基于灰色聚类的某舰炮技术风险评估

姚 忠，康总宽

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

某大口径舰炮研制周期长，对人力、物力和财力需求巨大，研制过程存在不确定性和高风险性，技术风险是其主要风险之一。技术风险反映了舰炮的研制难度，进而造成进度风险和费用风险。在研制的不同阶段初始，对其进行技术风险分析，采取必要措施避免、减小或转移风险，可从技术角度保证该舰炮研制周期，控制研制费用过快增长[1-3]。

某大口径舰炮研制过程中，各种信息繁杂，既有科研人员熟悉的白色信息，又有完全陌生的黑色信息，更多的是具有模糊性和不确定性的灰色信息，处于贫信息状态；同时，可用数据有限，状态数据种类较多且获取复杂，属于灰色系统。运用灰色系统理论中的灰色聚类方法，可在有效信息贫乏、资料短缺的情况下进行技术风险评估。目前，已有不少学者开展了灰色聚类评估方法研究，文献[4]采用AHP和三角白化权函数建立了武器装备研制的技术风险评估方法，并与基于模糊综合评价的技术风险分析方法进行了对比分析，验证了方法有效性；文献[5]建立灰色聚类技术风险评估模型，对制导炮弹关键技术进行了分解与权重分配，在此基础上，进行了制导炮弹技术风险评估；文献[6]建立了灰色聚类评估模型，分析了火炮身管性能状态的各种评估指标，对火炮身管性能状态进行了评估；文献[7]建立了评估某型舰炮火控系统作战能力的指标体系，运用灰色层次分析法对舰炮火控系统作战能力进行了定量与定性相结合的评估。上述文献中进行灰色聚类评估时并未考虑领域专家自身权重，评估方法采用已有的案例进行验证或未进行验证，缺少对该方法预测能力的验证。为了将该方法应用于某大口径舰炮方案阶段风险控制[8]，笔者建立了考虑领域专家权重的灰色聚类技术风险评估方法，给出了方案阶段技术风险评估指标和评估对象，针对定量评估结果给出了相应的对策，对策实施后，有效规避了方案阶段的技术风险，采用的方法可为后续研制和其他装备研发提供借鉴。

1 某大口径舰炮灰色聚类风险评估模型

灰色聚类评估就是按多个给定的不同评估指标对相关对象进行综合评价，以确定评估对象是否满足给定的评价准则[5]。根据灰色聚类评估的相关定义，可以建立基于关键技术的某大口径舰炮灰色聚类技术风险评估模型，其步骤如下[9]：

1)确定某大口径舰炮研制方案的各项关键技术，即评估对象i(i=1,2,…,n)，采用德尔菲(Delphi)法与层次分析法(AHP)相结合的方法[5]确定各项关键技术的权重ρi.

2)建立综合评估指标j(j=1,2,…,m)，计算评估对象i关于评估指标j的量化评价值xij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m).

3)采用德尔菲法与层次分析法相结合的方法确定各项指标的聚类权ηj.

4)根据综合评估要求划分灰类数s，对各评估指标进行聚类分析，将其取值范围划分为s个灰类，确定j指标k灰类的白化权函数fjk(xij)(j=1,2,…,m;k=1,2,…,s).

(1)

6)利用式(2)进行某大口径舰炮综合技术风险计算：

(2)

式中，Pi为第i项关键技术的技术风险级别，即灰类k*.

2 技术风险评估指标与评估对象

2.1 评估指标

评估指标是对技术风险进行量化评估的基础，从技术的发展和应用角度，选取成熟度、复杂性、可行性、可参考性、先进性为评估指标进行技术风险评估。

1)技术成熟度是指所采用的新技术及应用数量是否达到了规定的水平。

2)技术复杂性包括原理复杂性和实施复杂性，反映了装备的复杂程度和综合程度。

3)技术可行性指在已有和规划的资源约束下技术实现的难易程度。

4)技术可参考性是指技术研发过程中是否有相应的储备和参考资料。

5)技术先进性是指技术在当前及未来一段时间内技术的价值和有效程度。

2.2 评估对象

评估对象的确定是实施某大口径舰炮技术风险评估的基础，筛选具有代表性、独立性、完备性的技术作为评估对象，可实现对技术风险的有效考察，综合上述因素，选取总体层面的关键技术作为评估对象。

1)弹炮药匹配性技术。某大口径舰炮作为未来海军多功能发射平台，具备多种弹药发射能力，要求弹、炮、药具有良好的匹配性，涉及发射装药结构优化设计、炮弹在膛内运动规律分析及内弹道优化设计与计算,因此，弹炮药匹配性技术是一项复杂性高且影响舰炮性能的关键技术。

2)降低后坐阻力技术。制导弹药的发射和炮口动能的增大使后坐力加大，进而较大幅度增加了后坐阻力，给舰炮的结构和适装性设计带来很大困难，有效降低后坐阻力是舰炮亟需解决的一项关键技术。

3)多弹种自动装填技术。某大口径舰炮自动装填装置要兼顾多弹种的自动装填，要求自动装填装置有较宽范围的装填适应性和较高的运动准确性，多弹种自动装填技术涉及机构动作较多，运动精度要求较高，是实现舰炮连发射击的关键环节。

4)自动化弹库技术。自动化弹库是提高舰炮射速及弹种更换速度、提升舰炮持续作战能力的重要环节，自动弹库包含多项子技术，集中应用了多种新技术，是大口径舰炮满足作战使用需求的重要基础。

5)新型点火技术。大质量弹丸的应用和炮口动能的增加，使得发射装药长度和质量都有比较明显的增加，为了保证点火的一致性，采用新型点火技术是一种较为理想的方案，新型点火技术结构相对简单，但其还需在工程化方面进行研究，以便可靠应用于大口径舰炮。

2.3 评估的层次结构

基于上述分析，建立技术风险评估的层次结构，第1层为评估指标层，第2层为评估对象层，为后续分析的方便，对关键技术进行代号分配，如图1所示。

3 某舰炮技术风险评估

3.1 评估指标及判据量化

结合某大口径舰炮研制的特点，采用层次分析法对成熟度、复杂性、可行性、可参考性、先进性等评估指标的权重进行了计算，结合关键技术的进展和其具有的阶段性特点，对各个评估指标给出了判据，对判据进行了等级划分，并对判据进行了量化处理。各个评估指标的权重值和判据的量化值，具体结果如表1所示。

表1 评估指标及判据量化值

3.2 关键技术权重计算

关键技术权重采用德尔菲法与层次分析法相结合的方法进行确定。通过工业部门、装备论证部门、装备使用部门和院校的6位专家对舰炮方案关键技术重要性进行评价，建立关键技术间的相对重要程度，采用1～9进行标识，构造判断矩阵；采用和法计算综合判断矩阵的最大特征根和特征向量，对结果进行一致性检验，得到归一化的特征向量，作为各项关键技术的权重向量。

6位相关领域专家对关键技术权重的评价过程依据德尔菲法进行，将专家意见进行分析和反馈，最终使不同专家对同一关键技术的权重评价趋于一致[5]，其判断方式如下：

采用德尔菲法和层次分析法相结合的方式，得出权重专家评价结果，如表2所示。表中各行为每个专家给出的各项关键技术权重，各列为不同专家给出的同一关键技术权重。

表2 关键技术权重评价结果

考虑到每位专家所研究领域各有偏重，同时这也是导致关键技术权重评价不一致的重要原因，因此，对每位专家赋予相应权重系数，其权重系数向量为

λ=[0.20 0.25 0.15 0.10 0.20 0.10]T.

考虑专家权重系数，利用层次分析法对权重评价数据进行计算，并一致性检验，得到各项关键技术的权重向量为

w=[0.228 6 0.100 8 0.301 8 0.093 0 0.275 7]T.

3.3 灰类的划分及白化权函数的确定

3.3.1 灰类的划分

每个评估指标带来的风险分为5个不同等级，将每个风险等级划分为1个灰类，共划分出5个灰类，各灰类的意义及对应的取值如表3所示。

表3 灰类划分及取值

3.3.2 白化权函数确定

(3)

式中，λk(k=1,2,…,s)为灰类中心。

建立三角白化权函数时，将灰类中心向两侧进行了延拓，增加0灰类和s+1灰类，并增加了这两个灰类的中心点λ0和λs+1，得到灰类中心点序列λ0,λ1,λ2,…,λs,λs+1.三角白化权函数的具体表达式如下：

1)第1灰类，k=1；

(4)

2)第2灰类，k=2；

(5)

3)第3灰类，k=3；

(6)

4)第4灰类，k=4；

(7)

5)第5灰类，k=5.

(8)

3.4 关键技术灰类计算

将6位领域专家对关键技术风险指标的取值进行平均，得到技术风险的评估指标取值表，如表4所示。

表4 技术风险评估指标取值表

根据式(1)计算各项关键技术对评估指标的决策系数，进行风险等级聚类计算,关键技术的风险等级聚类计算具体数值如表5所示。

表5 各项关键技术对评估指标的决策系数表

由表5可以看出，弹炮药匹配性技术、新型点火技术、多弹种自动装填技术的风险等级为4，风险较大；降低后坐阻力技术和自动化弹库技术风险等级为3，风险中等。

3.5 综合技术风险

根据关键技术风险等级灰色聚类，采用R∈[0,5]的数值来度量技术风险[2]，根据风险值R将技术风险程度分为5个等级，即低风险R∈[0,1)、较低风险R∈[1,2)、中等风险R∈[2,3)、较高风险R∈[3,4)、高风险R∈[4,5].

由式(1)、(2)计算大口径舰炮研制的综合技术风险：

R=4×0.228 6+3×0.100 8+4×0.301 8+

3×0.093 0+4×0.275 7=3.805 8.

计算结果3.805 8∈[3,4)，项目风险偏高，需及时制定对策以规避风险。

4 风险对策

根据表5的风险分析结果，弹炮药适应性技术、新型点火技术、自动化弹库技术风险偏高，导致某大口径舰炮综合技术风险偏高。针对风险等级较高的关键技术制定了详细的攻关计划，从技术成熟度、复杂性、先进性等方面对关键技术进行风险控制，具体对策如下：

1)弹炮药匹配性技术为新技术，技术先进、复杂度高且可参考技术较少，技术风险整体偏高，进行弹炮药匹配性技术验证试验，是降低其风险的主要途径。研制过程中，对关键技术进行分解后，采用自下而上的方法，在内弹道优化设计的基础上，进行单项试验，验证新技术可行性，提升了新技术成熟度，控制了该技术的研制风险，顺利完成了相关研究。

2)新型点火技术同样为新技术，技术先进，但技术成熟度较低、可参考资料较少、涉及因素较多、复杂性偏高。该技术在前期进行了比较详细的理论分析，因此，进行新型点火技术攻关试验，是降低其技术风险的重要途径。针对新型点火技术在舰炮应用中所遇到的特殊工况，策划了新型点火技术单项试验，通过试验验证了设计中采用的新技术，确定了导致新型点火技术风险加大的因素，有效规避了技术风险的发生，为其应用奠定了技术基础。

3)自动化弹库技术因其先进的技术理念，必然导致技术的复杂程度较高，且须采用新的单项技术。研制过程中，为减小研制风险，制定了自动装填试验方案，设计了多弹种自动装填试验装置，进行了多种工况下的多弹种自动装填试验，提高了多弹种自动装填技术的成熟度，降低了技术风险等级。

5 结束语

针对某大口径舰炮研制特点，采用基于灰色聚类的技术风险评估方法，建立了风险评估指标，对导致技术风险的关键技术进行了分析。应用灰色理论对风险等级进行了聚类，计算了各项关键技术的风险等级及某大口径舰炮的综合技术风险等级，在此基础上制定了风险对策，有效规避了研制过程技术风险的发生。所采用方法具有较强的实用性，可在缺少具体数据支持的情况下，对项目技术风险做出较为合理和准确的判断，为及时建立科学合理的应对措施提供支撑，对某大口径舰炮后续研制及其他项目技术风险评估具有较为实用的参考价值。