織風(fēng)險熵。應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品研制需求組建航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制團隊。以空間站核心艙機械臂為例，項目團隊包括機、電、熱、控、光、傳感等多種專業(yè)人員，以及系統(tǒng)設(shè)計人員和項目管理人員。團隊構(gòu)成、組織管理模式、組織溝通機制等屬于內(nèi)部組織風(fēng)險，其穩(wěn)定性直接影響組織風(fēng)險熵值。

為了減少內(nèi)部風(fēng)險對產(chǎn)品研制的制約與影響，有效降低內(nèi)部風(fēng)險熵，建議采取以下控制措施：

(1)建立專業(yè)的研制團隊。由各專業(yè)人員組成研制團隊，基于集成管理思維，保障團隊內(nèi)部的溝通與聯(lián)系，提高整體協(xié)調(diào)能力，實現(xiàn)內(nèi)部信息協(xié)同，降低內(nèi)部組織風(fēng)險熵值。

(2)建立高效的決策機制。建立滿足任務(wù)需求的風(fēng)險最小化決策機制，利用緊湊的組織模式，實現(xiàn)高效的溝通與決策。

(3)建立技術(shù)變更控制委員會。采用項目技術(shù)經(jīng)理總負責(zé)的分級管控機制，由項目技術(shù)經(jīng)理牽頭，對系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)負責(zé)。同時，配備各組成部分的技術(shù)狀態(tài)負責(zé)人，對各自負責(zé)的內(nèi)部技術(shù)狀態(tài)進行管控，對有接口關(guān)系的其他部分進行技術(shù)狀態(tài)協(xié)調(diào)控制，從而降低技術(shù)風(fēng)險影響。

(4)加強進度風(fēng)險控制。基于關(guān)鍵路徑法，制訂科學(xué)合理的產(chǎn)品研制計劃，充分考慮各環(huán)節(jié)所需配套的資源，提高產(chǎn)品研制計劃的穩(wěn)定性和合理性。

以空間站核心艙機械臂產(chǎn)品研制項目為例。該項目集合了航天器系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)集成與測試、空間電子信息等專業(yè)人才，組建了專業(yè)化研制團隊；實現(xiàn)了技術(shù)層、管理層的高效溝通與決策；利用“4+2”技術(shù)把關(guān)方法[11]，嚴格管控產(chǎn)品內(nèi)部各層級技術(shù)狀態(tài)，有效降低了技術(shù)風(fēng)險熵；通過并行工程、關(guān)鍵鏈等方法，分析各單機研制過程，對重點單機、重點資源進行預(yù)判，保證了關(guān)鍵鏈工序的順利實施。

3.4.2 外部環(huán)境熵分析與控制措施

從管理熵理論可知，引入有效的外部負熵能夠降低系統(tǒng)整體熵值。外部間接環(huán)境分為自然環(huán)境和社會環(huán)境。航天項目通常服務(wù)于國家建設(shè)需要，因此，外部的自然環(huán)境和社會環(huán)境較為有利，影響也相對較小，本文暫不做分析。外部直接環(huán)境分為用戶需求變更和外部協(xié)作方支持兩個方面。其中，用戶任務(wù)需求變更包括技術(shù)變更和計劃變更兩個方面，外部協(xié)作方支持能力包括自身能力和雙方協(xié)作關(guān)系兩個方面。

(1)用戶需求變更。需求難度降低、計劃延期等可視為有利的外部負熵，應(yīng)積極引入。反之，不利的變更將會對產(chǎn)品研制造成負面影響。通過調(diào)整內(nèi)部狀態(tài)，降低內(nèi)部熵值，以抵消外部不利因素造成的風(fēng)險。

(2)外部協(xié)作方支持。對于一般性、技術(shù)難度不大的產(chǎn)品采用外協(xié)研制或加工，如一般性的零部件加工等，同時采用關(guān)鍵點跟蹤的方式進行監(jiān)控。對于技術(shù)要求高或資源稀缺的外部資源需求，需要重點關(guān)注，并采用措施引入負熵以降低風(fēng)險。

通過分析內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境5個變量層各要素的風(fēng)險控制措施，制定12種風(fēng)險控制措施，并對控制措施進行專家評價。航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險控制措施及評價見表2。

由表2可以看出，航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險主要在于內(nèi)部環(huán)境，特別是針對用戶需求變更后的產(chǎn)品設(shè)計分析與技術(shù)狀態(tài)控制。同時，外部環(huán)境熵是降低內(nèi)部環(huán)境熵的有效手段和途徑。由于用戶方面的外部環(huán)境熵往往是正熵，可通過溝通、分析或內(nèi)部調(diào)整等多種方式降低其對研制風(fēng)險總熵值的影響。

4 結(jié)語

本文基于管理熵理論，結(jié)合航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險管控重點，以空間站核心艙機械臂產(chǎn)品研制為例，構(gòu)建航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險評價指標體系，從內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境兩個方面對各影響因素進行分析，提出具體的管理控制措施。通過案例實踐，驗證了該方法的合理性和可行性，可為類似航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險管控提供參考。

表2 航天復(fù)雜新研產(chǎn)品研制風(fēng)險控制措施及評價