大型武器裝備系統(tǒng)成熟度評估及優(yōu)化

梁 新，劉寶平，李凜然

(海軍工程大學(xué) 裝備經(jīng)濟(jì)管理系，湖北 武漢430033)

大型武器裝備作為軍隊建設(shè)最重要的資源之一，既是軍隊?wèi)?zhàn)斗力形成和發(fā)展的重要物資基礎(chǔ)，也是軍隊資源投入的階段性成果，是國家軍隊實力、經(jīng)濟(jì)能力、技術(shù)發(fā)展水平乃至綜合國力的集中體現(xiàn)。大型武器裝備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建設(shè)周期長、層次多、關(guān)鍵技術(shù)數(shù)量多、技術(shù)管理難度大、不確定性因素多，因此其采辦過程中普遍存在“拖進(jìn)度、漲費(fèi)用、降性能”等問題。

為此，英美等國提出了系統(tǒng)成熟度評價(system readiness assessment，SRA)算法，以整個系統(tǒng)為研究對象，在一般技術(shù)成熟度評價(technology readiness assessment，TRA)的基礎(chǔ)上，引入關(guān)鍵技術(shù)之間的集成關(guān)系進(jìn)行集成成熟度評價(integration readiness assessment，IRA)［1］。但從目前研究成果來看，現(xiàn)有的SRA 算法中雖然引入了集成的概念，卻沒有區(qū)分各項關(guān)鍵技術(shù)的重要程度、系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)關(guān)系及在面臨成本與進(jìn)度約束條件下的優(yōu)化問題，因而其評價結(jié)果的合理性、準(zhǔn)確度需要進(jìn)一步提高。

1 相關(guān)概念界定與發(fā)展

早在20 世紀(jì)70 年代，美國國家航空航天局(NASA)引入了技術(shù)成熟等級(technology readiness level，TRL)的概念，將其作為一個項目性能系數(shù)來標(biāo)定該空間項目中新技術(shù)的完備情況，實現(xiàn)項目相關(guān)人員之間的有效溝通與交流。最初，NASA 提出的TRL 分為7 級，1995 年修訂為9 級，1999 年美國國防部開始使用TRL，2001 年TRL 被美國國防部納入武器采辦條例，并以《技術(shù)成熟度評價手冊》形式發(fā)布。其主要是通過將武器裝備采辦項目中的關(guān)鍵技術(shù)從發(fā)現(xiàn)并掌握原理到該技術(shù)在系統(tǒng)中的成功應(yīng)用劃分為不同的等級，達(dá)到清晰描述武器系統(tǒng)的開發(fā)狀態(tài)和技術(shù)風(fēng)險的目的，進(jìn)而為項目科學(xué)管理和決策提供依據(jù)。同時，還提出了制造成熟度(manufacturing readiness level，MRL)等概念。根據(jù)美國國防部2009 年發(fā)布的《technology readiness assessment (TRA)desk book》［2］，技術(shù)成熟度劃分及含義如表1 所示。

表1 TRL 各等級描述

由于技術(shù)成熟度評價僅針對單項獨(dú)立技術(shù)，對于涉及多項技術(shù)的大系統(tǒng)無法進(jìn)行系統(tǒng)描述及客觀反映出技術(shù)的集成效應(yīng)。而在多系統(tǒng)交互廣泛存在的現(xiàn)代武器裝備系統(tǒng)中，整個武器裝備系統(tǒng)的成熟度不僅取決于介入系統(tǒng)獨(dú)立部分的技術(shù)成熟程度，而且取決于各部分之間集成技術(shù)的成熟程度。因此，對于單項技術(shù)的技術(shù)成熟度，系統(tǒng)集成技術(shù)對整體而言同樣重要。集成成熟度(integration readiness，IR)是一個系統(tǒng)集成的概念，指不同技術(shù)之間進(jìn)行集成時，在相同環(huán)境下完成既定功能的狀態(tài)，該狀態(tài)一般通過集成成熟等級(integration readiness level，IRL)來進(jìn)行評估。集成成熟等級主要是通過兩項技術(shù)之間的可集成狀態(tài)和水平進(jìn)行劃分，是一個從系統(tǒng)集成角度評估不同技術(shù)接口相互作用、影響效應(yīng)的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。GOVE［3］對集成成熟等級的描述如表2 所示。

表2 GOVE 對IRL 等級描述

系統(tǒng)成熟度(system readiness，SR)是對系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顟B(tài)的描述，既包括相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，也包括技術(shù)的集成水平、制造生產(chǎn)水平等因素。美國國防部主要采用系統(tǒng)成熟等級(system readiness level，SRL)進(jìn)行評估，常用系統(tǒng)成熟等級指標(biāo)是利用TRL 和IRL 通過相關(guān)算法實現(xiàn)對系統(tǒng)技術(shù)成熟度定量評估。類似的評估方法有集成技術(shù)分析方法(integrated technology analysis methodology，ITAM)、系統(tǒng)集成成熟等級(systems integration readiness level，SIRL)等［4］。

2 基本框架分析

大型武器裝備是由眾多子系統(tǒng)按照一定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式構(gòu)成的多功能整體。對于每一型具體的大型武器裝備而言，都會有多項關(guān)鍵技術(shù)成為制約裝備達(dá)到既定戰(zhàn)技性能指標(biāo)的難點(diǎn)，這也是進(jìn)行技術(shù)成熟度評估的重點(diǎn)。同時還必須考慮相關(guān)技術(shù)、子系統(tǒng)之間的集成成熟度。綜合考慮大型武器裝備的構(gòu)成、技術(shù)成熟度水平，可構(gòu)建具體的評估框架，如圖1 所示。

圖1 大型武器裝備系統(tǒng)技術(shù)成熟度評估與優(yōu)化框架圖

圖1 中大型武器裝備作為子系統(tǒng)的有機(jī)集合，由n項子系統(tǒng)組成，共涉及到m項關(guān)鍵技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)與子系統(tǒng)之間可以通過關(guān)系流程圖或矩陣關(guān)系形式表達(dá)。

根據(jù)上述分析評估基本框架，大型武器裝備技術(shù)成熟度評估優(yōu)化過程可分為如下7 個步驟：①確定系統(tǒng)邊界和構(gòu)成系統(tǒng)的主要組成部分及關(guān)鍵技術(shù)。界定武器裝備的對象，主要包括子系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)的確定，可采用價值中心法(value-focused thinking，VFT)等方法進(jìn)行具體分析。②構(gòu)建武器裝備系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)在于分析子系統(tǒng)之間的集合關(guān)系，將矩陣關(guān)系圖轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)分析圖。③構(gòu)建各子系統(tǒng)內(nèi)部技術(shù)結(jié)構(gòu)圖，針對具體關(guān)鍵技術(shù)及集成關(guān)系，依據(jù)9 級成熟度標(biāo)準(zhǔn)，重新定義并制定具體的技術(shù)成熟度和集成成熟度評判標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則。④依據(jù)評判標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則，確定當(dāng)前關(guān)鍵技術(shù)成熟度與技術(shù)之間的集成成熟度。⑤計算各子系統(tǒng)技術(shù)成熟度。⑥根據(jù)各子系統(tǒng)技術(shù)成熟度和系統(tǒng)具體框架結(jié)構(gòu)情況，計算武器裝備的系統(tǒng)技術(shù)成熟度。⑦根據(jù)成本、進(jìn)度約束進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化與決策。

3 系統(tǒng)成熟度評估與優(yōu)化模型

筆者重點(diǎn)分析系統(tǒng)成熟度的評估與優(yōu)化模型，因此假定系統(tǒng)界定、關(guān)鍵技術(shù)的選取及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖等前期基礎(chǔ)工作已經(jīng)完成。

3.1 子系統(tǒng)技術(shù)成熟度評估

3.1.1 技術(shù)成熟度評估

單項技術(shù)的技術(shù)成熟度評估是系統(tǒng)成熟度分析的基礎(chǔ)。假定在子系統(tǒng)h中共涉及n項關(guān)鍵技術(shù)，按照該子系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，由評判標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則(與表1 類似，最高等級為p，表示該技術(shù)通過多次實際應(yīng)用證明了其真實可靠，IRL 一般為9 級)已經(jīng)確定各項關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)成熟度，則可以用n維向量TRL來表示各單項技術(shù)成熟等級水平，其為整個裝備系統(tǒng)集成成熟等級矩陣的一部分。

式中，TRLi為第i項關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)成熟度等級。

3.1.2 集成成熟度評估

從系統(tǒng)集成角度，可對關(guān)鍵技術(shù)兩兩之間進(jìn)行集成分析，建立子系統(tǒng)h的n×n維技術(shù)集成成熟等級矩陣IRL，其為整個裝備系統(tǒng)集成成熟等級矩陣的一部分。

式中，IRLij為技術(shù)i與技術(shù)j之間的集成成熟等級，且IRLij=IRLji。

IRLij最高等級為q(與表2 類似，一般為9)。當(dāng)IRLij為0 時，表明在子系統(tǒng)中技術(shù)i與技術(shù)j無集成關(guān)系;當(dāng)IRLij值為q時，表示技術(shù)i與技術(shù)j在整個系統(tǒng)里完全協(xié)調(diào)，無相互影響功能，且不需后續(xù)的集成開發(fā);技術(shù)i與自身集成時IRLij值為q。

3.1.3 子系統(tǒng)技術(shù)成熟度評估

子系統(tǒng)h技術(shù)成熟度是n維向量TRL與n×n維技術(shù)集成等級矩陣IRL的函數(shù)。由于TRL取值范圍在［0，p］，IRL取值范圍在［0，q］，故需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理［5］，即：

式中：Ti為第i項關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)成熟度等級標(biāo)準(zhǔn)化值;Iij為技術(shù)i與技術(shù)j之間的集成成熟等級標(biāo)準(zhǔn)化值。

子系統(tǒng)h成熟度以向量形式表示為：

由于每項關(guān)鍵技術(shù)在子系統(tǒng)h結(jié)構(gòu)中所連通的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不同，即具有集成關(guān)系的技術(shù)數(shù)量不同，需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，可表示為：

式中：S為子系統(tǒng)h的系統(tǒng)成熟度標(biāo)準(zhǔn)化向量;ki為子系統(tǒng)h中與技術(shù)i具有集成關(guān)系的技術(shù)的個數(shù)(包含技術(shù)i)。

因此，子系統(tǒng)h的技術(shù)成熟度可表示為：SRLh=

3.2 系統(tǒng)成熟度評估

3.2.1 子系統(tǒng)技術(shù)成熟度向量

假設(shè)該大型武器裝備系統(tǒng)中共包括l項子系統(tǒng)。按照上述評估過程，可以得出綜合各個子系統(tǒng)的系統(tǒng)成熟度向量［6］，即：

式中，SRLi為第i項子系統(tǒng)的技術(shù)成熟度。

3.2.2 權(quán)重確定與系統(tǒng)成熟度評估

對于子系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中的重要程度可以用其連接的其他子系統(tǒng)的多少來表示。因此，可以將上述系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)化為反映各子系統(tǒng)的相互依賴關(guān)系的連接圖［7］，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)各子系統(tǒng)連接圖

圖2 中，由子系統(tǒng)S1到子系統(tǒng)Sl的單向箭頭表示S1支持Sl，或者說是Sl依賴于S1，但S1不依賴于Sl。子系統(tǒng)S2到子系統(tǒng)Sl的雙向箭頭表示兩者之間相互依賴。從連接圖可以得出整個系統(tǒng)的連接矩陣A，如表3 所示。

表3 各子系統(tǒng)連接矩陣A

表3 中，第一行和第一列分別表示系統(tǒng)對應(yīng)的各子系統(tǒng)。矩陣的每一行元素表示該行對應(yīng)的列子系統(tǒng)對對應(yīng)相應(yīng)行子系統(tǒng)是否有連接支持關(guān)系，如果列子系統(tǒng)有連接線發(fā)出，行子系統(tǒng)有連接線箭頭進(jìn)入，則該元素為1，表示列子系統(tǒng)對對應(yīng)相應(yīng)行子系統(tǒng)有連接支持關(guān)系;如果該元素為0，表示列子系統(tǒng)對對應(yīng)相應(yīng)行子系統(tǒng)無連接支持關(guān)系。通過該矩陣，可以直觀地用每一行元素的和來評估該行對應(yīng)行子系統(tǒng)在整個裝備系統(tǒng)中的作用大小。但每行的和只是簡單地考慮了列子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)的直接連接支持關(guān)系，未考慮間接連接支持關(guān)系，為了更加客觀、有效地評估，應(yīng)用矩陣特征向量方法來處理。

由于連接矩陣A為l×l的非負(fù)矩陣，根據(jù)庇隆·佛羅本繆斯定理，若矩陣A≥0，則A有一非負(fù)實特征值等于其譜半徑，與該特征值相對應(yīng)有一非負(fù)特征向量。若A不可約，則該非負(fù)實特征值及對應(yīng)特征向量均為正。因此，對于連接矩陣A，總可以找到唯一非負(fù)向量P≥0，使之滿足：AP=λP。其中：λ 為連接矩陣A的主特征值;P為與λ 對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)歸一化主右特征向量。P≥0則表示向量P的每一個分量Pi≥0，標(biāo)準(zhǔn)歸一化則表示Σl i=1Pi=1，因此，可以用主特征向量P表示協(xié)同集成指數(shù)，每一個分量Pi即為對應(yīng)列子系統(tǒng)的協(xié)同集成指數(shù)。

子系統(tǒng)對于系統(tǒng)的貢獻(xiàn)權(quán)重，除受該子系統(tǒng)貢獻(xiàn)指數(shù)影響外，還受到各子系統(tǒng)對其他子系統(tǒng)的依賴程度影響?？衫^續(xù)借用已構(gòu)建的連接矩陣A，利用其轉(zhuǎn)置矩陣AT來求解各子系統(tǒng)的依賴指數(shù)，如表4 所示。

轉(zhuǎn)置矩陣AT與連接矩陣A表示含義類似。按上述方法，根據(jù)AT主特征值和對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化的主右特征向量來確定各個子系統(tǒng)的依賴指數(shù)［8］。依賴指數(shù)可用向量L來表示。

表4 各子系統(tǒng)連接轉(zhuǎn)置矩陣AT

由于系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)的權(quán)重有兩個決定性因素，即該子系統(tǒng)對整個系統(tǒng)的協(xié)同集成貢獻(xiàn)和該子系統(tǒng)對其他子系統(tǒng)的依賴程度。因此，各子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重可以表示為：

因此，系統(tǒng)成熟度評估值可表示為：SRL=

3.3 優(yōu)化分析

裝備建設(shè)發(fā)展不僅受到技術(shù)因素的影響，還受到成本與進(jìn)度的影響［9］。因此，綜合考慮成本與進(jìn)度約束條件，可以進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，并為潛在領(lǐng)域開發(fā)的優(yōu)先順序提供直接指導(dǎo)?；灸Ｐ蜑椋?/p>

通過上述模型，可以計算出既定條件下的系統(tǒng)所達(dá)到的潛在系統(tǒng)成熟度水平，也可為追加投資情況下發(fā)展路徑的選擇提供決策依據(jù)。

4 結(jié)論

通過TRL 評估，可以較好地確定單項技術(shù)的成熟程度，有助于掌握系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)，制定超前技術(shù)規(guī)劃，從而形成技術(shù)儲備。但現(xiàn)代武器裝備的系統(tǒng)集成度越來越高，還必須考慮技術(shù)集成過程的接口、性能及適應(yīng)性等因素，降低技術(shù)集成對系統(tǒng)帶來的不確定性影響［10］。SRL 不僅考慮到關(guān)鍵技術(shù)的成熟度，還注重不同子系統(tǒng)功能的聯(lián)系，包含了各子系統(tǒng)之間的集成情況及全系統(tǒng)的成熟狀態(tài)，是系統(tǒng)成熟程度的綜合評估。SRL 不僅可以為裝備發(fā)展過程中的技術(shù)路徑選擇、降低技術(shù)集成風(fēng)險提供決策依據(jù)［11］，同時通過持續(xù)SRA分析，為裝備系統(tǒng)發(fā)展過程中的階段轉(zhuǎn)移提供參

考，在實際應(yīng)用中得到了較好的效果。

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