刘亚威：美军希望扩展制造成熟度应用范围
制造成熟度已经被美军视为复杂武器装备研制与生产中，解决与质量、进度和成本相关的制造风险的一种重要管理工具，AS6500“制造管理程序”的发布能够进一步协助美军扩展制造成熟度的应用领域和范围。本文来自：空天防务观察（ID:AerospaceWatch），原文分上、下篇发布，经授权由《走向智能论坛》微信公众号推荐阅读。
刘亚威 ¦ 美军希望扩展制造成熟度应用范围
（图片来自网络）
制造成熟度（Manufacturing Readiness）是表征制造系统的能力对产品全寿命周期的最优性能、成本、进度目标的满足程度的一种状态。装备采办中的制造活动本身就是一项庞大的系统工程，这已是美国军方和军工界的共识，工业基础、技术开发、设计、成本、投资、材料、供应链管理、过程控制、质量管理、人员技能、设施设备、进度管理、物料管理，都是这个制造系统的管理要素，也是可能迸发制造风险的关键领域。
美国国防部通过制造与质量行动，梳理了各采办阶段的重要制造活动，总结了制造系统的管理要素和最佳管理实践，提出了制造成熟度管理方法，分析了制造和质量活动中的管理差距和标准缺口，制定了相关的制造战略来支撑采办决策水平的提升和项目制造风险的下降。目前，美军已经发布非强制性标准，推荐在制造管理中使用制造成熟度，美军也通过合同约束承包商进行制造成熟度管控，并发布了各类指南和手册配合使用。
制造成熟度与美军采办周期
一、批量采办项目已广泛应用制造成熟度管理
经过多年的发展，制造成熟度管理已逐渐体系化、标准化，初步形成了统一的普适性评价准则，并在一些重大项目上得到验证。目前，以美国空军为首，美军各军种和采办机构基本都已开始采用以制造成熟度管理为基础的方法来评估国防科研和型号采办项目的制造系统，并以此管理制造风险。空军装备司令部3大产品中心之中的航空系统中心和空中武器中心都出台了要求实施制造成熟度管理的政策，要求所有项目在每个重大里程碑评审前，都要进行制造成熟度评价，以评估制造系统的成熟度。除了国防部、能源部、国土安全部等政府机构，这一方法还在雷神、GE、霍尼韦尔等工业巨头内部得到广泛应用，深入其研制与生产管理流程。
以美国为例，进行过制造成熟度评价（MRA）和管理的项目包括：工艺开发项目，如F-22前机身自动化钻孔、驾驶舱盖隐身喷涂和F-35机器人进气道钻孔等制造技术项目以及中机身增材制造零件开发等小企业创新研究项目；技术预研项目，如F135耐久排热结构、微冷却结构和推进装置持续改进等科学技术项目；产品研制和升级改型项目，如AIM-120 C-7 先进中程空空导弹、MQ-9“死神”无人机、P-8A“海神”海上巡逻机、KC-46A加油机和C-130航电现代化、B-2甚高频卫星通信升级、AH-64D“长弓阿帕奇”直升机等型号采办项目。
F-35中机身零件开发制造风险管理
AIM-120C-7 先进中程空空导弹项目的采办过程中实施了严格的制造成熟度管理，在从低速初试生产向全速生产转换前，为了排查风险，查找能力瓶颈，项目办公室实施了大范围的制造系统评估（包括供应链在内）。评估规模庞大， 评价涉及到14个供应商，一共评价了35个部件，其中包括所有的装配与测试步骤，以及总装环节。通过这一工作发现问题并在后续的制造成熟计划解决，项目的月产能力从10枚平稳过渡到了28枚，而且工艺稳定；通过制造成熟度管理与相关精益工具的结合应用，特定单元的测试时间减少了90%，有效缩短了生产交付时间，保证了项目进度。
MQ-9“死神”无人机在采办过程中一直采用制造成熟度管理，在进入生产前，为了排查风险，项目办公室实施了制造成熟度评价。通过评价，项目办公室确认了在生产决策前需要评价的5个部件，以补充任何可能存在不足的能力；确认了全速生产的2个风险，并制定了风险降低计划，保障了低速初始生产向全速生产的平稳过渡；为供应商能够实现月产2架的初始生产能力提供了证据，支持了国会对采办数量和经费的批准，保证了项目进度。目前，该项目达到了月产4架的全速生产能力，而且生产平稳，未发生重大事故，成本得到了良好的控制。
F-35项目中一个增材制造零件开发项目比较完整地实施了制造风险管理过程，该项目最终要在制造成熟度等级（MRL）达到8级的时候植入F-35的低速小批生产。项目办根据目标进度设定了目标MRL，开发前就提前制定了MRL里程碑，大致列出通过里程碑可能面临的风险，然后通过制造成熟度评价进行迭代，反馈识别结果；利用各种手段和先进工具进行风险的降低工作，然后按照里程碑进度监控风险，需要注意的是达到每级MRL的时候，都需要首先制定达到下一级MRL的计划。该项目的制造风险管理更加超前，在刚达到一级MRL的时候就要预先估计下一级MRL的风险，提前进行计划和相关工作布局，以更加顺利地消除风险，达到项目目标。
增材制造零件开发项目的里程碑风险预估
二、美军希望扩展制造成熟度应用范围
只要存在制造活动，制造成熟度评价（MRA）就可以实施。但是对于科研项目、最终目标不是批量生产的采办项目以及维修保障活动等特殊情况，实施MRA时可能需要适当对流程进行调整。“生产相关”、“生产典型”、“试生产线”以及“批产工装”等术语的意思对科学与技术（S&T）、舰船或航天项目来说，可能与战车、飞行器或电子项目的完全不同，因此需要分别界定其字面意思，甚至剪裁掉不适用的能力要素或子要素。无论是S&T项目、建造一个单位的产品或上千件的批产，或者是提供保障，确定制造成熟度都是至关重要的。无论是工业界项目还是政府项目，MRA对于在所有的关键项目决策点确定成熟度并掌握制造风险都是非常有效的方法。
制造成熟度评价方法中的10级等级要求
为了扩展制造成熟度应用范围，美军给出了在采办项目之外的科学与技术环境（预研），维修保障、MRO和后勤站活动，单件采办等项目中实施制造成熟度评价的方法。
1. 科学与技术环境
在S&T环境下有效实施MRA可能是所有特殊情况中最具挑战的。MRA是在一件产品（制造系统）和/或一项工艺迈向生产的过程中，衡量其制造成熟度。不过，在早期S&T中，几乎没有研究会与一件产品或一个特定的生产项目相联系。因此，需要使MRA适应与S&T环境的目标（比如获得基本知识）。由于评价准则是针对一个生产项目预期的自然进展而开发的，某些细则就需要适应评价特定S&T目标。在从S&T转化到生产的研制过程中，MRA的首要目标就是提升决策者掌握和降低制造风险的能力。技术从概念到实验室、再到工厂车间以及战场的平稳和高效转化的能力，对于一个采办项目节约成本和缩短周期来说至关重要。
（1）基础研究
S&T过程最早的工作就是基础研究。基础研究的目的是基于可观察的事实，系统研究基本的科学和现象，而不涉及一个具体工艺或产品。基础研究中应用MRA限于面向潜在使用或者科学发现目的的观察资料的扩展。随着这个新知识向一个概念产品的应用成熟，将可获取到凸显潜在下游制造风险的信息，并且面向实现新产品创新所需确定的新制造工艺、工业基础和成本目标提供洞察力。这些确认的风险应该在应用研究阶段考虑。MRL 1-3级的细则指出了面向基础研究的制造知识，2017版《制造成熟度手册》中将大幅增加这一过程的评价细则条目。
（2）应用研究
S&T过程的下一阶段是应用研究，它是获取知识以确定一个已识别和特定的用户需求可通过什么手段满足的系统研究。应用研究面向广泛定义的用户需求，将基础研究转为解决方案。一般来说，这个层次的研究包括鉴定、纸面研究和材料分析、实验工作台实验和工艺途径。应用研究利用工艺/科学的知识，演示基础研究中学到的基本原理的应用。它一般在实验室环境下实施，开发出小件样品以允许对工艺和技术进行测量和观察。结果应该是可被评估的材料和工艺。当应用研究完成时，这些工艺和技术已经可准备应用于一个原型的演示。MRL 4级细则指出了面向应用研究的制造知识，MRA提供了对S&T项目制造可行性的评价，在决定下一步时是有用的。
（3）先期技术开发
先期技术开发（ATD）是对知识或理解力在开发有用的材料、设备、系统或手段上的系统应用，包括原型和新制造工艺的设计、开发和实施，以满足特定要求。ATD的结果是技术可行性的证明，以及子系统和组件可操作性和可生产性的评估，而不是开发用于服役使用的硬件。ATD包括设计工程、原型制造和工程试验的职能。
S&T阶段要求在S&T和采办团队之间拥有比基础或应用研究更大程度的协同。对ATD项目应用MRA应该是S&T和采办团队之间的一个联合工作。而且，制造成熟度目标应该由双方共同掌握和商定。目标是在ATD转化为一个采办项目过程中，掌握、降低和管理与制造成熟度相关的风险。MRL 5-6级的细则指出了ATD的制造知识。
（4）样例
S&T团队资助的S&T工作通常不会支持S&T后续的工作。在S&T项目结束时目标是达到MRL 6级时，这会让S&T团队犯难。制造成熟度评价准则包含的采办语言可能与S&T资助的活动不相关，因为采办语言涉及预算估算、过程能力以及试生产线、低速初始生产（LRIP）和全速生产（FRP）以及某些情况下里程碑C时的目标成品率。如果严格按照细则，S&T项目是不可能达到MRL 5级的。此外，许多MRL 5-6级的细则，比如那些处理质量、设计、物料、设施和劳动力的，在技术转化时对降低制造风险非常宝贵。因此，建议如此使用评价准则，即充分利用宝贵的风险降低基准，同时对不适用的基准不予追究。
比如，在成本和投资要素的MRL 4-6级中，有涉及到达到里程碑B和C的预算和成本估算。如果一个S&T项目只是通过ATD（或更靠前）来资助，那么要考虑这些细则对特定的S&T工作是不适用的。一般而言，涉及到与后续不由S&T工作资助的项目相关的未来活动，在评价中是不适用的。
同样地，过程能力和控制要素以及制造管理要素的MRL 5级中，要求目标成品率以及面向试生产线、LRIP和FRP 的“造/买”评估。这可能被认为不属于S&T工作的范围，如果考虑这样的基准未获资助，那么这些细则可能也不适用。
此外，应该评估建模与仿真子要素，确定哪一层级的建模与仿真对被评价的对象是适合的。某些情况下，需要大量建模与仿真；而有些情况下，一个简单的电子数据表计算就足以满足这些细则。
MRL 6级要求在生产相关环境验证解决方案和工艺。在执行MRA之前，评价对象的生产相关环境应该由所有利益相关方和受过培训的制造专家商定。生产相关环境的定义应该充当有益的向导。在某些情况下，如果生产线的某些实际要素存在，并且可以验证制造成熟度或确认制造工艺的潜在风险，一个实验室环境就可接受作为一个生产相关环境。
某些能力要素或子要素有很多要处理的细则。一项细则可能不适用，但其它的可能，因此该要素或子要素不应该裁剪。如果一项细则涉及一个采办或一个后续项目，那么该细则可能不适用；不过另一项细则可能适用。不要裁剪哪些适用的细则。
二、美军希望扩展制造成熟度应用范围
只要存在制造活动，制造成熟度评价（MRA）就可以实施。但是对于科研项目、最终目标不是批量生产的采办项目以及维修保障活动等特殊情况，实施MRA时可能需要适当对流程进行调整。“生产相关”、“生产典型”、“试生产线”以及“批产工装”等术语的意思对科学与技术（S&T）、舰船或航天项目来说，可能与战车、飞行器或电子项目的完全不同，因此需要分别界定其字面意思，甚至剪裁掉不适用的能力要素或子要素。无论是S&T项目、建造一个单位的产品或上千件的批产，或者是提供保障，确定制造成熟度都是至关重要的。无论是工业界项目还是政府项目，MRA对于在所有的关键项目决策点确定成熟度并掌握制造风险都是非常有效的方法。
为了扩展制造成熟度应用范围，美军给出了在采办项目之外的科学与技术环境，维修保障、MRO和后勤站活动，单件采办等项目中实施制造成熟度评价的方法。
2. 维修保障、MRO和后勤站活动
（1）增强产品保障经理
《国防部产品保障经理（PSM）指南手册》这本最佳实践，强调对全寿命周期后勤（LCL）的适当提前规划，相当于提前规划制造活动。MRA与产品保障决策点或活动的关系开始于装备方案分析之前的阶段。国防部PSM指南手册强调使用持续保障成熟度（SML）来确认产品保障的决策/活动。SML与MRL有直接关联。
对于将持续保障作为一项普通日常活动来处理的项目，MRA可以在项目进行中支撑SML活动。现有的经后勤站验证的制造程序和工艺应尽可能多地利用，而且使用的设备必须满足过程能力要求。
MRL与SML的关联
（2）增强后勤评价
《国防部后勤评价指南手册》表示通过后勤评价将支持领导者在里程碑和/或关键项目决策点做出有根据的决策。指南手册中的许多细则直接由MRL支撑。MRA让供应商更好地掌握制造能力，使其做出基于目标数据的决策。对MRA流程中语言的少量改编可能是必需的。
（3）增强后勤站活动
使用MRA评价后勤站制造能力，能够更好地掌握作为有机整体的后勤站及其供应商的能力。通常，后勤站保障决策要基于“无法更改的事实”变化而调整。例如，一个产品的保障原先是承包给一个业务部门，但是由于意料之外的情况该业务部门不再可用。保障活动可能要由一个后勤站吸纳。如果该产品需要当前不在能力内的工艺、能力或组件，那么这些需要“成熟”。需要实施MRA来确认并“成熟”必要的制造活动以保障产品。
下图描述了一个状态，后勤站要建立起（无计划的）面向一个产品（里程碑C之后/初始作战能力）的能力。如果没有工程技术数据可用，MRA可以MRL 5级为目标（还不能支撑SML 8级）。如果有限数据可用，MRA可以MRL 6级为目标（还不能支撑SML 8级）。如果大部分数据可用，MRA可以MRL 7级为目标。除非所有数据和工艺都就绪以保障一个产品，它将用时间、资金和资源来达到MRL 8级并支撑SML 8级。
一个后勤站条件
3. 单件或有限系统采办
MRA可应用于单件系统或限量生产系统的采办。单件或限量生产系统定义为一个系统的首件既是首个作战单元，比如大型雷达、舰船或卫星。
（1）单件或限量系统——除舰船外
对单件或有限生产的大型雷达、舰船或卫星的评价，可以通过修改MRL与决策点或里程碑的关联来完成。这些系统通常经由采办流程，在关键设计评审（CDR）之前，MRA通过里程碑B实施，或者如果没有计划的里程碑B决策，则通过初步设计评审（PDR）。根据DoDI 5000.02，这些系统采办可同时做出里程碑B和C决策。
无论是否剪裁能力要素，CDR都需要评价设计完备度、设计的文档化，以及遗留的风险，并建立初始产品基线。在CDR时的制造成熟度必须足以支持首件生产。首件生产批准和首个系统生产通常在CDR成功完成后不久开始。尽管工程和制造研制（EMD）阶段就开始生产，但这也是首个（可能唯一）的生产系统。因此，系统级的制造成熟度在CDR必须达到MRL 8级，子系统和部件级的成熟度必须达到MRL 8级或9级细则。PDR和CDR之间可执行针对MRL 7级的评价以满足项目目标。
单件或有限系统采办中（非舰船类）的MRL与决策点的关系
此外，对航天系统来说，硬件替换或修理是不可能的，质量和可靠性是最重要的，初始单元（如卫星的EMD单元）就要求满足所有任务使用要求。这就要求所有飞行单元的完整文档化和可追溯性，这对保障在轨异常分析是关键。质量和可靠性必须在执行航天运载器MRA时强调。
评价准则中的某些细则和语言要求具体化到更严格的定义，以满足单件或有限系统采办的要求。比如，物料成熟度子要素的MRL 7级“物料成熟度可充分保障试生产线制造”中的“充分”意味着“完全”。MRL 8级的“物料在EMD过程中得到证明和确认并足以保障LRIP”，由于LRIP是初始生产EMD系统，“足以”意味着“完全”证明和确认。严格坚持一个高水平的具体化定义，减少单件或有限生产系统成功生产所面临的的风险，因为制造风险控制对它们是首要考虑。
另一个案例，在生产单个系统时，制造过程子要素中，演示和验证制造过程以及收集和计算过程能力是困难的。现有的已经证明和具备能力的制造程序与工艺应尽可能地用于生产过程验证，使用的设备也必须满足能力要求。
（2）单件或限量系统——舰船
在舰船——一个复杂的大系统采办条件下，如果在舰船CDR之前不生产（如MRL 8级或9级），主要的系统和子系统应完全得到描述。在舰船总体开发层级，里程碑B通常发生在CDR之后3到6个月，舰船总体设计应该在里程碑B达到MRL 7级。多个船厂可能独立工作以按照船厂特殊的生产方法和工艺准备功能设计，将设计提升到MRL 8级。
为了提升管理与洞察，确保能力要求和采办之间的一致性，提升高级领导层的决策，并且更好地掌握风险和成本，海军部实施一个“二过、六门”流程。阶段门1、2和3是“要求门”，从装备研制决策之前开始，到批准初始能力文件（ICD）——备选方案分析（AOA）指南，选择一个AOA最佳备选方案；到批准能力开发文件（CD）——作战概念（CONOPS）的开发；以及到批准系统设计规范（SDS）开发计划。在系统设计（SD）1最终设计评审（相当于PDR），系统成熟度应该达到MRL 6级。阶段门4、5和6是“采办门”从阶段门3之后开始，在里程碑B（初始EMD阶段）之后结束。该流程最后是批准SDS，发布建议征询书（RFP），评价面向生产的成熟度，并且批准综合基线评审（IBR）。在里程碑B，阶段门4之后（可能是阶段门5）以及SD 2完成（相当于CDR）时，系统成熟度应该达到MRL 7级。
单件或有限系统采办中（舰船类）的MRL与决策点的关系
一旦里程碑B开始，舰船的详细设计和建造开始。合同授予（CA）之后，获胜的船厂继续设计和建造以准备MRL 8级的生产就绪评审（PRR）。CA和PRR之间可能要一年或更多，在LRIP/领头舰船建造启动决策（铺放龙骨）以及后续建造之前需要PRR。
对舰船来说，在CDR时，平台作为一艘舰船发挥功能所需的所有主要的舰船子系统（推进系统、武器系统、作战系统、C4I等）应该达到MRL 8级。而且，大系统中不可能更换或翻修的子系统必须达到MRL 8级。为达到这级成熟度，可能使用建模和仿真，包括潜在地建造全尺寸子系统（不是舰船系统的部分）。
三、工业界产品开发也可以应用制造成熟度管理
工业界也可以在其企业流程中利用和采纳国防部的MRA方法。评价准则可容易地转化到跨军民应用。一个简单的采纳步骤就是将自身业务嵌入到准则中，以提升对评价流程的理解和接受。使用企业术语代替国防部术语（比如业务或工程阶段门代替里程碑节点）。为支持制造成熟计划制订，企业可建立一个未来跟进的路线图，强调增值过程而不是识别什么行动未完成。
阶段门产品开发
企业可以将完整的评价准则和MRA流程嵌入到一个电子数据表或管理仪表板中。随着结果得以显示，团队经验增加，可透过增加的生产率看到提升。跨业务部门的标准化汇报PPT或标准化仪表板格式辅助更好的上层管理。当一个业务部门拥有评价准则时，它可以是简明和可控的，用于快速分解解释的问题。拥有评价准则还允许经验教训的添加。比如，增加环境卫生和安全（EHS）能力要素，确保EHS问题在制造过程早期得到解决，波音就根据自身的经验向国防部制造成熟度工作组提供了增加EHS相关条款的建议。MRA应该作为企业新产品开发流程所需的一个整体元素来采纳。类似于实施ISO 9000/9100和AS6500，实施MRA管理风险将提升企业运营，拥有更高的质量、更短的周期、更少的成本以及全面的积极影响。
GE航空也很早就采纳了制造成熟度理论对制造系统进行评估管理，并引入了自己的产品开发过程中，要求在相应的技术节点（TTG）/新产品上市（NPI）节点处达到相应的MRL。GE航空新产品开发全寿命周期现在完全与MRL相对应，各个阶段和关键的技术或生产节点（“门”）都要求制造成熟度满足一定的目标要求，比如TTG 3、TT6 6和TTG 9这3个节点分别要求达到MRL 4级、6级和8级；NPI 3、NPI 6和NPI 9这3节点分别要求达到MRL 6级、8级和9级。
GE航空产品开发全寿命周期
霍尼韦尔十分注重制造成熟度与可生产性，从2005年开始研究国防部的MRL，进行了修改以满足对设计、过时淘汰和测试性的要求，形成了自己的一套MRL工具，从项目早期直到工程研制和生产阶段，识别不足，降低风险。霍尼韦尔开发了制造系统评估工具，由制造复杂度模型、成品率预测模型和面向制造的设计（DFM）记分卡分析这3个可生产性工具和MRL讨论组提供输入支持，根据输入评估制造系统的成熟度并确认不足。制造复杂度模型确认设计对制造复杂度的影响；成品率预测模型定量预测设计概念的成品率；DFM记分卡分析量化设计对可生产性的影响；MRL讨论组评审制造成熟度工具和MRL评价准则。霍尼韦尔认为，很多影响制造和质量的可生产性问题都是早期设计决策引起的，利用工具可以及早分析这些决策，并通过虚拟样机在实际生产前进行必要的性能与可生产性权衡，提升制造系统的成熟度。
作者单位：
刘亚威——中国航空工业发展研究中心
声 明
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