大口徑艦炮研制技術(shù)風(fēng)險評估及后果仿真

張滿慧，姚忠，曹中臣，張建斌，汪永忠

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

大口徑艦炮研制項目技術(shù)先進(jìn)、周期長且投資巨大等特點(diǎn)，決定了其高風(fēng)險的特性[1]。艦炮研制技術(shù)風(fēng)險[2]貫穿于整個研制過程，也是造成費(fèi)用和進(jìn)度風(fēng)險的主要因素。因此在大口徑艦炮立項研制時，必須開展技術(shù)風(fēng)險評估及后果可能性分析，合理度量其所隱藏的技術(shù)風(fēng)險，并制定相應(yīng)措施避免、減小和轉(zhuǎn)移風(fēng)險。

針對艦炮研制技術(shù)風(fēng)險分析方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量地研究。田新廣等[3]提出了基于模糊綜合評價模型的技術(shù)風(fēng)險分析方法，分析了艦炮技術(shù)風(fēng)險評估的指標(biāo)和準(zhǔn)則。邱志明等[4]基于證據(jù)理論和未確知理論，給出了艦炮技術(shù)風(fēng)險評估過程。對于艦炮研制的風(fēng)險后果評估，田新廣等[5]對艦炮研制建立了基于多元風(fēng)險分析概率的進(jìn)度風(fēng)險分析模型，給出了基于正態(tài)分布和指數(shù)分布的進(jìn)度風(fēng)險估算方法。同時，也建立了基于層次評估模型的費(fèi)用風(fēng)險分析方法[6]，采用熵判據(jù)對費(fèi)用風(fēng)險程度進(jìn)行度量。對于其他武器裝備研制項目，閆寶會等[7]基于三角白化權(quán)函數(shù)的灰色理論，給出了航空裝備技術(shù)風(fēng)險評估過程和步驟。馮臻等[8]將不確定多屬性決策方法應(yīng)用于風(fēng)險評估，給出了一種定性與定量相結(jié)合的飛行器型號項目技術(shù)風(fēng)險評估方法。張懷強(qiáng)等[9]通過建立了新的三維權(quán)衡空間，實現(xiàn)了對反水雷武器性能、費(fèi)用和研制風(fēng)險的綜合權(quán)衡。

在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，筆者面向大口徑艦炮的研制需求和特點(diǎn)，開展了技術(shù)風(fēng)險分析和仿真研究。從風(fēng)險識別的角度明確了艦炮研制的關(guān)鍵技術(shù)因素，進(jìn)行了技術(shù)風(fēng)險定性分析。構(gòu)建了基于模糊評價方法的大口徑艦炮技術(shù)風(fēng)險評估流程，通過應(yīng)用仿真得出了艦炮研制技術(shù)風(fēng)險級別和綜合風(fēng)險。綜合權(quán)衡技術(shù)風(fēng)險的后果，給出了基于風(fēng)險因子的后果可能性分析流程，明確了大口徑艦炮研制技術(shù)的風(fēng)險管理級別和嚴(yán)重程度。獲得的結(jié)果對大口徑艦炮研制風(fēng)險監(jiān)控和處理具有指導(dǎo)性作用。

1 大口徑艦炮技術(shù)風(fēng)險概述

1.1 艦炮研制關(guān)鍵技術(shù)分解

面向高新技術(shù)發(fā)展和海戰(zhàn)模式的變化，為綜合衡量射程、威力和適裝性等[10-11]發(fā)展符合我海軍裝備體系的大口徑艦炮，從頂層規(guī)劃的角度將研制關(guān)鍵技術(shù)分解如下：

1)模塊化總體技術(shù)。大口徑艦炮應(yīng)采用模塊化總體技術(shù)提高裝艦適應(yīng)性，技術(shù)風(fēng)險在于對成熟技術(shù)和擬突破技術(shù)進(jìn)行綜合集成時，如何保障艦炮戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)的完備性及體系兼容性等。

2)火力優(yōu)化技術(shù)。大口徑艦炮應(yīng)采用火力優(yōu)化技術(shù)滿足炮、彈、藥的技術(shù)協(xié)議和匹配性，技術(shù)風(fēng)險在于如何減小在發(fā)射高炮口動能彈藥時對艦艇結(jié)構(gòu)的影響，如何確保彈藥的發(fā)射穩(wěn)定性[12]以及同步發(fā)展遠(yuǎn)程精確制導(dǎo)炮彈的可行性等。

3)彈藥儲運(yùn)總體集成技術(shù)。大口徑艦炮應(yīng)采用彈藥儲運(yùn)總體集成技術(shù)實現(xiàn)多型彈藥的儲存和智能選取等，技術(shù)風(fēng)險[11]在于如何實現(xiàn)與艦艇的一體化設(shè)計以及優(yōu)化彈藥交接、供彈路徑等。

4)全電驅(qū)動技術(shù)。大口徑艦炮應(yīng)采用全電驅(qū)動技術(shù)符合現(xiàn)代艦艇的電氣接口設(shè)計[4]，技術(shù)風(fēng)險在于電磁兼容頂層設(shè)計、冗余設(shè)計等。

5)綜合保障技術(shù)。大口徑艦炮應(yīng)采用綜合保障技術(shù)，通過全壽命保障體系設(shè)計提高艦炮的效費(fèi)比[10]，技術(shù)風(fēng)險在于如何適應(yīng)保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、保障功能特性越來越多的需求等。

6)智能化技術(shù)。大口徑艦炮應(yīng)采用智能化技術(shù)適應(yīng)體系對抗需求，技術(shù)風(fēng)險體現(xiàn)在從基礎(chǔ)理論發(fā)展到工程應(yīng)用所需攻克的一系列難題，例如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)識別和數(shù)據(jù)融合，基于深度學(xué)習(xí)的自主決策和健康管理等。

7)隱身技術(shù)。大口徑艦炮應(yīng)采用隱身技術(shù)提高生存能力，技術(shù)風(fēng)險是在外形隱身的基礎(chǔ)上，如何應(yīng)用結(jié)構(gòu)/隱身復(fù)合材料增強(qiáng)艦炮的隱身能力等。

1.2 艦炮研制技術(shù)風(fēng)險定性分析

大口徑艦炮的技術(shù)風(fēng)險主要是指在預(yù)定的資源約束條件下[13]，達(dá)不到戰(zhàn)技指標(biāo)要求的可能性及差額幅度，或者說某個部分出現(xiàn)事先意想不到的結(jié)果而產(chǎn)生影響的概率。

結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)分解情形，明確影響艦炮技術(shù)風(fēng)險的相關(guān)因素[2]主要有：技術(shù)要求較高，相關(guān)的技術(shù)儲備水平較低，實現(xiàn)難度較大；既定的性能指標(biāo)過高，技術(shù)難以達(dá)到；進(jìn)度和費(fèi)用約束較緊，在規(guī)定的資源下難以實現(xiàn)；技術(shù)前瞻性不足，不能緊跟未來發(fā)展，可擴(kuò)展性較差。

由于大口徑艦炮研制關(guān)鍵技術(shù)具有其特殊性和專用性，因此簡單參考相似武器的研制經(jīng)驗或統(tǒng)計資料評估艦炮技術(shù)風(fēng)險是較為困難的。關(guān)鍵技術(shù)風(fēng)險主要是由在新的約束下仍然保持原有技術(shù)水平(無變風(fēng)險、技術(shù)集成)或從原有水平向較高設(shè)計水平演進(jìn)(改進(jìn)風(fēng)險、技術(shù)引入)或開發(fā)新技術(shù)、新原理(新研風(fēng)險、技術(shù)創(chuàng)新)而產(chǎn)生的，如圖1所示。

1)技術(shù)創(chuàng)新：隨著艦炮功能性能要求的不斷提高，大量新技術(shù)、新原理必須應(yīng)用于提升艦炮作戰(zhàn)效能。技術(shù)創(chuàng)新發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但是其成功與否也成了技術(shù)風(fēng)險的主要來源。

2)技術(shù)引入：將民用技術(shù)引入到軍事領(lǐng)域或?qū)⑵渌b備的技術(shù)引入到艦炮研制，引入技術(shù)的消化吸收是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，技術(shù)可應(yīng)用性是技術(shù)風(fēng)險的主要來源。

3)技術(shù)集成：將先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行集成是較為普遍的，但不同技術(shù)的兼容性、標(biāo)準(zhǔn)化是技術(shù)風(fēng)險的主要來源。

2 大口徑艦炮技術(shù)風(fēng)險評估

2.1 基于模糊評價方法的評估流程

根據(jù)模糊評價原理[3,14]，構(gòu)建出大口徑艦炮的技術(shù)風(fēng)險評估流程：

1)建立層次結(jié)構(gòu)模型U，目標(biāo)層是艦炮研制技術(shù)風(fēng)險，準(zhǔn)則層是風(fēng)險識別出的m項關(guān)鍵技術(shù)，指標(biāo)層是確定出的n項評價指標(biāo)。

2)建立風(fēng)險評價集合V，根據(jù)艦炮研制風(fēng)險控制目的，設(shè)置評語集v個因素，并指定各個因素對應(yīng)的量化評分值。

3)建立權(quán)重矩陣R，采用層次分析法分別確定m項關(guān)鍵技術(shù)、n項評價指標(biāo)在各層次內(nèi)的權(quán)重，合并形成艦炮技術(shù)權(quán)重矩陣。

4)建立隸屬度矩陣S，根據(jù)經(jīng)驗構(gòu)造對應(yīng)法則形成U→V的模糊關(guān)系，因素sij(i=1,2，…,m;j=1,2，…,n)是U中第i項對應(yīng)V中第j個評語的隸屬度。

5)運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)乘積運(yùn)算，確定目標(biāo)層和準(zhǔn)則層的綜合評價結(jié)果Q。

6)依據(jù)隸屬度最大原則，通過集合Q確定各項關(guān)鍵技術(shù)及總體研制風(fēng)險級別，明確大口徑艦炮的研制風(fēng)險。

2.2 風(fēng)險評估應(yīng)用仿真

2.2.1 層次結(jié)構(gòu)模型U

結(jié)合艦炮研制關(guān)鍵技術(shù)分解情形，目標(biāo)層是綜合技術(shù)風(fēng)險，準(zhǔn)則層是7項(m=7)關(guān)鍵技術(shù)的研制風(fēng)險，表示為u1，…，um。再根據(jù)技術(shù)創(chuàng)新、技術(shù)引入、技術(shù)集成風(fēng)險源，選取評價指標(biāo)體系中6項(n=6)因素分別為成熟度、可應(yīng)用性、復(fù)雜性、兼容性、前瞻性和標(biāo)準(zhǔn)化，指標(biāo)層表示為ui1，…，uin，i=1，2，…，m。

2.2.2 風(fēng)險評價集合V

從大口徑艦炮研制風(fēng)險控制的角度，設(shè)置評語集的5個(v=5)因素分別為低風(fēng)險、較低風(fēng)險、一般風(fēng)險、較高風(fēng)險和高風(fēng)險，對應(yīng)的量化評價分值為V={1,2,3,4,5}。

2.2.3 權(quán)重矩陣R

對于大口徑艦炮的準(zhǔn)則層，運(yùn)用層次分析法確定一級風(fēng)險指標(biāo)判斷矩陣，得出7項關(guān)鍵技術(shù)的權(quán)重系數(shù)Rm,如表1所示，數(shù)學(xué)模型詳見文獻(xiàn)[3]所述。再對權(quán)重系數(shù)進(jìn)行一致性檢驗，隨機(jī)一致性比率CR值為0.096，小于要求值0.1，判斷矩陣的一致性較好，獲得的權(quán)值是合理的。

表1 艦炮技術(shù)準(zhǔn)則層的風(fēng)險指標(biāo)判斷矩陣

對于大口徑艦炮的指標(biāo)層，根據(jù)每項關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，仍采用層次分析法確定二級風(fēng)險指標(biāo)的判斷矩陣。表2以模塊化總體技術(shù)為例給出了風(fēng)險判斷矩陣，標(biāo)度元素表示各評價指標(biāo)在該關(guān)鍵技術(shù)下的相對重要程度。通過計算評價指標(biāo)的權(quán)重向量W，得出該技術(shù)對應(yīng)的指標(biāo)層權(quán)重系數(shù)w，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

(2)

表2 模塊化技術(shù)指標(biāo)層的風(fēng)險指標(biāo)判斷矩陣

計算可得:

W=[2.904 2 1.698 4 1.348 0 0.401 1

0.505 4 0.741 8]T,

w=[0.388 2 0.223 5 0.177 4 0.052 8

0.066 5 0.097 6]T.

再對模塊化技術(shù)的指標(biāo)層權(quán)重系數(shù)Rn1進(jìn)行一致性檢驗，隨機(jī)一致性比率CR的值為0.021 8，小于要求值0.1，其權(quán)值是可接受的。省略其余6項技術(shù)的專家打分結(jié)果和一致性檢驗過程，直接給出二級權(quán)重系數(shù)Rni(i=1，2，…，m)的計算結(jié)果，如表3所示?？梢钥闯?，雖然各關(guān)鍵技術(shù)的評價指標(biāo)因素一致，但權(quán)重分布也存在一定差異。

表3 艦炮技術(shù)指標(biāo)層的權(quán)重集

利用分塊矩陣運(yùn)算，得出權(quán)重矩陣R的各項元素分別為

(3)

計算可得：

2.2.4 隸屬度矩陣S

采用專家打分法，按照風(fēng)險類別對42項指標(biāo)因素進(jìn)行評判。對于整理獲得的12份有效調(diào)查問卷，通過比例系數(shù)計算得出全部指標(biāo)風(fēng)險因素評價結(jié)果。限于篇幅，省略其余6項關(guān)鍵技術(shù)的隸屬關(guān)系描述，仍以模塊化技術(shù)為對象給出其從屬向量，如表4所示，對應(yīng)的隸屬度矩陣為

表4 模塊化技術(shù)指標(biāo)層的風(fēng)險因素評價結(jié)果

2.2.5 綜合評價結(jié)果Q

結(jié)合所得出的權(quán)重矩陣R、縮減矩陣Rk和隸屬度矩陣Sk(k=1,2,…,n)，分別確定艦炮準(zhǔn)則層的綜合評價結(jié)果為

(4)

計算可得：

依據(jù)最大隸屬度原則，可明確7項關(guān)鍵技術(shù)的風(fēng)險級別如表5所示?？梢缘贸?，智能化技術(shù)的風(fēng)險較高，火力優(yōu)化技術(shù)風(fēng)險一般，其余各項關(guān)鍵技術(shù)的風(fēng)險都相對較低。

表5 大口徑艦炮的技術(shù)風(fēng)險級別

由目標(biāo)層的綜合評價結(jié)果

Q∑=[Rm]T·[Q1TQ2T…QmT]T，

(5)

計算可得：

Q∑=[0.024 9 0.057 2 0.070 0 0.032 5 0.002 7].

可以看出，大口徑艦炮的綜合技術(shù)風(fēng)險量化分值為3級，具有一般風(fēng)險，結(jié)合風(fēng)險防范措施能夠開展型號研制工作。

3 大口徑艦炮技術(shù)風(fēng)險后果仿真

基于模糊評價方法的技術(shù)風(fēng)險評估是從關(guān)鍵技術(shù)自身進(jìn)行風(fēng)險預(yù)計，為了避免由于反復(fù)修改而使得進(jìn)度拖延、戰(zhàn)技指標(biāo)無法達(dá)到要求，以及因考慮不周而使得費(fèi)用超過預(yù)期等情況，需進(jìn)行大口徑艦炮的技術(shù)風(fēng)險后果分析。

3.1 基于風(fēng)險因子的后果可能性評估流程

根據(jù)武器裝備項目進(jìn)度、費(fèi)用與風(fēng)險管理中的風(fēng)險定義[15-16]，給出大口徑艦炮的技術(shù)風(fēng)險后果可能性評估流程，如下所示。

1)面向大口徑艦炮的研制，仍選取前述指標(biāo)層中的6項評價指標(biāo)形成技術(shù)風(fēng)險概率特征因子集P={p1,p2,…,p6}；權(quán)重等級選取表2的權(quán)重系數(shù)圓整結(jié)果A=[0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0.1]；因子集的量化標(biāo)準(zhǔn)由5個定值確定，評價向量分別設(shè)置為T=[0.1 0.3 0.5 0.7 0.9]，評價集中的量值描述如表6所示。

表6 大口徑艦炮技術(shù)風(fēng)險概率影響程度等級

2)各項關(guān)鍵技術(shù)的風(fēng)險后果都將轉(zhuǎn)嫁至艦炮功能性能、費(fèi)用和進(jìn)度周期3個方面，技術(shù)風(fēng)險后果因素集Q={q1,q2,q3}；權(quán)重等級B=[0.4 0.3 0.3]，通過層次分析法確定；因子集的量化評價標(biāo)準(zhǔn)如表7所示，評價向量可表示為E=[0.1 0.30.5 0.7 0.9]。

表7 大口徑艦炮的技術(shù)風(fēng)險后果等級

3)請相關(guān)專家組成風(fēng)險評估小組，參照表6對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行風(fēng)險概率評價。對專家的評價結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，得出概率評判矩陣H6×5為

(6)

式中，hij是比例參數(shù)，表示第i個因素處于第j個量級的專家比例(專家樣本)。

同時，再參照表7對各項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行風(fēng)險后果評價，得出后果評判矩陣K3×5為

(7)

式中，kij是比例參數(shù)，也表示第i個因素處于第j個量級的專家比例(專家樣本)。

4)分別確定技術(shù)風(fēng)險事件的發(fā)生概率和后果影響，得出各風(fēng)險事件的發(fā)生概率風(fēng)險值Pf、后果影響風(fēng)險值Cf和綜合風(fēng)險值Rf，其計算模型可依次表示為

Pf=A·H6×5·TT,

(8)

Cf=B·K3×5·ET,

(9)

(10)

5)再根據(jù)艦炮風(fēng)險事件結(jié)構(gòu)，給出艦炮總體研制風(fēng)險為

(11)

(12)

(13)

至此，即可確定出大口徑艦炮研制關(guān)鍵技術(shù)及總體的風(fēng)險后果嚴(yán)重性，便于對不同級別的風(fēng)險采取相應(yīng)的風(fēng)險處理和監(jiān)控措施。

3.2 風(fēng)險后果應(yīng)用仿真

對于艦炮研制技術(shù)，依據(jù)評價向量定義分別構(gòu)建評價指標(biāo)表，模塊化總體技術(shù)u1的評分結(jié)果如表8所示，其余省略。

表8 模塊化總體技術(shù)的評估結(jié)果

通過對表8的評分量值進(jìn)行統(tǒng)計，得出概率評價矩陣和后果評價矩陣分別為

進(jìn)而，可得出模塊化總體技術(shù)風(fēng)險事件的綜合風(fēng)險值為Pf=0.310，Cf=0.535，Rf=0.437 2。

采用相同的方式，分別得出其余各關(guān)鍵技術(shù)的綜合風(fēng)險結(jié)果。此時再將表1的技術(shù)權(quán)重系數(shù)代入式(11)和(12)，即可得出艦炮總體研制風(fēng)險，計算結(jié)果如表9和圖2所示。

表9 大口徑艦炮研制關(guān)鍵技術(shù)風(fēng)險評估結(jié)果

將所得計算值與語言標(biāo)度進(jìn)行比較后，可以看出：當(dāng)計及風(fēng)險后果時，各項關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)風(fēng)險級別發(fā)生不同程度的變化，模塊化總體和火力優(yōu)化技術(shù)都動態(tài)變化為一般風(fēng)險；雖然各項關(guān)鍵技術(shù)的權(quán)重不同使得艦炮研制綜合風(fēng)險降低至相對較小的程度，但仍需采取有效措施處理風(fēng)險，重點(diǎn)是智能化技術(shù)的風(fēng)險處理。

4 結(jié)束語

面向大口徑艦炮立項研制，為識別其所隱藏的風(fēng)險因素，開展了技術(shù)風(fēng)險評估及其后果仿真研究。通過艦炮技術(shù)發(fā)展趨勢和方案論證，得出了大口徑艦炮的7項關(guān)鍵技術(shù)為模塊化總體、火力優(yōu)化、彈藥儲運(yùn)總體集成、全電驅(qū)動、綜合保障、智能化和隱身技術(shù)，明確了其3項風(fēng)險評估因素為技術(shù)創(chuàng)新、引入和集成。

基于模糊評價方法給出了大口徑艦炮研制技術(shù)風(fēng)險主線的評估流程，也采用風(fēng)險因子建立了技術(shù)風(fēng)險后果可能性分析流程。應(yīng)用仿真定量結(jié)果表明：除了初級智能化技術(shù)的風(fēng)險級別較高之外，其余關(guān)鍵技術(shù)和綜合研制風(fēng)險級別都在一般程度以下；計及后果因素時，技術(shù)風(fēng)險出現(xiàn)動態(tài)增長，模塊化總體和火力優(yōu)化技術(shù)需進(jìn)行風(fēng)險監(jiān)控，智能化技術(shù)需進(jìn)行風(fēng)險處理。

所建風(fēng)險評估流程適應(yīng)于大口徑艦炮研制的不同階段，僅需相應(yīng)變化風(fēng)險源和評估因素即可實現(xiàn)技術(shù)風(fēng)險事前預(yù)估、事中預(yù)警，提供全壽命周期技術(shù)風(fēng)險指導(dǎo)。