基于技術成熟度評價的裝備科研項目管理決策方法

史志富

(西安航空學院飛行器學院，陜西 西安 710077)

0 引言

裝備科研項目具有技術風險大、研制周期長，復雜程度高的特點，如果在立項研制過程中沒有對項目進行合理的評價和科學的分類，過早進入型號研制階段，可能會出現項目經費嚴重超支、研制工期嚴重延誤甚至中途下馬等情況，造成資金、人員、物力的巨大浪費，甚至失去發展機會。同時，對于科研管理來說，不同類型項目其立項依據、研究內容、實施方案、預期成果、驗收方法等也具有不同的特點，在科研管理上應有相適應的管理方法和重點，這樣才能提高科研管理的準確性和科學性。因此，在裝備科研項目管理過程中，必須建立規范的分類評估體系，對項目進行風險分析和控制，保證項目成功[1]。

在影響項目成敗的重要因素(如技術風險、管理風險、人力風險和環境風險)中，技術風險占總風險比例約70%。關于對技術風險的管控，美國在20世紀70～80年代就開展了技術成熟度評估(Technology Readiness Assessment，TRA)的相關研究，并將其應用于航天技術評估[2]。進入21世紀，美國國防部在武器采辦條例中加入了技術成熟度標準，并形成了一套系統化的評價方法和操作程序。我國在20世紀90年代后期開始將技術成熟度理論與方法引入軍工科研單位項目管理，并在此基礎上相繼提出了系統成熟度、項目成熟度和集成成熟度等理論和方法。目前，技術成熟度已得到我國裝備發展管理部門、裝備研制部門和裝備使用部門的重視，成為項目分級評估的重要方法[3-4]。

1 技術成熟度及評價方法

1.1 技術成熟度的等級定義

技術成熟度反映了技術能夠滿足研制目標和要求的程度。在裝備科研項目研制過程中常根據GJB 7688—2012判斷某些技術的技術成熟度。技術成熟度等級及其定義見表1[5]。

表1 技術成熟度等級及其定義

1.2 關鍵技術元素的技術成熟度評價流程

技術成熟度評價是指依據技術成熟度等級的判定標準，通過嚴謹的科學評價體系和流程對項目或產品中的各個關鍵技術進行評判。關鍵技術元素的技術成熟度評價流程如下：

S1：關鍵技術的識別。針對裝備科研項目進行WBS工作結構分解，依據關鍵技術確定原則對WBS自上而下進行梳理，逐一列出關鍵技術，建立系統關鍵技術列表。

S2：建立技術層次結構圖。確定系統、分系統、關鍵技術之間的縱向包含關系。

S3：依據技術成熟度等級的判定規則，從技術、制造和管理三個方面進行單項關鍵技術元素的成熟度等級判定。

S4：依據技術成熟度綜合評價模型，對各關鍵技術元素的成熟度進行綜合評價，得到待研裝備科研項目的技術成熟度。

裝備科研項目技術成熟度評價流程圖如圖1所示。

圖1 裝備科研項目技術成熟度評價流程圖

2 基于技術成熟度的綜合評價模型

2.1 裝備科研項目技術指標體系的建立

在某裝備科研項目進行綜合評價過程中，首先需要建立相應的評價指標體系。指標體系的建立可以采用層次分析法，即對待評價項目按照從上向下的順序進行分解，將裝備科研項目分解成各個子系統，子系統之間互不交叉，子系統Ui的集合構成一級評價指標集，記作U={U1，U2，…，Um}。在子系統下識別出所有關鍵技術作為二級評價指標，關鍵技術與子系統之間為父子關系，第i個分系統的二級評價指標集，記作Ui={Ui1，Ui2，…，Uij}。裝備科研項目評價指標遞階層次結構示意圖如圖2所示。

2.2 基于AHP的指標權重計算模型

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一種系統分析方法。首先，將復雜決策問題按照組成架構分解為若干個要素，并將這些要素按相互之間的支配關系建立遞階層次結構；其次，對要素進行兩兩比較，確定每個要素對于上一層級要素的相對重要性[6]。其基本步驟如下：

(1)構造評價對象的遞階層次結構。對于一個復雜決策問題，通過綜合分析，確定若干個與問題有關的因素。根據這些因素概念之間的隸屬關系以及重要性級別，分成不同的層次進行排列，形成一個層次結構。

(2)構造兩兩比較判斷矩陣。對位于同一層級的要素進行兩兩比較，衡量其對上一層級中某要素的相對重要性，公式如下

(1)

其中aij表示對于上層元素A0，因素Ai與Aj相對重要性的數值。該數值可參照Saaty提出的9級標度法，兩兩比較法的標度見表2。

表2 兩兩比較法的標度

(3)計算判斷矩陣A的特征向量ω和最大特征根λmax。可采用根法進行如下近似計算。

首先，計算判斷矩陣每行中所有元素的幾何平均值，公式如下

(2)

其次，將ωi歸一化，公式如下

(3)

將特征向量歸一化，得到的向量ω=(?1，?2，…?n)T可視為同一層級中各要素對于上一層次某要素的相對重要性權重排序。

最后，計算判斷矩陣的最大特征值，公式如下

(4)

(4)一致性判斷，分析權重選擇的合理性。其計算方法是計算判斷矩陣的相容性指標，再根據隨機一致性指標計算判斷矩陣的一致性指標。

相容性指標為CI，可用λmax-n的關系來界定偏離相容性的程度，公式如下

(5)

若判斷矩陣A相容，則λmax=n，否則λmax>n。

隨機一致性指標RI表示一致性可接受的程度。1～10階矩陣的隨機性指標數值見表3。

表3 隨機性指標數值

于是，可得一致性指標CR，公式如下

(6)

當滿足一致性時，構造的判斷矩陣的CI值應遠小于RI ，故一般可以根據CR≤0.1來判斷。若滿足則認為判斷矩陣符合一致性要求，權重向量ω與實際較為符合，否則，需要重新建立判斷矩陣。

2.3 基于灰色綜合評估的評判模型

在復雜系統評價時，會存在信息的不完備、不清晰、不正確等問題，基于數據進行解析的評價方法會存在評價結果不能反映客觀真實情況的問題。因此，可利用灰色理論將評價數據進行灰化，進而提高評估的準確性，灰色綜合評估已在諸如導彈武器系統[7]、能源系統[8]和環境系統[9]等復雜大系統中得到廣泛應用。

2.3.1 建立評價樣本矩陣

根據技術成熟度理論，將裝備技術成熟度分為9個等級，相應的分值為V={v1，v2…v9}其中vd為裝備技術成熟度所處的等級。采用專家打分法，設有k=1，2，…，p名專家根據技術成熟度等級評價標準分別對二級評價指標Uij進行打分，所有的得分dijk組成評價樣本矩陣，公式如下

(7)

2.3.2 確定評價灰類

確定評價灰類e=1，2，…，g，即確定評價灰類的等級數、灰類以及灰數的白化權函數。根據技術成熟度的劃分，本文灰類等級數為9個等級，定義第d灰類“De”，灰數?∈[e-2，e，e+2]，白化權函數為fe，公式如下

(8)

2.3.3 計算灰色評價矩陣

記rije為p個專家對評價指標Uij屬于第e個灰類的灰色評價權，公式如下

(9)

對一級評價指標Ui所屬指標Uij分別按照上式進行計算，可得Ui對應的灰色評價矩陣。

(10)

2.3.4 灰色綜合評價

根據Ui下各評價指標的權重，首先對Ui進行一級綜合評價，假設其結果記作Bi，則有

Bi=ωi·Ri=(bi1，bi2，…，big)

(11)

再根據一級評價指標的權重進行加權平均，可得二級綜合評價結果，假設記作B，公式如下

B=ω·R=(b1，b2，…，bg)

(12)

將灰色評價隸屬度歸一化后，再由成熟度評分標準，可得裝備科研項目的成熟度評分值：

E=int(BVT)

(13)

3 基于技術成熟度的科研階段判定準則

對于一個裝備科研項目，其完整的研究過程應包括技術預研、立項論證、工程研制、設計定型和生產定型等階段[10]。在技術預研階段，主要是對裝備關鍵技術進行分析、建模和仿真，此時技術還沒有明確的應用背景或者雖有應用背景但技術還無法直接應用，其技術成熟度在4級以下；在立項論證階段，其技術成熟度在4～5級，此時主要關鍵技術已經得到解決或經過實驗室驗證，可以立項進行原理樣機的研制，進行功能、性能和技術的集成驗證；在工程研制階段，技術成熟度應達到6級以上，原理系統或重要子系統應已得到實驗室環境測試或實際環境的部分測試；在設計定型階段，技術成熟度應達到7～8級，則應已完成典型環境試驗，所有的功能和性能指標已完成考核；在生產定型階段，技術成熟度應到達8～9級，代表裝備已投入使用，進入批生產和使用保障階段，。科研階段與技術成熟關系表見表4。

表4 科研階段與技術成熟度關系表

4 案例分析

以某小型地面無人移動系統項目為例，在現有研究基礎上通過關鍵技術梳理，得到該項目的關鍵技術體系，某小型地面無人移動系統關鍵技術體系圖如圖3所示。

圖3 某小型地面無人移動系統關鍵技術體系圖

邀請5名專家對各關鍵技術成熟度進行打分，并對各指標的權重按照2.2節的打分方法進行打分，得到的技術成熟度評分與權重，小型地面無人移動系統技術成熟度評分表和指標權重分配表見表5與表6。

表5 小型地面無人移動系統技術成熟度評分表

表6 小型地面無人移動系統指標權重分配表

根據2.3的灰色評估模型，得到運動平臺系統、無線傳輸系統、任務控制系統的灰色評價矩陣，公式如下

由于運動平臺系統、無線傳輸系統、任務控制系統的權重系數分別為0.122 0，0.229 7，0.648 3，通過加權得到小型地面無人移動系統的灰色隸屬度為

R=(0，0.107 8，0.244 9，0.267 9，0.212 7，0.122 1，0.033 2，0.011 4，0)

由此得到小型地面無人移動系統的技術成熟度評分值為

TRL=4

根據基于技術成熟度的科研階段判定準則，可以認為該小型地面無人移動系統項目關鍵技術已經得到解決或經過實驗室驗證，可以立項進行原理樣機的研制。

5 結語

技術成熟度評價方法作為衡量技術發展程度，控制技術風險的有效手段，已在國防裝備領域得到廣泛的應用。本文針對裝備科研項目的立項管理，提出利用技術成熟度理論來衡量項目的整體技術成熟度，并對項目立項進行決策。建立了裝備科研項目技術成熟度的評價流程和評價模型，并結合實例驗證了方法和模型的適用性和可操作性。該模型和方法對能夠用于項目所處階段的判斷和決策活動，能夠控制技術風險，防止不成熟技術提前進入項目研制過程或成熟技術的重復研發投入，從而實現項目管理流程的優化。