雷达研制质量管理中实施六西格玛的问题研究

康宇　侍颢

摘要：文章针对雷达装备研制的质量管理，基于六西格玛的CDOV流程，叙述了雷达装备研制过程中应用六西格玛基本原理和工具方法的技术路线，在研制的“概念-设计-优化-验证”四个阶段开展质量管理工作的目标，阐述了六西格玛流程所涉及的工具和方法，对雷达装备的实际研制过程中，各个阶段出现的问题进行了研究分析，并提出了相应的解决方法。

关键词：雷达：质量管理：六西格玛

中图分类号：F273 文献标识码：A 文章编号：1008-4428（2018）01-11-04

一、引言

质量是产品的灵魂，是企业的生命，在一般制造业中如此，在军工产品制造的企业中更是如此。雷达装备作为军工产品的重要组成部分，其作战的最基本原则是及时、准确、连续地获得目标情报信息，高水平的装备质量是保障作战部队“能打仗、打胜仗”的必要条件。作为作战部队的感知设备，雷达装备必须具有高度的先进性和可靠性，根据战场环境和作战使命的不同，用户对雷达装备的要求往往是高度定制化的，如何在复杂的用户需求组合下研制出高质量的产品，这是现代雷达装备研制过程中一项非常重要的课题。

在雷达工业的早期，产品质量的根本问题在于设计环节，随着科学技术的发展，计算硬件日漸普及，各种仿真软件和设计平台迅速应用于雷达的研发和制造，在研发的层面上设计问题已基本得到解决。然而即使是设计成熟的产品，在投入批产之后，亦会因为原材料、元器件、制造工艺、加工过程能力、验收量具和方法等原因，导致实际批产的产品很难达到设计方案的质量要求。即使是通过验收已经交付的产品，因为对使用场景预估不足、生产制造过程能力的波动、测量系统的偏差，也还是会出现用户、设计师、工艺和制造团队都未曾预料到的质量缺陷。这些问题对于雷达装备而言往往是致命的。因此，在雷达装备研制的设计手段已经经历了长足发展的现阶段，质量问题已经从设计环节转向管理层面，在研制过程中采用管理的手段来把控质量，使产品具备圆满完成其作战使命的过硬质量，具有高度的理论意义和实用价值。

六西格玛“6σ”最早由Bill Smith等人提出，是20世纪80年代摩托罗拉开始采用的一种改善企业质量流程管理的技术，核心思想是统计学上的正态分布，以“零缺陷”的完美商业追求，带动质量成本的大幅降低，最终实现财务成效的提升与企业竞争力的突破。Bill Smith认为，当加工的过程稳定时，产品质量特征值一般服从正态分布，其标准差为σ，若产品质量特征分布的6σⅡ范围仍位于公差范围内，即为6σ水平，考虑到可能出现分布中心与公差中心偏离1.5σ的极端情况，其缺陷水平DPMO（Defect Per Million Opportunities）仍然仅为3.4，对比常见的3σ水平DPMO=66807，缺陷率降低了约20000倍，不仅可以带来生产上的经济效益，更是带来了功能上的质量效益。正因为此，美英等军事发达国家的军工供应商都广泛应用了六西格玛的方法，国内对于装备质量有着严苛要求的军工企业和航天航空企业，对六西格玛也产生了浓厚的兴趣。笔者基于雷达装备研制项目的特点，在实施过程中的质量管理环节研究和应用六西格玛的理论和方法。本文以基于六西格玛的CDOV（Concept Design Optimize Verifv概念—设计一优化一验证）流程为例，研究六西格玛在雷达产品研制过程中进行质量管理的实际操作过程中显现出来的问题

二、基于CDOV的六西格玛研制流程设计

六西格玛最初的管理策略，实际上是DMAIC（Define Measure Analyze Improve Control）业绩改进流程的方法（图1），这是一种以数据为基础的质量管理方法，在现有的产品和过程基础上进行改进和控制，注重客户需求和设计优化的重要性，适合在量产型产品的研制过程中使用。

在实际操作过程中，研究者们针对不同的产品研制需求提出了各种不同的流程模式，目前已提出的流程模式通常由以下环节中的部分步骤组合而成：概念（Concept）、定义（De-fine）、识别（Identify）、调查（Explore）、测量（Measure）、分析（Analysis）、特征化（Characterize）、设计（Design）、开发（De-velop）、优化（Optimize）、改进（Improvement）、验证（Verify）、评价（Evaluate）、实现（Implement）、控制（Control）、保证（As-sure）、扩大规模（seale-up）。通常情况下，流程基线始于需求开发阶段终于验证阶段，着重于现有流程的改进，并且进行适当的预防以保证流程的稳健性。

雷达装备的一个非常突出的特征是用户需求高度定制化，不仅是功能的定制，其装备状态、使用场景、作战使命及维护保养都存在高度的定制化特征。正是由于这种定制化的特征，在雷达研制初期对整机和部件需要进行大量的调研论证，在设计过程中将用户需求落实到设计方案中，然后试验验证设计性能是否满足指标要求，多次迭代后，改进设计方案与加工流程，对于数量较大的部件进行小批量投产并验证一致性，完成上述步骤后才进入正式的生产。另一个非常值得关注的特征是单个型号雷达装备的订单数量有限，其质量特性往往决定于设计研发阶段，与批量生产产品通过改进生产过程能力即可保证质量的特性有着非常大的区别，在无法大批量投产的情况下，要保证极高的质量品质，就需要有针对性地进行质量管理。考虑到以上所述雷达装备研制流程的特殊性，在诸多不同的流程模式中，本文主要研究基于CDOV的六西格玛流程。基于CDOV的六西格玛研制流程包含四个阶段：概念（c）、设计（D）、优化（0）、验证（v）。作为一种侧重于设计优化与质量管理的六西格玛流程，CDOV非常适合雷达装备的研发与生产，在文章中将按照流程的四个阶段分析和研究在具体实践中值得注意的事项和实际的问题。

三、概念阶段

在雷达装备研制的初期，一般是项目论证阶段，此阶段需对客户需求进行转化和细分。此阶段对应于六西格玛的概念阶段，主要目标是，运用六西格玛工具开发具有可行性的“概念”并选出最佳“概念”。

六西格玛流程强调从“了解用户，确定用户的关键需求”开始，从外向内分解和回溯至组织内部的关键要素、关键环节、关键流程、关键活动。因而在概念阶段，需要实施必要的概念工程管理手段，收集用户需求并把用户需求贯穿到产品的概念产生和概念选择的过程中去，使团队的工作始终基于用户的使用环境，避免产品开发前期的概念失真。

如前所述，雷达作为一种用户需求高度定制化的装备，其整机功能、装备状态、使用场景、作战使命及维护保养都存在高度的定制化特征，而产品整机又有分系统性能整合的系统协调因素存在，这就使概念阶段的用户需求转化和细分显得尤为重要。雷达装备研制的另一个特点是批量小，相比较于大批量生产的产品，雷达装备的论证方案在产品质量中所占的比重更多，因此需要在此环节投入更多的精力以保证产品的质量。

在对外接口方面，通常情况下雷达装备按照对外接口关系可分为三类：整机装备（单机作战，无对外接口），整机装备（协同作战，部分电讯对外接口）、载荷装备（协同作战，部分电讯对外接口，部分结构对外接口）。不同的接口关系对应着论证阶段相应的工作量，一般而言，接口关系越复杂，越需要在论证阶段对方案进行严格地把控和监督，尤其是同时涉及电讯和结构对外接口的载荷装备，其方案自由度最小，但也最容易在接口事项上出现质量问题。

在概念阶段，可供使用的工具主要包括SIPOC（SupplierInput Process Output Customer）宏观流程分析，KANO分析、QFD（Quality Function Deloymem质量功能展开）、关键参数立项管理、Pugh概念选择、新Qc（Quality Contr01）7种工具、亲和图、基准评价、损失函数、FMEA（Failure Mode and EffectAnalysis失效模式与影响分析）、Poka Yoke等。在此阶段通常的交付物包括：系统需求文档，关键用户需求的优先顺序，概念设计方案，项目计划与风险分析文档。

在此阶段工作的实践过程中，笔者发现，尽管有多种工具可供选择，但是用户需求要细化到何种程度，用户需求如何转化为设计指标，且设计指标如何反映方案能够达到的产品功能与质量，都是本阶段仍然存在的问题。一个比较可行的解决方案是，在方案论证中后期启动初步设计，在设计初期进行方案优化，采用逆向综合法，从方案指标倒推功能与质量，以验证设计方案对指标要求的满足度。必要时可将用户加入方案论证讨论组，通过与用户的沟通获得设计研发所需要的外围信息。

四、设计阶段

经过论证，在概念阶段确定了产品研制的基本方案之后，就会开展产品的设计工作。在此阶段的一般设计项目按照正常的流程实施即可，对于概念阶段识别出来的关键项目则需要加以重点关注，识别出其中的CP（Critical Parameter关键设计参数）。实施六西格玛的主要目标是，建立系统级性能关键参数基线，通过FMEA进行风险分析，减少研发与设计可能给后续生产工作带来的质量问题，以满足产品最终的质量需求。

六西格玛流程在设计阶段更加注重于基于材料、工艺和加工能力的过程控制和提前分析潜在失效模式与影响。与传统设计流程的电讯结构设计在先、工艺流程设计在后，注重功能设计而轻视质量设计不同的是，六西格玛流程更多地将制造环节的风险提前至设计环节来进行降低和释放，通过一系列有效的分析手段，将设计方案约束在尽可能小的风险范围内，从而实现生产过程的高质量要求。

由于研制装备的先进性特征，研发的成本通常较高，技术的要求也相对苛刻，然而订单允许的成本有限，生产能力也受到工艺水平的制约，因此最终形成的设计方案需要基于生产能力和制造成本，实现性能的最優化设计。在这样的外边界条件约束之下，雷达装备研制的设计自由度一般较小，要实现优秀的质量性能，对于设计师和管理层而言都是非常具有挑战性的。

在此阶段，通常可以将设计工作划分为功能设计和质量设计两个部分。功能设计的目标是使得产品能够实现目标要求的性能参数，而质量设计的目标是使得该性能参数在具体的使用场景中适应各种不同的环境变量且保持尽可能长的时间（基本要求是满足用户提出的质量指标）。功能设计在此不多赘述，在质量设计方面，目前可以通过元器件、组件的可靠性参数，建立可靠性模型，计算整体的可靠性，这是一种理想的估算方法。在实际操作过程中，设计师往往会遇到可靠性模型无法预测的质量关键点，因而在现有的设计流程中应用六西格玛思想及其相应的工具，便显得尤为重要。

设计阶段可使用的工具包括系统工程、系统和功能图、DFX（Design for x，面向x的设计）、TRIZ（俄文音译TeoriyaResheniya Izobreararelskikh Zadatch发明家式的解决任务理论，亦作TIPS，Theory of Inventive Problem Solving）、公理设计、普氏方法、田口方法、实验设计、变异分析、MSA（MeasureSystem Analysis）、QFD、FMEA、小样本SPC（Statistical ProcessControl统计过程控制）、防故障设计等，根据概念阶段形成的设计方案及其关键参数，建议设计师使用相应的工具提高设计方案的可实现性和可靠性。在此阶段通常的交付物包括：需求及关键参数系统分解图文档，支持重要CP关系的统计分析报告，FMEA文档，SPC控制图等。

雷达装备的设计团队通常包括电讯、结构、工艺设计师，在设计阶段，尤其是涉及到两方面甚至三方面之间存在相互制约因素的时候，设计团队的协同显得尤为重要。最常见的问题如，电讯设计方案在结构实现上存在难度、结构设计无法达到电讯指标，电讯设计方案、结构设计方案无法通过现有工艺水平实现等。另一个非常重要的是装配环节的设计，目前这一工作主要由结构设计师承担，实际参与装配的人员并不参与该阶段的设计工作。尽管有各种设计规范指导设计工作，但仍不免出现装配工序繁复、装配难度高、装配易出错等问题的出现。因而在设计团队中加入装配负责人，是非常有必要的。在目前的信息系统和管理模式基础上，笔者认为最为可行的解决途径是，基于概念阶段识别出的关键参数、关键过程，由电讯、结构、工艺设计师、装配负责人在设计阶段进行多次迭代，一方面对前期形成的论证方案进一步优化，另一方面提出设计方案中需要在后续工作中进行试验的项目，通过后续的试验和测试进一步优化设计。在未来的信息系统和管理模式下，可能会出现基于模型的全参数协同仿真平台，产品全生命周期管理数据库，质量在线实时检测反馈等智慧手段，简化设计师之间的沟通，提高设计迭代的效率。

五、优化阶段

在设计方案初步完成之后即进入优化阶段，此阶段的目标主要是进行满足产品需求的关键参数系统的研发和论证，既是是对设计环节风险的进一步释放，也是对制造环节中可能出现的问题进行预知。

六西格玛流程优化阶段的工作主要是在子系统和组件层面优化参数，从而确保系统参数不受变异和噪声（主要是产品的使用环境和产品的使用过程）影响的健壮性，同时优化满足产品需求的系统关键参数的容差设计。

现代相控阵雷达对于元器件一致性要求极高，且由于电子线路匹配、空间电磁场匹配等因素的存在，其整机性能高度地依赖于装机元器件的指标一致性，用六西格玛的语言来讲就是指标分布的西格玛水平越高越好。虽然无法通过元器件或组件测试数据直接计算整机的性能，但是通过六西格玛流程所提供的一系列的试验设计和模拟，仍然可以找出其中的部分规律，并且预测系统对不同噪声因子（此处噪声指的是内部和外界影响系统性能的变量）的敏感程度，从而确定关键参数的最优值范围。

以有源相控阵体制为例，现在通用的试验方法包括组件试验和小面阵试验，分别是验证分系统性能和系统级联试的有效方法。然而目前的试验仍仅局限于指标的测试和整机性能的测试，对于系统内部的响应关系涉及非常少，这就给试验的设计和优化留下了巨大的改进空间。六西格玛优化阶段的工具可以确认输入值x与输出值Y之间的函数关系（传递函数）的统计显著性，利用相应曲面法优化x的取值以达到Y获得期望的目标值，通过噪声试验确定导致变异的噪声因子，最终确定一组x的水平组合以使Y对危险的噪声因子不敏感，而且能够预测最终输出变量Y的平均值和标准差。

优化阶段可使用的工具包括田口方法、实验设计、RSM（Response Surface Methodology相应曲面方法）、EVOP（Evolu-tionary Operation）、数字/算法优化等。项目负责人应至少在传统的测试项目基础上增加关于系统响应的测试和分析，计算设计方案在现有制造水平下能够实现的质量水平。这一阶段形成的成果主要包括输入输出关键参数的函数关系、输出参数的平均值和标准差预测、响应曲面法和强健设计得到的关键参数最优值分析文档、关键参数容差设计文档等，这些函数模型、预测分析都是设计改进过程中具有很高参考价值的量化标准。

仍然是基于批产数量的考虑，雷达装备在研制阶段的试验设计资源配置与目标设置都存在受到批量因素影响的局限性。因此，项目负责人在进行设计优化和质量管理时需要综合权衡试验的规模、试验验证的目标等，力求在人力物力资源、时间资源允许的前提下，对试验进行精心的设计，从而最大程度地从有限的试验资源中提取尽可能多的验证信息。

六、验证阶段

研发流程的最后是验证阶段，此阶段的目标是优化和验证满足产品需求的系统关键参数能力，对关键参数建立统计过程控制，评估系统的可靠性。通过对系统的验证，保证生产过程的稳定性，从而达到提高产品质量水平的最终效果。

验证阶段的主要任务包括以下几个方面：制定控制计划并建立针对CP的统计过程控制SPC，完成CP的过程能力分析，完成可靠性试验、分析和增长曲线，以及开发CP管理数据库从而在生产和供应链组织建立控制计划。

由于研制产品的批产数量少，雷达装备研制过程中的过程能力测试样本有限，对于定制的器件更是如此。雷达整机研制单位通常不涉及元器件级的生产，目前大多数元器件已实现标准化、通用化，但是在新品研制的过程中，不可避免地涉及到在通用器件基础上的微调，这类调整过的器件应归为定制器件来管理，而且，由此产生的变化如果涉及系统的关键参数，则必须要求供应方重新验证其可靠性。组件级别的生产或组装过程一般在整机研制单位内完成，这部分生产过程的控制掌握在单位内部，因而过程能力的分析、驗证和控制要更加直接和透明。

雷达装备研制过程经过多年的发展和积累，其组件级别的内部部件已部分实现了标准化、系列化和通用化。在此，笔者将装备研制过程中的部件分为通用和专用两类，通用部件在不同的整机产品型号之间完全相同，而任何经过借鉴修改的部件都认为是专用部件。通用部件可供验证的样本数量较大，其过程能力的控制难度较低，通常按照六西格玛流程中所建议的方法可以直接进行分析和验证。而专用部件可供验证的样本数量较小，其过程能力的控制难度较高，需要对验证的目标、试验的方法及其统计结果的有效性进行精确的设计和预估，在能够得到的样本数量前提下尽可能准确地定位生产过程中需要重点关注的环节，有针对性地进行优化和控制。

本阶段可以使用的工具主要包括：统计过程控制SPC、6σ设计积分卡、实验设计、QFD、FMEA等。最终形成的交付物主要包括针对关键参数的控制计划、可靠性评估报告、关键参数过程能力分析报告、供应链计划等。

当前质量管理注重于对元器件、部件的筛选，主要是对性能指标和环境适应性两个方面的考核和筛选，对于过程能力的认知水平较低，未能给予足够的重视。筛选是一种简单快捷的质量控制方法，然而从整个生产制造过程来讲，筛选既不能提高生产过程的质量能力，也无法降低生产制造的成本。因而在有能力进行过程能力改进和过程控制的条件下，对生产过程的关键参数进行控制才是实施六西格玛的更优选择，此举不仅可以逐步提高产品质量，亦可以有效降低因为过程能力缺陷带来的筛选损耗成本。按照六西格玛的指导思想，雷达工业的整机单位不仅要严控内部流程，提高产品质量，同时也肩负着对供应商的协同和考核任务。供应商提供的元器件、零部件甚至组件，不仅要满足性能指标和环境适应性，其生产的过程也要满足六西格玛的流程标准，只有这样，才能降低生产的波动，保证供货周期的稳定，同时也可降低供货的成本，实为一举多得的高效措施。

七、小结

六西格玛是一套建立在统计学基础上的质量管理系统方法，不仅着眼于质量改进，还可以发展为使企业保持持续改进、增强综合领导能力、不断提高客户满意度及经营业绩并带来巨大收益的一整套管理理念和系统方法。基于六西格玛的CDOV流程，文章叙述了雷达装备研制过程中，应用六西格玛基本原理和工具方法的技术路线，在研制的各个阶段开展质量管理工作的目标和方法，分析了实践中出现的问题，并提出了相应的解决方法。通过对六西格玛的理解和对实践过程的分析可以发现，六西格玛作为一种质量管理系统方法，或者说是质量管理哲学，在研发生产的各个环节都具有非常重要的指导作用，它将质量的管理用科学的理论和工具进行剖析，把系统问题流程化处理，有效地实现了产品研制的质量管理目标，对于雷达装备的研发、设计、试验和制造有着非常重要的指导意义。