基于博弈論組合賦權的空間新技術衛星在軌運行風險評價

2024-12-31 00:00:00段玉興白洪波

項目管理技術 2024年12期

摘要：對空間新技術衛星在軌運行風險進行及時分析、判斷和評價，對提高其運行風險管理效率具有重要意義。鑒于空間新技術衛星具有技術狀態新、在軌試驗周期長、整體成熟度低等特點，提出一種基于博弈論的組合賦權風險評估方法。首先，利用工作分解結構法、“九新”分析法等方法對空間新技術衛星全生命周期運行風險進行識別，并從人員、系統、技術、管理和環境5個方面構建兩級風險評估指標體系；其次，采用G1序關系分析法進行主觀賦權，并結合熵權法進行客觀賦權；再次，運用博弈論確定各指標的組合權重，形成一套綜合的風險評估模型；最后，對某型號空間新技術衛星的風險管控實例進行分析，驗證該方法的有效性和合理性，以期為航天領域風險管理提供參考。

關鍵詞：空間新技術衛星；博弈論；組合賦權；風險評價

0 引言

衛星項目的風險管理歷來都受到各級的高度重視。孫紀文等^[1]針對環境減災二號A/B衛星的特點分析項目風險管理難點，在衛星管理實踐基礎上，對重要風險源識別、分析和應對，將風險控制到可接受范圍；趙霄洋等^[2]針對衛星項目特點，提出了以分級風險管理為基礎的項目風險動態管理體系，建立量化評估“動態管控”技術驗證及全面保障的風險管理機制；王建鐸等^[3]分析了通信衛星的特點及在軌運行需求，對其在軌運行進行風險識別，運用層次分析法進行風險因素分析，針對風險等級制定風險應對措施，提高通信衛星運行穩定性；楊軍^[4]分析研判北斗系統全球服務的風險現狀與發展態勢，梳理總結其面臨的5種風險，細致分析風險成因，并提出了應對策略；龔佩佩等^[5]采用貝葉斯網絡，分別構建衛星導航系統完好性和連續性風險模型，開展故障診斷，以識別薄弱環節，并提出風險控制建議。綜上所述，衛星項目風險管理越來越受到各級重視，但對航天發射項目進度、成本風險研究較多，對衛星在軌運行風險研究較少，如對在軌運行可能引起的輿論法理、政治外交等研究較少?？臻g新技術衛星因其整體成熟度低、在軌試驗周期長、技術狀態切換復雜等特點，使得其在軌運行風險管理顯得更加重要，亟須建立空間新技術衛星在軌運行風險管控體系。

本文針對空間新技術衛星的特點，在總結傳統通信、導航、遙感等類型衛星風險評價研究的基礎上，首先從空間運行段、信息傳輸段、地面管控段不同空間域，衛星發射入軌到退役報廢全生命周期的多維度，全方面識別風險因素；其次構建風險指標體系，利用組合賦權法進行風險指標權重計算；最后以某型空間新技術衛星為例，進行方法驗證，驗證該方法的有效性和合理性。

1 空間新技術衛星在軌運行基本特征分析

空間新技術衛星主要開展新材料、新技術和新型器部件驗證試驗，進而為衛星定型提供設計需求和改進意見。相較于其他通信、遙感、導航等成體系、技術相對成熟型號而言，空間新技術衛星有著以下幾點鮮明特點。

1.1 技術狀態新

空間新技術衛星主要用于開展空間探測、精準控制、精細操作等高精尖技術驗證，同時新技術多為首次驗證，缺少先驗經驗、完備的任務流程和操作規范。

1.2 在軌試驗周期長

衛星發射入軌后，絕大部分時間用于在軌新技術試驗。需要星地密切協同，對衛星操控人員能力、測控設備可靠性、測控鏈路穩定性等提出了更高的要求。

1.3 試驗項目敏感度高

因需要驗證新技術，部分試驗項目需要實施近距離抵近，會對其他在軌衛星造成一定的安全威脅，易引發輿論炒作。同時也存在因保密措施不到位造成的核心關鍵技術外泄的風險。

1.4 衛星總體成熟度低

空間新技術衛星主要是對計劃定型高價值衛星的技術驗證和探索，很多立項源于創新成果申報、樹立品牌影響力等，生產廠家相對多樣，總體成熟度遠低于定型衛星。

2 空間新技術衛星在軌運行風險評價指標體系構建

2.1 空間新技術衛星運行風險因素分析

綜合采取衛星管理單位實地調研、文獻綜述分析和領域專家打分排序等風險識別方法，對空間新技術衛星自身設計、空間環境、地面設備、網絡通信、人員操作等方面運行管理內容和特點分析，梳理衛星發射入軌至退役報廢全生命周期的測控事件，最終識別出新技術衛星在軌運行風險因素如下：

（1）人員風險?？臻g新技術衛星技術狀態新，存在試驗人員對技術機理掌握不夠深入、專業技能不足、組織協調不嚴密、指揮決策能力不足及工作作風不嚴謹等風險。

（2）系統風險。空間新技術衛星相較于定型衛星，成熟度偏低，存在整體穩定性不足、冗余設計、可靠性不足等風險。

（3）技術風險。空間新技術衛星在軌試驗狀態復雜，存在技術可行性論證不充分、技術狀態設置錯誤、關鍵技術存在缺陷、特殊材料和元器件應用測試不充分等風險。

（4）管理風險?？臻g新技術在軌試驗涉及參與單位多，協同關系復雜，存在操作流程不規范、方案預案不充分、高層管理者重視程度不夠、職責分工不清晰、測試驗證不充分等風險。

（5）環境風險。空間新技術衛星受到空間環境影響，存在與空間目標發生碰撞、受電磁輻射和極端天氣影響、誘發輿論炒作和政治外交等風險。

2.2 風險指標體系構建

按照全面性、獨立性、可操作性等原則，建立空間新技術衛星在軌運行風險評價體系，其中包括5個一級風險指標、23個二級風險指標，空間新技術衛星在軌運行風險評價指標體系如圖1所示。

3 確定風險評價指標權重

風險指標的權重確定是評價的關鍵，通常運用主觀賦權或者客觀賦權計算權重。綜合分析相關文獻并結合空間新技術衛星管理特點，選取G1序關系分析法^[6^-7]進行主觀賦權，用熵權法^[8^-9]進行客觀賦權，并利用博弈論^[10^-12]的納什均衡思想來確定組合權重。

3.1 主觀權重計算

邀請從事空間新技術衛星試驗領域經驗豐富的專家，根據指標的重要程度進行判斷，確定相對重要度，求出指標權重系數，具體計算步驟如下：

（1）序關系計算。專家從風險指標集{a1，

a2，…，an}中，選取風險影響程度或重要程度最大的基準指標，按重要程度對指標進行排序，獲得基于風險指標集的序關系。

（2）確定相鄰風險評價指標之間的重要程度。

（3）根據指標間重要程度賦值情況，計算主觀權重系數ωk，公式如下

ωk=（1+∑nk=2∏ni=kri）^－1（k=n， n－1， …， 2）

（1）

ωk－1=ωkγk（k=n，n－1，…，2）

（2）

式中，ωk為第k個指標的權重；γk為指標重要性評分量化值，表示第k個指標與第k-1個指標之間的重要程度賦值，γk越大則表示相鄰兩個指標之間重要程度越大。

（4）根據專家群組計算權重。若S名專家對風險指標集合{a1，a2，…，an}的序關系排列相同，但賦值不同。則權重系數公式如下

ωk=（1+∑nk=2∏ni=kγi′）^－1（k=n，n－1，…，2）

（3）

ωk-1=ωkγk′（k=n，n－1，…，2）

（4）

其中，γk′公式如下

γk′=1s∑si=1γki（k=n，n－1，…，2）

（5）

若S名專家中有s1位專家對風險指標集合的序關系相同，賦值不同。其余專家的序關系不相同，賦值不同，以指標ak為例，計算方法如下。

s-s1位專家序關系相同時，指標ak的權重系數公式如下

ωk″=（1+∑nk=2∏ni=kγi″）^－1

（6）

γk″=1s－s1∑s－s1i=1γki

（7）

指標ak的權重系數的綜合權重系數公式如下

ωk=s1sωk′+s－s1sωk″

（8）

3.2 客觀權重的計算

根據熵權理論，風險評價指標的信息熵大小與指標蘊含的信息量大小呈負相關。計算步驟如下：

（1）構造評價矩陣。假如有m個風險評價樣本、n個風險指標，構造原始數據評價矩陣公式如下

Y=y11y11…y11y11y12…y1n

ym1ym2…ymn（9）

式中，yij為風險指標j下樣本i的評價值。

（2）歸一化評價矩陣。采用線性變化方法處理后得到歸一化矩陣Q=（qij）m×n。

（3）計算指標信息熵Mj，公式如下

Mj=－1lnm∑mi=1qijlnqij

（10）

（4）計算各風險指標權重，公式如下

Nj=1－Mj∑nj=11－Mj

（11）

式中，Nj為風險指標的權重向量，即熵權，Nj數值越大，對評價樣本貢獻越大。

3.3 博弈論計算綜合權重

基于博弈論的權重集結模型將主觀和客觀賦權方法得到的權重利用合作博弈理論進行組合得到最終權重值。計算步驟如下：

（1）計算風險指標權重。G1法和熵值法計算的基本權重向量集分別為W1和W2，兩種權重向量的任意線性組合公式如下

W=∑2k=1akWTk

（12）

式中，W是權重的線性組合；ak是線性組合權重系數；WTk是基本權重向量集W的轉置矩陣，k=1，2。

（2）對線性組合權重系數ak進行優化，優化目標為離差最小化。

（3）解最優組合系數，計算得到最優組合系數ak={a1，a2，…，an}，對其進行歸一化處理，得到最終組合系數ak，組合權重公式如下

Wj=∑2k=1akWTk

（13）

4 某型新技術衛星在軌運行風險評價模型驗證

4.1 指標權重計算

邀請了從事新技術衛星試驗項目相關工作5年以上的10名專家（包括試驗管理人員、試驗設計人員、試驗測試人員）分別對空間新技術衛星在軌運行風險評價指標重要程度排序和重要度量化進行打分；熵值法采用李克特5級量表法，其中，1=非常不重要，2=不重要，3=一般重要，4=重要，5=非常重要。G1法采用平均法進行聚合，熵值法采用Min-Max歸一化進行處理，對兩種權重向量集計算離差最小，獲得一級和二級風險指標相對組合權重，基于博弈論的一級風險評價指標組合權重見表1，基于博弈論的二級風險指標組合權重見表2。

4.2 風險評價

根據標準對風險等級進行劃分，風險等級劃分標準見表3。

首先，選取10名行業專家對新技術衛星風險指標進行量化打分，1～10分表示風險值由低到高，然后按照平均法對10名專家評分計算結果進行聚合，得到綜合后的風險評分聚合結果，結合表1組合權重聚合結果，最終獲得風險評價指標的風險評分，風險評價指標評分結果見表4。

由表4可知，空間新技術衛星在軌運行風險得分為5.73，屬于中風險，通過采取一定管控措施可實現風險的有效控制。技術風險和系統風險屬較高風險，要求在衛星設計及測試驗證階段，加強技術研發和質量控制，提高設備和技術的成熟度和穩定性，尤其要充分論證技術的可行性。同時，要適當考慮核心關鍵器部件的備份，確保一旦出現異常，能夠及時啟用備份，增加運行保障?？臻g運行段和信息傳輸段，要針對惡劣的空間電磁環境，加強衛星本體、測控通信鏈路的防護抗擾設計，最大限度減少因空間環境干擾帶來的運行風險；地面管控段，要進一步完善地面衛星控制系統，確保衛星運行測控的可靠性，同時應注重完善試驗方案預案、規范操控處置流程和細化輿論應對措施，防止因技術問題導致外溢風險。

5 結語

本文在深入探討空間新技術衛星在軌管控風險的基礎上，系統性地研究了空間新技術衛星在軌運行風險評價的方法與模型。針對空間新技術衛星在軌運行的實際，詳細識別并細化了影響事件的關鍵指標因素，進而構建了一套適用于空間新技術衛星在軌運行風險管控的指標體系。在研究過程中，深入探討了G1序關系分析法與熵值法的基本原理及其應用流程。為降低指標權重計算中的主觀性影響，創新性地結合了主觀賦權與客觀賦權，以最大限度地減少評價過程中信息的損失?；诖?，提出了一種融合博弈論思想的組合賦權的空間新技術衛星在軌運行風險評價方法，專門用于評估空間新技術衛星的風險。最后以某型號空間新技術衛星的風險評價模型為例，證明了該方法的科學性和合理性。未來，將進一步探索該評價技術的普適性和適用性，并考慮將其推廣至其他類型衛星或空間項目的更多運行階段，為航天領域風險管理提供更為全面的支持。

參考文獻

[1]孫紀文，白照廣，董筠，等.環境減災二號A/B衛星風險管理實踐[J].航天器工程，2022，31（3）：26-33.

[2]趙霄洋，游江，劉付強，等.高分七號衛星項目風險管理探索與實踐[J].項目管理技術，2020，18（7）：109-113.

[3]王建鐸，朱軍，馬波.通信衛星在軌運行風險管理[J].交通科技與管理，2023，4（5）：17-19.

[4]楊軍.北斗衛星導航系統全球服務的風險分析和應對策略[J].中國工程科學，2023，25（2）：13-21.

[5]龔佩佩，冉迎春，劉春雷.基于貝葉斯網絡的衛星導航系統安全性風險分析與控制[C]//第十三屆中國衛星導航年會論文集——S06自主導航與智能運行.中國航天標準化與產品保證研究院，2022.

[6]張海靜，王鑫，鞠文杰，等.基于G1-反熵和權-TOPSIS法的學校綜合能源系統經濟性評價[J].微型電腦應用，2023，39（7）：1-5.

[7]陳志萊.基于G1法-改進熵權法的煤礦機電安全評價及應用[J].機電信息，2024（7）：60-65.

[8]劉超，李川田，武睿，等.基于熵權-模糊評價法的人員不安全行為風險研究[J].山西煤炭，2024，44（2）：48-53，83.

[9]盛誕杰，湯瑞，王凱，等.基于熵權-正態云模型的小凈距隧道施工風險評估模型[J].安全與環境工程，2024，31（3）：89-95.

[10]胡航，劉鵬程，張玉臣，等.基于博弈論組合賦權的網絡防御系統風險評價研究[EB/OL].（2024-06-03）[2024-06-23].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.3019.TJ.20240531.1838.008.html.

[11]魏盛宇，梁文彪，翟越，等.基于博弈論組合賦權云物元模型的城市道路交通系統風險評價[J].科學技術與工程，2024，24（10）：4359-4367.