史志富

(西安航空學(xué)院飛行器學(xué)院，陜西 西安 710077)

0 引言

裝備科研項目具有技術(shù)風(fēng)險大、研制周期長，復(fù)雜程度高的特點，如果在立項研制過程中沒有對項目進行合理的評價和科學(xué)的分類，過早進入型號研制階段，可能會出現(xiàn)項目經(jīng)費嚴重超支、研制工期嚴重延誤甚至中途下馬等情況，造成資金、人員、物力的巨大浪費，甚至失去發(fā)展機會。同時，對于科研管理來說，不同類型項目其立項依據(jù)、研究內(nèi)容、實施方案、預(yù)期成果、驗收方法等也具有不同的特點，在科研管理上應(yīng)有相適應(yīng)的管理方法和重點，這樣才能提高科研管理的準確性和科學(xué)性。因此，在裝備科研項目管理過程中，必須建立規(guī)范的分類評估體系，對項目進行風(fēng)險分析和控制，保證項目成功[1]。

在影響項目成敗的重要因素(如技術(shù)風(fēng)險、管理風(fēng)險、人力風(fēng)險和環(huán)境風(fēng)險)中，技術(shù)風(fēng)險占總風(fēng)險比例約70%。關(guān)于對技術(shù)風(fēng)險的管控，美國在20世紀70～80年代就開展了技術(shù)成熟度評估(Technology Readiness Assessment，TRA)的相關(guān)研究，并將其應(yīng)用于航天技術(shù)評估[2]。進入21世紀，美國國防部在武器采辦條例中加入了技術(shù)成熟度標準，并形成了一套系統(tǒng)化的評價方法和操作程序。我國在20世紀90年代后期開始將技術(shù)成熟度理論與方法引入軍工科研單位項目管理，并在此基礎(chǔ)上相繼提出了系統(tǒng)成熟度、項目成熟度和集成成熟度等理論和方法。目前，技術(shù)成熟度已得到我國裝備發(fā)展管理部門、裝備研制部門和裝備使用部門的重視，成為項目分級評估的重要方法[3-4]。

1 技術(shù)成熟度及評價方法

1.1 技術(shù)成熟度的等級定義

技術(shù)成熟度反映了技術(shù)能夠滿足研制目標和要求的程度。在裝備科研項目研制過程中常根據(jù)GJB 7688—2012判斷某些技術(shù)的技術(shù)成熟度。技術(shù)成熟度等級及其定義見表1[5]。

表1 技術(shù)成熟度等級及其定義

1.2 關(guān)鍵技術(shù)元素的技術(shù)成熟度評價流程

技術(shù)成熟度評價是指依據(jù)技術(shù)成熟度等級的判定標準，通過嚴謹?shù)目茖W(xué)評價體系和流程對項目或產(chǎn)品中的各個關(guān)鍵技術(shù)進行評判。關(guān)鍵技術(shù)元素的技術(shù)成熟度評價流程如下：

S1：關(guān)鍵技術(shù)的識別。針對裝備科研項目進行WBS工作結(jié)構(gòu)分解，依據(jù)關(guān)鍵技術(shù)確定原則對WBS自上而下進行梳理，逐一列出關(guān)鍵技術(shù)，建立系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)列表。

S2：建立技術(shù)層次結(jié)構(gòu)圖。確定系統(tǒng)、分系統(tǒng)、關(guān)鍵技術(shù)之間的縱向包含關(guān)系。

S3：依據(jù)技術(shù)成熟度等級的判定規(guī)則，從技術(shù)、制造和管理三個方面進行單項關(guān)鍵技術(shù)元素的成熟度等級判定。

S4：依據(jù)技術(shù)成熟度綜合評價模型，對各關(guān)鍵技術(shù)元素的成熟度進行綜合評價，得到待研裝備科研項目的技術(shù)成熟度。

裝備科研項目技術(shù)成熟度評價流程圖如圖1所示。

圖1 裝備科研項目技術(shù)成熟度評價流程圖

2 基于技術(shù)成熟度的綜合評價模型

2.1 裝備科研項目技術(shù)指標體系的建立

在某裝備科研項目進行綜合評價過程中，首先需要建立相應(yīng)的評價指標體系。指標體系的建立可以采用層次分析法，即對待評價項目按照從上向下的順序進行分解，將裝備科研項目分解成各個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間互不交叉，子系統(tǒng)Ui的集合構(gòu)成一級評價指標集，記作U={U1，U2，…，Um}。在子系統(tǒng)下識別出所有關(guān)鍵技術(shù)作為二級評價指標，關(guān)鍵技術(shù)與子系統(tǒng)之間為父子關(guān)系，第i個分系統(tǒng)的二級評價指標集，記作Ui={Ui1，Ui2，…，Uij}。裝備科研項目評價指標遞階層次結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2.2 基于AHP的指標權(quán)重計算模型

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一種系統(tǒng)分析方法。首先，將復(fù)雜決策問題按照組成架構(gòu)分解為若干個要素，并將這些要素按相互之間的支配關(guān)系建立遞階層次結(jié)構(gòu)；其次，對要素進行兩兩比較，確定每個要素對于上一層級要素的相對重要性[6]。其基本步驟如下：

(1)構(gòu)造評價對象的遞階層次結(jié)構(gòu)。對于一個復(fù)雜決策問題，通過綜合分析，確定若干個與問題有關(guān)的因素。根據(jù)這些因素概念之間的隸屬關(guān)系以及重要性級別，分成不同的層次進行排列，形成一個層次結(jié)構(gòu)。

(2)構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣。對位于同一層級的要素進行兩兩比較，衡量其對上一層級中某要素的相對重要性，公式如下

(1)

其中aij表示對于上層元素A0，因素Ai與Aj相對重要性的數(shù)值。該數(shù)值可參照Saaty提出的9級標度法，兩兩比較法的標度見表2。

表2 兩兩比較法的標度

(3)計算判斷矩陣A的特征向量ω和最大特征根λmax?？刹捎酶ㄟM行如下近似計算。

首先，計算判斷矩陣每行中所有元素的幾何平均值，公式如下

(2)

其次，將ωi歸一化，公式如下

(3)

將特征向量歸一化，得到的向量ω=(?1，?2，…?n)T可視為同一層級中各要素對于上一層次某要素的相對重要性權(quán)重排序。

最后，計算判斷矩陣的最大特征值，公式如下

(4)

(4)一致性判斷，分析權(quán)重選擇的合理性。其計算方法是計算判斷矩陣的相容性指標，再根據(jù)隨機一致性指標計算判斷矩陣的一致性指標。

相容性指標為CI，可用λmax-n的關(guān)系來界定偏離相容性的程度，公式如下

(5)

若判斷矩陣A相容，則λmax=n，否則λmax>n。

隨機一致性指標RI表示一致性可接受的程度。1～10階矩陣的隨機性指標數(shù)值見表3。

表3 隨機性指標數(shù)值

于是，可得一致性指標CR，公式如下

(6)

當滿足一致性時，構(gòu)造的判斷矩陣的CI值應(yīng)遠小于RI ，故一般可以根據(jù)CR≤0.1來判斷。若滿足則認為判斷矩陣符合一致性要求，權(quán)重向量ω與實際較為符合，否則，需要重新建立判斷矩陣。

2.3 基于灰色綜合評估的評判模型

在復(fù)雜系統(tǒng)評價時，會存在信息的不完備、不清晰、不正確等問題，基于數(shù)據(jù)進行解析的評價方法會存在評價結(jié)果不能反映客觀真實情況的問題。因此，可利用灰色理論將評價數(shù)據(jù)進行灰化，進而提高評估的準確性，灰色綜合評估已在諸如導(dǎo)彈武器系統(tǒng)[7]、能源系統(tǒng)[8]和環(huán)境系統(tǒng)[9]等復(fù)雜大系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

2.3.1 建立評價樣本矩陣

根據(jù)技術(shù)成熟度理論，將裝備技術(shù)成熟度分為9個等級，相應(yīng)的分值為V={v1，v2…v9}其中vd為裝備技術(shù)成熟度所處的等級。采用專家打分法，設(shè)有k=1，2，…，p名專家根據(jù)技術(shù)成熟度等級評價標準分別對二級評價指標Uij進行打分，所有的得分dijk組成評價樣本矩陣，公式如下

(7)

2.3.2 確定評價灰類

確定評價灰類e=1，2，…，g，即確定評價灰類的等級數(shù)、灰類以及灰數(shù)的白化權(quán)函數(shù)。根據(jù)技術(shù)成熟度的劃分，本文灰類等級數(shù)為9個等級，定義第d灰類“De”，灰數(shù)?∈[e-2，e，e+2]，白化權(quán)函數(shù)為fe，公式如下

(8)

2.3.3 計算灰色評價矩陣

記rije為p個專家對評價指標Uij屬于第e個灰類的灰色評價權(quán)，公式如下

(9)

對一級評價指標Ui所屬指標Uij分別按照上式進行計算，可得Ui對應(yīng)的灰色評價矩陣。

(10)

2.3.4 灰色綜合評價

根據(jù)Ui下各評價指標的權(quán)重，首先對Ui進行一級綜合評價，假設(shè)其結(jié)果記作Bi，則有

Bi=ωi·Ri=(bi1，bi2，…，big)

(11)

再根據(jù)一級評價指標的權(quán)重進行加權(quán)平均，可得二級綜合評價結(jié)果，假設(shè)記作B，公式如下

B=ω·R=(b1，b2，…，bg)

(12)

將灰色評價隸屬度歸一化后，再由成熟度評分標準，可得裝備科研項目的成熟度評分值：

E=int(BVT)

(13)

3 基于技術(shù)成熟度的科研階段判定準則

對于一個裝備科研項目，其完整的研究過程應(yīng)包括技術(shù)預(yù)研、立項論證、工程研制、設(shè)計定型和生產(chǎn)定型等階段[10]。在技術(shù)預(yù)研階段，主要是對裝備關(guān)鍵技術(shù)進行分析、建模和仿真，此時技術(shù)還沒有明確的應(yīng)用背景或者雖有應(yīng)用背景但技術(shù)還無法直接應(yīng)用，其技術(shù)成熟度在4級以下；在立項論證階段，其技術(shù)成熟度在4～5級，此時主要關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)得到解決或經(jīng)過實驗室驗證，可以立項進行原理樣機的研制，進行功能、性能和技術(shù)的集成驗證；在工程研制階段，技術(shù)成熟度應(yīng)達到6級以上，原理系統(tǒng)或重要子系統(tǒng)應(yīng)已得到實驗室環(huán)境測試或?qū)嶋H環(huán)境的部分測試；在設(shè)計定型階段，技術(shù)成熟度應(yīng)達到7～8級，則應(yīng)已完成典型環(huán)境試驗，所有的功能和性能指標已完成考核；在生產(chǎn)定型階段，技術(shù)成熟度應(yīng)到達8～9級，代表裝備已投入使用，進入批生產(chǎn)和使用保障階段，。科研階段與技術(shù)成熟關(guān)系表見表4。

表4 科研階段與技術(shù)成熟度關(guān)系表

4 案例分析

以某小型地面無人移動系統(tǒng)項目為例，在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上通過關(guān)鍵技術(shù)梳理，得到該項目的關(guān)鍵技術(shù)體系，某小型地面無人移動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)體系圖如圖3所示。

圖3 某小型地面無人移動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)體系圖

邀請5名專家對各關(guān)鍵技術(shù)成熟度進行打分，并對各指標的權(quán)重按照2.2節(jié)的打分方法進行打分，得到的技術(shù)成熟度評分與權(quán)重，小型地面無人移動系統(tǒng)技術(shù)成熟度評分表和指標權(quán)重分配表見表5與表6。

表5 小型地面無人移動系統(tǒng)技術(shù)成熟度評分表

表6 小型地面無人移動系統(tǒng)指標權(quán)重分配表

根據(jù)2.3的灰色評估模型，得到運動平臺系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、任務(wù)控制系統(tǒng)的灰色評價矩陣，公式如下

由于運動平臺系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、任務(wù)控制系統(tǒng)的權(quán)重系數(shù)分別為0.122 0，0.229 7，0.648 3，通過加權(quán)得到小型地面無人移動系統(tǒng)的灰色隸屬度為

R=(0，0.107 8，0.244 9，0.267 9，0.212 7，0.122 1，0.033 2，0.011 4，0)

由此得到小型地面無人移動系統(tǒng)的技術(shù)成熟度評分值為

TRL=4

根據(jù)基于技術(shù)成熟度的科研階段判定準則，可以認為該小型地面無人移動系統(tǒng)項目關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)得到解決或經(jīng)過實驗室驗證，可以立項進行原理樣機的研制。

5 結(jié)語

技術(shù)成熟度評價方法作為衡量技術(shù)發(fā)展程度，控制技術(shù)風(fēng)險的有效手段，已在國防裝備領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本文針對裝備科研項目的立項管理，提出利用技術(shù)成熟度理論來衡量項目的整體技術(shù)成熟度，并對項目立項進行決策。建立了裝備科研項目技術(shù)成熟度的評價流程和評價模型，并結(jié)合實例驗證了方法和模型的適用性和可操作性。該模型和方法對能夠用于項目所處階段的判斷和決策活動，能夠控制技術(shù)風(fēng)險，防止不成熟技術(shù)提前進入項目研制過程或成熟技術(shù)的重復(fù)研發(fā)投入，從而實現(xiàn)項目管理流程的優(yōu)化。