基于模糊TOPSIS的新型空间平台航天试验效能评估

刘盛铭，　冯书兴

(1. 装备学院 研究生管理大队, 北京 101416；　2. 装备学院 训练部, 北京 101416)



基于模糊TOPSIS的新型空间平台航天试验效能评估

刘盛铭1，冯书兴2

(1. 装备学院 研究生管理大队, 北京 101416；2. 装备学院 训练部, 北京 101416)

摘要针对新型空间平台航天试验效能评估问题，基于美国国防部体系结构框架建立了任务分解树模型。在此基础上分析并提出评估指标，运用模糊逼近理想解排序法对评价方案进行效能分析，按照该方法的各个步骤计算出评价方案的排序结果，结果表明，美国轨道试验飞行器的航天试验效能较高。在评价方案的基础上进行敏感度分析，计算评估指标的贴近度，结果表明，入轨能力等评估指标对应的效能度量在新型空间平台航天试验中较为重要。

关键词新型空间平台；航天试验；效能评估；逼近理想解排序法

作为卫星技术和载人航天技术相结合的产物，空间平台是能同时装载、运行多种有效载荷，提供包括维修、补给、载荷替换等在轨服务并将产品带回地面的一种空间结构[1-2]。近十年来，美国等世界强国研究提出了轨道快车、快速响应空间航天器、X-37B等多种多样的新型空间平台[3]，并开展了一系列的航天试验。2013年，俄罗斯用于可重复使用的空天飞行系统(俄文首字母是MAKS)轨道飞行器等研究设计工作的累积花费已超过15亿美元[4]。2015年2月，欧洲航天局的过渡性试验飞行器(Intermediate Experimental Vehicle，IXV)在法属圭亚那库鲁航天中心发射升空，成功地进行了再入大气层试验。2015年5月，美国轨道试验飞行器(Orbital Test Vehicle，OTV)X-37B在佛罗里达卡纳维拉尔角发射升空，执行第4次在轨飞行任务，试验内容对外保持高度机密。除此之外，印度航天研究组织已宣布将在2015年中期进行可重复使用航天器的首次试飞。可见，能够穿越大气层，往返于地球与外层空间并具备轨道机动、可重复使用等能力的新型空间平台，已是世界各军事强国竞相发展的航天装备之一。

1研究现状

新型空间平台航天试验是指围绕新型空间平台入轨、在轨、返回等试验任务而在一定约束条件下开展的航天试验活动，具有规模大、综合性强、不确定因素多等特点。作为一项系统工程，新型空间平台航天试验涉及人员、设备较多，跨越地域较广，试验方案分析与决策质量要求高。为科学选择符合实际且效益较好的初步试验方案，迫切需要对新型空间平台航天试验开展效能评估工作。

效能评估常用的方法有层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)、指数法、模糊综合评价法、多属性决策方法(Multiple Attribute Decision Making，MADM)等[5]。其中，逼近理想解排序法(TOPSIS)作为MADM的综合评价方法之一[6]，得到了航天试验领域学者们的重视与应用。文献[7]指出MADM是航天系统工程面临的挑战性问题之一，提出了一种随机AHP和TOPSIS相结合的工作流程方法用于支持该领域的决策与评估，并以卫星轨道和运载火箭选型问题为例进行说明。文献[8]在约翰逊航天中心的人类探索项目中对航天任务模拟器进行了效能评估，提出了一种AHP和TOPSIS相结合的方法用于方案排序。文献[9]构建了航天工程项目合作伙伴评价指标体系，通过信息熵和AHP进行组合赋权，建立了TOPSIS的航天合作伙伴评价模型。

以上研究为本文工作提供了重要参考和借鉴，但对专家评价中可能存在的模糊问题考虑较少。而现实中，参与决策的专家对TOPSIS指标与方案的评价往往存在模糊性，因此，本文基于模糊TOPSIS分3步对新型空间平台航天试验进行效能评估。第1步基于美国国防部体系结构框架(Department of Defense Architecture Framework，DoDAF)分析了新型空间平台的航天试验过程，提出评估指标；第2步基于模糊TOPSIS对MAKS、IXV、X-37B的第3次任务(OTV-3)等航天试验进行效能评估；第3步对MAKS、IXV及OTV-3进行指标的敏感度分析。

2评估指标

新型空间平台航天试验效能是指在规定试验方案下完成新型空间平台航天试验任务的能力程度。基于MAKS、IVX、X-37B等航天试验资料的研究，新型空间平台航天试验的概念图如图1所示。图中实线代表实体之间的通信关系，虚线代表实体之间的任务关系。

图1　试验概念图OV-1

图2　试验任务分解树OV-5a

在试验概念图OV-1的基础上，结合新型空间平台试验环境、资源配置、作战任务等内容，建立了火箭发射[10]、测量控制、在轨试验、返回着陆、试验指挥等航天试验任务的分解树模型OV-5a，如图2所示。

由图2可知，新型空间平台航天试验需要多个任务配合完成，其中的任务交互关系可能造成效能度量及评估指标存在耦合关系，而基于美国国防部体系结构框架(DoDAF)对新型空间平台航天试验任务进行分解与消化，再选取效能度量，将有助于解决效能评估时耦合指标度量与独立变量选取问题[11]。通过分析图2试验任务之间的协作关系，提出新型空间平台航天试验效能度量及评估指标，如表1所示，记指标集合C={C1，C2，…，C28}，“+”表示该指标期望越大越好，属于C+指标集，“-”表示该指标期望越小越好，属于C-指标集。

表1　效能度量及评估指标

在表1中，新型空间平台航天试验效能度量可分为平台试验能力和支援试验能力，这些能力基本涵盖了图2中的A.1～A.5试验任务。

3模糊TOPSIS

图3　三角模糊数

表2　三角模糊数相关运算

使用的评价语言变量及其模糊数如表3所示。

表3　语言变量及其模糊数

模糊TOPSIS基本步骤如下[12-13]：

1) 提出评价指标与评价方案。指标集合C如表1所示，方案集合A={A1=‘MAKS’，A2=‘IXV’，A3=‘OTV-3’}，专家集合E={E1，E2，…，Ek}。

(1)

9)A中元素按照CCi值从大到小排序。

从以上步骤可知，模糊TOPSIS选择的评价方案介于正、负理想解之间，逼近正理想解而远离负理想解，正理想解由评价指标的最优值组成，负理想解由评价指标的最差值组成。

4算例分析

设有3名专家参与了新型空间平台航天试验效能评估，他们对各项指标和各方案的评价如表4所示。

表4　指标与方案的评价(局部)

经过步骤2)至步骤7)后，正、负理想解和正、负理想解与各方案的距离如表5所示。

步骤7)对各方案的距离进行了累加，再经过步骤8)后，可得A1、A2、A3的贴近度分别是0.482,0.467,0.516，即MAKS、IXV、OTV-3对表1中效能度量的完成程度，因此，效能评估结果是OTV-3≻MAKS≻IXV。

对OTV-3、MAKS以及IXV航天试验进行指标的敏感度分析，各指标分配权重如表6所示。

表5　正、负理想解及距离(局部)

表6　指标权重

在表4的基础上，经过模糊TOPSIS处理后，A1、A2和A3贴近度结果如图4所示。

图4　贴近度结果

在图4中，各方案排序位置不变，此情况肯定了效能评估结果OTV-3≻MAKS≻IXV；编号1和编号2结果差异大，说明指标权重对此类评估具有较大影响；各指标对应的编号3～30中，编号3～7、15～16、20～22、24、26、28～30的贴近度变化较为明显，这些编号对应指标属于效能度量的入轨能力、机动能力、载荷能力、发射能力、测控能力、空间侦察与感知能力、信息传输能力、任务保障需求，这在某种程度上反映出这些能力在新型空间平台航天试验中较为重要。

5结 束 语

本文基于模糊TOPSIS对新型空间平台航天试验进行效能评估，首先构建了新型空间平台航天试验效能评估指标，其次使用基于模糊TOPSIS进行效能评估，最后对指标进行敏感度分析，评价过程和敏感度分析结果可为新型空间平台开展航天试验提供参考和借鉴。

参考文献(References)

[1]杨炳渊.航天技术导论[M].北京:中国宇航出版社,2009:334.

[2]张国力.太空幽灵:航天武器100问[M].北京:国防工业出版社,2007:84,124.

[3]于小红,王杰娟.新型空间平台发展模式探析[J].装备学院学报,2012,23(4):7-10.

[4]王春生,赵苿秋.“X-37斯基”高调回归(上)[J].环球军事,2013,3(290):55-57.

[5]张杰,唐宏,苏凯,等.效能评估方法研究[M].北京:国防工业出版社,2009:V-VI.

[6]TZENG G H,HUANG J J.Multiple attribute decision making:methods and applications[M].New York：Taylor & Francis Group,2011:29-44.

[7]LAFLEUR M J.Probabilistic AHP and TOPSIS for multi-attribute decision-making under uncertainty[EB/OL].[2015-03-03].http://www.ssdl.gatech.edu/papers/conferencePapers/IEEE-2011-1135.pdf.

[8]TAVANA M,MARBINI A.A group AHP-TOPSIS framework for human spaceflight mission planning at NASA[J].Expert Systems with Applications,2011,38(11):13588-13603.

[9]赵志刚,黄柯鑫.基于TOPSIS的航天工程项目合作伙伴选择方法[J].价值工程,2015,34(1):28-30.

[10]张育林.航天发射项目管理[M].北京:国防工业出版社,2012:62-69.

[11]刘旸,孟梅,张恒,等.面向任务的驱逐舰作战效能评估方法研究[J].哈尔滨工程大学学报,2013,34(12):1479-1489.

[12]AWASTHI A,CHAUHAN S,OMRANI H.Application of fuzzy TOPSIS in evaluating sustainable transportation systems[J].Expert Systems with Applications,2011,38(10):12272-12274.

[13]MAHDAVI I,HEIDARZADE A,GILDEH B,et al.A general fuzzy TOPSIS model in multiple criteria decision making[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2009,45(34):406-420.

(编辑：李江涛)

Effectiveness Evaluation of Aerospace Test for New-type Space Platform Based on Fuzzy TOPSIS

LIU Shengming1，FENG Shuxing2

(1. Department of Graduate Management, Equipment Academy, Beijing 101416, China;2.Training Department, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

AbstractTo solve out the issues about effectiveness evaluation of aerospace test for new-type space platform, the article establishes a task decomposition tree model based on the system structure of United States Department of Defense and then makes analysis and proposes evaluation indicators. The article makes effectiveness analysis on the evaluation scheme with technique for order preference by similarity to ideal solution and calculates the sorting result of the evaluation plan through all steps in this method， the result shows, the effectiveness of aerospace test of orbital test vehicle is relatively high. Based on the evaluation scheme, the article makes sensitivity analysis and thus calculates the closeness of the evaluation indicators， the result shows, the measurement of effectiveness of evaluation indicators such as ability to enter orbit is relatively important in the aerospace test of new-type space platform.

Keywordsnew-type space platform; aerospace test; effectiveness evaluation; technique for order preference by similarity to ideal solution (TOPSIS)

文献标志码A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.02.017

文章编号2095-3828(2016)02-0073-05

中图分类号V57

作者简介刘盛铭(1986-)，男，博士研究生，主要研究方向为航天试验指挥。my163beijing@163.com

基金项目部委级资助项目

收稿日期2015-06-18

冯书兴，男，教授，博士生导师。