基于ISM-HHM的航天關鍵元器件應用風險識別研究

靖連天 朱旭斌 熊園園 孫小冬

（1航天標準化與產品保證研究院，北京，100071；2西北工業大學，西安，710072）

關鍵元器件對航天系統和設備的性能起著至關重要的作用，是航天型號發展的重要戰略資源，關鍵元器件國產化對于將我國建設成為航天強國意義重大。 “核高基”重大專項實施以來，突破了一批重大技術，研制出一批關鍵產品，顯著推動了元器件國產化研制能力。然而，以 “核心電子器件”為代表的關鍵元器件的應用卻非常有限，主要是由于采用了大量的新設計、新工藝和新材料，缺乏可靠使用的風險評估和成功上天飛行的經歷，同時對于關鍵元器件應用支持也較為有限，導致航天關鍵元器件的應用存在較大風險，用戶不敢使用。

航天關鍵元器件的應用是一項復雜的系統工程，涉及整機單位、器件研制單位、保證機構和驗證機構等多家單位，電、熱、力、材料、機械、軟件等多個專業領域，生產、采購、保證、裝聯調試、可靠使用等多個環節，具有參與單位數量多、專業領域跨度大、工作環節多等特點，導致風險源種類繁雜，風險因素數量多，提前識別航天關鍵元器件應用風險是保證其成功應用的重要基礎。本文從風險管控過程的前端出發，在分析航天關鍵元器件應用風險屬性的基礎上，基于航天關鍵元器件應用風險之間存在交互關系，利用ISM-HHM組合方法對航天關鍵元器件應用風險進行識別和分析。

1 航天關鍵元器件應用風險屬性

目前，國內外學者對風險屬性并未有明確的研究界定，從人們對風險認知的過程和關注的要素出發，航天關鍵元器件應用風險屬性是指航天關鍵元器件應用風險內涵、風險特征和風險分類等要素的統稱[1]。

1.1 航天關鍵元器件應用風險內涵

航天關鍵元器件是航天型號的戰略性資源，是對航天型號性能提升起重大作用的關鍵器件[2]。航天關鍵元器件應用風險指：航天關鍵元器件的研制生產、裝機和使用等3個階段中產生的對其在航天裝備中的成功應用產生負面影響的不確定性，可用發生可能性和后果嚴重性進行表征。還可視為，關鍵元器件應用過程中導致其不能按質、按費、按期在航天型號中使用的因素發生的概率和產生的后果[3]。

航天關鍵元器件應用風險識別是對影響關鍵元器件在航天型號中成功應用的各種不確定性進行發現，主要識別可能影響關鍵元器件的風險因素和事件，貫穿研制生產、裝機和應用等三個階段，并涵蓋關鍵元器件設計、結構、工藝、材料等內在要素和工程中所需的人員、設備、方法和環境等外在要素。

1.2 航天關鍵元器件及其應用風險特征

1.2.1 航天關鍵元器件特征

航天關鍵元器件與一般的貨架元器件產品存在較大不同，具體特征如下。

a）技術復雜度高。相對一般元器件而言，航天關鍵元器件采用了大量的新設計、新工藝、新材料，決定了其技術復雜度高。

b）外協外購多、生產周期長。航天關鍵元器件的高技術復雜性和研制單位的技術專業性決定了航天關鍵元器件的生產過程需要大量的工序外協和原材料 （零件）外購，尤其是體制外的外協和外購，這也可能會導致航天關鍵元器件的生產不能完全自主可控，延長了航天關鍵元器件的生產周期。

c）需求量少，生產成本高。航天型號對航天關鍵元器件的需求量少，航天關鍵元器件只能小批量生產，難以形成規模效應，因此生產成本較高，生產單位維持航天關鍵元器件的穩定、及時供應存在一定風險。

d）質量保證難度大。航天關鍵元器件的高技術復雜性和航天型號的高質量、高可靠性要求決定航天關鍵元器件的質量保證技術不同于一般元器件，具有較大的難度。橫向看，不同專業元器件的技術特性不同，質量保證的要求和方法應有所不同。縱向看，由于不同型號的應用環境和應用條件不同，對同一專業航天關鍵元器件的質量要求也有所不同。

e）用戶了解少，應用經驗缺乏。核心電子器件從立項至驗收，用戶的作用主要體現在器件的試用上，缺少與研制單位的信息交流與溝通，參與程度不足，導致用戶對航天關鍵元器件的了解較少。由于首次在航天工程中使用航天關鍵元器件，用戶對器件的測試、裝聯、調試等應用過程缺乏經驗。

f）應用支持能力不足。當前航天關鍵元器件缺少專業化、規范化并可指導型號設計師應用的信息，不利于產品的工程應用。受限于國內工業基礎水平，生產廠在產品詳細測試試驗數據、應用案例等方面的信息往往比較少。

1.2.2 航天關鍵元器件應用風險特征

航天關鍵元器件特征決定了其在航天型號中的應用具有較大的風險，具體表現在以下幾方面。

a）風險不確定性大。航天關鍵元器件在航天工程中的應用包括生產、采購、質量保證、裝聯、應用等多個環節，未知因素多。同時，由于航天關鍵元器件的應用涉及到創新性的保證技術和應用技術，導致存在較大的不確定性。

b）風險后果影響大。航天關鍵元器件的應用風險如未及時識別和控制，會傳遞到整機或更高層次中，導致嚴重后果，引起較大的風險損失。如航天關鍵元器件無法正常供貨，如不及時采取措施，極有可能影響航天型號的進度。

c）風險損失關聯度高。航天關鍵元器件應用的各環節之間的關聯度很高，一個環節出現的風險很可能導致后續一系列工作產生連帶損失；另一方面，航天工程型號的進度、質量、成本等目標之間也存在關聯，一項目標的風險問題會影響工程其他目標的有效實現。

1.3 航天關鍵元器件應用風險分類

目前，國內外針對航天項目風險分類方法有很多種，常用的分類有：風險的可預測性、風險的影響程度、風險可管理性以及風險來源等[4]。航天關鍵元器件應用風險復雜且不易識別，為了更系統推進風險識別和管控工作的開展，參照一般航天項目風險的劃分標準，本文從風險來源維度，將航天關鍵元器件應用風險劃分為6類風險，見表1。

表1 航天關鍵元器件應用風險分類

2 ISM-HHM方法概述

航天關鍵元器件應用風險之間存在著一定的的交互關系，為了能夠系統識別這些風險，作者采用了解釋結構等級全息建模方法 （InterpretativeStructuralModeling-HierarchicalHolographic Modeling，簡稱 ISM-HHM）。ISM-HHM是由解釋結構建模 （ISM）和層次全息建模 （HHM）組合形成的一種創新的分析系統要素之間交互關系，并能從多維度、多視角展示系統特征和本質的方法[5]。ISM是研究要素之間具有交互關系系統的有效方法，它是利用圖論中的關聯矩陣原理來研究復雜系統的層次結構，以此來描述要素之間的交互關系，最終利用一個多級梯階結構圖來刻畫系統[6]。HHM最早是由美國人Haimes提出和發展的，它能夠把系統分解成多個子系統來分析研究，并且能夠確定大部分風險和不確定性[7]。ISM與HHM的結合，能夠系統地識別航天關鍵元器件風險及風險之間的邏輯。ISM最有價值的一點就是能夠清楚地表達系統風險之間的層次關系；HHM最有價值和關鍵的方面之一就是能夠捕捉和展現一個系統內在的特征和本質，被廣泛用于工程項目的風險識別之中。

3 基于ISM-HHM的航天關鍵元器件應用風險識別

3.1 解釋結構模型 （ISM）構建

在對航天關鍵元器件應用風險分類的基礎上，建立航天關鍵元器件應用風險的解釋結構模型。

3.1.1 定義風險因素之間交互關系

定義Cij為航天關鍵元器件應用風險因素之間交互關系，通常利用邏輯關系符號B、E、I、U表示。其中，B表示風險因素Si影響風險因素Sj；E表示風險因素Sj影響風險因素Si；I表示風險因素Si與風險因素Sj交互影響；U表示風險因素Si與風險因素Sj互不影響。Cij的計算公式如下：

通過風險專家組的研討，對上述6類風險交互關系進行比較判斷，風險因素之間的交互關系見表 2。

表2 航天關鍵元器件應用風險因素交互關系

由表2可知：進度風險S1影響費用風險S3和管理風險 S5；質量風險 S2影響管理風險 S5；技術風險S4受進度風險S1、質量風險S2和費用風險S3影響，并影響管理風險S5；管理風險S5影響進度風險S1和技術風險S4，并受費用風險S3影響；環境風險S6受進度風險S1、費用風險S3和技術風險S1影響。

根據上述判斷，建立航天關鍵元器件應用風險因素交互關系的鄰接矩陣A，其中，風險因素之間的關系用0和1表示，Si影響Sj或Sj影響Si，則為1，Si與Sj互不影響，則為0，具體如下：

3.1.2 根據鄰接矩陣計算可達矩陣

可達矩陣是指用矩陣形式描述有向連接圖各節點之間，經過一定長度的通路后可以達到的程度。可達矩陣R可由鄰接矩陣A經過布爾代數運算得到，A1=A+I，An=（A+I ）n， 當An=An-1時， An-1即為可達矩陣R，通過計算，A3=A4，航天關鍵元器件應用風險因素的可達矩陣R如下：

3.1.3 劃分區域、級間和強連通塊

根據可達矩陣，可計算Si影響的風險因素集合（可達集RSi（）），受Si影響的風險因素集合，記作前因集ASi（），以及兩者的共同集合，記作T=RSi（）∩ASi（），計算結果見表3。

表3 可達矩陣風險因素交互關系相關集合

由表3可知， 共同集合R（S6）∩A（S6）=A（S6）=S6≠φ，因此風險因素Si構成的系統中只有一個連通域。 根據R（Si）∩A（Si）=A（Si）的判定規則確定出最底層風險因素集合。通過計算，可以將上述6類風險因素劃分為3個層級，即L=｛L1， L2， L3｝， 其中， 連通域中最高級要素為L1=｛S3｝，L2=｛S1，S2，S4，S5｝，L3=｛S6｝。L2中的風險因素相互可達，屬于強連通塊。根據上述區域、級間以及強連通塊的劃分結果，可得航天關鍵元器件應用風險的ISM框圖，如圖1所示。

通過結構模型可知，航天關鍵元器件應用的環境風險位于解釋結構模型的底層，表明對S1、S2、S4、S5等風險因素均存在影響，在風險識別時要注意國家、政府和市場政策等的變化。屬于強連通塊，在風險識別時，要注意它們之間的交互影響。S3位于解釋結構模型頂層，表明S1、S2、S4、S5等風險因素均會對其產生影響。總體來說，航天關鍵元器件應用風險之間存在著直接或間接的交互關系，在風險識別時要注意關聯影響。

圖1 航天關鍵元器件應用風險的ISM框圖

3.2 層次全息模型 （HHM）構建

圍繞本文1.3中S1～S6等 6大類風險，構建多維度的風險識別框架模型 （HHM），以期進一步識別航天關鍵元器件應用風險因素。航天關鍵元器件應用風險識別HHM模型如圖2所示。

通過航天關鍵元器件應用風險識別框架模型（HHM），可以從管理、技術、質量、環境、進度、費用等視角進一步識別風險，并經過反復迭代的過程確定航天關鍵元器件應用風險的所有風險因素。

以技術風險和質量風險為例，構建二者之間的ISM-HHM框圖。首先確定S2與S4的HHM框圖如圖3所示。

然后將S4和S2作為初步識別的應用風險，根據3.1.1～3.1.3，構建航天關鍵元器件的ISMHHM框圖如圖4所示。

圖2 航天關鍵元器件應用風險識別HHM框圖

圖3 技術風險和質量風險的HHM框圖

圖4 技術風險和質量風險的ISM-HHM框圖

圖4反映的是在技術風險和質量風險視角下，航天關鍵元器件研制單位、保證單位、用戶單位在器件應用過程中可能發生的風險因素框圖。圖4是用來分析各風險因素的交互關系的，圖3是用來進行風險識別的。

各風險因素的交互關系：設備質量和原材料質量都會影響生產技術的實現，進而可能導致器件質量風險的發生，形成質量問題。此外，設備質量還會對保證技術、應用技術產生影響，而原材料質量和設備質量之間，保證技術、生產技術、應用技術之間不存在交互關系。

如需要識別更為系統的風險來源和受其影響的風險，可以在ISM-HHM基礎框圖的構架上，建立更多子系統風險的ISM-HHM框圖。

4 結論

航天關鍵元器件應用風險解釋結構模型（ISM）表明，航天關鍵元器件應用的6大類風險之間存在直接或間接的交互關系。通過構建不同風險類型視角下的航天關鍵元器件應用風險ISM-HHM框圖，可以刻畫不同風險類型中各子風險因素之間的關系，反映不同利益相關方所關注的重點。

航天關鍵元器件應用風險識別是復雜的系統工程，涉及技術風險、質量風險、管理風險等眾多風險因素，將ISM-HHM方法引入航天關鍵元器件應用風險識別之中，對于研制單位、保證單位和用戶單位等利益相關方日后的風險管控工作提供了重要支持。