空間科學衛(wèi)星工程風險評估與管理方法

池宜興 馮雪 劉兵

(1 河北工業(yè)大學 經(jīng)濟管理學院，天津 300401)(2 中國科學院國家空間科學中心，北京 101499)

空間科學(Space Science)是指利用航天器研究發(fā)生在日地空間、行星際空間及至整個宇宙空間的物理、天文、化學及生命等自然現(xiàn)象及其規(guī)律的科學[1]?？臻g科學衛(wèi)星工程是科學與技術、工程的有機融合、相互迭代并最終實現(xiàn)科學上的重大創(chuàng)新突破的工程，發(fā)展空間科學是建設世界科技強國的重要途徑。一方面，空間科學衛(wèi)星工程中的量子通信可以實質性地提升國家的信息技術水平和信息產(chǎn)業(yè)的核心競爭力，實現(xiàn)國家信息系統(tǒng)建設的跨越式發(fā)展，對綜合國力的提升、經(jīng)濟和社會的進步產(chǎn)生深遠的影響；另一方面，空間科學衛(wèi)星工程在進行科學探索的過程中，也會帶來明顯的經(jīng)濟和社會效益。因此，無論是在“國家安全”和“國民經(jīng)濟”兩大方面，空間科學衛(wèi)星工程都起到了至關重要的作用。

由于空間科學衛(wèi)星工程技術難度大、參與單位多、環(huán)節(jié)復雜，其在建設過程中會面臨越來越多的風險。尤其是衛(wèi)星工程在協(xié)調前沿科學目標和工程技術水平之間的平衡時會使得在建設過程的風險增加，最終導致工程成功與科學成果指標先進不平衡的風險，從而對衛(wèi)星的成功發(fā)射造成不良的后果。其中風險包括兩個方面：①不能實現(xiàn)具體目標的概率；②不能實現(xiàn)該目標所導致的后果[2]。在風險控制方面，空間科學各衛(wèi)星工程遵循“系統(tǒng)策劃，識別全面，分析準確，措施有效，風險受控”的原則，明確各級責任，配備必要的資源，并充分發(fā)揮專業(yè)機構和同行專家的作用，按照策劃、識別與評價、應對、監(jiān)控的步驟，開展各階段的風險分析與控制工作，并在工程研制各階段迭代進行。

改進層次分析法(AHP)是將定性和定量相結合的方法。模糊綜合評價法是一種基于模糊數(shù)學的綜合評價方法。模糊綜合評價法根據(jù)模糊數(shù)學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，即用模糊數(shù)學對受到多種因素制約的事物或對象做出一個總體的評價[3]。在評價過程中，有很大一部分風險因素是難以用數(shù)值準確加以定量描述的，主要利用歷史經(jīng)驗或專家評判，因此具有一定的主觀性。而改進的AHP是定量與定性相結合的，可以有效減少模糊綜合評價法的主觀性。因此，本文采用改進AHP和模糊綜合評價法的二者結合，以量子科學實驗衛(wèi)星(以下簡稱量子衛(wèi)星)方案設計階段為例，對該階段的風險進行判斷并采取措施加以有效控制。

1 風險管理理論與方法綜述

風險管理是指對潛在的風險進行管理策劃、識別與分析、應對和監(jiān)控，以求用最小的付出成本獲得最大的風險管理效果[4]。風險管理最早在美國興起，其應用的范圍從最初的大型企業(yè)逐漸擴大。1998年NASA發(fā)布的《計劃和項目管理過程與要求》已經(jīng)明確提出了將風險管理應用在在航天項目中。2002年NASA發(fā)布的 《航天項目風險管理規(guī)程與指南》 中明確的指出了風險管理的重要性以及風險管理的實施要求。同樣，ESA在吸收NASA風險管理規(guī)程的基礎上制定了適用的風險管理標準。隨著國內(nèi)航天技術的發(fā)展，風險管理也逐漸受到極大的重視。文獻[5]基于模糊層次分析法探討了載人航天工程項目封信管理的研究。

1.1 風險管理的過程

我國衛(wèi)星項目目前采用的風險管理辦法，其迭代過程包括了4個部分：風險管理策劃、風險識別與分析、風險應對、風險監(jiān)控[6]。首先，在整體工程開始前，首先應根據(jù)過往經(jīng)驗和新技術的結合來有效的預先判斷可能出現(xiàn)的風險點，并作出具體的管理策劃[7]。其次，作為風險管理過程的最原始起點，風險識別如果出現(xiàn)偏差，在后續(xù)過程中，這種偏差極有可能會被逐漸放大，甚至最后得出錯誤的風險應對措施以及風險的延展。再次，風險應對是控制和解決風險的至關重要的一步，在這一階段各衛(wèi)星工程根據(jù)風險綜合評價結果，梳理確定高風險項目、中風險項目和低風險項目，并有針對性地提出消除、降低、轉移或接收的應對措施，確保風險應對措施充分、有效和合理。最后，風險監(jiān)控是一種風險處置技術，其目的是為了最大限度地降低風險事故發(fā)生的概率，減小風險事件發(fā)生時造成的損失程度。

1.2 風險管理的方法

1)NASA的風險管理方法

NASA發(fā)展至今其風險管理方法從單一的定性風險管理階段到采取一體化的定量化風險管理階段。從20世紀50年代至80年代，NASA分別經(jīng)歷了采用概率計算和故障樹方法相結合、失效模式及其影響分析(FMEA)和關鍵相關項目表(CIL)、故障樹分析法(FTA)、概率風險評價法(PRA)[8]。目前，NASA風險管理的方法是將CRM和PRA結合起來，利用PRA估計風險發(fā)生的概率，估算風險等級和風險影響，將定性與定量相結合把握項目風險發(fā)生規(guī)律及其可能造成的影響，構建動態(tài)風險管理的程序和組織[9]。

2)ESA的風險管理方法

ESA同樣對風險管理工作十分重視。ESA在風險管理上主要借鑒了美國的概率風險分析技術，并根據(jù)自身實際情況進行了改進[10]。ESA在吸收NASA風險管理規(guī)范的基礎上制定了適用的風險管理標準，主要包括：ECSS-M-00-03A、ECSS-M-00-03B、ECSS-M-ST-80C、PSS-01-403等[11]。ESA在借鑒NASA的同時，將項目風險管理程序具體分為4個迭代步驟、9項任務?，F(xiàn)如今，在科技發(fā)展的今天，計算機仿真技術已經(jīng)慢慢成為ESA風險管理的方法之一。

3)國內(nèi)的風險管理方法

目前，除FTA和PRA外，國內(nèi)風險管理主要還采用故障模式、影響與危害性分析(Failure Mode Effects and Criticality Analysis, FMECA)法和改進AHP-模糊綜合評價法。

PRA法和改進AHP-模糊綜合評價法屬于綜合評價方法。PRA方法雖然有助于分析復雜的航天系統(tǒng)，但由于該方法比較復雜，需要投入較多的人力、物力，實際應用時會有一定的難度[12]。改進AHP-模糊綜合評價法具有結果清晰、系統(tǒng)性強的特點，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。因此，本文選擇采用此方法作為空間科學衛(wèi)星工程風險管理的方法。

2 空間科學衛(wèi)星工程風險評價指標體系

相比空間科學衛(wèi)星工程的其他階段，方案設計階段需要更多的創(chuàng)新性和模糊性，因此方案設計階段最大的特點是風險大和不確定性高[13]。方案設計階段的重點工作包括依據(jù)工程研制和使用要求，對其任務特點、使用狀態(tài)和環(huán)境等方面進行分析。在此基礎上，對總體、分系統(tǒng)、重要單機設計方案，研制過程各類大型試驗方案，關鍵技術攻關情況，采用的新技術、新工藝、新材料(含器件)情況，用戶技術指標的滿足程度，可靠性指標分配和傳遞情況等方面進行分析。因此，本文將方案階段風險劃分為3個一級風險因子和12個二級風險因子，如表1所示。

表1 風險因子識別Table 1 Identification of risk factors

2.1 方向風險

(1)任務特點分析，該風險源主要是梳理出本次任務所采用新技術的特點、難點和關鍵點，分析所選用產(chǎn)品的使用環(huán)境、使用狀態(tài)，進行工程產(chǎn)品技術風險分析。

(2)科學研究目標，該風險源主要由于目前對太空的探索還處于科研階段而不是資源勘探利用階段。因此，確定科學研究目標不出現(xiàn)與國內(nèi)外的重復至關重要。

(3)方案可行性分析，該風險源是對工程總體方案的可行性進行分析，確?？傮w方案正確可行，避免在工程后續(xù)研制過程中出現(xiàn)方案顛覆的情況。

(4)災害性空間環(huán)境事件危害分析，該風險源是對衛(wèi)星發(fā)射運行階段極端惡劣災害性空間環(huán)境事件預報，分析災害影響，制定相應的耐受性和適應性設計方案。

2.2 創(chuàng)新風險

(1)新技術、新工藝分析，該風險源主要重點關注未經(jīng)飛行試驗考核的新技術與新工藝，對工程產(chǎn)品新技術的可靠性和地面試驗驗證的充分性要進行分析。

(2)新單位分析，該風險源是新單位的資質是否與要求所匹配、質量是否能充分保障以及產(chǎn)品保證措施是否合理等。

(3)新器材、新材料分析，該風險源主要包括新器材和新材料選用的合理性、驗證充分性、使用正確性進行分析。

(4)新產(chǎn)品分析，該風險源主要包括對新產(chǎn)品的功能和性能符合性、可靠性、安全性設計符合性、質量保證符合性、操作符合性等方面進行分析。

2.3 設計風險

(1)設計裕度量化分析，該風險源要圍繞關鍵特性參數(shù)，為了保證衛(wèi)星產(chǎn)品的可靠性，一般都采用裕度設計。

(2)技術成熟度分析，該風險源主要包括關鍵技術的工程以及設計理論、設計方法或試驗方法不成熟的項目。

(3)曾經(jīng)發(fā)生過影響成敗問題的工程，該風險源主要涉及對曾經(jīng)發(fā)生過影響任務成敗的工程(產(chǎn)品)進行復查和分析。對其它相似工程(產(chǎn)品)發(fā)生的影響任務成敗的質量問題，在本工程中進行舉一反三分析。

(4)繼承性分析，該風險源主要考慮對使用的成熟技術方案對本項目的適用性和融合性風險。

3 改進AHP-模糊綜合評價法的算法流程

對于本文需要采用的改進AHP-模糊綜合評價法，其主要的算法流程如下：

(1)建立綜合評價的因素集。因素集是以影響評價對象的各種因素為元素所組成的一個普通集合，本文用A表示，即A={A1,A2,A3…An}，其中元素Ai代表影響評價對象的第i個因素。

(2)確定權重。通過專家對風險因子的評分，評分采用“三標度法”，即用2、0、1這三個數(shù)來分別代表“甲比乙重要”、“乙比甲重要”、“二者一樣重要”。構建兩兩比較判斷矩陣，從而得出總風險ω和一級風險因子的權重ω1、ω2、ω3。

(3)建立隸屬矩陣。通過對專家判斷每個風險因子的風險程度隸屬于極低、低、中等、高、極高等不同等級的數(shù)據(jù)的整理可以得到3個風險維度的隸屬度矩陣，分別是R1、R2、R3。

(5)二級模糊綜合評價。通過將權重與隸屬度矩陣相乘可以得到風險維度的模糊綜合評價指標值分別是v1、v2、v3。將其與評價分值相乘，最終得到3個風險維度的最終得分δ1、δ2、δ3。

4 空間科學衛(wèi)星工程的風險評價實證分析

量子衛(wèi)星是我國乃至世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星，這意味著人類將首次完成衛(wèi)星和地面之間的量子通信，從而構建一個天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系。本文以量子衛(wèi)星為例，對其方案設計階段風險進行實證分析。根據(jù)改進AHP-模糊綜合評價法的算法流程，對量子衛(wèi)星工程進行風險評價。

4.1 改進AHP

首先，根據(jù)表1建立的層次結構模型，本行業(yè)專家、學者、空間科學衛(wèi)星項目管理人員、一線設計人員對其風險因子進行打分，并建立兩兩比較矩陣。

其次，基于判斷矩陣的最大特征根計算與之對應的特征向量ω，并對所求的ω進行歸一化處理，得到各指標的權重取值矩陣ω，其中各指標的取值大小和排列順序就反映了該指標相對于上一層次要素的重要程度和權重分配[11]。最終得到一級指標權重和二級指標權重情況如表2所示。

表2 指標權重匯總表情況Table 2 Summary of index weight

4.2 模糊綜合評價

4.2.1 二級模糊綜合評價

為了更好的評價量子衛(wèi)星的風險，本文通過采用專家對風險因素進行評分來對量子衛(wèi)星風險管理過程的風險源做出不同的評價。通過總結十位專家的打分數(shù)據(jù)，得出空間科學衛(wèi)星工程各項風險評價指標的隸屬度矩陣，如表3所示。

表3 量子科學實驗衛(wèi)星方案設計階段風險評價的隸屬度Table 3 QUESS Membership degree of risk assessment in scheme design phase

其次，對量子衛(wèi)星的二級風險因子進行二級模糊綜合評價。通過對表3數(shù)據(jù)的整理可以得到3個風險維度的隸屬度矩陣，分別是R1、R2、R3。

(1)

(2)

(3)

再次，測算風險維度的模糊綜合評價指標值分別為

(4)

最后通過上述計算，可以得到模糊綜合評價結果如表4所示。

表4 二級模糊綜合評價結果Table 4 Results of two-level fuzzy comprehensive evaluation

4.2.2 一級模糊綜合評價

根據(jù)二級模糊綜合評價的結果，可以得到量子衛(wèi)星方案設計階段風險的總體判斷矩陣。

(5)

(6)

計算得到模糊綜合評價的結果，并據(jù)此可以計算得出量子衛(wèi)星方案設計階段風險的總體得分δz。

通過模糊綜合評價法計算出該總風險得分δz=R×v=59.52，得分在[40，60)之間，屬于中等風險的評價等級。從評價結果可以看出，對于二級風險因子來說，其中方向風險和設計風險都屬于中等風險，二者對于其風險的產(chǎn)生的損失可以及時的修復并且對人員也不會造成較大傷害。但是其中創(chuàng)新風險屬于高風險，主要是由于采用的新技術等方面具有巨大的不確定性，因此可能會帶來指標的失敗和任務的推遲從而影響整體工程的進度。然而，對于總風險來說，仍然屬于中等風險。

5 結束語

對于空間科學衛(wèi)星工程來說，由于改進AHP-模糊綜合評價法具有結果清晰，系統(tǒng)性強的特點，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合于此項目的風險管理評價。本文基于改進AHP-模糊綜合評價法，以量子衛(wèi)星方案設計階段風險為例進行實證分析得出該階段的風險屬于中等風險，即雖然會產(chǎn)生一定的損害但是可以修復，并且對人員和最終目標的實現(xiàn)不會造成極大的傷害。因此，有必要根據(jù)衛(wèi)星工程的各個階段中風險的評估結果，給出對應的解決方案。具體來說，對于高風險項目，各衛(wèi)星工程及相關單位必須制定消除或降低風險的應對措施，并落實在工程研制生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)中，采取計算、分析、試驗等手段，驗證風險控制措施的有效性，加強對實施效果的評估，并對采取措施后的項目重新進行風險綜合評級；對于中風險項目，應將其作為節(jié)點質量控制和里程碑的重點內(nèi)容，在后續(xù)研制生產(chǎn)環(huán)節(jié)中密切關注，并結合研制流程采取有效措施，保證在衛(wèi)星出廠前降低至可接受水平；對于低風險項目，應進行必要的監(jiān)控，跟蹤并記錄其后續(xù)狀態(tài)變化情況，防止其危害程度上升。