模糊層次分析法在我國(guó)深空探測(cè)方案優(yōu)選應(yīng)用探究

劉彤杰，宋洪慶，張 杰，駱笑天，彭如意，張賢國(guó)4,

1) 北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京 102206 2) 上海航天技術(shù)研究院，上海 201109 3) 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083 4) 北京科技大學(xué)深空探測(cè)與資源識(shí)別利用聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 5) 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190

深空探測(cè)是人類走出地球，探知地外世界的重要途徑，對(duì)認(rèn)識(shí)宇宙起源、行星組成及其演化、人類生存空間的擴(kuò)展和地外生命的探索具有重要的意義[1-4].中國(guó)深空探測(cè)起步于月球探測(cè)，按照探月工程“繞、落、回”三步走的任務(wù)規(guī)劃[5-9]，自2004年探月工程一期啟動(dòng)以來(lái)，已成功實(shí)施了5次探測(cè)任務(wù)，我國(guó)探月工程五戰(zhàn)五捷[10-11]，實(shí)現(xiàn)人類首次在月球背面軟著陸和巡視探測(cè)以及我國(guó)首次對(duì)地外天體進(jìn)行無(wú)人自動(dòng)采樣和返回等探月領(lǐng)域的重大突破，我國(guó)已迅速躋身于國(guó)際月球探測(cè)先進(jìn)行列[12-19].這些成功離不開(kāi)嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的方案編制和決策機(jī)制.

深空探測(cè)工程是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，每一項(xiàng)要素都受其他要素直接或間接制約，各個(gè)要素之間的重要性互相制約，很難平衡.同時(shí)需要多技術(shù)領(lǐng)域、多學(xué)科專業(yè)隊(duì)伍的協(xié)同配合，需要綜合集成密集的復(fù)雜新技術(shù)、有效配置從研制生產(chǎn)到試驗(yàn)驗(yàn)證各環(huán)節(jié)的資源保障、準(zhǔn)確識(shí)別和科學(xué)應(yīng)對(duì)大量不確定性風(fēng)險(xiǎn)，還應(yīng)注重科學(xué)與技術(shù)并舉、協(xié)同發(fā)展推進(jìn).以中國(guó)探月工程為例，在方案決策過(guò)程中，經(jīng)論證組論證和中介機(jī)構(gòu)專家評(píng)估后形成的方案，人為影響比較明顯，工程總體很難快速做出科學(xué)決策.因此，運(yùn)用科學(xué)的方法進(jìn)行決策在深空探測(cè)領(lǐng)域至關(guān)重要.許多學(xué)者針對(duì)深空探測(cè)中涉及學(xué)科領(lǐng)域多、工程復(fù)雜、可選方案多和總體設(shè)計(jì)方案優(yōu)選難度大等問(wèn)題，提出人工智能方法和改進(jìn)專家權(quán)重調(diào)整算法等方法提高最優(yōu)方案的科學(xué)性和決策的可信性[20-21].

層次分析法以及在層次分析法基礎(chǔ)上建立的模糊層次分析法是一種實(shí)用的多因素多目標(biāo)決策方法，在許多領(lǐng)域都發(fā)揮著作用.針對(duì)層次分析法所具有的檢驗(yàn)判斷矩陣是否具有一致性非常困難等問(wèn)題，引進(jìn)了模糊一致矩陣的概念，進(jìn)而產(chǎn)生了模糊層次分析法[22].深空探測(cè)工程的發(fā)展目標(biāo)的評(píng)價(jià)與優(yōu)選是一個(gè)難以定量的多因素決策問(wèn)題，適合采用層次分析法和模糊層次分析法等綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行決策和優(yōu)選.朱毅麟[23]，以及Higgins和Benaroya[24]采用層次分析法進(jìn)行最優(yōu)月球環(huán)境配置等深空探測(cè)領(lǐng)域的研究.還有學(xué)者采用模糊層次分析法進(jìn)行航天系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)管理以及航天測(cè)控任務(wù)方案的優(yōu)選決策等問(wèn)題研究[25-28].

模糊層次分析法相比于層次分析法具有更容易檢驗(yàn)判斷矩陣是否具有一致性的特點(diǎn)，但是在深空探測(cè)方案優(yōu)選領(lǐng)域應(yīng)用較少，因此本文引入模糊層次分析法，以中國(guó)探月工程為例，從多個(gè)方面考慮影響探月總體方案的因素，全面分析各因素指標(biāo)，建立多層次系統(tǒng)指標(biāo)評(píng)價(jià)模型，然后計(jì)算出各影響因素的權(quán)值，選擇合適的模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)各方案實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)，最終得到探月總體方案中的最優(yōu)方案.

1 模型建立

1.1 模糊層次分析法

層次分析法是由20世紀(jì)70年代由美國(guó)著名運(yùn)籌學(xué)學(xué)家T.L.Saaty提出的[29].層次分析法考察影響決策的眾多要素及其內(nèi)在關(guān)系，對(duì)要素進(jìn)行層次劃分并構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型，采用有限的定量信息對(duì)決策問(wèn)題進(jìn)行定量或者定性分析[30].層次分析法為多要素影響下的復(fù)雜決策問(wèn)題提供科學(xué)有效的決策方法，現(xiàn)在已廣泛地應(yīng)用在企業(yè)管理決策、科研管理、工程方案確定等方面.

模糊層次分析法是在傳統(tǒng)的層次分析方法基礎(chǔ)上，考慮到人們對(duì)復(fù)雜事物判斷的模糊性，引入模糊一致矩陣的決策方法.

1.1.1 模糊層次分析法原理

模糊互補(bǔ)矩陣R不僅是模糊矩陣，而且滿足：

說(shuō)明元素i和元素j相比較的重要性與元素j和元素i相比較的重要性正好互補(bǔ).模糊一致矩陣R不僅是模糊互補(bǔ)矩陣，而且滿足?i,j,k有：

其中：rij=0.5，表示元素i和元素j同樣重要；0＜rij＜0.5表示元素j比元素i重要，且rij越小,元素j比元素i越重要；0.5＜rij＜1表示元素i比元素j重要，且rij越大，元素i比元素j越重要.

則變換以后的矩陣是模糊一致矩陣.從模糊一致矩陣R中劃掉任意一行及其對(duì)應(yīng)列所得的子矩陣仍然是模糊一致矩陣.模糊一致矩陣R滿足中分傳遞性，即：

基于每一層次中的因素針對(duì)上層因素的相對(duì)重要性構(gòu)建優(yōu)先關(guān)系矩陣，通過(guò)由優(yōu)先關(guān)系矩陣轉(zhuǎn)換成的模糊一致判斷矩陣的元素與權(quán)重的關(guān)系式求因素權(quán)重.因素Ai在目標(biāo)Ok下的權(quán)重的計(jì)算公式[31]為：

1.1.2 算法流程

模糊一致矩陣與人類決策思維具有相一致的特性，因此，基于模糊一致矩陣的模糊層次分析方法在評(píng)價(jià)指標(biāo)較多、評(píng)價(jià)帶有模糊性的方案優(yōu)選中應(yīng)用較多.模糊層次分析法一般需要經(jīng)過(guò)建立優(yōu)先關(guān)系矩陣、將優(yōu)先關(guān)系矩陣轉(zhuǎn)換成模糊一致矩陣、層次單排序、層次綜合和層次總排序這五大步驟.圖1為模糊層次分析法流程圖.

圖1 模糊層次分析法流程圖Fig.1 Fuzzy analytic hierarchy process flow chart

在建立優(yōu)先關(guān)系矩陣時(shí)，每一層次中的因素針對(duì)上層因素的相對(duì)重要性建立矩陣，本研究采用如表1所示的簡(jiǎn)單標(biāo)度法（只有0、0.5和1三個(gè)數(shù)量標(biāo)度）給予數(shù)量標(biāo)度.

表1 簡(jiǎn)單標(biāo)度法Table 1 Simple scale method

然后將各優(yōu)先關(guān)系矩陣轉(zhuǎn)換成模糊一致矩陣；之后進(jìn)行層次單排序，根據(jù)模糊一致矩陣計(jì)算在上一層某目標(biāo)下層次各因素的重要次序，采用模糊一致判斷矩陣的元素與權(quán)重的關(guān)系式即因素Ai在目標(biāo)Ok下的權(quán)重的計(jì)算公式（8）求因素權(quán)重.

當(dāng)中間層為準(zhǔn)則層、子準(zhǔn)則層時(shí),需要綜合層次關(guān)系，將局部的層次間的重要性權(quán)值轉(zhuǎn)化為相對(duì)于總目標(biāo)的綜合權(quán)重.最后在層次單排序和層次綜合的基礎(chǔ)上，計(jì)算各個(gè)方案相對(duì)于總目標(biāo)的總體優(yōu)度Ti的大小對(duì)各方案進(jìn)行排序，就可得到方案從優(yōu)到劣的次序，總體優(yōu)度Ti的計(jì)算公式如（9）所示.

1.2 模型層次結(jié)構(gòu)的確定

評(píng)價(jià)任務(wù)方案的優(yōu)劣以方案的總效能為標(biāo)準(zhǔn)，所以評(píng)價(jià)體系的最終目標(biāo)是方案效能.為了有助于建立正確的效能指標(biāo)體系，有必要開(kāi)發(fā)一種用于合理地確定系統(tǒng)效能指標(biāo)體系的分析結(jié)構(gòu)，因此層次化的指標(biāo)體系一般可分為最高層、中間層和最低層三個(gè)層次.最高層只有一個(gè)元素，即問(wèn)題要達(dá)到的目標(biāo)，也稱目標(biāo)層.中間層為準(zhǔn)則層，根據(jù)問(wèn)題規(guī)模的大小及復(fù)雜程度，可以再分出子準(zhǔn)則層（指標(biāo)層）.最低層為方案層，包括為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)可供選擇的方案.

根據(jù)系統(tǒng)工程管理要素和科學(xué)探索任務(wù)特點(diǎn)，建立中國(guó)探月工程方案優(yōu)選層次結(jié)構(gòu)如圖2所示.中國(guó)探月工程方案優(yōu)選層次結(jié)構(gòu)由目標(biāo)層（F層）、準(zhǔn)則層（S層）、指標(biāo)層（T層）和方案層（P層）四部分構(gòu)成.其中目標(biāo)層是探月總體方案，準(zhǔn)則層項(xiàng)目是技術(shù)、科學(xué)、經(jīng)費(fèi)、周期和效益.技術(shù)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)層項(xiàng)目是先進(jìn)性、可靠性、資源需求、團(tuán)隊(duì)基礎(chǔ)、體系規(guī)范和風(fēng)險(xiǎn)；科學(xué)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)層項(xiàng)目是科學(xué)價(jià)值、研制難度、探測(cè)難度和研究難度；經(jīng)費(fèi)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)層項(xiàng)目是研制費(fèi)、條件保障、運(yùn)行費(fèi)、科學(xué)研究費(fèi)和社會(huì)資本；周期對(duì)應(yīng)的指標(biāo)層項(xiàng)目是規(guī)劃符合度和計(jì)劃可行性；效益對(duì)應(yīng)的指標(biāo)層項(xiàng)目是科學(xué)產(chǎn)出、技術(shù)推動(dòng)、社會(huì)影響、政治外交、人才培養(yǎng)和成果轉(zhuǎn)化.

圖2 層次結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hierarchical chart

以嫦娥四號(hào)為算例，方案層有四個(gè)方案，如表2所示.方案一是由俄羅斯聯(lián)盟號(hào)運(yùn)載火箭搭載發(fā)射（原來(lái)和印度合作探月任務(wù)，但印度退出合作.俄羅斯轉(zhuǎn)而提出可以搭載我國(guó)中繼星），用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭發(fā)射著陸器和巡視器組合體；方案二是由長(zhǎng)征二號(hào)丙運(yùn)載火箭+SM固體上面級(jí)發(fā)射中繼星，長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭發(fā)射著陸器和巡視器組合體；方案三是由長(zhǎng)征四號(hào)丙運(yùn)載火箭發(fā)射中繼星，長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭發(fā)射著陸器和巡視器組合體；方案四是由長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射中繼星及著陸器和巡視器組合體.

表2 嫦娥四號(hào)總體方案Table 2 Overall plan for CE-4

2 結(jié)果與討論

2.1 判斷矩陣的建立

在層次結(jié)構(gòu)表的基礎(chǔ)上邀請(qǐng)具有豐富探月工程方案決策經(jīng)驗(yàn)的管理人員，以及技術(shù)、科學(xué)等領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行計(jì)算參數(shù)賦值建立優(yōu)先關(guān)系矩陣.第一層和第二層之間的矩陣為F-S，第二層和第三層之間的矩陣為S1-T、S2-T、S3-T、S4-T和S5-T，第三層和第四層之間的矩陣為T(mén)1-P、T2-P、T3-P、T4-P、T5-P、T6-P、T7-P、T8-P、T9-P、T10-P、T11-P、T12-P、T13-P、T14-P、T15-P、T16-P、T17-P、T18-P、T19-P、T20-P、T21-P、T22-P和 T23-P，共計(jì) 29個(gè)矩陣.

在S層中，與F層“探月總體方案”相關(guān)的因素是S1、S2、S3、S4和S5.所以F-S矩陣中是這五個(gè)因素的相對(duì)比較.邀請(qǐng)管理人員進(jìn)行技術(shù)、科學(xué)等準(zhǔn)則的重要性判斷，得到F-S優(yōu)先關(guān)系矩陣如表3所示.

表3 F-S優(yōu)先關(guān)系矩陣Table 3 F-S priority matrix

在T層中，與S層第1個(gè)因素“技術(shù)”相關(guān)的因素只有 T1、T2、T3、T4、T5和 T6，所以 S1-T矩陣中只有這六個(gè)因素的相對(duì)比較.邀請(qǐng)技術(shù)專家進(jìn)行先進(jìn)性和可靠性等指標(biāo)的重要性判斷，得到S1-T優(yōu)先關(guān)系矩陣如表4所示.S2-T、S3-T、S4-T和S5-T類似S1-T矩陣，限于篇幅，不一一列出.

表4 S1-T優(yōu)先關(guān)系矩陣Table 4 S1-T priority matrix

在P層中，與T層第1個(gè)因素“先進(jìn)性”相關(guān)的因素是P1、P2、P3和P4.邀請(qǐng)技術(shù)專家針對(duì)先進(jìn)性指標(biāo)，基于“運(yùn)載技術(shù)”和“探測(cè)器系統(tǒng)技術(shù)”兩個(gè)方面，對(duì)四個(gè)方案的相對(duì)重要性進(jìn)行比較，得到T1-P優(yōu)先關(guān)系矩陣如表5所示.T2-P、T3-P、T4-P、T5-P、T6-P、T7-P、T8-P、T9-P、T10-P、T11-P、T12-P、T13-P、T14-P、T15-P、T16-P、T17-P、T18-P、T19-P、T20-P、T21-P、T22-P和 T23-P類似 T1-P矩陣，限于篇幅，不一一列出.

表5 T1-P優(yōu)先關(guān)系矩陣Table 5 T1-P priority matrix

通過(guò)公式（4）將以上優(yōu)先關(guān)系矩陣轉(zhuǎn)換為模糊一致矩陣.

2.2 準(zhǔn)則層因素權(quán)重

圖3表示準(zhǔn)則層各因素對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重.準(zhǔn)則層相對(duì)于目標(biāo)層，技術(shù)、科學(xué)和經(jīng)費(fèi)這三個(gè)因素所占權(quán)重相同，為0.25；周期和效益這兩個(gè)因素所占權(quán)重相同，為0.125；技術(shù)、科學(xué)和經(jīng)費(fèi)這三大因素對(duì)探月總體方案而言同等重要，高于周期和效益這兩大因素.

圖3 準(zhǔn)則層各因素對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重Fig.3 Weights of each factor of criterion layer to target layer

2.3 指標(biāo)層因素權(quán)重

圖4表示指標(biāo)層各因素對(duì)準(zhǔn)則層因素的權(quán)重.指標(biāo)層中的因素相對(duì)于準(zhǔn)則層的技術(shù)因素來(lái)說(shuō)，先進(jìn)性所占權(quán)重和可靠性相同，為0.233；資源需求、體系規(guī)范和風(fēng)險(xiǎn)所占權(quán)重相同，為0.117；先進(jìn)性、可靠性所占權(quán)重大于團(tuán)隊(duì)基礎(chǔ)，大于資源需求、體系規(guī)范和風(fēng)險(xiǎn)；先進(jìn)性、可靠性這兩大因素對(duì)于技術(shù)而言是最為重要的，其次是團(tuán)隊(duì)基礎(chǔ)，再是資源需求、體系規(guī)范和風(fēng)險(xiǎn).指標(biāo)層中的因素相對(duì)于準(zhǔn)則層的科學(xué)因素來(lái)說(shuō)，研制難度和探測(cè)難度所占權(quán)重相同，為0.25；科學(xué)價(jià)值所占權(quán)重最大，為0.375；研究難度所占權(quán)重最小，為0.125；科學(xué)價(jià)值因素對(duì)于科學(xué)而言是最為重要的，其次是研制難度和探測(cè)難度，再是研究難度.指標(biāo)層中的因素相對(duì)于準(zhǔn)則層的經(jīng)費(fèi)因素來(lái)說(shuō)，研制費(fèi)所占權(quán)重最大，為0.3，其次是條件保障，為0.25，再是運(yùn)行費(fèi)，為0.2，再是科學(xué)研究費(fèi)，為0.15，最后是社會(huì)資本，為0.1；研制費(fèi)因素對(duì)于經(jīng)費(fèi)而言是最為重要的，其次是條件保障，再是運(yùn)行費(fèi)，再是科學(xué)研究費(fèi)，最后是社會(huì)資本.指標(biāo)層中的因素相對(duì)于準(zhǔn)則層的周期因素來(lái)說(shuō)，規(guī)劃符合度和計(jì)劃可行性所占比重相同，都為0.5；規(guī)劃符合度和計(jì)劃可行性對(duì)于周期而言是同等重要的.指標(biāo)層中的因素相對(duì)于準(zhǔn)則層的效益因素來(lái)說(shuō)，科學(xué)產(chǎn)出和技術(shù)推動(dòng)所占權(quán)重最大，為0.233，其次是社會(huì)影響和政治外交，為0.167，再是人才培養(yǎng)，為0.117，最后是成果轉(zhuǎn)化，為0.083；科學(xué)產(chǎn)出和技術(shù)推動(dòng)對(duì)效益而言是最為重要的，其次是社會(huì)影響和政治外交，再是人才培養(yǎng)，最后是成果轉(zhuǎn)化.

圖4 指標(biāo)層各因素對(duì)準(zhǔn)則層因素的權(quán)重.(a) 技術(shù); (b) 科學(xué); (c) 經(jīng)費(fèi); (d) 周期; (e) 效益Fig.4 Weights of each factor in the index layer to the factor in the criterion layer: (a) technology; (b) science; (c) expenditure; (d) cycle; (e) benefit

2.4 方案權(quán)重

2.4.1 技術(shù)指標(biāo)分析

圖5表示各方案對(duì)技術(shù)對(duì)應(yīng)指標(biāo)層各元素的權(quán)重.各方案相對(duì)于指標(biāo)層的先進(jìn)性因素來(lái)說(shuō)，方案4所占權(quán)重最大，為0.375，其次是方案3，為0.292，再是方案 2，為 0.208，最后是方案 1，為 0.125；從先進(jìn)性角度看，方案4是最優(yōu)的，其次是方案3，再是方案2，最后是方案1.各方案相對(duì)于指標(biāo)層的可靠性因素來(lái)說(shuō)，方案3所占權(quán)重最大，為0.375，其次是方案 4，為 0.292，再是方案 2，為 0.208，最后是方案1，為0.125；從可靠性角度看，方案3是最優(yōu)的，其次是方案4，再是方案2，最后是方案1.各方案相對(duì)于指標(biāo)層的資源需求因素來(lái)說(shuō)，方案1、方案2、方案3和方案4，都為0.25；從資源需求角度看，方案1、方案2、方案3和方案4是相同的.各方案相對(duì)于指標(biāo)層的團(tuán)隊(duì)基礎(chǔ)因素來(lái)說(shuō)，方案4和方案3所占權(quán)重最大，為0.333，其次是方案 2，為 0.208，最后是方案 1，為 0.125；從團(tuán)隊(duì)基礎(chǔ)角度看，方案4和方案3是最優(yōu)的，其次是方案2，最后是方案1.各方案相對(duì)于指標(biāo)層的體系規(guī)范因素來(lái)說(shuō)，方案2、方案3和方案4所占權(quán)重相同，為0.292，高于方案1的0.125；從體系規(guī)范角度看，方案2、方案3和方案4是最優(yōu)的，其次是方案1.各方案相對(duì)于指標(biāo)層的風(fēng)險(xiǎn)因素來(lái)說(shuō)，方案3所占權(quán)重最大，為0.375，其次是方案2，為0.292，再是方案 4，為 0.208，最后是方案 1，為 0.125；從風(fēng)險(xiǎn)角度看，方案3是最優(yōu)的，其次是方案2，再是方案4，最后是方案1.

圖5 各方案對(duì)技術(shù)對(duì)應(yīng)指標(biāo)層各元素的權(quán)重.(a) 先進(jìn)性; (b) 可靠性; (c) 資源需求; (d) 團(tuán)隊(duì)基礎(chǔ); (e) 體系規(guī)范; (f) 風(fēng)險(xiǎn); (g) 綜合Fig.5 Weights of each scheme to each element of the corresponding index layer of technology: (a) advancement; (b) reliability; (c) resource requirements; (d) team basis; (e) system specification; (f) risk; (g) synthesis

2.4.2 科學(xué)指標(biāo)分析

圖6表示各方案對(duì)科學(xué)對(duì)應(yīng)指標(biāo)層各元素的權(quán)重.各方案相對(duì)于指標(biāo)層的科學(xué)價(jià)值因素來(lái)說(shuō)，方案1、方案2、方案3和方案4所占權(quán)重相同，為0.25；從科學(xué)價(jià)值角度看，方案1、方案2、方案3和方案4是相同的.各方案相對(duì)于指標(biāo)層的研制難度因素來(lái)說(shuō)，方案1、方案2和方案3所占權(quán)重相同，為0.292，高于方案4的0.125；從研制難度角度看，方案1、方案2和方案3是最優(yōu)的，其次是方案4.各方案相對(duì)于指標(biāo)層的探測(cè)難度因素來(lái)說(shuō)，方案1、方案2和方案3所占權(quán)重相同，為0.292，高于方案4的0.125；從探測(cè)難度角度看，方案1、方案2和方案3是最優(yōu)的，其次是方案4.各方案相對(duì)于指標(biāo)層的研究難度因素來(lái)說(shuō)，方案1、方案2、方案3和方案4所占權(quán)重相同，為0.25；從研究難度角度看，方案1、方案2、方案3和方案4是相同的.

圖6 各方案對(duì)科學(xué)對(duì)應(yīng)指標(biāo)層各元素的權(quán)重Fig.6 Weights of each scheme to each element in the scientific corresponding index layer

2.4.3 經(jīng)費(fèi)指標(biāo)分析

圖7表示各方案對(duì)經(jīng)費(fèi)對(duì)應(yīng)指標(biāo)層各元素的權(quán)重.各方案相對(duì)于指標(biāo)層的研制費(fèi)因素來(lái)說(shuō)，方案1所占權(quán)重最大，為0.375，其次是方案2和方案3，為0.25，最后是方案4，為0.125；從研制費(fèi)角度看，方案1是最優(yōu)的，其次是方案2和方案3，最后是方案4.各方案相對(duì)于指標(biāo)層的條件保障因素來(lái)說(shuō)，方案1和方案3所占權(quán)重最大，為0.333，其次是方案 2，為 0.208，最后是方案 4，為 0.125；從條件保障角度看，方案1和方案3是最優(yōu)的，其次是方案2，最后是方案4.各方案相對(duì)于指標(biāo)層的運(yùn)行費(fèi)因素來(lái)說(shuō)，方案1、方案2、方案3和方案4所占權(quán)重相同，為0.25；從運(yùn)行費(fèi)角度看，方案1、方案2、方案3和方案4是相同的.各方案相對(duì)于指標(biāo)層的科學(xué)研究費(fèi)因素來(lái)說(shuō)，方案1、方案2、方案3和方案4所占權(quán)重相同，為0.25；從科學(xué)研究費(fèi)角度看，方案1、方案2、方案3和方案4是相同的.各方案相對(duì)于指標(biāo)層的社會(huì)資本因素來(lái)說(shuō)，方案1、方案2、方案3和方案4所占權(quán)重相同，為0.25；從社會(huì)資本角度看，方案1、方案2、方案3和方案4是相同的.

圖7 各方案對(duì)經(jīng)費(fèi)對(duì)應(yīng)指標(biāo)層各元素的權(quán)重Fig.7 Weights of each element in the corresponding index layer for each program’s expenditure

2.4.4 周期指標(biāo)分析

圖8表示各方案對(duì)周期對(duì)應(yīng)指標(biāo)層各元素的權(quán)重.各方案相對(duì)于指標(biāo)層的規(guī)劃符合度因素來(lái)說(shuō)，方案3所占權(quán)重最大，為0.375，其次是方案2和方案4，為0.25，最后是方案1，為0.125；從研制費(fèi)角度看，方案3是最優(yōu)的，其次是方案2和方案4，最后是方案1.各方案相對(duì)于指標(biāo)層的計(jì)劃可行性因素來(lái)說(shuō)，方案3所占權(quán)重最大，為0.375，其次是方案 2和方案 4，為 0.25，最后是方案 1，為0.125；從計(jì)劃可行性角度看，方案3是最優(yōu)的，其次是方案2和方案4，最后是方案1.

圖8 各方案對(duì)周期對(duì)應(yīng)指標(biāo)層各元素的權(quán)重Fig.8 Weights of each element in the index layer corresponding to the period of each scheme

2.4.5 效益指標(biāo)分析

圖9表示各方案對(duì)效益對(duì)應(yīng)指標(biāo)層各元素的權(quán)重.各方案相對(duì)于指標(biāo)層的科學(xué)產(chǎn)出因素來(lái)說(shuō)，方案1、方案2、方案3和方案4所占權(quán)重相同，為0.25；從科學(xué)產(chǎn)出角度看，方案1、方案2、方案3和方案4是相同的.各方案相對(duì)于指標(biāo)層的技術(shù)推動(dòng)因素來(lái)說(shuō)，方案1、方案2和方案3所占權(quán)重相同，為0.208，低于方案4的0.375；從技術(shù)推動(dòng)角度看，方案4是最優(yōu)的，其次是方案1、方案2和方案3.各方案相對(duì)于指標(biāo)層的社會(huì)影響因素來(lái)說(shuō)，方案1、方案2和方案3所占權(quán)重相同，為0.208，低于方案4的0.375；從社會(huì)影響角度看，方案4是最優(yōu)的，其次是方案1、方案2和方案3.各方案相對(duì)于指標(biāo)層的政治外交因素來(lái)說(shuō)，方案2、方案3和方案4所占權(quán)重相同，為0.208，低于方案1的0.375；從政治外交角度看，方案1是最優(yōu)的，其次是方案2、方案3和方案4.各方案相對(duì)于指標(biāo)層的人才培養(yǎng)因素來(lái)說(shuō)，方案1、方案2、方案3和方案4所占權(quán)重相同，為0.25；從人才培養(yǎng)角度看，方案1、方案2、方案3和方案4是相同的.各方案相對(duì)于指標(biāo)層的成果轉(zhuǎn)化因素來(lái)說(shuō)，方案4所占權(quán)重最大，為0.375，其次是方案2和方案3，為0.25，最后是方案1，為0.125；從成果轉(zhuǎn)化角度看，方案4是最優(yōu)的，其次是方案2和方案3，最后是方案1.

圖9 各方案對(duì)效益對(duì)應(yīng)指標(biāo)層各元素的權(quán)重Fig.9 Weights of each scheme to each element of corresponding index layer

2.5 方案決策結(jié)果

圖10表示探月總體方案的總排序權(quán)值.通過(guò)探月總體方案的總排序可得探月總體方案的總排序權(quán)值是：方案1是0.226，方案2是0.245，方案3是0.292，方案4是0.237，按照總效能進(jìn)行排序的結(jié)果是：方案3＞方案2＞方案4＞方案1，從而可選出最優(yōu)方案是由長(zhǎng)征四號(hào)丙發(fā)射中繼星，長(zhǎng)征三號(hào)乙發(fā)射著陸器和巡視器組合體.

圖10 探月總體方案的總排序權(quán)值Fig.10 Total ranking weight of lunar exploration program

3 結(jié)論

（1）本文基于模糊層次分析模型，考慮技術(shù)、科學(xué)、經(jīng)費(fèi)等多指標(biāo)多層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了中國(guó)探月工程總體方案的優(yōu)選方法體系.模糊層次分析法通過(guò)模糊的方式,快速做出判斷，可以避免應(yīng)用傳統(tǒng)層次分析法進(jìn)行決策時(shí)，出現(xiàn)判斷不一致情況，有利于站在國(guó)家層面遴選最優(yōu)總體方案，使各相關(guān)方能盡快達(dá)成共識(shí)，同時(shí)也有益于國(guó)家科學(xué)決策.

（2）基于模糊層次分析模型的中國(guó)探月工程方案的主控因素分析表明：技術(shù)、科學(xué)和經(jīng)費(fèi)相對(duì)于周期和效益更為重要.先進(jìn)性、可靠性是技術(shù)準(zhǔn)則下的主控因素；科學(xué)價(jià)值是科學(xué)準(zhǔn)則下的主控因素；研制費(fèi)是經(jīng)費(fèi)準(zhǔn)則下的主控因素；規(guī)劃符合度、計(jì)劃可行性是周期準(zhǔn)則下的主控因素；科學(xué)產(chǎn)出、技術(shù)推動(dòng)是效益準(zhǔn)則下的主控因素.

（3）利用已實(shí)施的嫦娥四號(hào)任務(wù)方案，對(duì)模型的可行性、適用條件和范圍進(jìn)行驗(yàn)證.綜合專家判斷和理論分析，建立各層次指標(biāo)下的判斷矩陣，進(jìn)而計(jì)算權(quán)重系數(shù).計(jì)算結(jié)果表明嫦娥四號(hào)探月任務(wù)的最優(yōu)方案是由長(zhǎng)征四號(hào)丙發(fā)射中繼星，長(zhǎng)征三號(hào)乙發(fā)射著陸器和巡視器組合體，這也與實(shí)際情況相一致，驗(yàn)證模型的正確性.本研究可為我國(guó)后續(xù)各類深空探測(cè)方案制定提供快速及科學(xué)的理論支撐.