快速響應運載火箭效能評估研究

何定洲，王 碩，朱 勇，沈敦亮

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

快速航天發(fā)射以軍用為牽引，以商用為助推，具有快速響應、較低成本、靈活發(fā)射等特點，可有效提升人類進入探索、開發(fā)、利用太空的能力，有力促進了航天業(yè)的快速發(fā)展[1]。在此過程中，對快速發(fā)射航天系統(tǒng)的高效、低成本使用效能提出了更高的要求。如何獲得快速響應運載火箭發(fā)射系統(tǒng)（以下簡稱：快響火箭）有針對性的效能評估結果成為亟待解決的問題。

評估就是評議估計；評價是指對事物的價值、地位、作用等方面做出判斷的一種活動，是依據(jù)特定的標準、規(guī)則對客觀事物做出價值判斷的過程。本文以技術程序和使用活動剖面為線索，對復雜的航天發(fā)射系統(tǒng)要素進行梳理，建立邏輯嚴密、結構清晰的快響火箭的指標體系。借助A.D.C方法的基本思想，將使用能力、技術能力、保障能力分別與可信度、固有能力、可用度[2]相對應，綜合應用指數(shù)模型分析法和層次模型評價方法，得出評估結果，為快響火箭系統(tǒng)提供有效的評價參考依據(jù)。

1 評估模型的選擇

較為常用的評估方法有：A.D.C法、指數(shù)法、德爾菲法、層次分析法、模糊綜合評價法[3]等。指數(shù)模型分析法結構簡單，易于使用，同時效能評估是建立在裝備技術性能指標基礎上，避免了諸多不確定因素的影響，從而增強了評估的準確性[4]。層次模型分析法特別適合于將復雜系統(tǒng)的內(nèi)部聯(lián)系轉化為清晰的層次結構，兼顧定量計算和定性分析，是解決多準則和多目標決策問題的有效方法[5]。

因此，本文結合指數(shù)模型分析法和層次模型分析法，對快響火箭的效能評估模型進行設計。

1.1 指數(shù)模型

借助A.D.C方法的基本思想，快響火箭效能作為頂層指標（E），效能評估指數(shù)模型的3層指標定義為：

a）X為第1層指標，包含：A（使用能力），D（技術能力），C（保障能力）；

b）Xi為第2層指標，為能夠表征X的第i項指標；

c）Xij為第3層指標，為能夠表征Xi的第j項指標。

設：μx代表X相對于E的權重值；μxi代表Xi相對X的權重值；μxij代表Xij相對于Xi的權重值。xμ、μxi、符合以下條件：

第2層指標的指數(shù)評估公式為

第1層指標的指數(shù)評估公式為

快響火箭效能的頂層指標即為

1.2 層次模型

利用層次模型分析法，把快響火箭效能評估決策問題分解為各個組成要素，并將這些要素按支配關系分組形成一個包含目標層、準則層及方案層的遞階層次結構。通過判斷矩陣并計算權重向量的方法，依次計算不同方案層相對于每一準則的權重，計算準則層相對于目標層的權重，最終將兩類權重進行綜合，得到不同方案相對于效能評估決策目標的權重排序，為決策提供量化依據(jù)[6]，是一種結合了定性分析和定量分析的評估方法[7]。

2 效能評估相關指標體系的建立

按照快響火箭的使用程序，理清其使用狀態(tài)的轉換規(guī)律，再從狀態(tài)轉換過程細化出所有活動剖面，在每個活動剖面提取出相應指標。最后對眾多指標進行分類歸納，形成效能評估指標體系的層次結構模型。

2.1 使用活動剖面分析

首先，根據(jù)快響火箭發(fā)射使用程序，從驗收交付到完成發(fā)射，主要處于貯存、待發(fā)、發(fā)射及維修狀態(tài)。其使用程序及狀態(tài)轉換情況如圖1所示。

圖1 狀態(tài)轉換程序Fig.1 State Converter

從使用狀態(tài)轉換程序可知，其使用狀態(tài)包含的活動剖面有：貯存、待發(fā)、發(fā)射、維修及其他。在此基礎上進一步細化活動剖面，可得快響火箭的使用活動剖面如圖2所示。由圖2中可知，快響火箭的使用活動剖面可歸納為：使用保障活動、預防性維修保障活動及修復性維修保障活動。

圖2 使用活動剖面Fig.2 Use Active Profiles

2.2 指標體系構建

以快響火箭的使用活動剖面為基礎，可以將其效能相關指標歸納為3類基礎能力指標：使用能力指標、技術能力指標和保障能力指標。以此作為一級指標，構建快響火箭的三級效能指標體系如圖3所示。

圖3 效能指標體系Fig.3 Performance Index System

根據(jù)快響火箭的效能指標體系，將指標體系進行表格化層次劃分，并對各層次指標進行符號定義，如表1所示。

表1 效能指標體系層次Tab.1 Hierarchy of Performance Index System

續(xù)表1

2.3 評估指標相對值的計算方法

逐一分析評估指標的實際物理意義，考慮實際使用過程中指標的相關因素，將指標用歸一化的數(shù)學公式表達出來。以使用能力（A）-易用性（A1）-轉載吊裝（A11）為例，分析過程如下，其他指標照此計算，不再贅述。

a）使用能力（A）指標表征的是運載火箭系統(tǒng)在實際使用過程中的使用性能和使用感受，主要與火箭系統(tǒng)的易用性、實用性、耐用性指標相關。

b）易用性（A1）指的是火箭系統(tǒng)更容易、更方便的操作使用和維護保養(yǎng)，更簡潔的用戶界面、更少的操作項目和人工干預環(huán)節(jié)，更低的人員素質要求，核心是“好用”。

c）運載火箭的吊裝轉載（A11）操作性是對其吊裝操作工序的復雜程度、吊裝操作工序執(zhí)行時間的評價，其指標一般為火箭吊裝轉載時間。

一般來說，吊裝轉載自動化程度越高、操作項目越少、操作時間越短，指標相應較高。因此，吊裝轉載指標定義為

式中η為吊裝轉載操作自動化率；Nc為吊裝轉載操作項目；tci為第i項吊裝轉載操作時間；Nm為吊裝轉載最多操作項目；tm為吊裝轉載最長單項操作時間。

按照式（4）進行計算，得出快響火箭使用效能底層指標的相對評估值，且均為0～1之間進行歸一化后的數(shù)值。既保證了指數(shù)模型計算的便利性，又便于根據(jù)數(shù)值所在區(qū)間開展隸屬度評價。

快響火箭效能指標的相對值可概括為以下幾種類型：

a）有具體指標數(shù)值的，通過不同指標數(shù)值的相對大小進行對比得到；

b）時間指標有所差別，如貯存期指標為越長則數(shù)值越高，而發(fā)射準備時間為越短則數(shù)值越高；

c）環(huán)境適應性指標，通過耐受環(huán)境極值、相對范圍值對比得到；

d）操作性指標通過操作項目數(shù)量和操作難易程度進行綜合對比得到；

e）難以量化對比的指標，通過專家咨詢的方式進行綜合對比得到。

3 評估計算

選擇某型快響火箭的在役型號（E1）、改進型（E2）和新一代（E3）3個子代型號作為評估對象，在分析并建立其指標體系的基礎上，采集了5位專家打分數(shù)據(jù)，按照指數(shù)模型和層次分析模型進行計算。

3.1 指數(shù)模型計算

首先通過設計七標度專家打分表，經(jīng)專家打分，統(tǒng)計得到某指標相對于上一級指標的重要程度兩兩對比結果。再應用層次分析法，求解得到每層指標相對于上層指標的權向量，每個分量即為該指標在本層所占的權重。

根據(jù)專家打分表得到的七標度矩陣統(tǒng)計結果，使用冪法，求解層次分析法七標度矩陣的特征值，按照專家評分進行平均后，給出各指標相對于上一層次指標的權重值。

取5位專家對3個層次權重占比數(shù)據(jù)的平均值作為快響火箭效能指標的權重值。

通過每一層級指標與其權重值的合成，成為上一級指標能力值的組成部分，逐層向上，形成最終效能評估值。按照式（1）～（3）進行計算，快響火箭3個子代型號的最終效能評估值為：E1=0.8682，E2=0.7925，E3=0.8776。

3.2 層次分析模型計算

文獻[5]中基礎理論描述，在指數(shù)模型計算中使用的5位專家七標度打分表基礎上獲得了層次間權重值，作為各層級權向量使用。再由指標對比和專家打分綜合得到的最低層指標相對評估值可作為隸屬度評價的基礎數(shù)據(jù)使用，根據(jù)相對評估值所處的不同區(qū)間建立快響火箭的評語等級論域如下：

式中{好}對應相對評估值0.8～1.0；{較好}對應相對評估值0.6～0.8；{中}對應相對評估值0.4～0.6；{較差}對應相對評估值0.2～0.4；{差}對應相對評估值0～0.2。

選擇了五段式線性函數(shù)的方式來構建隸屬度函數(shù)，根據(jù)相對評估值的所在區(qū)間構建5種隸屬度函數(shù)，以更好的覆蓋論域集合。根據(jù)隸屬度函數(shù)，計算快響火箭效能指標的隸屬度評價結果。

在獲得隸屬度評價結果的基礎上，構建隸屬度評價矩陣；由三級綜合評價矩陣逐層向上，確定一級綜合評價矩陣，即得到單目標模型下的最終評估結果。經(jīng)過計算，快響火箭3個子代的評判等級的隸屬度分別為：

a）在役型號（E1）：40.7%、33.1%、17.4%、7.7%和1.1%；

b）改進型（E2）：34.6%，39.4%、16.8%、7.9%和1.3%；

c）新一代（E3）：48.6%，30.5%、12.4%、7.4%和1.1%。

根據(jù)最大隸屬度法則，在役和新一代型號屬于“好”的類別，改進型號屬于“較好”類別。

3.3 評估結果分析

從評估結果可見，可以認為：E3（新一代）效能最高，其次是E1（在役），最后是E2（改進型）。結合3個子代型號的指標狀況，可以得出如下規(guī)律：

a）新一代快響火箭保留了在役火箭的基本技術能力，同時兼有較高的保障效率、較低的故障率，特別是憑借優(yōu)異的效費比和簡單友好的操作使用特性獲得較高的評估值。

b）在役快響火箭以較高的維修效率、較短的發(fā)射和技術準備時間、較高的入軌精度、較低的保障需求以及較長的貯存期獲得了相對較高的評估值；

c）改進型快響火箭由于研制年代較久、設計考慮不充分，且改進型的重點工作側重于地面設備，技術能力相對落后，因此產(chǎn)品所獲得的評估值排名最末。

4 結束語

通過2種評估模型對同型火箭的3個子代的效能進行了評估，2種方法的評估結果一致，證明了快響火箭指標體系分析方法的正確性，并反映出不同的需求牽引對快響火箭的效能指標的全面影響，對后續(xù)快響火箭的研制論證及技術提升具有一定的借鑒作用