基于灰色聚類的某艦炮技術(shù)風(fēng)險評估

姚 忠，康總寬

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

某大口徑艦炮研制周期長，對人力、物力和財力需求巨大，研制過程存在不確定性和高風(fēng)險性，技術(shù)風(fēng)險是其主要風(fēng)險之一。技術(shù)風(fēng)險反映了艦炮的研制難度，進而造成進度風(fēng)險和費用風(fēng)險。在研制的不同階段初始，對其進行技術(shù)風(fēng)險分析，采取必要措施避免、減小或轉(zhuǎn)移風(fēng)險，可從技術(shù)角度保證該艦炮研制周期，控制研制費用過快增長[1-3]。

某大口徑艦炮研制過程中，各種信息繁雜，既有科研人員熟悉的白色信息，又有完全陌生的黑色信息，更多的是具有模糊性和不確定性的灰色信息，處于貧信息狀態(tài)；同時，可用數(shù)據(jù)有限，狀態(tài)數(shù)據(jù)種類較多且獲取復(fù)雜，屬于灰色系統(tǒng)。運用灰色系統(tǒng)理論中的灰色聚類方法，可在有效信息貧乏、資料短缺的情況下進行技術(shù)風(fēng)險評估。目前，已有不少學(xué)者開展了灰色聚類評估方法研究，文獻[4]采用AHP和三角白化權(quán)函數(shù)建立了武器裝備研制的技術(shù)風(fēng)險評估方法，并與基于模糊綜合評價的技術(shù)風(fēng)險分析方法進行了對比分析，驗證了方法有效性；文獻[5]建立灰色聚類技術(shù)風(fēng)險評估模型，對制導(dǎo)炮彈關(guān)鍵技術(shù)進行了分解與權(quán)重分配，在此基礎(chǔ)上，進行了制導(dǎo)炮彈技術(shù)風(fēng)險評估；文獻[6]建立了灰色聚類評估模型，分析了火炮身管性能狀態(tài)的各種評估指標，對火炮身管性能狀態(tài)進行了評估；文獻[7]建立了評估某型艦炮火控系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的指標體系，運用灰色層次分析法對艦炮火控系統(tǒng)作戰(zhàn)能力進行了定量與定性相結(jié)合的評估。上述文獻中進行灰色聚類評估時并未考慮領(lǐng)域?qū)＜易陨頇?quán)重，評估方法采用已有的案例進行驗證或未進行驗證，缺少對該方法預(yù)測能力的驗證。為了將該方法應(yīng)用于某大口徑艦炮方案階段風(fēng)險控制[8]，筆者建立了考慮領(lǐng)域?qū)＜覚?quán)重的灰色聚類技術(shù)風(fēng)險評估方法，給出了方案階段技術(shù)風(fēng)險評估指標和評估對象，針對定量評估結(jié)果給出了相應(yīng)的對策，對策實施后，有效規(guī)避了方案階段的技術(shù)風(fēng)險，采用的方法可為后續(xù)研制和其他裝備研發(fā)提供借鑒。

1 某大口徑艦炮灰色聚類風(fēng)險評估模型

灰色聚類評估就是按多個給定的不同評估指標對相關(guān)對象進行綜合評價，以確定評估對象是否滿足給定的評價準則[5]。根據(jù)灰色聚類評估的相關(guān)定義，可以建立基于關(guān)鍵技術(shù)的某大口徑艦炮灰色聚類技術(shù)風(fēng)險評估模型，其步驟如下[9]：

1)確定某大口徑艦炮研制方案的各項關(guān)鍵技術(shù)，即評估對象i(i=1,2,…,n)，采用德爾菲(Delphi)法與層次分析法(AHP)相結(jié)合的方法[5]確定各項關(guān)鍵技術(shù)的權(quán)重ρi.

2)建立綜合評估指標j(j=1,2,…,m)，計算評估對象i關(guān)于評估指標j的量化評價值xij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m).

3)采用德爾菲法與層次分析法相結(jié)合的方法確定各項指標的聚類權(quán)ηj.

4)根據(jù)綜合評估要求劃分灰類數(shù)s，對各評估指標進行聚類分析，將其取值范圍劃分為s個灰類，確定j指標k灰類的白化權(quán)函數(shù)fjk(xij)(j=1,2,…,m;k=1,2,…,s).

(1)

6)利用式(2)進行某大口徑艦炮綜合技術(shù)風(fēng)險計算：

(2)

式中，Pi為第i項關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)風(fēng)險級別，即灰類k*.

2 技術(shù)風(fēng)險評估指標與評估對象

2.1 評估指標

評估指標是對技術(shù)風(fēng)險進行量化評估的基礎(chǔ)，從技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用角度，選取成熟度、復(fù)雜性、可行性、可參考性、先進性為評估指標進行技術(shù)風(fēng)險評估。

1)技術(shù)成熟度是指所采用的新技術(shù)及應(yīng)用數(shù)量是否達到了規(guī)定的水平。

2)技術(shù)復(fù)雜性包括原理復(fù)雜性和實施復(fù)雜性，反映了裝備的復(fù)雜程度和綜合程度。

3)技術(shù)可行性指在已有和規(guī)劃的資源約束下技術(shù)實現(xiàn)的難易程度。

4)技術(shù)可參考性是指技術(shù)研發(fā)過程中是否有相應(yīng)的儲備和參考資料。

5)技術(shù)先進性是指技術(shù)在當前及未來一段時間內(nèi)技術(shù)的價值和有效程度。

2.2 評估對象

評估對象的確定是實施某大口徑艦炮技術(shù)風(fēng)險評估的基礎(chǔ)，篩選具有代表性、獨立性、完備性的技術(shù)作為評估對象，可實現(xiàn)對技術(shù)風(fēng)險的有效考察，綜合上述因素，選取總體層面的關(guān)鍵技術(shù)作為評估對象。

1)彈炮藥匹配性技術(shù)。某大口徑艦炮作為未來海軍多功能發(fā)射平臺，具備多種彈藥發(fā)射能力，要求彈、炮、藥具有良好的匹配性，涉及發(fā)射裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、炮彈在膛內(nèi)運動規(guī)律分析及內(nèi)彈道優(yōu)化設(shè)計與計算,因此，彈炮藥匹配性技術(shù)是一項復(fù)雜性高且影響艦炮性能的關(guān)鍵技術(shù)。

2)降低后坐阻力技術(shù)。制導(dǎo)彈藥的發(fā)射和炮口動能的增大使后坐力加大，進而較大幅度增加了后坐阻力，給艦炮的結(jié)構(gòu)和適裝性設(shè)計帶來很大困難，有效降低后坐阻力是艦炮亟需解決的一項關(guān)鍵技術(shù)。

3)多彈種自動裝填技術(shù)。某大口徑艦炮自動裝填裝置要兼顧多彈種的自動裝填，要求自動裝填裝置有較寬范圍的裝填適應(yīng)性和較高的運動準確性，多彈種自動裝填技術(shù)涉及機構(gòu)動作較多，運動精度要求較高，是實現(xiàn)艦炮連發(fā)射擊的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

4)自動化彈庫技術(shù)。自動化彈庫是提高艦炮射速及彈種更換速度、提升艦炮持續(xù)作戰(zhàn)能力的重要環(huán)節(jié)，自動彈庫包含多項子技術(shù)，集中應(yīng)用了多種新技術(shù)，是大口徑艦炮滿足作戰(zhàn)使用需求的重要基礎(chǔ)。

5)新型點火技術(shù)。大質(zhì)量彈丸的應(yīng)用和炮口動能的增加，使得發(fā)射裝藥長度和質(zhì)量都有比較明顯的增加，為了保證點火的一致性，采用新型點火技術(shù)是一種較為理想的方案，新型點火技術(shù)結(jié)構(gòu)相對簡單，但其還需在工程化方面進行研究，以便可靠應(yīng)用于大口徑艦炮。

2.3 評估的層次結(jié)構(gòu)

基于上述分析，建立技術(shù)風(fēng)險評估的層次結(jié)構(gòu)，第1層為評估指標層，第2層為評估對象層，為后續(xù)分析的方便，對關(guān)鍵技術(shù)進行代號分配，如圖1所示。

3 某艦炮技術(shù)風(fēng)險評估

3.1 評估指標及判據(jù)量化

結(jié)合某大口徑艦炮研制的特點，采用層次分析法對成熟度、復(fù)雜性、可行性、可參考性、先進性等評估指標的權(quán)重進行了計算，結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)的進展和其具有的階段性特點，對各個評估指標給出了判據(jù)，對判據(jù)進行了等級劃分，并對判據(jù)進行了量化處理。各個評估指標的權(quán)重值和判據(jù)的量化值，具體結(jié)果如表1所示。

表1 評估指標及判據(jù)量化值

3.2 關(guān)鍵技術(shù)權(quán)重計算

關(guān)鍵技術(shù)權(quán)重采用德爾菲法與層次分析法相結(jié)合的方法進行確定。通過工業(yè)部門、裝備論證部門、裝備使用部門和院校的6位專家對艦炮方案關(guān)鍵技術(shù)重要性進行評價，建立關(guān)鍵技術(shù)間的相對重要程度，采用1～9進行標識，構(gòu)造判斷矩陣；采用和法計算綜合判斷矩陣的最大特征根和特征向量，對結(jié)果進行一致性檢驗，得到歸一化的特征向量，作為各項關(guān)鍵技術(shù)的權(quán)重向量。

6位相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍﹃P(guān)鍵技術(shù)權(quán)重的評價過程依據(jù)德爾菲法進行，將專家意見進行分析和反饋，最終使不同專家對同一關(guān)鍵技術(shù)的權(quán)重評價趨于一致[5]，其判斷方式如下：

采用德爾菲法和層次分析法相結(jié)合的方式，得出權(quán)重專家評價結(jié)果，如表2所示。表中各行為每個專家給出的各項關(guān)鍵技術(shù)權(quán)重，各列為不同專家給出的同一關(guān)鍵技術(shù)權(quán)重。

表2 關(guān)鍵技術(shù)權(quán)重評價結(jié)果

考慮到每位專家所研究領(lǐng)域各有偏重，同時這也是導(dǎo)致關(guān)鍵技術(shù)權(quán)重評價不一致的重要原因，因此，對每位專家賦予相應(yīng)權(quán)重系數(shù)，其權(quán)重系數(shù)向量為

λ=[0.20 0.25 0.15 0.10 0.20 0.10]T.

考慮專家權(quán)重系數(shù)，利用層次分析法對權(quán)重評價數(shù)據(jù)進行計算，并一致性檢驗，得到各項關(guān)鍵技術(shù)的權(quán)重向量為

w=[0.228 6 0.100 8 0.301 8 0.093 0 0.275 7]T.

3.3 灰類的劃分及白化權(quán)函數(shù)的確定

3.3.1 灰類的劃分

每個評估指標帶來的風(fēng)險分為5個不同等級，將每個風(fēng)險等級劃分為1個灰類，共劃分出5個灰類，各灰類的意義及對應(yīng)的取值如表3所示。

表3 灰類劃分及取值

3.3.2 白化權(quán)函數(shù)確定

(3)

式中，λk(k=1,2,…,s)為灰類中心。

建立三角白化權(quán)函數(shù)時，將灰類中心向兩側(cè)進行了延拓，增加0灰類和s+1灰類，并增加了這兩個灰類的中心點λ0和λs+1，得到灰類中心點序列λ0,λ1,λ2,…,λs,λs+1.三角白化權(quán)函數(shù)的具體表達式如下：

1)第1灰類，k=1；

(4)

2)第2灰類，k=2；

(5)

3)第3灰類，k=3；

(6)

4)第4灰類，k=4；

(7)

5)第5灰類，k=5.

(8)

3.4 關(guān)鍵技術(shù)灰類計算

將6位領(lǐng)域?qū)＜覍﹃P(guān)鍵技術(shù)風(fēng)險指標的取值進行平均，得到技術(shù)風(fēng)險的評估指標取值表，如表4所示。

表4 技術(shù)風(fēng)險評估指標取值表

根據(jù)式(1)計算各項關(guān)鍵技術(shù)對評估指標的決策系數(shù)，進行風(fēng)險等級聚類計算,關(guān)鍵技術(shù)的風(fēng)險等級聚類計算具體數(shù)值如表5所示。

表5 各項關(guān)鍵技術(shù)對評估指標的決策系數(shù)表

由表5可以看出，彈炮藥匹配性技術(shù)、新型點火技術(shù)、多彈種自動裝填技術(shù)的風(fēng)險等級為4，風(fēng)險較大；降低后坐阻力技術(shù)和自動化彈庫技術(shù)風(fēng)險等級為3，風(fēng)險中等。

3.5 綜合技術(shù)風(fēng)險

根據(jù)關(guān)鍵技術(shù)風(fēng)險等級灰色聚類，采用R∈[0,5]的數(shù)值來度量技術(shù)風(fēng)險[2]，根據(jù)風(fēng)險值R將技術(shù)風(fēng)險程度分為5個等級，即低風(fēng)險R∈[0,1)、較低風(fēng)險R∈[1,2)、中等風(fēng)險R∈[2,3)、較高風(fēng)險R∈[3,4)、高風(fēng)險R∈[4,5].

由式(1)、(2)計算大口徑艦炮研制的綜合技術(shù)風(fēng)險：

R=4×0.228 6+3×0.100 8+4×0.301 8+

3×0.093 0+4×0.275 7=3.805 8.

計算結(jié)果3.805 8∈[3,4)，項目風(fēng)險偏高，需及時制定對策以規(guī)避風(fēng)險。

4 風(fēng)險對策

根據(jù)表5的風(fēng)險分析結(jié)果，彈炮藥適應(yīng)性技術(shù)、新型點火技術(shù)、自動化彈庫技術(shù)風(fēng)險偏高，導(dǎo)致某大口徑艦炮綜合技術(shù)風(fēng)險偏高。針對風(fēng)險等級較高的關(guān)鍵技術(shù)制定了詳細的攻關(guān)計劃，從技術(shù)成熟度、復(fù)雜性、先進性等方面對關(guān)鍵技術(shù)進行風(fēng)險控制，具體對策如下：

1)彈炮藥匹配性技術(shù)為新技術(shù)，技術(shù)先進、復(fù)雜度高且可參考技術(shù)較少，技術(shù)風(fēng)險整體偏高，進行彈炮藥匹配性技術(shù)驗證試驗，是降低其風(fēng)險的主要途徑。研制過程中，對關(guān)鍵技術(shù)進行分解后，采用自下而上的方法，在內(nèi)彈道優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行單項試驗，驗證新技術(shù)可行性，提升了新技術(shù)成熟度，控制了該技術(shù)的研制風(fēng)險，順利完成了相關(guān)研究。

2)新型點火技術(shù)同樣為新技術(shù)，技術(shù)先進，但技術(shù)成熟度較低、可參考資料較少、涉及因素較多、復(fù)雜性偏高。該技術(shù)在前期進行了比較詳細的理論分析，因此，進行新型點火技術(shù)攻關(guān)試驗，是降低其技術(shù)風(fēng)險的重要途徑。針對新型點火技術(shù)在艦炮應(yīng)用中所遇到的特殊工況，策劃了新型點火技術(shù)單項試驗，通過試驗驗證了設(shè)計中采用的新技術(shù)，確定了導(dǎo)致新型點火技術(shù)風(fēng)險加大的因素，有效規(guī)避了技術(shù)風(fēng)險的發(fā)生，為其應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

3)自動化彈庫技術(shù)因其先進的技術(shù)理念，必然導(dǎo)致技術(shù)的復(fù)雜程度較高，且須采用新的單項技術(shù)。研制過程中，為減小研制風(fēng)險，制定了自動裝填試驗方案，設(shè)計了多彈種自動裝填試驗裝置，進行了多種工況下的多彈種自動裝填試驗，提高了多彈種自動裝填技術(shù)的成熟度，降低了技術(shù)風(fēng)險等級。

5 結(jié)束語

針對某大口徑艦炮研制特點，采用基于灰色聚類的技術(shù)風(fēng)險評估方法，建立了風(fēng)險評估指標，對導(dǎo)致技術(shù)風(fēng)險的關(guān)鍵技術(shù)進行了分析。應(yīng)用灰色理論對風(fēng)險等級進行了聚類，計算了各項關(guān)鍵技術(shù)的風(fēng)險等級及某大口徑艦炮的綜合技術(shù)風(fēng)險等級，在此基礎(chǔ)上制定了風(fēng)險對策，有效規(guī)避了研制過程技術(shù)風(fēng)險的發(fā)生。所采用方法具有較強的實用性，可在缺少具體數(shù)據(jù)支持的情況下，對項目技術(shù)風(fēng)險做出較為合理和準確的判斷，為及時建立科學(xué)合理的應(yīng)對措施提供支撐，對某大口徑艦炮后續(xù)研制及其他項目技術(shù)風(fēng)險評估具有較為實用的參考價值。