基于嫦娥四號工程實踐的復雜重大工程OSTA四元組方案論證方法研究

劉繼忠, 粟湘?zhèn)? 韓 嘯, 詹 敏, 唐玉華, 徐選華,6

(1.探月與航天工程中心,北京 100190; 2.深空探測實驗室,安徽 合肥 230000; 3.湖南工商大學 前沿交叉學院,湖南 長沙 410205; 4.數(shù)據(jù)智能與智慧社會國家重點實驗室(培育),湖南 長沙 410205; 5.長沙人工智能社會實驗室,湖南 長沙 410205; 6.中南大學 商學院,湖南 長沙 410083)

1 引言

嫦娥四號探測器原為嫦娥三號備份平臺，在嫦娥三號月面著陸巡視探測任務(wù)圓滿成功后，其未來定位受到廣泛關(guān)注和高度重視。為了盡可能地發(fā)揮備份平臺的最大價值，對嫦娥四號工程進行方案論證極其重要。

傳統(tǒng)的方案論證一般采用綜合評價方法。綜合評價方法是指對以多屬性體系結(jié)構(gòu)描述的對象系統(tǒng)做出全局性、整體性的評價，即對評價對象的全體，根據(jù)所給的條件，采用一定的方法給每個評價對象賦予一個評價值，再據(jù)此擇優(yōu)或排序。綜合評價方法一般可分為定性評價方法和定量評價方法兩類，若按照權(quán)重產(chǎn)生方法的不同則又可以分為主觀賦權(quán)評價法和客觀賦權(quán)評價法。綜合評價方法的評價過程主要分為以下幾個步驟：(1)評價目的與流程的確定與設(shè)計；(2)指標體系的構(gòu)建及指標數(shù)據(jù)的獲?。?3)指標權(quán)重的確定；(4)評價信息的集結(jié)；(5)評價結(jié)果的運用及實踐。根據(jù)綜合評價方法的分類及特點，常見的綜合評價方法包括：專家法、德爾菲法、層次分析法、網(wǎng)絡(luò)層次分析法、模糊數(shù)學方法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、證據(jù)推理方法、熵權(quán)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法以及組合評價方法等。

為解決復雜重大工程論證問題，學者們在決策理論及方法的創(chuàng)新基礎(chǔ)上從鐵路工程、橋梁工程、航天工程等實踐視角出發(fā)開展研究。例如，陳宏權(quán)等從全方位創(chuàng)新、全過程創(chuàng)新和全主體創(chuàng)新 3 個維度進行研究，并以港珠澳大橋作為案例揭示了重大工程全景式創(chuàng)新的治理邏輯。唐偉等從技術(shù)、組織、團隊、個體 4 個維度構(gòu)建了V-R系統(tǒng)工程模式，并成功將其應(yīng)用于載人空間站工程。王婷等構(gòu)建了一個覆蓋大設(shè)施全生命周期的、多維度綜合效益評估指標體系，并以FAST工程為實例進行應(yīng)用研究。

方案論證是一項系統(tǒng)且復雜的工作，是人們認識并理解事物的一種重要管理決策過程。雖然以上常見的方案論證方法已在經(jīng)濟、管理、工程實踐等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，并產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟和社會價值，但是面對嫦娥四號復雜重大工程的方案論證仍然存在以下不足，亟需克服：

(1)已有的復雜重大工程一般可分為兩種：第一種為無備份平臺，所以其實施方案不會受到備份平臺的約束；第二種，雖然有備份平臺，但是備份平臺有關(guān)鍵工程任務(wù)，如作為備份平臺的嫦娥二號，其肩負有獲取月球表面及極區(qū)更清晰影像數(shù)據(jù)等任務(wù)。但是，嫦娥四號探測器作為嫦娥三號的備份平臺，卻沒有此類關(guān)鍵任務(wù)，在嫦娥三號成功著陸后，它便處于空閑狀態(tài)。關(guān)于嫦娥三號備份平臺的未來定位和任務(wù)使命的方案論證與一般復雜重大工程論證有較大區(qū)別。在已有限制條件下，如何充分發(fā)揮嫦娥四號潛在價值，確定工程實施方案，成為探月工程科學家們面臨的首要問題。

(2)在嫦娥四號復雜重大工程方案論證過程中，涉及到的論證目標多元，同時有很多關(guān)鍵時間節(jié)點或里程碑事件需要進行階段性評價，并且不同目標和階段下的技術(shù)復雜。因此，嫦娥四號工程的方案論證包含了多目標、多階段、技術(shù)復雜等綜合特征。同時，由于存在大量不完全信息，工程研制隊伍還需要對新概念進行研究并對實施方案進行反復深入的論證，以逐步獲取更完全更精確的信息。這是傳統(tǒng)的方案論證方法無法解決的。

(3)嫦娥四號的實施方案由牽頭部門征求領(lǐng)導小組各個成員單位意見后，會同財政部委托第三方評估機構(gòu)，開展技術(shù)和經(jīng)費評估，給出評估意見后，領(lǐng)導小組審議通過，上報《嫦娥四號任務(wù)實施方案調(diào)整的請示》，獲得中央批復后，國家航天局會同財政部正式印發(fā)立項通知，開啟工程研制。由于實施方案的論證過程往往涉及眾多單位及決策者在不同層面進行優(yōu)化與決策，且不斷反饋調(diào)整，從而形成多主體決策下的方案論證，這與傳統(tǒng)的方案論證過程相比更具復雜性。

在存在備份平臺且無關(guān)鍵任務(wù)的情況下如何對涉及主體眾多、決策目標多、論證階段多、技術(shù)復雜的工程方案進行論證，這是本研究的關(guān)鍵科學問題。

因此本文綜合考慮嫦娥四號復雜重大工程多目標、多階段、技術(shù)復雜、主體眾多等決策特征，提出了一種基于嫦娥四號工程實踐的復雜重大工程目標、階段、技術(shù)、主體(OSTA)四元組方案論證方法。這個方法通過拓展后，也可以為其他復雜重大工程的論證過程提供決策參考。

2 嫦娥四號工程方案論證實踐

嫦娥四號作為嫦娥三號備份平臺，相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品在嫦娥三號生產(chǎn)過程中一并生產(chǎn)，并且在嫦娥三號發(fā)射前，一直處于待命狀態(tài)。嫦娥三號任務(wù)成功后，工程研制隊伍為使嫦娥四號充分發(fā)揮作用，開展了嫦娥四號新任務(wù)的目標探討與概念研究。研究提出了包括封存、小行星探測、月球極區(qū)探測、月球背面探測等多個設(shè)想，并進行了初步比較論證，見表1。綜合考慮科學發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)新性、進度可控性、技術(shù)可實現(xiàn)性、備份產(chǎn)品適應(yīng)性等因素，工程研制隊伍確定嫦娥四號開展月球背面探測，以此為目標開展實施方案論證。

表1 嫦娥四號新任務(wù)初步比較論證

因素封存小行星探測月球極區(qū)探測月球背面探測科學發(fā)現(xiàn)低較高高高創(chuàng)新性低高高高進度可控性高低中中技術(shù)可實現(xiàn)性高低低中備份產(chǎn)品適應(yīng)性高低低中

2.1 工程總體目標縱橫細分

嫦娥四號工程實施方案論證的總體目標是通過全方位資源整合機制，多約束下完成嫦娥四號工程研制，最終實現(xiàn)工程效益和科學效益最大化。嫦娥四號工程的研制工作由眾多單位將生產(chǎn)資源有機整合，協(xié)同完成，因此嫦娥四號工程實施方案論證涉及經(jīng)濟、技術(shù)和管理等多種因素。在此基礎(chǔ)上，工程研制隊伍將目標進行縱向分級，橫向分解(見圖1)，并在各目標中尋找平衡點，使該工程決策的概念要素、決策問題與決策邊界由模糊轉(zhuǎn)變?yōu)榍逦?/p>

圖1 嫦娥四號總體目標

嫦娥四號總體目標主要分為工程目標和科學目標。工程目標既是最核心的也是最艱巨的，需要科技工作者把所有的科技研發(fā)設(shè)計具體地轉(zhuǎn)化為工程技術(shù)，并將航天器發(fā)射到目的地，在外層空間順利運行、工作。嫦娥四號工程實施方案的工程目標又具體為：(1)月球中繼通訊衛(wèi)星系統(tǒng)的研制；(2)探測器系統(tǒng)的研制。因此，工程研制隊伍專門設(shè)立實施方案論證專家組，從技術(shù)維和產(chǎn)品維將兩大系統(tǒng)研制目標再分解，進而對兩大目標系統(tǒng)進行方案設(shè)計與試驗驗證?？茖W目標是指航天器運行期間應(yīng)該并能夠開展科學探測活動，獲取有效的科學數(shù)據(jù)。嫦娥四號工程實施方案的科學目標又具體為：(1)月基低頻射電天文觀測與研究；(2)月球背面巡視區(qū)形貌和礦物組分探測與研究；(3)月球背面巡視區(qū)淺層結(jié)構(gòu)探測與研究；(4)實驗性開展月面中子輻射劑量、中性原子等月球環(huán)境探測研究。不同的研究對象、研究階段、實現(xiàn)能力等使得科學目標具有差異性，因此實施方案論證專家組充分考慮目標差異性進行方案設(shè)計與試驗驗證。此外，工程還考慮了一系列拓展目標。

2.2 工程方案論證階段劃分

嫦娥四號工程作為重大航天工程具有多學科性、多結(jié)構(gòu)性、多分支性、綜合性等特征，在宏觀上突顯整體性，在微觀上突顯復雜性。因此嫦娥四號工程實施方案論證過程還需按階段劃分，包括“待命和新概念研究階段”和“實施方案調(diào)整論證階段”，詳見圖2。在工程論證過程中，不僅需要考慮一般性決策流程，還需考慮工程關(guān)鍵決策點，并在關(guān)鍵決策點上再分階段進行任務(wù)評審，包括：使命任務(wù)概念評審、實施方案評審，做出立項審批決策，進入工程實施過程。一般而言，在做好工程實施方案論證之前，工程不能進入實施執(zhí)行階段。

圖2 嫦娥四號工程實施方案論證過程圖

實施方案論證專家組按工程論證階段開展關(guān)于工程科學目標及載荷配置、各系統(tǒng)的方案及技術(shù)經(jīng)濟可行性論證，進行各大系統(tǒng)接口優(yōu)化設(shè)計并多輪調(diào)整，最終確定采用地月L2點中繼通信的月球背面著陸實施方案。實施方案論證專家組在確定好實施方案后征求領(lǐng)導小組各個成員單位意見，再會同財政部委托第三方評估機構(gòu)，開展技術(shù)和經(jīng)費評估，得出評估意見后，經(jīng)領(lǐng)導小組審議并報國家批準后工程論證階段結(jié)束，進入工程研制階段。

2.3 技術(shù)方案論證

嫦娥四號作為嫦娥三號的備份平臺，在確定開展月球背面探測的目標后，嫦娥四號工程總體在原有平臺的基礎(chǔ)上對后續(xù)總體研制計劃進行了技術(shù)方案論證。該論證過程主要圍繞中繼星和探測器兩大系統(tǒng)進行，中繼星的主要功能是提供地面、月球、衛(wèi)星之間的信息通信，通過構(gòu)建通信鏈路實現(xiàn)信息的高效高速傳遞；探測器作為探月工程的工程主體肩負了安全著陸月背并開展就位和巡視探測等關(guān)鍵任務(wù)。

工程總體將中繼星和探測器兩大系統(tǒng)內(nèi)部基于不同任務(wù)使命分為若干分系統(tǒng)，針對分解后不同的分系統(tǒng)及其技術(shù)，工程總體會同工程方案論證組從工程的技術(shù)或方法、研制條件和能力、產(chǎn)品成熟度、產(chǎn)品轉(zhuǎn)化成熟度和參研單位組織成熟度等切入點進行技術(shù)方案論證，并給出多方案優(yōu)化選擇、可實現(xiàn)性分析、條件需求論證以及技術(shù)方案論證報告，為工程方案論證提供支持，嫦娥四號工程技術(shù)方案論證流程如圖3所示。

圖3 嫦娥四號工程技術(shù)方案論證流程圖

2.4 多主體整體性推進

嫦娥四號工程方案論證作為一項系統(tǒng)級論證，由任務(wù)驅(qū)動，多主體共同推進。其存在系統(tǒng)邊界較為模糊，系統(tǒng)性行為涌現(xiàn)均衡與非均衡狀態(tài)分布等特殊性，并且涉及國家戰(zhàn)略需求、科學研究需求和技術(shù)進步需求，由此工程方案論證采用了多主體決策機制。

國家是嫦娥四號工程的利益主體，由探月工程領(lǐng)導小組作為探月工程的領(lǐng)導組織和決策代表，行使相關(guān)權(quán)利，承擔責任。探月工程領(lǐng)導小組由國家航天局、發(fā)改委、科技部、教育部、財政部、中科院及其他利益相關(guān)單位領(lǐng)導組成，是工程系統(tǒng)認知整合的中樞。

由各領(lǐng)域工程師組成的技術(shù)方案論證組對工程進行多方案優(yōu)化選擇、可行性分析和條件需求論證，形成技術(shù)方案論證報告。由各領(lǐng)域科學專家組成的科學研究論證組對工程總體進行多目標優(yōu)先級選擇，形成科學方案論證報告。由經(jīng)濟學專家組成的經(jīng)濟論證組對技術(shù)方案和科學方案進行經(jīng)濟性論證并反饋論證結(jié)果，形成經(jīng)濟論證報告。

各專家組將論證報告匯總給領(lǐng)導小組，并由領(lǐng)導小組開展評估和優(yōu)化，形成最終的可行性報告，上報國家進行決策。根據(jù)中央對嫦娥四號工程任務(wù)的指示以及反饋意見，領(lǐng)導小組將工程論證方案進一步修改完善。

同時，國家航天局、相關(guān)集團公司等工程直接參與者基于工程總體組織架構(gòu)，運用工程管理、行政管理等來協(xié)調(diào)、配置復雜系統(tǒng)中各種相互關(guān)系、相互依存的資源，由扁平的論證組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向立體，從而保證目標實現(xiàn)。各參與主體之間動態(tài)協(xié)調(diào)，并通過“定性+定量”“知識+數(shù)據(jù)”“顯性+隱性”“規(guī)劃+推演”“實證+預(yù)測”等方式對工程各階段各目標實現(xiàn)情況進行評價、論證、反饋和調(diào)整，整體性推動工程的論證過程。綜合考慮目標、階段、技術(shù)、主體四元組的嫦娥四號工程方案論證立體架構(gòu)如圖4所示。

圖4 嫦娥四號工程方案論證立體架構(gòu)

3 OSTA四元組方案論證方法

嫦娥四號工程研制隊伍在工程方案論證過程中，成功克服了多目標、多階段、技術(shù)復雜、主體眾多的方案論證問題。因此本文將嫦娥四號工程作為復雜重大工程方案論證研究的典型對象，基于嫦娥四號工程的實施方案論證實踐，提出了復雜重大工程目標、階段、技術(shù)、主體(OSTA)四元組方案論證方法，其包括兩大要點：(1)復雜重大工程四元組方案論證耦合關(guān)系框架的構(gòu)建。(2)OSTA四元組方案論證模型的提出。

3.1 復雜重大工程四元組方案論證耦合關(guān)系框架構(gòu)建

復雜重大工程方案論證過程涉及“待命和新概念研究階段”和“實施方案調(diào)整論證階段”?；阪隙鹚奶柟こ谭桨刚撟C實踐，通過目標、階段、技術(shù)、主體這四個角度對復雜重大工程實施方案進行降耦，并在不同關(guān)鍵決策點進行論證，從而構(gòu)建出復雜重大工程“雙V嵌套”關(guān)系架構(gòu)?！半pV嵌套”模型上方為階段管理要素，外層V型結(jié)構(gòu)為主體管理要素，內(nèi)層V型結(jié)構(gòu)為技術(shù)管理要素，核心部分為目標管理要素。模型中外層V型結(jié)構(gòu)作為決策論證主體圍繞論證目標分階段推動內(nèi)層V型結(jié)構(gòu)論證任務(wù)，基于工程總體目標降耦、階段降耦、技術(shù)方案論證降耦及多主體決策融合等4個循環(huán)論證環(huán)節(jié)，形成論證閉環(huán)，如圖5所示。

圖5 復雜重大工程“雙V嵌套”關(guān)系框架

(1)目標降耦

實現(xiàn)復雜重大工程在科技上的突破，必須從國家發(fā)展戰(zhàn)略、工程技術(shù)和科學目標、社會效益等方面充分認識復雜重大工程的重要性，因此復雜重大工程的方案論證亟需實現(xiàn)多元目標，構(gòu)建多元目標論證框架。在對多目標進行論證時，既要考慮多目標優(yōu)先級選擇，也要考慮到目標的可實現(xiàn)性，最終通過目標論證報告完成目標的降耦。合理的目標降耦能夠精細化工程綜合流程，優(yōu)化工程總體的資源分配。

(2)階段降耦

復雜重大工程評價決策初期由于信息不完全性導致目標具有非程序化、方向模糊等特點，工程研究階段則由于存在信息缺失或不確定，導致研制周期冗長。并且在不同的評價決策階段，不同的評價主體關(guān)注的評估目標也不一樣。因此，考慮關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)節(jié)點和里程碑事件對待命和新概念研究階段及實施方案調(diào)整論證階段進行細分，并根據(jù)工程實際進展情況動態(tài)調(diào)整各階段方案，形成具有多目標、多階段特征的降解論證程序。一方面不僅能有效降低工程整體性風險，另一方面還能穩(wěn)步推動工程的整體運轉(zhuǎn)。

(3)技術(shù)方案論證降耦

技術(shù)方案是復雜重大工程的生命線，它關(guān)系到工程效益和科學效益的最大化，關(guān)系到工程總體是否經(jīng)得起考驗，因此技術(shù)方案論證需要考慮各階段、目標下的產(chǎn)品差異，將技術(shù)方案論證貫穿工程任務(wù)全程。完善的技術(shù)方案論證不僅需要對技術(shù)進行多方案優(yōu)化選擇，反復論證，還要對技術(shù)方案的可實現(xiàn)性和條件需求進行論證，確保技術(shù)方案具備穩(wěn)定性和可靠性。

(4)多主體決策融合

復雜重大工程方案論證經(jīng)目標、階段、技術(shù)三元降耦形成了以專項管理為核心的組織體系，包含工程總體和各子系統(tǒng)。工程總體從使命任務(wù)需求出發(fā)進行頂層設(shè)計，通過動態(tài)關(guān)聯(lián)和信息反饋確定各子系統(tǒng)的職能和組織，并負責工程的實施方案論證組織、工程技術(shù)方案制定、工程全過程全要素的組織實施等。各子系統(tǒng)同各目標、階段和技術(shù)形成的強關(guān)聯(lián)，在工程總體統(tǒng)一組織下完成工作。不同利益相關(guān)方、不同領(lǐng)域?qū)＜乙约肮こ填檰柭?lián)合起來，構(gòu)建了由高知名度科學家、工程師、國家戰(zhàn)略研究師組成的論證專家委員會，以及廣泛開放的科學研究論證組、技術(shù)方案論證組、經(jīng)濟論證組和工程系統(tǒng)總體論證組。論證組基于對工程方案實施的科學、經(jīng)濟、風險等要素的考慮，進行工程方案的信息整合、分析驗證、觀點演化、迭代論證等過程，形成多主體共同推動的論證方法。

在基于OSTA四元組的方案論證過程中，各部門主體貫穿目標、階段和技術(shù)的降耦過程，形成完整的論證過程。該方法可有效降低復雜重大工程方案論證的整體復雜度和耦合度，使決策邊界逐步清晰，信息相對完全，從而最終形成明確的工程系統(tǒng)定義，確定工程實施方案。

本文通過對目標、階段、技術(shù)、主體四個工程管理要素的降耦，并理清要素間基本關(guān)系，從而構(gòu)建出復雜重大工程四元組方案論證耦合關(guān)系框架，有利于推動工程論證過程中的目標協(xié)調(diào)、階段劃分、技術(shù)保障和多主體決策融合，充分兼顧工程述求與科學述求。

3.2 復雜重大工程OSTA四元組方案論證模型

復雜重大工程方案論證OSTA四元組方案論證模型的構(gòu)成要素包括目標、階段、技術(shù)和主體，各要素內(nèi)部分別形成目標集合、階段節(jié)點、技術(shù)集合以及決策者方案集，要素之間相互關(guān)聯(lián)作用。圖6使用超網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)對要素間關(guān)聯(lián)作用進行描述。決策者可通過對各要素集進行分析，基于OSTA四元組方案論證模型進行方案論證。

圖6 復雜重大工程方案論證OSTA四元組方案論證模型

(1)目標集是復雜重大工程的目標要素集合，居于超網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)中的最頂層，對分解后的子目標起目標引領(lǐng)作用。由于工程的復雜性，各子目標側(cè)重有所不同，因此所關(guān)聯(lián)的相關(guān)技術(shù)具有差異。

(2)技術(shù)集是目標要素的相關(guān)技術(shù)集合，這些目標技術(shù)對方案評價體系構(gòu)建至關(guān)重要。不同目標關(guān)聯(lián)技術(shù)在決策過程中并非完全獨立，也存在著相關(guān)關(guān)系。

(3)方案集是各預(yù)設(shè)方案集合，決策者通過對各目標情況進行評價，論證并比較各預(yù)設(shè)方案優(yōu)劣，確定最終實施方案。

OSTA四元組方案論證模型以信息動態(tài)演化為主線，旨在通過目標、階段、技術(shù)和主體的降耦，解決復雜重大工程方案論證中信息不完全性導致的決策目標、問題與邊界模糊等問題，使信息相對完全，方案論證過程多層次多尺度優(yōu)化。具體地，OSTA四元組方案論證模型通過在多觀點演化理論的基礎(chǔ)上將復雜重大工程的總體目標進行細分，并將研究過程分為多階段，進一步圍繞多目標、分階段探討相關(guān)技術(shù)?；趶碗s工程的自然環(huán)境、技術(shù)、經(jīng)濟系統(tǒng)、社會等外部要素靈活結(jié)合專家會議法對各方案進行論證。納入“反饋—論證—反饋”多層次主體組織要素，串聯(lián)各層信息交互關(guān)系，最終集成具有目標(Objective)、階段(Stage)、技術(shù)(Technology)、主體(Agent)四元組方案論證方法。

4 結(jié)論與展望

通過對嫦娥四號工程方案的論證實踐研究，發(fā)現(xiàn)嫦娥四號工程“月背探測”方案經(jīng)目標、階段、技術(shù)降耦以及多主體決策融合可使工程穩(wěn)定推進。嫦娥四號采用了多主體決策融合的論證模式，以國家主體利益為基礎(chǔ)，協(xié)調(diào)工程目標、科學目標關(guān)系，分階段完成工程方案論證要求，充分兼顧各論證參與主體的工程述求與科學述求，充分識別工程技術(shù)可實現(xiàn)性，最終選擇了對全人類都具有深遠意義的月背探測方案并實現(xiàn)。因此本文基于復雜重大工程的目標多元、階段較長、技術(shù)復雜、主體眾多的特征，提出了基于不完全信息的OSTA四元組方案論證方法。同時，該方法通過拓展后，也可以為未來深空探測工程、國際大科學工程等復雜重大工程的論證過程提供決策參考。

不足之處在于，由于復雜重大工程方案決策過程周期長、涉及部門眾多、決策環(huán)境復雜，信息難以實時有效收集，在復雜重大工程方案決策過程回溯過程中存在對歷史數(shù)據(jù)的估計，希望在未來的復雜重大工程方案論證實踐中進一步完善。