基于技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)的裝備科研項(xiàng)目管理決策方法

史志富

(西安航空學(xué)院飛行器學(xué)院，陜西 西安 710077)

0 引言

裝備科研項(xiàng)目具有技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大、研制周期長(zhǎng)，復(fù)雜程度高的特點(diǎn)，如果在立項(xiàng)研制過程中沒有對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)和科學(xué)的分類，過早進(jìn)入型號(hào)研制階段，可能會(huì)出現(xiàn)項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重超支、研制工期嚴(yán)重延誤甚至中途下馬等情況，造成資金、人員、物力的巨大浪費(fèi)，甚至失去發(fā)展機(jī)會(huì)。同時(shí)，對(duì)于科研管理來說，不同類型項(xiàng)目其立項(xiàng)依據(jù)、研究?jī)?nèi)容、實(shí)施方案、預(yù)期成果、驗(yàn)收方法等也具有不同的特點(diǎn)，在科研管理上應(yīng)有相適應(yīng)的管理方法和重點(diǎn)，這樣才能提高科研管理的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。因此，在裝備科研項(xiàng)目管理過程中，必須建立規(guī)范的分類評(píng)估體系，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和控制，保證項(xiàng)目成功[1]。

在影響項(xiàng)目成敗的重要因素(如技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、管理風(fēng)險(xiǎn)、人力風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn))中，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)占總風(fēng)險(xiǎn)比例約70%。關(guān)于對(duì)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的管控，美國在20世紀(jì)70～80年代就開展了技術(shù)成熟度評(píng)估(Technology Readiness Assessment，TRA)的相關(guān)研究，并將其應(yīng)用于航天技術(shù)評(píng)估[2]。進(jìn)入21世紀(jì)，美國國防部在武器采辦條例中加入了技術(shù)成熟度標(biāo)準(zhǔn)，并形成了一套系統(tǒng)化的評(píng)價(jià)方法和操作程序。我國在20世紀(jì)90年代后期開始將技術(shù)成熟度理論與方法引入軍工科研單位項(xiàng)目管理，并在此基礎(chǔ)上相繼提出了系統(tǒng)成熟度、項(xiàng)目成熟度和集成成熟度等理論和方法。目前，技術(shù)成熟度已得到我國裝備發(fā)展管理部門、裝備研制部門和裝備使用部門的重視，成為項(xiàng)目分級(jí)評(píng)估的重要方法[3-4]。

1 技術(shù)成熟度及評(píng)價(jià)方法

1.1 技術(shù)成熟度的等級(jí)定義

技術(shù)成熟度反映了技術(shù)能夠滿足研制目標(biāo)和要求的程度。在裝備科研項(xiàng)目研制過程中常根據(jù)GJB 7688—2012判斷某些技術(shù)的技術(shù)成熟度。技術(shù)成熟度等級(jí)及其定義見表1[5]。

表1 技術(shù)成熟度等級(jí)及其定義

1.2 關(guān)鍵技術(shù)元素的技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)流程

技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)是指依據(jù)技術(shù)成熟度等級(jí)的判定標(biāo)準(zhǔn)，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)評(píng)價(jià)體系和流程對(duì)項(xiàng)目或產(chǎn)品中的各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行評(píng)判。關(guān)鍵技術(shù)元素的技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)流程如下：

S1：關(guān)鍵技術(shù)的識(shí)別。針對(duì)裝備科研項(xiàng)目進(jìn)行WBS工作結(jié)構(gòu)分解，依據(jù)關(guān)鍵技術(shù)確定原則對(duì)WBS自上而下進(jìn)行梳理，逐一列出關(guān)鍵技術(shù)，建立系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)列表。

S2：建立技術(shù)層次結(jié)構(gòu)圖。確定系統(tǒng)、分系統(tǒng)、關(guān)鍵技術(shù)之間的縱向包含關(guān)系。

S3：依據(jù)技術(shù)成熟度等級(jí)的判定規(guī)則，從技術(shù)、制造和管理三個(gè)方面進(jìn)行單項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)元素的成熟度等級(jí)判定。

S4：依據(jù)技術(shù)成熟度綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)各關(guān)鍵技術(shù)元素的成熟度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得到待研裝備科研項(xiàng)目的技術(shù)成熟度。

裝備科研項(xiàng)目技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)流程圖如圖1所示。

圖1 裝備科研項(xiàng)目技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)流程圖

2 基于技術(shù)成熟度的綜合評(píng)價(jià)模型

2.1 裝備科研項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)體系的建立

在某裝備科研項(xiàng)目進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)過程中，首先需要建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。指標(biāo)體系的建立可以采用層次分析法，即對(duì)待評(píng)價(jià)項(xiàng)目按照從上向下的順序進(jìn)行分解，將裝備科研項(xiàng)目分解成各個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間互不交叉，子系統(tǒng)Ui的集合構(gòu)成一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)集，記作U={U1，U2，…，Um}。在子系統(tǒng)下識(shí)別出所有關(guān)鍵技術(shù)作為二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，關(guān)鍵技術(shù)與子系統(tǒng)之間為父子關(guān)系，第i個(gè)分系統(tǒng)的二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)集，記作Ui={Ui1，Ui2，…，Uij}。裝備科研項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)遞階層次結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2.2 基于AHP的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算模型

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一種系統(tǒng)分析方法。首先，將復(fù)雜決策問題按照組成架構(gòu)分解為若干個(gè)要素，并將這些要素按相互之間的支配關(guān)系建立遞階層次結(jié)構(gòu)；其次，對(duì)要素進(jìn)行兩兩比較，確定每個(gè)要素對(duì)于上一層級(jí)要素的相對(duì)重要性[6]。其基本步驟如下：

(1)構(gòu)造評(píng)價(jià)對(duì)象的遞階層次結(jié)構(gòu)。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜決策問題，通過綜合分析，確定若干個(gè)與問題有關(guān)的因素。根據(jù)這些因素概念之間的隸屬關(guān)系以及重要性級(jí)別，分成不同的層次進(jìn)行排列，形成一個(gè)層次結(jié)構(gòu)。

(2)構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣。對(duì)位于同一層級(jí)的要素進(jìn)行兩兩比較，衡量其對(duì)上一層級(jí)中某要素的相對(duì)重要性，公式如下

(1)

其中aij表示對(duì)于上層元素A0，因素Ai與Aj相對(duì)重要性的數(shù)值。該數(shù)值可參照Saaty提出的9級(jí)標(biāo)度法，兩兩比較法的標(biāo)度見表2。

表2 兩兩比較法的標(biāo)度

(3)計(jì)算判斷矩陣A的特征向量ω和最大特征根λmax?？刹捎酶ㄟM(jìn)行如下近似計(jì)算。

首先，計(jì)算判斷矩陣每行中所有元素的幾何平均值，公式如下

(2)

其次，將ωi歸一化，公式如下

(3)

將特征向量歸一化，得到的向量ω=(?1，?2，…?n)T可視為同一層級(jí)中各要素對(duì)于上一層次某要素的相對(duì)重要性權(quán)重排序。

最后，計(jì)算判斷矩陣的最大特征值，公式如下

(4)

(4)一致性判斷，分析權(quán)重選擇的合理性。其計(jì)算方法是計(jì)算判斷矩陣的相容性指標(biāo)，再根據(jù)隨機(jī)一致性指標(biāo)計(jì)算判斷矩陣的一致性指標(biāo)。

相容性指標(biāo)為CI，可用λmax-n的關(guān)系來界定偏離相容性的程度，公式如下

(5)

若判斷矩陣A相容，則λmax=n，否則λmax>n。

隨機(jī)一致性指標(biāo)RI表示一致性可接受的程度。1～10階矩陣的隨機(jī)性指標(biāo)數(shù)值見表3。

表3 隨機(jī)性指標(biāo)數(shù)值

于是，可得一致性指標(biāo)CR，公式如下

(6)

當(dāng)滿足一致性時(shí)，構(gòu)造的判斷矩陣的CI值應(yīng)遠(yuǎn)小于RI ，故一般可以根據(jù)CR≤0.1來判斷。若滿足則認(rèn)為判斷矩陣符合一致性要求，權(quán)重向量ω與實(shí)際較為符合，否則，需要重新建立判斷矩陣。

2.3 基于灰色綜合評(píng)估的評(píng)判模型

在復(fù)雜系統(tǒng)評(píng)價(jià)時(shí)，會(huì)存在信息的不完備、不清晰、不正確等問題，基于數(shù)據(jù)進(jìn)行解析的評(píng)價(jià)方法會(huì)存在評(píng)價(jià)結(jié)果不能反映客觀真實(shí)情況的問題。因此，可利用灰色理論將評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行灰化，進(jìn)而提高評(píng)估的準(zhǔn)確性，灰色綜合評(píng)估已在諸如導(dǎo)彈武器系統(tǒng)[7]、能源系統(tǒng)[8]和環(huán)境系統(tǒng)[9]等復(fù)雜大系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

2.3.1 建立評(píng)價(jià)樣本矩陣

根據(jù)技術(shù)成熟度理論，將裝備技術(shù)成熟度分為9個(gè)等級(jí)，相應(yīng)的分值為V={v1，v2…v9}其中vd為裝備技術(shù)成熟度所處的等級(jí)。采用專家打分法，設(shè)有k=1，2，…，p名專家根據(jù)技術(shù)成熟度等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)Uij進(jìn)行打分，所有的得分dijk組成評(píng)價(jià)樣本矩陣，公式如下

(7)

2.3.2 確定評(píng)價(jià)灰類

確定評(píng)價(jià)灰類e=1，2，…，g，即確定評(píng)價(jià)灰類的等級(jí)數(shù)、灰類以及灰數(shù)的白化權(quán)函數(shù)。根據(jù)技術(shù)成熟度的劃分，本文灰類等級(jí)數(shù)為9個(gè)等級(jí)，定義第d灰類“De”，灰數(shù)?∈[e-2，e，e+2]，白化權(quán)函數(shù)為fe，公式如下

(8)

2.3.3 計(jì)算灰色評(píng)價(jià)矩陣

記rije為p個(gè)專家對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)Uij屬于第e個(gè)灰類的灰色評(píng)價(jià)權(quán)，公式如下

(9)

對(duì)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)Ui所屬指標(biāo)Uij分別按照上式進(jìn)行計(jì)算，可得Ui對(duì)應(yīng)的灰色評(píng)價(jià)矩陣。

(10)

2.3.4 灰色綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)Ui下各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，首先對(duì)Ui進(jìn)行一級(jí)綜合評(píng)價(jià)，假設(shè)其結(jié)果記作Bi，則有

Bi=ωi·Ri=(bi1，bi2，…，big)

(11)

再根據(jù)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，可得二級(jí)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，假設(shè)記作B，公式如下

B=ω·R=(b1，b2，…，bg)

(12)

將灰色評(píng)價(jià)隸屬度歸一化后，再由成熟度評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，可得裝備科研項(xiàng)目的成熟度評(píng)分值：

E=int(BVT)

(13)

3 基于技術(shù)成熟度的科研階段判定準(zhǔn)則

對(duì)于一個(gè)裝備科研項(xiàng)目，其完整的研究過程應(yīng)包括技術(shù)預(yù)研、立項(xiàng)論證、工程研制、設(shè)計(jì)定型和生產(chǎn)定型等階段[10]。在技術(shù)預(yù)研階段，主要是對(duì)裝備關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析、建模和仿真，此時(shí)技術(shù)還沒有明確的應(yīng)用背景或者雖有應(yīng)用背景但技術(shù)還無法直接應(yīng)用，其技術(shù)成熟度在4級(jí)以下；在立項(xiàng)論證階段，其技術(shù)成熟度在4～5級(jí)，此時(shí)主要關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)得到解決或經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，可以立項(xiàng)進(jìn)行原理樣機(jī)的研制，進(jìn)行功能、性能和技術(shù)的集成驗(yàn)證；在工程研制階段，技術(shù)成熟度應(yīng)達(dá)到6級(jí)以上，原理系統(tǒng)或重要子系統(tǒng)應(yīng)已得到實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測(cè)試或?qū)嶋H環(huán)境的部分測(cè)試；在設(shè)計(jì)定型階段，技術(shù)成熟度應(yīng)達(dá)到7～8級(jí)，則應(yīng)已完成典型環(huán)境試驗(yàn)，所有的功能和性能指標(biāo)已完成考核；在生產(chǎn)定型階段，技術(shù)成熟度應(yīng)到達(dá)8～9級(jí)，代表裝備已投入使用，進(jìn)入批生產(chǎn)和使用保障階段，?？蒲须A段與技術(shù)成熟關(guān)系表見表4。

表4 科研階段與技術(shù)成熟度關(guān)系表

4 案例分析

以某小型地面無人移動(dòng)系統(tǒng)項(xiàng)目為例，在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上通過關(guān)鍵技術(shù)梳理，得到該項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)體系，某小型地面無人移動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)體系圖如圖3所示。

圖3 某小型地面無人移動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)體系圖

邀請(qǐng)5名專家對(duì)各關(guān)鍵技術(shù)成熟度進(jìn)行打分，并對(duì)各指標(biāo)的權(quán)重按照2.2節(jié)的打分方法進(jìn)行打分，得到的技術(shù)成熟度評(píng)分與權(quán)重，小型地面無人移動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)成熟度評(píng)分表和指標(biāo)權(quán)重分配表見表5與表6。

表5 小型地面無人移動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)成熟度評(píng)分表

表6 小型地面無人移動(dòng)系統(tǒng)指標(biāo)權(quán)重分配表

根據(jù)2.3的灰色評(píng)估模型，得到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、任務(wù)控制系統(tǒng)的灰色評(píng)價(jià)矩陣，公式如下

由于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、任務(wù)控制系統(tǒng)的權(quán)重系數(shù)分別為0.122 0，0.229 7，0.648 3，通過加權(quán)得到小型地面無人移動(dòng)系統(tǒng)的灰色隸屬度為

R=(0，0.107 8，0.244 9，0.267 9，0.212 7，0.122 1，0.033 2，0.011 4，0)

由此得到小型地面無人移動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)成熟度評(píng)分值為

TRL=4

根據(jù)基于技術(shù)成熟度的科研階段判定準(zhǔn)則，可以認(rèn)為該小型地面無人移動(dòng)系統(tǒng)項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)得到解決或經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，可以立項(xiàng)進(jìn)行原理樣機(jī)的研制。

5 結(jié)語

技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)方法作為衡量技術(shù)發(fā)展程度，控制技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的有效手段，已在國防裝備領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)裝備科研項(xiàng)目的立項(xiàng)管理，提出利用技術(shù)成熟度理論來衡量項(xiàng)目的整體技術(shù)成熟度，并對(duì)項(xiàng)目立項(xiàng)進(jìn)行決策。建立了裝備科研項(xiàng)目技術(shù)成熟度的評(píng)價(jià)流程和評(píng)價(jià)模型，并結(jié)合實(shí)例驗(yàn)證了方法和模型的適用性和可操作性。該模型和方法對(duì)能夠用于項(xiàng)目所處階段的判斷和決策活動(dòng)，能夠控制技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，防止不成熟技術(shù)提前進(jìn)入項(xiàng)目研制過程或成熟技術(shù)的重復(fù)研發(fā)投入，從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理流程的優(yōu)化。