系统工程管理中的重要工具——技术性能度量

编者按：

本文作者长期在航天系统内供职，对系统工程既有实践经验，又有理论研究。本文是发表在内部刊物的一篇介绍技术性能度量的文章，是国内为数不多的能够把技术性能度量讲清楚的文章。

技术性能度量（TPM）是美国国防采办项目、NASA航天项目中成功运用的一种技术管理工具。它是一种通过对关键性能参数的周期性监测，进行系统性能要求满足程度评估的度量方法，即通过比较性能参数的实际值与计划值，帮助项目经理及管理人员在系统实现前及早发现问题并采取措施，从而实现早期报警功能。美国《防务采办指南》（2012版）指出，系统工程师应综合运用TPM、工作分解结构（WBS）和挣值管理（EVM）等管理工具来权衡成本、进度和性能。

一、技术性能度量在型号研制中具有特殊地位

《美国防务采办指南》（2012版）规定，型号研制的技术管理过程主要包括“决策分析、技术规划、风险管理、技术状态管理、需求管理、接口管理、技术资料管理、技术评估”八个过程。其中，“技术评估”包括三项内容，“技术度量”是其中之一。而“技术度量”又包括四个核心内容，“技术性能度量”是其中之一（见图1）。可见，技术性能度量是技术管理的重要方法和核心内容之一。

图1 型号研制的技术管理过程及内容

TPM 周期性地度量计划值剖面的实现情况和进展趋势，是项目经理的早期报警系统。TPM关注关键性能参数，而非全部性能参数的罗列。通常包括：范围（射程）、精度、重量（Weight）、体积、能量输出、时间、安全性、可靠性、失效率、平均失效/维修/修复时间，可用性、公差带等。随着设计方案的进展，TPM周期性地度量计划值剖面的实现情况和进展趋势，有利于及早发现问题、识别风险并采取措施，而不是被动地等到系统试验才发现问题。利用工程分析和试验来估计关键性能参数值，TPM实现了对产品设计的评价。TPM是一个不断确认和比对技术参数预期和实际达成程度的过程。一旦发现度量的结果超过了事先确定的标准（容差带），就应分析原因采取相应的行动。TPM的相关度量值如图2所示。

图2 技术性能度量的相关度量值

TPM是技术风险分析的重要输入条件，也是项目管理权衡分析的重要条件，它的主要特点体现在以下5个方面：

（1）TPM不是针对单点逐一进行技术性能度量，而是根据预先设定的剖面曲线，开展周期性监测工作。即在研制过程中随着时间进展来监测实际性能值情况，分析实际值与计划值的差异，以得到相关的信息。

（2）TPM不仅判别当前的实际值情况，而且根据实际值的曲线进行“进展分析”，具备了趋势预测功能。这种趋势预测的功能可以提前防范风险。

（3）TPM不另单设，而与节点相联，紧密地融入研制过程。TPM系统不是游离于研制过程之外的一套技术度量系统，避免了与现有的组织度量体系形成两张皮的局面。TPM规划时就已经策划了后续评估、状态报告的节点，这些节点与研制过程的关键评审里程碑等相互协调，TPM计划本身也是系统工程主计划内容的一部分，紧密融入研制过程。

（4）TPM不应单一，而需统筹权衡，发挥项目报警器作用。TPM是技术度量的手段，同时也是项目管理的工具。对项目管理者而言，成本、进度和技术性能是项目管理的三个最基本要素，挣值管理对应进度和成本，TPM对应技术性能，当TPM与成本和进度报告相联系时，就展现了项目的完整状态，即统筹权衡成本、进度和性能。

（5）TPM采用定性定量结合和“先导指标”等评估手段。美国比较重视系统工程的度量工作，采用PSM（实用软件和系统工程度量）所定义的度量过程模型统一了基本过程，近年来积极研究开发了系统工程先导指标，例如美国海军建立的ALI在重量（Weight）TPM和项目性能之间建立了一系列模型。研究者也提出了相关的定量评价方法，如贝叶斯方法、蒙特卡洛模型等。这些理论和实践的不断发展，定性和定量相结合，以及先导指标这一新的评估手段的提出等，推动了技术度量的发展。

二、技术性能度量的具体程序趋于成熟

国外TPM的实施主要包含了五大步骤：制定TPM计划；选择度量参数；确定计划剖面；开展度量评估；综合分析归集。

1、制定TPM计划

TPM计划纳入到系统工程管理计划中。通常TPM计划按评估计划的要求提出，作为系统工程管理计划的一部分。评估计划规定了有关试验或其他评价的条件和度量方法。TPM可放在方案确定之后，工程研制之前进行。最好在项目大多数技术状态的初步设计审查完成后开始。TPM计划一直持续到经试验验证设计通过为止。如果方案阶段产品设计不稳定，TPM的计划可先行，但评估和报告可以推到工程研制阶段的早期开始。

2、选择度量参数

TPM参数的选择要遵循“代表决定因素、可设定计划值、实际可测量”等基本原则。即是否代表了整个系统产品的最重要的考核条件和决定因素，是否易于设定计划值剖面和容差带，是否能从分析或试验结果上快速导出直接度量。NASA发布的战神项目计划书指出，星座计划为发射系统所提出的TPM定义了最高层级的性能要求，战神火箭按月跟踪12个高级TPM指标，确保符合星座计划的要求。

TPM参数树可以通过WBS的产品单元进行构建。可以在WBS各个层级选定典型的技术参数构成一个参数树，作为其跟踪和管理的对象。TPM和WBS之间的联系使参数树成为一个有效的控制和管理工具，将度量结果和挣值管理系统联系在一起。如项目管理中，可以把技术性能偏差（例如TPM发现质量（Mass）参数超出容许极限10%）与进度和预算状况（假设此时已经花费了80%的预算，离最终节点只有不到一个月的时间）联系到一起。

3、确定计划剖面

项目开始时对每个选定跟踪的参数建立一个计划值剖面。该性能剖面是计划值相对于时间的曲线。应充分利用历史数据、试验规划和合同要求制定适宜的剖面。计划值剖面可能是常量，更可能随时间变化。NASA研究表明，在研制有类似经验的产品时，设计更改导致的重量增长约为15%，因此初始值会比合同要求值低，随后逐渐上升。计划值剖面的管理是一个动态的过程。根据实测的验证值情况，对剖面可能需要进行动态管理和重新规划。

容差带是性能剖面制定过程中建立的“报警器”。容差带的边界（容差极限）是根据历史经验、成功项目的数据以及估测方法等得到的极限值。用每个参数的上、下界限对技术性能进行跟踪和管理，容差带能够起到“报警器”的作用。容差带也是一个动态管理的过程，对其应至少每半年进行一次审查。

4、开展度量评估

美国航空航天局（NASA）通常采用的TPM评估方法有：计划图法、余量管理法、风险管理法。

（1）计划图法。计划图也称计划剖面图，是按时间阶段设定的计划值曲线图，并且根据此图来比较实测值（验证值）。原始分配指标（合同规范要求值）是原始计划线的终点，但往往实测值会超过原始计划线，例如有效载荷的初始指标常被突破。如图3所示，实测值与计划值间的偏差随时间推进越来越大，余量越来越小，在t时刻将要达到原始分配指标值，而研制仍在继续，存在超限的风险，因此应分析原因，重新规划，设定新的分配指标和新的计划线。NASA“钱德拉”X射线空间望远镜项目的质量TPM，利用计划图对各种增加的因素设定了各条基线。

图3 计划图法

（2）余量管理法。余量管理法是以性能指标的余量进行管理的方法。通过建立按时间阶段的原始余量要求，将实际余量与其进行比较，当实际余量低于原始余量要求时，进行调整并重新设定新的余量要求。余量要求通常呈下降形态，在项目结束时达到或接近零。如图4所示，实线为余量要求，虚线为实际余量，若TPM在t时刻的实际余量少于原始余量要求，则进行调整，将余量提高，新的实际余量满足了调整后的新的余量要求指标。余量要求可以用分配要求（合同规范要求值）的百分比来表示。

图4 余量管理法

图5是NASA的“寄居者”（Sojourner）火星探测车项目的质量评估，显示了从系统要求评审到发射过程中的余量要求（水平直线）和实际的质量参数的余量。现行余量说明：“微型漫游者”系统分配16.0kg；现行最佳估计15.2kg；余量为0.8kg，占系统分配的5%。

图5 “寄居者”项目用余量管理法开展质量TPM

又如，F-35B飞机净质量设定的TPM门限值到2015年为32577磅，而2011年11月与32577磅上限相比仅有230磅余量，意味着在碰触TPM评估的底线前，仅有0.71%的余量以及年均0.22%的质量增长空间。项目决定尝试一个更高的降落速度，或许可将现有的TPM质量上限提高142磅，由此可以将余量提高到1.2%，以及年均增长率提高到0.36%。

（3）风险管理法。风险管理法即风险概率管理方法，用最终TPM值小于分配值（合同规范要求值）的概率来进行管理。以性能指标的上、下界限设定为一个预警线，概率落在绿色区域内，表明100%实现指标的可能性。以3σ线作为红色警戒区，近3σ线的区域作为黄色警戒区，一旦指标落在3σ线之外（红色警戒区）则有可能不能实现系统的要求。图6是NASA给出的航天器入轨质量概率分布的风险管理法。当概率陷入到红色警戒区时，在t时刻应进行重新规划，设定新的分配值，从而使概率返回到绿色区。

图6 航天器入轨质量风险管理法

5、综合分析归集

通过逐级汇总形成系统级TPM报告。采办方和承包商能方便地识别验证值相对于计划值剖面的偏离情况。最简单的汇总模型如系统重量，对每个WBS产品单元分配给一个重量值，通过对各个单元重量的估计、度量和报告，进行算术累加就能得到系统的总重量。

选择关键节点提交TPM报告。评估点的规划一般与重大设计或试验任务完成、决策里程碑评审等规划相协调。报告可根据需要逐月或逐年编制。TPM报告可根据项目需求予以剪裁。DI-S-3619《技术性能度量报告》给出了TPM报告的一般格式。通常包括：验证值、计划值、验证偏差、最终产品的现行估算值、门限值以及预计的偏差等。

三、技术性能度量的应用与发展态势良好

TPM是国外型号研制中广泛应用的一种技术管理工具。它在美国国防采办项目、NASA航天项目中已经成为一种成熟的技术管理工具。美国国防部DoD 5000.02-R要求，应对技术开发和设计的性能指标进行度量，比对实际值与计划值，度量系统满足要求的程度。最新的美国《防务采办指南》（2012版）指出，政府和合同商都需要设定跟踪的TPM参数，政府需要一系列能反映出WBS中关键单元的技术性能，以及成本、进度和技术高风险区域的TPM；除了报告给政府的TPM以外，合同商通常会跟踪更多的关键单元。

系统工程先导指标的推出促进了TPM的发展。2010年1月，国际系统工程委员会等发布《系统工程先导指标指南》（第二版），包含了18个系统工程先导指标（SELI）。美国海军航空兵种已率先开发出适合自身实际的先导指标（ALI），并成功应用在海军航空系统的I、II类飞行器采办项目的一些技术度量中[[1]]。ALI填补了现行的技术性能度量与整个项目性能度量之间的差距，是先导指标在技术度量方面的应用，是评估各种技术性能度量对整个项目性能有何影响的定量方法。目前已开发的ALI工具用重量TPM（用重量与计划值或门限值的比例）作为技术度量指标，分析对项目性能（用成本超支比例来体现）的影响。《系统工程先导指标》发布后，开展了每个先导指标对系统工程有效性影响的调查，大部分被调查者认为系统工程先导指标是非常重要而且有用的。