来源:Frontiers of Engineering Management 发布时间:2021/11/29 10:53:45
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FEM | 前沿聚焦:嫦娥五号月面采样返回工程管理创新

论文标题:Management innovation of Chang’e-5 project (嫦娥五号月面采样返回工程管理创新)

期刊:Frontiers of Engineering Management

作者:Jizhong LIU , Hao HU , Zhaoyu PEI , Qiong WANG , Qiang MAI

发表时间:19 Jul 2021

DOI:10.1007/s42524-021-0165-1

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编者荐语:

《前沿》系列之《工程管理前沿》热点聚焦

作者:刘继忠,胡浩,裴照宇,王琼,麦强

单位:探月与航天工程中心 ,哈尔滨工业大学

引用:

Jizhong LIU, Hao HU, Zhaoyu PEI, Qiong WANG, Qiang MAI. Management innovation of Chang’e-5 project. Frontiers of Engineering Management, 2021, 8(4): 620–626 https://doi.org/10.1007/s42524-021-0165-1

文章链接:

https://journal.hep.com.cn/fem/EN/10.1007/s42524-021-0165-1

https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs42524-021-0165-1

1 嫦娥五号工程概况

嫦娥五号工程作为探月工程“绕、落、回”三步走发展战略的最后一步,目标是实现我国首次月面采样返回,于2011年1月由国务院批准立项。经过近10年的方案设计、初样研制和正样研制,研制了由着陆器、上升器、轨道器、返回器组成的全新探测器和长征五号运载火箭,建设了着陆起飞综合试验场、采样封装地面试验设施、阿根廷35m深空站、再入返回测量雷达、月球样品实验室等地面设施设备,具备了开展月球采样返回任务的能力[1]。

2020年11月17日4时30分,长征五号遥五火箭成功发射嫦娥五号探测器。12月1日23时11分,嫦娥五号着陆器和上升器组合体降落月面。在此后的48小时内,通过钻具钻取和机械臂表取两种方式,共采集了1731g的样品。12月17日1时59分,嫦娥五号返回器携带月球样品着陆于内蒙古四子王旗,这是人类时隔44年后再次从月球取回土壤和岩石样品。整个任务实施过程历时23天,历经11个飞行阶段、6次分离、1次对接,如图1所示。

图1. 嫦娥五号任务飞行过程示意图

2 嫦娥五号工程管理创新

嫦娥五号工程是我国复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程,从月面着陆之后直到地球再入返回的众多关键环节都是我国第一次实施,大量的关键技术需要攻破,大量的技术未知需要探索;同时工程系统组成复杂、飞行过程复杂、产品构成及接口关系复杂、天地协同关系复杂等,为工程目标的成功实现带来了很大的风险。为组织实施好这一巨型复杂航天工程,需要在传统航天系统工程以及探月工程一期、二期管理模式[2~6]的基础上,创新技术、计划、质量和条件保障管理方法,建立适应高复杂度特征的航天工程管理体系。

2.1工程系统融合管理方法体系

系统融合管理是指在复杂工程系统全寿命期的各个阶段,在降解系统复杂度的同时将各要素整合为一个整体,使工程按照预期设计进行演化最终实现工程目标[7]。针对嫦娥五号工程的高复杂度特征,以整体性目标为导向,以系统融合管理为理念,将嫦娥五号工程按照“工程总体、五大系统、单机产品”三个层级,分方案、初样、正样、实施四个阶段,编制了全系统、全周期、全要素、全粒度的研制流程。以此为抓手,在工程全寿命期的各个阶段同时开展以分解为核心的复杂度降解和以整合为核心的整体性综合,建立了包括健壮性决策、全景式分析、风险性降解和整体性推进等方法的系统融合管理方法体系,将工程技术系统、管理系统、组织系统及条件保障系统融合为一个整体,解决了工程管理“多层皮”、“碎片化”问题,保证了工程多系统、多要素、多层次整体推进。嫦娥五号工程系统融合管理方法体系框架见图2。

与传统系统工程、项目管理方法及综合集成方法相比较,嫦娥五号工程实践中形成的系统融合管理方法体系特点主要体现在三个方面:(1)并行开展降解和整合;(2)多种管理方法的综合和协调;(3)整体性管理和复杂度管理相结合。

图2. 嫦娥五号工程系统融合管理方法体系框架

2.2 关键技术方案健壮性决策方法

健壮性决策方法是指以健壮性决策系统构建为目标,建立群主体决策组织系统及决策协商机制,开展多因素多目标多约束方案评价,形成健壮性技术方案和实施方案的过程。针对嫦娥五号工程技术难度大、方案选项多、决策主体多、研制项目多等特点,建立了多要素、多目标、多约束关键技术方案决策体系,提高了工程技术方案决策的整体健壮性。

嫦娥五号工程群主体决策组织系统包括工程领导小组/任务指挥部、工程总体、各系统研制单位及工程专家组,不同类型的主体在工程决策中发挥不同的职能。各系统研制单位依据工程总体提出的工程目标,研究各系统技术方案;工程总体对各系统技术方案进行综合设计,形成总体技术方案;专家组全程参与方案制定和决策,对各系统及工程总体提供决策支持。在多方案的评价过程中,综合考虑技术攻关、地月环境、国际合作等多种不确定性因素,考虑我国航天技术能力支撑、条件保障能力等多重约束,利用群主体决策组织系统和非结构性建模的方法对不同方案进行分析比较,选择出健壮性和绩效更好的技术方案和实施方案[8]。嫦娥五号工程健壮性决策方法框架见图3。

图3. 嫦娥五号工程健壮性决策方法框架

在方案论证过程中,广泛开展多家研制单位多种方案的比对,力求在竞争的环境中达到性能指标更优、经费更省的效果。对影响工程成败的关键环节进行了梳理,形成了针对“火箭发射、月面软着陆、月面采样封装、月面起飞、交会对接、样品转移、返回再入、着陆回收、样品解封/处理和存储”等9个环节39项关键技术。围绕是否实施跳跃式再入、是否实施月球轨道交会对接、两种采样方式的选择等重大难点、重大风险、重大分歧和颠覆性问题,组织开展6批次23项专题研究,综合权衡技术风险、进度、经费等多方面因素,最终决策减少一次再入返回飞行试验,优化了工程任务方案[9]。

2.3 复杂航天工程全景式分析方法

复杂航天工程全景式分析是指针对各系统可能状态,在时间维度详细划分飞行阶段及各阶段时间跨度,在技术维度详细分析各飞行阶段航天器及其组成系统的动作、位置、姿态及阶段转换过程中需要执行的任务事件和各类约束条件,在管理维度科学制定进度、质量、经费等管理计划,在组织维度将技术和管理工作落实到具体的责任单位和责任人。同时纵向确定各飞行阶段中技术、管理和组织系统间的制约和支撑关系,横向确定各飞行阶段间技术、管理和组织系统的衔接和发展关系,从而形成整体性的工程情景全图。嫦娥五号工程全景式分析方法框架见图4。针对嫦娥五号工程任务飞行动作多、天地环境差异较大和系统间关联性强等问题,提出了以技术、管理等多方面因素为情景对象的复杂航天工程全景式分析方法,形成了全过程任务保障链,实现了全过程的高度协同。

在工程实践中,围绕“月面自动采样返回”工程目标,以天地一体化设计为指导思想,结合初样阶段各系统产品和设施设备研制建设与试验成果,开展嫦娥五号全过程任务保障链分析及研究[9]。研究工作以工程全过程为主线,以涉及总体和跨系统、跨部门、跨单位的工作为重点,特别关注颠覆性问题和影响重大的问题,完成了发射弹道与飞行轨道的拼接、月球轨道降轨与月面着陆时机的迭代确定、月面起飞推迟与否的策略分析、交会对接碰撞风险改进、天地大系统协同分析与指令优化等工作,确保技术见底、质量受控、系统协调,从而确定总体正样状态。

图4. 嫦娥五号工程全景式分析方法框架

通过本方法实践,取得了良好效果:1)工程总体任务多维度分解,有利于全系统对复杂工程的整体把控;2)工程各系统全景式协同工作,有利于形成一致性的系统间接口关系;3)工程各单位职责划分明确,有利于形成协调匹配的工程任务链;4)工程风险和问题及早暴露,有利于采取低成本高效益的方式进行化解。

2.4 工程任务风险度降解方法

风险度降解是指在工程的不同阶段,针对工程重点环节及其存在的风险问题,采取多种方法分层次、分维度降低工程风险,提高工程的整体质量和工程可靠性。针对嫦娥五号工程技术成熟度低、任务复杂度高、飞行环节关联性强等特点,提出了工程任务风险度降解方法,制定了多阶段、多层次验证的研制风险降解程序,建立了飞行过程与地面实物仿真天地映射的风险降解策略,有效降解了工程整体风险。

在嫦娥五号工程中,将风险管理过程与工程不同阶段的任务工作紧密结合,通过工程风险逐层次、逐维度、逐阶段不断降低,确保了飞行过程11个阶段的无故障运行。从时间维度上,在不同的阶段将风险降解工作与该阶段的主要工作内容结合,表现出了具有差异性的风险管理工作内容;从系统维度上,在工程各个阶段均从底层的元器件、原材料逐渐向上直到系统、工程级,开展多层次的、以验证为主的风险降解工作;从组织维度上,建立包括任务指挥部专家顾问组、4个专业专家组、5个独立评估专家组、质量专家组和软件专家组、飞控专家组等在内的全过程专家支持体系[9],参与各阶段、各层次风险降解工作的指导和把关;从方法维度上,综合采用了冗余容错设计、FMEA、模拟仿真等风险分析及管理技术支持上述风险降解。嫦娥五号工程风险降解方法框架见图5。

图5. 嫦娥五号工程风险度降解方法框架

在方案阶段,主要通过专题研究、试验矩阵分析、技术难点分解、重要单机竞争择优、关键技术攻关试验验证等手段,采用模拟仿真、FTA、PRA等风险分析技术,识别了创新性最强、实际经验最少、对飞行过程影响最大的半弹道跳跃式再入返回、月面起飞等风险环节,提出了通过多阶段、多层次的验证降解风险的风险控制方案,不断降解方案风险。在初样阶段,开展以着陆起飞综合试验、交会对接与转移综合试验等专项试验和再入返回飞行试验为代表的体系化试验验证,进一步深化专题研究,开展全过程任务链分析,不断降解设计风险。在正样阶段,严格控制技术状态变化,开展从单机测试到1:1无线联试的体系化试验验证,组织对5个风险领域进行第三方独立评估(提出的1081个问题闭环解决,74条改进建议采纳落实),制定故障预案(工程全系统共1384项)并充分演练,不断降解集成风险[9]。在任务实施阶段,通过飞控专家技术支持、飞行控制与地面实物仿真伴飞相结合的天地映射任务支持等手段,不断降解飞行风险。

2.5 工程系统整体性推进方法

工程系统整体性推进方法是指将技术系统、管理系统、组织系统、条件保障系统通过信息流、物质流和资金流的强实时关联,形成一个协同推进、动态响应的全闭合工程整体系统的方法。针对嫦娥五号工程任务质量要求高、条件保障需求高、组织协调任务复杂等特点,提出了工程整体性推进方法,建立了与工程产品研制过程深度融合的质量闭环管理、条件保障项目同期匹配建设、经费精细化控制以及多层次进度控制等机制,实现了工程系统的协同有序推进。嫦娥五号工程整体性推进方法框架见图6。

图6. 嫦娥五号工程整体性推进方法框架

在嫦娥五号工程中,建立了基于“两总”系统和工程总体部的整体性管理母线,将各管理领域的信息、物资和资金进行充分融通,实现了工程系统的协调有序推进。这样的工程总体部是由熟悉工程各方面专业知识的技术和管理人员组成,由知识面比较宽广的专家(总设计师和副总指挥)负责领导,是整个工程研制工作中必不可少的技术抓总和管理牵头单位[10]。它是内涵进一步扩大的总体设计部,将技术、计划、质量、条件保障、经费等要素进行一体化管理,将行政指挥线和技术指挥线的决策进行充分融合,发挥统揽工程全局作用积极协调科研攻关、产品运输、疫情防控、安全管控、对外通报、任务保障、应急搜救等各方资源,是整体性推进的关键组织环节。

技术管理方面,通过大总体协调会、总师系统会、专题协调会、产品层工作组会等方式,及时协调问题、决策事项、控制技术状态,有关信息同步反馈其他要素域。质量管理方面,整体谋划并实施全过程管控,建立了“产品保证总要求和大纲+分阶段、视形势提出质量工作要求+质量培训+质量检查、第三方独立评估+整改落实”的五环节闭环管理模式,与产品研制过程深度融合。条件保障管理方面,建设前组织专家严格把关方案,建设中与工程研制一体调度,建立了上下联动、齐抓共管的全过程协调机制和急用先行的快速响应机制,按时建成着陆起飞综合试验场、交会对接与样品转移地面试验设施、采样封装地面试验设施等一批国际一流、兼顾发展的设施设备,满足了工程研制的迫切需求。经费管理方面,紧密结合工程进度和年度工作计划安排,统筹考虑结余资金,科学制定年度预算;定期检查预算执行率,视情况采取通报、预算调整等手段进行控制,实现了精细化闭环管理。计划管理方面,以全过程研制流程和转阶段准则为依据,通过大总体协调会、年度工作会、月调度会、周短线调度、日跟踪等方式,进行多层次、多要素一体的计划监测、分析和纠偏,保障了各系统、各要素域进度与工程总体要求相匹配。

3 结语

嫦娥五号工程是发挥新型举国体制优势攻坚克难取得的又一重大成就,标志着中国航天向前迈出了一大步,其组织实施具有复杂性高、整体性强、协调性强、整体推进精准等特点。嫦娥五号工程实践中摸索和建立的系统融合管理方法体系,有效地提高了工程决策的整体健壮性,降解了工程风险,解决了复杂系统工程管理的“多层皮”、“碎片化”问题,保证了工程系统的整体有序推进,做到了“指标不降、进度不拖、经费不超”,实现了任务过程的高度协同。这一方法体系为嫦娥五号工程的圆满成功提供了有力保障,也可为航天及其他领域重大工程项目的组织实施提供参考和借鉴。

参考文献

[1]裴照宇, 王琼, 田耀四. 嫦娥工程技术发展路线[J]. 深空探测学报, 2015, 2(2): 99-110.

[2]郭宝柱.航天工程管理的系统观点与方法[J].中国工程科学,2011(4):43-47.

[3]王礼恒.中国航天的科学管理[J].中国工程科学,2006(11):1-6.

[4]栾恩杰等.工程系统与系统工程[J].工程研究,2016(5):480-490.

[5]栾恩杰. 航天系统工程运行[M]. 北京: 中国宇航出版社, 2010.

[6]张哲, 刘继忠, 刘彤杰, 王琼. 航天重大工程项目卓越管理模式研究[J]. 航天器工程, 2017, 26(002):130-138.

[7]麦强, 陈学钏, 安实, 郭亚男, 王健. 重大航天工程系统融合原理、模型及管理方法[J]. 管理世界, 2021, 37(2):214-224

[8]麦强, 王宁, 安实. 均衡和绩效:重大航天工程总体部方案设计[J]. 系统管理学报, 2018, 27(1): 93-100

[9]王琼, 侯军, 刘然, 高磊. 我国首次月面采样返回任务综述[J]. 中国航天, 2021,(3):34-39.

[10] 钱学森,许国志,王寿云. 组织管理的技术——系统工程[A].论系统工程[M].长沙:湖南科学技术出版社,1982.

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