航空发动机高空模拟试验风险分析研究

蒋明夫，郭 昕，陈光宇，龚小琦

(1.中国燃气涡轮研究院，四川 江油 621703；2.电子科技大学，四川 成都 610054)

1 引言

风险问题的研究最早起源于第一次世界大战中战败的德国。20世纪30年代初期发生的经济危机，使风险管理受到欧美各国的普遍重视，并逐渐发展成为一门新兴的管理科学和决策技术。国内对风险问题的研究起步较晚，上世纪90年代以后才逐渐开始推广应用[1]。我国特别强调和重视武器装备研制阶段的风险管理，认为这是整个武器装备管理的基础和前提，并颁布了GJB5852-2006《装备研制风险分析要求》，规定了风险分析必须遵循和执行的原则、程序及方法。

航空发动机高空模拟试验是航空发动机设计定型和改进改型研制过程中十分重要的阶段，也是行业内外公认的综合性极强、风险极高的技术创新过程。近年来，随着国家综合实力的提高和自主研制各类先进航空动力装置步伐的加快，高空模拟试验的机种、台次和试验时数都呈现激增的趋势，伴随而来的研制风险也大大增加。通过对历年高空模拟试验风险事件的统计分析发现，仅近年我国高空台试验中就发生多起危及试验安全的风险事件，造成发动机、试验设备严重损毁，严重影响到重大武器装备研制进度，经济损失巨大。

然而，就高空模拟试验风险(以下简称试验风险)分析而言，虽然按照质量体系的要求进行了试验风险的简单预测和规避预置，但与GJB5852的要求还有差距。为促进试验风险决策的科学化、合理化，达到减少和规避试验风险的目的，确保试验安全和试验成功，进行试验风险分析研究十分必要。

2 试验风险

2.1 试验风险的定义

一般而言，风险至少有两个基本要素：风险发生的概率和风险影响的大小。同时，风险意味着可能出现损失或机会，或者是对预期目标或正或负的随机偏离。其出现的可能程度可以用概率和影响程度的后果来表示[2]，其量值等于损失发生的概率及其不良后果或损失的函数。GJB5852对风险的定义为：在规定的技术、费用和进度等几个约束条件下，对不利实现装备研制目标的可能性及所导致的后果严重性的度量[3]。因此，可将试验风险理解为：可能危及试验项目的潜在问题和事件，用问题和事件发生的可能性及其后果严重性来度量。具体是指：在试验委托生效之日起到试验结束的一定时间内，以相应危及试验项目目标的潜在问题和事件发生的概率为前提，以相应潜在问题和事件发生后可能产生的严重影响程度或损失为载体，试验主体所承受的相应后果的可能性可以用下式表示：

式中：R为试验风险，P为不利事件发生的概率或综合重要度，K为不利事件发生后果的严重性等级或综合评价指标。

2.2 试验风险的特征

高空模拟试验不但具有一般项目的风险特点，而且还具有以下特征：①客观性。试验项目各阶段工作结构或试验科目决定了风险的各种因素的客观存在。②突发性。试验风险事件的发生，往往是突然的或可能性极低的小概率事件引发的。③多变性。不一样的机型和试验科目，风险呈现动态变化的特征。④无形性。试验风险不能够非常确切地描绘和刻画出来，只能进行综合分析。⑤相对性。依赖于试验对象、科目的决策目标，以及决策者的态度、认识和承受能力。⑥非市场性。对研制项目的主要技术风险和保障风险的控制，服从于所制定的技术和保障指标的实现，考虑或相对考虑经济因素是出于装备研制的需要，而不是利益驱动。

2.3 试验风险的类别

试验风险主要是技术风险，主要包括被试件、试验技术和设备系统的各类风险，归属于纯粹风险范畴。其后果只有损失和无损失两种，而不像投机风险那样有损失、无损失、获利三种。从分析历年试验风险事件发生的统计结果可知(见表1)，被试件风险发生的概率最高，危害程度及所造成的损失也最大；其次是试验技术风险和设备系统发生的风险事件；其它风险发生的概率较低，事件后果对试验安全构成的威胁较小，可忽略不计。因此，对技术风险的分析是试验风险分析中最主要的任务。

表1 历年试验风险发生统计表Table 1 The statistics of the test risks in past years

2.4 主要技术风险及成因

(1)技术准备方面

试验项目定义、需求分析不充分，项目当事人对其理解存在歧义，甚至误解；试验大纲规定的技术指标要求过高，试验科目不切实际，不尽合理，技术难度太大，超出设备、被试件能力范围或成熟的流程边界；项目当事人对试验科目的技术难度、复杂性认识不足，准备不充分；试验流程的设计不充分、不合理、不科学等。这些风险一旦发生，小则导致时间进度拖延或经费增加，大则导致危及试验设备和被试件安全的重大恶性事故。

(2)试验设备准备方面

试验设备和测试控制系统的技术状态、适应性技改及应急保障不到位；设备运行可能接近能力极限，备用能力不足；参试人员对被试件与试验舱的各类电气、测试、通讯、控制和工艺接口关系的理解存在歧义，甚至出现错误接口等。

(3)检验试车的技术风险

检验试车的目的，主要是检查、发现、消除或处置技术准备阶段试验设备存在的已知和潜在的未知风险，以及验证被试件是否符合技术文件要求达到的技术状态，同时检查、发现、消除或处置被试件本身存在的已知和潜在的未知风险。

本阶段的风险是进入高空模拟试验之前的技术验证风险，大多数属一般性、常发性、已知、可控的风险。这些风险经常导致时间进度拖延或试验成本增加，一般不会发生危及试验设备和被试件安全的重大恶性事故，突发恶性事故的风险发生概率极低。

(4)模拟试验的技术风险

被试件的技术状态不能满足试验科目所要求的技术指标，出现瞬间恶化；被试件的三大部件出现严重故障，如压气机、涡轮叶片断裂；被试件的辅机、辅件、润滑、冷却、控制系统出现故障；试验流程、试验设备、操作控制之间的组合故障；不同试验科目下的试验状态点与试验流程组合时的系统风险；突发事件的风险等。此类风险可能导致试验中断，拖延时间进度，严重时会发生危及试验设备和被试件安全的重大恶性事故。

(5)被试件的风险

委托方对被试件的技术状态交底不够，地面台整机试验暴露的问题未彻底解决或隐瞒部分技术细节；技术继承与创新关系处理不妥，关键技术、新技术的应用未经充分验证；技术设计匹配协调性差，配套设计不够，技术状态控制不到位；工业基础所限，新材料、新工艺、元器件不落实，关键部件制造工艺、手段落后；设计、试制、试验关系处理不当，缺乏必要的技术资料和数据，技术后备措施不充足；由设计、制造、装配、检验造成的累积误差，使被试件性能、功能和可靠性降低，可测试性、可实现性发生较大偏差；主机与辅机、辅件和控制系统的匹配协调性差；控制系统柔性差、程序紊乱、甚至死机等。这些风险一旦发生，一般都会导致时间进度拖延或经费增加，严重时将会危及试验设备和被试件安全，甚至引发重大恶性事故，是试验风险的源头。

(6)试验设备的运行风险

测试监控系统的误判、误报和操作人员误判、误操作；运行设备和调节控制系统故障；试验状态点与试验流程剧烈变化导致压气机机组喘振、停运；变配电系统故障，造成系统动力电中断等。这些风险一旦发生，小则导致时间进度拖延或经费增加，大则导致危及试验设备和被试件安全的重大事故。

3 试验风险分析

主要运用主观评分法、专家会签法、风险评价指数法和层次分析法(AHP法)等定性、定量或二者相结合的风险分析评价方法，对技术风险进行风险源识别、估计和评价，找出关键风险因素，予以特别关注。

3.1 试验风险分析的基本要求

(1)根据试验工作结构分解和识别风险各类输入，形成可适时更新和查询的风险源清单；

(2)根据试验风险评价准则，进行风险发生的可能性及其后果影响的定性分析，确定风险等级和处理的优先次序；

(3)根据定量或定性定量相结合的分析结果，形成试验风险排序清单；

(4)按程序与要求完成试验风险分析报告的编制、评审和批准；

(5)根据风险分析报告编制风险处置紧急预案或处置措施。

3.2 试验工作结构分解

高空模拟试验工作结构分解(简称WBS)是风险源识别的依据和基础。组织实施高空模拟试验涉及众多系统和相关层次的工作层面，是一项复杂庞大的系统工程。最典型的试验工作结构当属试验技术系统，为方便研究，将试验技术系统的工作结构简化为四级结构进行分解，其格式如表2所示。

表2 技术系统的工作结构分解表Table 2 The structural decomposition of the technology system

3.3 试验风险结构模型

从多年的试验总结和风险处置经验可知，在整个试验寿命周期内，实现和确保高空台的试验安全是基本的决策目标，也是利益相关者的利益最大公约数，即在高空模拟试验中，最大决策目标是确保试验安全。危及决策目标层的最直接和最主要的风险因素是被试件、试验技术、试验设备风险。

根据主要技术风险、试验工作结构分解和风险源成因，可简化构建出完全相关的三级(层)递阶结构层次的试验风险结构模型(见图1)，以便进行风险识别和AHP法量化分析。

图1 试验风险结构模型Fig.1 The test risk structure model

3.4 试验风险识别

试验风险识别主要针对试验技术系统进行，由输入和输出两部分构成。

试验风险识别的输入包括：①委托任务书、试验大纲、技术协调纪要；②WBS图表、结构模型、试验工作计划、风险管理工作计划；③专家意见、专题会议、数据库查询，试验风险调查表（格式如表3所示）；④经验数据、故障处置、事故教训、质量事件统计、试验与预测结果。

表3 试验风险调查表Table 3 Test risk investigation

风险源清单是试验风险识别的输出，是将根据风险识别输入条件确定的风险来源、产生条件、影响程度和预防措施等内容编制形成的风险汇总表，如表4所示。

3.5 试验风险的评价体系

3.5.1 确定试验风险等级和处理的优先顺序

根据风险源清单和风险评价指数法的原则，均按五级指标来确定风险的等级，即风险发生的概率大小取在1～5之间，后果的严重性一般分成3～5级，二者的乘积为风险评价指数值。判断试验风险事件发生的概率等级如表5所示，判断试验风险事件发生的后果严重性等级[4]如表6所示。根据判断表，列出优先处理风险等级高的前10项。

3.5.2 风险排序

(1)评价指数法确定风险度量值

根据确定的等级判断表，由专家和专业经验丰富的人员分析试验风险发生的概率大小和造成后果的严重程度。

(2)AHP法排序确定风险度量值

层次分析法处理问题的基本步骤是：首先，确定评价目标构造递阶层次结构模型；其次，明确方案评价的准则，构造两两比较的判断矩阵(互反矩阵)；再次，根据构造判断矩阵，计算每个矩阵的最大特征值及特征向量，并做归一化处理，利用一致性指标进行一致性检验，若通过，特征向量即为权向量；最后，计算综合重要度。

以评价指数法和综合重要度确定试验风险如表7所示。

(3)排序清单

根据确定的试验风险度量值表，对试验风险因素的发生概率和严重性的综合量化结果进行比较，按照评价值的大小进行风险排序，找出关键风险因素和确定处理的优先顺序，并予以特别关注。试验风险排序清单如表8所示。

表4 试验风险源清单Table 4 Test risk source list

表5 试验风险事件发生的概率等级表Table 5 The probability grade table of the test risks happening

表6 试验风险事件影响程度(严重性等级)表Table 6 The severity grade table of the test risk affairs

表7 试验风险度量值表Table 7 The measure value table of the test risks

表8 试验风险排序清单Table 8 The compositor list of the test risks

3.5.3试验风险接收准则

根据已排序的风险，确定可接受或不可接受风险的范围指标。试验风险评价指数法所确定的试验风险接收准则如表9所示。从表中可知，中等以上风险都是影响试验安全的关键风险因素，是不可接受的风险，必须进行处置，采取措施予以消除、预防或监控。

3.6 试验风险分析评估报告

风险分析评估报告，是试验风险分析的输出结果，一般应经过评审和履行审批手续。其报告的编制至少包含如下内容：

(1)概述。描述被分析的对象名称、功能特点、任务要求、工作分解结构中所处的位置或所处的研制阶段。

(2)分析过程。描述风险分析过程及方法、风险等级划分准则、排序准则和接受准则等。

(3)分析结果。列出风险源清单和风险排序清单(可作为附件)，对高风险项目提出处置意见和措施，并制定应急预案。

(4)结论。总结分析工作，给出结论和建议。

3.7 试验风险处置策略

风险和其它事物一样也是矛盾的、多维的统一体，人们可以从不同角度去感受和度量。同时，一定的条件会引起风险的性质、后果发生变化。应对试验风险的策略，与一般项目应对风险的处置策略有相似之处，但其意义不尽相同。首先，目的不同。试验的非市场化让风险的处置策略无太多的利益纠葛，目的只是为了确保试验和被试件安全。其次，基础不同。试验风险的处置策略是建立在主试方承认，并接受风险的基础上，再论规避、转移、弱化风险应对措施；主试方必须承担责任，不能轻言放弃。最后，出发点不同。主试方是试验主导方，有责任与义务为试验的进行采取一切必要的措施，为不确定的被试件提供试验结论或可否继续试验的判据。

因此，试验风险处置策略是针对不同的被试件技术状况和试验科目而制定的处置策略，其次序是：弱化试验风险是处置的基本策略，转移试验风险是处置的常规策略，规避试验风险是处置的特殊策略。另外，在实际工作中，视情处理的权变策略是处置试验风险的有效策略。是否实施视情处理的权变策略主要取决于以下因素：

一是试验决策目标，由试验风险的相对性所决定。没有目标，当然也谈不上风险。同一方案，目标不同风险也不一定相同。有时为了验证设计、再现故障、排查问题，必须在充分权衡利弊的情况下，甘愿冒着风险去进行某些试验科目。

二是试验风险认知能力，由试验风险的无形性所决定。试验风险不能够非常确切地被描绘和刻画出来，导致团队成员和决策者对待风险与风险值的态度、敏感程度、偏好、效用反应、认识、承载能力等各方面不同，直接影响拟采取的应对措施和资源的投入。这需要各利益相关方认识一致，意见统一，克服侥幸心理，尤其是参试的主要负责人对试验风险的认知能力起着决定性作用。

三是试验风险的处突能力，由试验风险的突发性所决定。应对措施往往是针对已识别的风险制定的，对于正在进行的、未知的风险，不可能预先制定相应的应对措施或应急计划。而风险事件的发生，往往是可能性极低的小概率事件引发的突发事件。面临突然产生的风险，往住措手不及，其结果是加剧了风险的破坏性。因此，必须组成处置突发事件的突击队，配备必要器械，进行针对性演练，同时对试验指挥团队的临场应变能力、知识经验和权变措施的应用能力进行适当培训、演练和模拟测试，提高全体参试人员防范风险的意识、应变能力和对突发事件的处置能力。

表9 按风险评价指数法所确定的试验风险接收准则Table 9 The test risk incept rule by the risk evaluation index method

4 结论

(1)对试验风险的相关概念进行阐述，为认识试验风险和量化分析风险提供了依据；

(2)明晰了试验风险分析的基本要求以及应当遵循的工作流程；

(3)规范和完善了试验风险分析及评价指标体系，使之符合军标或相关标准的要求；

(4)总结了试验风险的处置策略，可为行业的类似试验项目提供有益的借鉴。

[1]邱莞华.现代项目风险管理方法与实践[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2]沈建明.项目风险管理 [M].北京：机械工业出版社，2004.

[3]GJB5852-2006，装备研制风险分析要求[S].

[4]中国航空工业集团公司.集团质量职责[Z].北京：中航工业经理部，2008.