基于博弈論組合賦權(quán)的空間新技術(shù)衛(wèi)星在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

摘要：對空間新技術(shù)衛(wèi)星在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行及時(shí)分析、判斷和評價(jià)，對提高其運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)管理效率具有重要意義。鑒于空間新技術(shù)衛(wèi)星具有技術(shù)狀態(tài)新、在軌試驗(yàn)周期長、整體成熟度低等特點(diǎn)，提出一種基于博弈論的組合賦權(quán)風(fēng)險(xiǎn)評估方法。首先，利用工作分解結(jié)構(gòu)法、“九新”分析法等方法對空間新技術(shù)衛(wèi)星全生命周期運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識別，并從人員、系統(tǒng)、技術(shù)、管理和環(huán)境5個(gè)方面構(gòu)建兩級風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系；其次，采用G1序關(guān)系分析法進(jìn)行主觀賦權(quán)，并結(jié)合熵權(quán)法進(jìn)行客觀賦權(quán)；再次，運(yùn)用博弈論確定各指標(biāo)的組合權(quán)重，形成一套綜合的風(fēng)險(xiǎn)評估模型；最后，對某型號空間新技術(shù)衛(wèi)星的風(fēng)險(xiǎn)管控實(shí)例進(jìn)行分析，驗(yàn)證該方法的有效性和合理性，以期為航天領(lǐng)域風(fēng)險(xiǎn)管理提供參考。

關(guān)鍵詞：空間新技術(shù)衛(wèi)星；博弈論；組合賦權(quán)；風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

0 引言

衛(wèi)星項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)管理歷來都受到各級的高度重視。孫紀(jì)文等^[1]針對環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星的特點(diǎn)分析項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)管理難點(diǎn)，在衛(wèi)星管理實(shí)踐基礎(chǔ)上，對重要風(fēng)險(xiǎn)源識別、分析和應(yīng)對，將風(fēng)險(xiǎn)控制到可接受范圍；趙霄洋等^[2]針對衛(wèi)星項(xiàng)目特點(diǎn)，提出了以分級風(fēng)險(xiǎn)管理為基礎(chǔ)的項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)動態(tài)管理體系，建立量化評估“動態(tài)管控”技術(shù)驗(yàn)證及全面保障的風(fēng)險(xiǎn)管理機(jī)制；王建鐸等^[3]分析了通信衛(wèi)星的特點(diǎn)及在軌運(yùn)行需求，對其在軌運(yùn)行進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識別，運(yùn)用層次分析法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素分析，針對風(fēng)險(xiǎn)等級制定風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對措施，提高通信衛(wèi)星運(yùn)行穩(wěn)定性；楊軍^[4]分析研判北斗系統(tǒng)全球服務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展態(tài)勢，梳理總結(jié)其面臨的5種風(fēng)險(xiǎn)，細(xì)致分析風(fēng)險(xiǎn)成因，并提出了應(yīng)對策略；龔佩佩等^[5]采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，分別構(gòu)建衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完好性和連續(xù)性風(fēng)險(xiǎn)模型，開展故障診斷，以識別薄弱環(huán)節(jié)，并提出風(fēng)險(xiǎn)控制建議。綜上所述，衛(wèi)星項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)管理越來越受到各級重視，但對航天發(fā)射項(xiàng)目進(jìn)度、成本風(fēng)險(xiǎn)研究較多，對衛(wèi)星在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)研究較少，如對在軌運(yùn)行可能引起的輿論法理、政治外交等研究較少?？臻g新技術(shù)衛(wèi)星因其整體成熟度低、在軌試驗(yàn)周期長、技術(shù)狀態(tài)切換復(fù)雜等特點(diǎn)，使得其在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)管理顯得更加重要，亟須建立空間新技術(shù)衛(wèi)星在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)管控體系。

本文針對空間新技術(shù)衛(wèi)星的特點(diǎn)，在總結(jié)傳統(tǒng)通信、導(dǎo)航、遙感等類型衛(wèi)星風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究的基礎(chǔ)上，首先從空間運(yùn)行段、信息傳輸段、地面管控段不同空間域，衛(wèi)星發(fā)射入軌到退役報(bào)廢全生命周期的多維度，全方面識別風(fēng)險(xiǎn)因素；其次構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，利用組合賦權(quán)法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算；最后以某型空間新技術(shù)衛(wèi)星為例，進(jìn)行方法驗(yàn)證，驗(yàn)證該方法的有效性和合理性。

1 空間新技術(shù)衛(wèi)星在軌運(yùn)行基本特征分析

空間新技術(shù)衛(wèi)星主要開展新材料、新技術(shù)和新型器部件驗(yàn)證試驗(yàn)，進(jìn)而為衛(wèi)星定型提供設(shè)計(jì)需求和改進(jìn)意見。相較于其他通信、遙感、導(dǎo)航等成體系、技術(shù)相對成熟型號而言，空間新技術(shù)衛(wèi)星有著以下幾點(diǎn)鮮明特點(diǎn)。

1.1 技術(shù)狀態(tài)新

空間新技術(shù)衛(wèi)星主要用于開展空間探測、精準(zhǔn)控制、精細(xì)操作等高精尖技術(shù)驗(yàn)證，同時(shí)新技術(shù)多為首次驗(yàn)證，缺少先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)、完備的任務(wù)流程和操作規(guī)范。

1.2 在軌試驗(yàn)周期長

衛(wèi)星發(fā)射入軌后，絕大部分時(shí)間用于在軌新技術(shù)試驗(yàn)。需要星地密切協(xié)同，對衛(wèi)星操控人員能力、測控設(shè)備可靠性、測控鏈路穩(wěn)定性等提出了更高的要求。

1.3 試驗(yàn)項(xiàng)目敏感度高

因需要驗(yàn)證新技術(shù)，部分試驗(yàn)項(xiàng)目需要實(shí)施近距離抵近，會對其他在軌衛(wèi)星造成一定的安全威脅，易引發(fā)輿論炒作。同時(shí)也存在因保密措施不到位造成的核心關(guān)鍵技術(shù)外泄的風(fēng)險(xiǎn)。

1.4 衛(wèi)星總體成熟度低

空間新技術(shù)衛(wèi)星主要是對計(jì)劃定型高價(jià)值衛(wèi)星的技術(shù)驗(yàn)證和探索，很多立項(xiàng)源于創(chuàng)新成果申報(bào)、樹立品牌影響力等，生產(chǎn)廠家相對多樣，總體成熟度遠(yuǎn)低于定型衛(wèi)星。

2 空間新技術(shù)衛(wèi)星在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 空間新技術(shù)衛(wèi)星運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素分析

綜合采取衛(wèi)星管理單位實(shí)地調(diào)研、文獻(xiàn)綜述分析和領(lǐng)域?qū)＜掖蚍峙判虻蕊L(fēng)險(xiǎn)識別方法，對空間新技術(shù)衛(wèi)星自身設(shè)計(jì)、空間環(huán)境、地面設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信、人員操作等方面運(yùn)行管理內(nèi)容和特點(diǎn)分析，梳理衛(wèi)星發(fā)射入軌至退役報(bào)廢全生命周期的測控事件，最終識別出新技術(shù)衛(wèi)星在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素如下：

（1）人員風(fēng)險(xiǎn)?？臻g新技術(shù)衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)新，存在試驗(yàn)人員對技術(shù)機(jī)理掌握不夠深入、專業(yè)技能不足、組織協(xié)調(diào)不嚴(yán)密、指揮決策能力不足及工作作風(fēng)不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)蕊L(fēng)險(xiǎn)。

（2）系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)?？臻g新技術(shù)衛(wèi)星相較于定型衛(wèi)星，成熟度偏低，存在整體穩(wěn)定性不足、冗余設(shè)計(jì)、可靠性不足等風(fēng)險(xiǎn)。

（3）技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)?？臻g新技術(shù)衛(wèi)星在軌試驗(yàn)狀態(tài)復(fù)雜，存在技術(shù)可行性論證不充分、技術(shù)狀態(tài)設(shè)置錯(cuò)誤、關(guān)鍵技術(shù)存在缺陷、特殊材料和元器件應(yīng)用測試不充分等風(fēng)險(xiǎn)。

（4）管理風(fēng)險(xiǎn)?？臻g新技術(shù)在軌試驗(yàn)涉及參與單位多，協(xié)同關(guān)系復(fù)雜，存在操作流程不規(guī)范、方案預(yù)案不充分、高層管理者重視程度不夠、職責(zé)分工不清晰、測試驗(yàn)證不充分等風(fēng)險(xiǎn)。

（5）環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。空間新技術(shù)衛(wèi)星受到空間環(huán)境影響，存在與空間目標(biāo)發(fā)生碰撞、受電磁輻射和極端天氣影響、誘發(fā)輿論炒作和政治外交等風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系構(gòu)建

按照全面性、獨(dú)立性、可操作性等原則，建立空間新技術(shù)衛(wèi)星在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系，其中包括5個(gè)一級風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)、23個(gè)二級風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，空間新技術(shù)衛(wèi)星在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示。

3 確定風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重確定是評價(jià)的關(guān)鍵，通常運(yùn)用主觀賦權(quán)或者客觀賦權(quán)計(jì)算權(quán)重。綜合分析相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合空間新技術(shù)衛(wèi)星管理特點(diǎn)，選取G1序關(guān)系分析法^[6-7]進(jìn)行主觀賦權(quán)，用熵權(quán)法^[8-9]進(jìn)行客觀賦權(quán)，并利用博弈論^[10-12]的納什均衡思想來確定組合權(quán)重。

3.1 主觀權(quán)重計(jì)算

邀請從事空間新技術(shù)衛(wèi)星試驗(yàn)領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)豐富的專家，根據(jù)指標(biāo)的重要程度進(jìn)行判斷，確定相對重要度，求出指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，具體計(jì)算步驟如下：

（1）序關(guān)系計(jì)算。專家從風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)集{a1，

a2，…，an}中，選取風(fēng)險(xiǎn)影響程度或重要程度最大的基準(zhǔn)指標(biāo)，按重要程度對指標(biāo)進(jìn)行排序，獲得基于風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)集的序關(guān)系。

（2）確定相鄰風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)之間的重要程度。

（3）根據(jù)指標(biāo)間重要程度賦值情況，計(jì)算主觀權(quán)重系數(shù)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(gè)指標(biāo)的權(quán)重；γk為指標(biāo)重要性評分量化值，表示第k個(gè)指標(biāo)與第k-1個(gè)指標(biāo)之間的重要程度賦值，γk越大則表示相鄰兩個(gè)指標(biāo)之間重要程度越大。

（4）根據(jù)專家群組計(jì)算權(quán)重。若S名專家對風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)集合{a1，a2，…，an}的序關(guān)系排列相同，但賦值不同。則權(quán)重系數(shù)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(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)集合的序關(guān)系相同，賦值不同。其余專家的序關(guān)系不相同，賦值不同，以指標(biāo)ak為例，計(jì)算方法如下。

s-s1位專家序關(guān)系相同時(shí)，指標(biāo)ak的權(quán)重系數(shù)公式如下

ωk″=（1+∑nk=2∏ni=kγi″）^－1

（6）

γk″=1s－s1∑s－s1i=1γki

（7）

指標(biāo)ak的權(quán)重系數(shù)的綜合權(quán)重系數(shù)公式如下

ωk=s1sωk′+s－s1sωk″

（8）

3.2 客觀權(quán)重的計(jì)算

根據(jù)熵權(quán)理論，風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)的信息熵大小與指標(biāo)蘊(yùn)含的信息量大小呈負(fù)相關(guān)。計(jì)算步驟如下：

（1）構(gòu)造評價(jià)矩陣。假如有m個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)樣本、n個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，構(gòu)造原始數(shù)據(jù)評價(jià)矩陣公式如下

Y=y11y11…y11y11y12…y1n

ym1ym2…ymn（9）

式中，yij為風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)j下樣本i的評價(jià)值。

（2）歸一化評價(jià)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(jì)算指標(biāo)信息熵Mj，公式如下

Mj=－1lnm∑mi=1qijlnqij

（10）

（4）計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重，公式如下

Nj=1－Mj∑nj=11－Mj

（11）

式中，Nj為風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重向量，即熵權(quán)，Nj數(shù)值越大，對評價(jià)樣本貢獻(xiàn)越大。

3.3 博弈論計(jì)算綜合權(quán)重

基于博弈論的權(quán)重集結(jié)模型將主觀和客觀賦權(quán)方法得到的權(quán)重利用合作博弈理論進(jìn)行組合得到最終權(quán)重值。計(jì)算步驟如下：

（1）計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重。G1法和熵值法計(jì)算的基本權(quán)重向量集分別為W1和W2，兩種權(quán)重向量的任意線性組合公式如下

W=∑2k=1akWTk

（12）

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

（2）對線性組合權(quán)重系數(shù)ak進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)為離差最小化。

（3）解最優(yōu)組合系數(shù)，計(jì)算得到最優(yōu)組合系數(shù)ak={a1，a2，…，an}，對其進(jìn)行歸一化處理，得到最終組合系數(shù)ak，組合權(quán)重公式如下

Wj=∑2k=1akWTk

（13）

4 某型新技術(shù)衛(wèi)星在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型驗(yàn)證

4.1 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

邀請了從事新技術(shù)衛(wèi)星試驗(yàn)項(xiàng)目相關(guān)工作5年以上的10名專家（包括試驗(yàn)管理人員、試驗(yàn)設(shè)計(jì)人員、試驗(yàn)測試人員）分別對空間新技術(shù)衛(wèi)星在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)重要程度排序和重要度量化進(jìn)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(jìn)行聚合，熵值法采用Min-Max歸一化進(jìn)行處理，對兩種權(quán)重向量集計(jì)算離差最小，獲得一級和二級風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)相對組合權(quán)重，基于博弈論的一級風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)組合權(quán)重見表1，基于博弈論的二級風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)組合權(quán)重見表2。

4.2 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)險(xiǎn)等級進(jìn)行劃分，風(fēng)險(xiǎn)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表3。

首先，選取10名行業(yè)專家對新技術(shù)衛(wèi)星風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行量化打分，1～10分表示風(fēng)險(xiǎn)值由低到高，然后按照平均法對10名專家評分計(jì)算結(jié)果進(jìn)行聚合，得到綜合后的風(fēng)險(xiǎn)評分聚合結(jié)果，結(jié)合表1組合權(quán)重聚合結(jié)果，最終獲得風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評分，風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)評分結(jié)果見表4。

由表4可知，空間新技術(shù)衛(wèi)星在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)得分為5.73，屬于中風(fēng)險(xiǎn)，通過采取一定管控措施可實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的有效控制。技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)屬較高風(fēng)險(xiǎn)，要求在衛(wèi)星設(shè)計(jì)及測試驗(yàn)證階段，加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)和質(zhì)量控制，提高設(shè)備和技術(shù)的成熟度和穩(wěn)定性，尤其要充分論證技術(shù)的可行性。同時(shí)，要適當(dāng)考慮核心關(guān)鍵器部件的備份，確保一旦出現(xiàn)異常，能夠及時(shí)啟用備份，增加運(yùn)行保障。空間運(yùn)行段和信息傳輸段，要針對惡劣的空間電磁環(huán)境，加強(qiáng)衛(wèi)星本體、測控通信鏈路的防護(hù)抗擾設(shè)計(jì)，最大限度減少因空間環(huán)境干擾帶來的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；地面管控段，要進(jìn)一步完善地面衛(wèi)星控制系統(tǒng)，確保衛(wèi)星運(yùn)行測控的可靠性，同時(shí)應(yīng)注重完善試驗(yàn)方案預(yù)案、規(guī)范操控處置流程和細(xì)化輿論應(yīng)對措施，防止因技術(shù)問題導(dǎo)致外溢風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語

本文在深入探討空間新技術(shù)衛(wèi)星在軌管控風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)性地研究了空間新技術(shù)衛(wèi)星在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的方法與模型。針對空間新技術(shù)衛(wèi)星在軌運(yùn)行的實(shí)際，詳細(xì)識別并細(xì)化了影響事件的關(guān)鍵指標(biāo)因素，進(jìn)而構(gòu)建了一套適用于空間新技術(shù)衛(wèi)星在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)管控的指標(biāo)體系。在研究過程中，深入探討了G1序關(guān)系分析法與熵值法的基本原理及其應(yīng)用流程。為降低指標(biāo)權(quán)重計(jì)算中的主觀性影響，創(chuàng)新性地結(jié)合了主觀賦權(quán)與客觀賦權(quán)，以最大限度地減少評價(jià)過程中信息的損失?；诖耍岢隽艘环N融合博弈論思想的組合賦權(quán)的空間新技術(shù)衛(wèi)星在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法，專門用于評估空間新技術(shù)衛(wèi)星的風(fēng)險(xiǎn)。最后以某型號空間新技術(shù)衛(wèi)星的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型為例，證明了該方法的科學(xué)性和合理性。未來，將進(jìn)一步探索該評價(jià)技術(shù)的普適性和適用性，并考慮將其推廣至其他類型衛(wèi)星或空間項(xiàng)目的更多運(yùn)行階段，為航天領(lǐng)域風(fēng)險(xiǎn)管理提供更為全面的支持。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2024-07-16

作者簡介：

段玉興（通信作者）（1985—），男，工程師，研究方向：衛(wèi)星測控與在軌管理。

白洪波（1979—），男，副教授，研究方向：試驗(yàn)鑒定、航天測控。