大型武器装备系统成熟度评估及优化

梁 新，刘宝平，李凛然

(海军工程大学 装备经济管理系，湖北 武汉430033)

大型武器装备作为军队建设最重要的资源之一，既是军队战斗力形成和发展的重要物资基础，也是军队资源投入的阶段性成果，是国家军队实力、经济能力、技术发展水平乃至综合国力的集中体现。大型武器装备系统结构复杂、建设周期长、层次多、关键技术数量多、技术管理难度大、不确定性因素多，因此其采办过程中普遍存在“拖进度、涨费用、降性能”等问题。

为此，英美等国提出了系统成熟度评价(system readiness assessment，SRA)算法，以整个系统为研究对象，在一般技术成熟度评价(technology readiness assessment，TRA)的基础上，引入关键技术之间的集成关系进行集成成熟度评价(integration readiness assessment，IRA)［1］。但从目前研究成果来看，现有的SRA 算法中虽然引入了集成的概念，却没有区分各项关键技术的重要程度、系统内部的结构关系及在面临成本与进度约束条件下的优化问题，因而其评价结果的合理性、准确度需要进一步提高。

1 相关概念界定与发展

早在20 世纪70 年代，美国国家航空航天局(NASA)引入了技术成熟等级(technology readiness level，TRL)的概念，将其作为一个项目性能系数来标定该空间项目中新技术的完备情况，实现项目相关人员之间的有效沟通与交流。最初，NASA 提出的TRL 分为7 级，1995 年修订为9 级，1999 年美国国防部开始使用TRL，2001 年TRL 被美国国防部纳入武器采办条例，并以《技术成熟度评价手册》形式发布。其主要是通过将武器装备采办项目中的关键技术从发现并掌握原理到该技术在系统中的成功应用划分为不同的等级，达到清晰描述武器系统的开发状态和技术风险的目的，进而为项目科学管理和决策提供依据。同时，还提出了制造成熟度(manufacturing readiness level，MRL)等概念。根据美国国防部2009 年发布的《technology readiness assessment (TRA)desk book》［2］，技术成熟度划分及含义如表1 所示。

表1 TRL 各等级描述

由于技术成熟度评价仅针对单项独立技术，对于涉及多项技术的大系统无法进行系统描述及客观反映出技术的集成效应。而在多系统交互广泛存在的现代武器装备系统中，整个武器装备系统的成熟度不仅取决于介入系统独立部分的技术成熟程度，而且取决于各部分之间集成技术的成熟程度。因此，对于单项技术的技术成熟度，系统集成技术对整体而言同样重要。集成成熟度(integration readiness，IR)是一个系统集成的概念，指不同技术之间进行集成时，在相同环境下完成既定功能的状态，该状态一般通过集成成熟等级(integration readiness level，IRL)来进行评估。集成成熟等级主要是通过两项技术之间的可集成状态和水平进行划分，是一个从系统集成角度评估不同技术接口相互作用、影响效应的系统标准。GOVE［3］对集成成熟等级的描述如表2 所示。

表2 GOVE 对IRL 等级描述

系统成熟度(system readiness，SR)是对系统发展状态的描述，既包括相关关键技术的发展状态，也包括技术的集成水平、制造生产水平等因素。美国国防部主要采用系统成熟等级(system readiness level，SRL)进行评估，常用系统成熟等级指标是利用TRL 和IRL 通过相关算法实现对系统技术成熟度定量评估。类似的评估方法有集成技术分析方法(integrated technology analysis methodology，ITAM)、系统集成成熟等级(systems integration readiness level，SIRL)等［4］。

2 基本框架分析

大型武器装备是由众多子系统按照一定的系统结构形式构成的多功能整体。对于每一型具体的大型武器装备而言，都会有多项关键技术成为制约装备达到既定战技性能指标的难点，这也是进行技术成熟度评估的重点。同时还必须考虑相关技术、子系统之间的集成成熟度。综合考虑大型武器装备的构成、技术成熟度水平，可构建具体的评估框架，如图1 所示。

图1 大型武器装备系统技术成熟度评估与优化框架图

图1 中大型武器装备作为子系统的有机集合，由n项子系统组成，共涉及到m项关键技术，关键技术与子系统之间可以通过关系流程图或矩阵关系形式表达。

根据上述分析评估基本框架，大型武器装备技术成熟度评估优化过程可分为如下7 个步骤：①确定系统边界和构成系统的主要组成部分及关键技术。界定武器装备的对象，主要包括子系统组成及关键技术的确定，可采用价值中心法(value-focused thinking，VFT)等方法进行具体分析。②构建武器装备系统的框架结构，重点在于分析子系统之间的集合关系，将矩阵关系图转化为结构分析图。③构建各子系统内部技术结构图，针对具体关键技术及集成关系，依据9 级成熟度标准，重新定义并制定具体的技术成熟度和集成成熟度评判标准细则。④依据评判标准细则，确定当前关键技术成熟度与技术之间的集成成熟度。⑤计算各子系统技术成熟度。⑥根据各子系统技术成熟度和系统具体框架结构情况，计算武器装备的系统技术成熟度。⑦根据成本、进度约束进行系统优化与决策。

3 系统成熟度评估与优化模型

笔者重点分析系统成熟度的评估与优化模型，因此假定系统界定、关键技术的选取及系统结构图等前期基础工作已经完成。

3.1 子系统技术成熟度评估

3.1.1 技术成熟度评估

单项技术的技术成熟度评估是系统成熟度分析的基础。假定在子系统h中共涉及n项关键技术，按照该子系统的系统结构图，由评判标准细则(与表1 类似，最高等级为p，表示该技术通过多次实际应用证明了其真实可靠，IRL 一般为9 级)已经确定各项关键技术的技术成熟度，则可以用n维向量TRL来表示各单项技术成熟等级水平，其为整个装备系统集成成熟等级矩阵的一部分。

式中，TRLi为第i项关键技术的技术成熟度等级。

3.1.2 集成成熟度评估

从系统集成角度，可对关键技术两两之间进行集成分析，建立子系统h的n×n维技术集成成熟等级矩阵IRL，其为整个装备系统集成成熟等级矩阵的一部分。

式中，IRLij为技术i与技术j之间的集成成熟等级，且IRLij=IRLji。

IRLij最高等级为q(与表2 类似，一般为9)。当IRLij为0 时，表明在子系统中技术i与技术j无集成关系;当IRLij值为q时，表示技术i与技术j在整个系统里完全协调，无相互影响功能，且不需后续的集成开发;技术i与自身集成时IRLij值为q。

3.1.3 子系统技术成熟度评估

子系统h技术成熟度是n维向量TRL与n×n维技术集成等级矩阵IRL的函数。由于TRL取值范围在［0，p］，IRL取值范围在［0，q］，故需进行标准化处理［5］，即：

式中：Ti为第i项关键技术的技术成熟度等级标准化值;Iij为技术i与技术j之间的集成成熟等级标准化值。

子系统h成熟度以向量形式表示为：

由于每项关键技术在子系统h结构中所连通的节点数量不同，即具有集成关系的技术数量不同，需要进行标准化处理，可表示为：

式中：S为子系统h的系统成熟度标准化向量;ki为子系统h中与技术i具有集成关系的技术的个数(包含技术i)。

因此，子系统h的技术成熟度可表示为：SRLh=

3.2 系统成熟度评估

3.2.1 子系统技术成熟度向量

假设该大型武器装备系统中共包括l项子系统。按照上述评估过程，可以得出综合各个子系统的系统成熟度向量［6］，即：

式中，SRLi为第i项子系统的技术成熟度。

3.2.2 权重确定与系统成熟度评估

对于子系统在整个系统中的重要程度可以用其连接的其他子系统的多少来表示。因此，可以将上述系统框架结构图转化为反映各子系统的相互依赖关系的连接图［7］，如图2 所示。

图2 系统各子系统连接图

图2 中，由子系统S1到子系统Sl的单向箭头表示S1支持Sl，或者说是Sl依赖于S1，但S1不依赖于Sl。子系统S2到子系统Sl的双向箭头表示两者之间相互依赖。从连接图可以得出整个系统的连接矩阵A，如表3 所示。

表3 各子系统连接矩阵A

表3 中，第一行和第一列分别表示系统对应的各子系统。矩阵的每一行元素表示该行对应的列子系统对对应相应行子系统是否有连接支持关系，如果列子系统有连接线发出，行子系统有连接线箭头进入，则该元素为1，表示列子系统对对应相应行子系统有连接支持关系;如果该元素为0，表示列子系统对对应相应行子系统无连接支持关系。通过该矩阵，可以直观地用每一行元素的和来评估该行对应行子系统在整个装备系统中的作用大小。但每行的和只是简单地考虑了列子系统与其他子系统的直接连接支持关系，未考虑间接连接支持关系，为了更加客观、有效地评估，应用矩阵特征向量方法来处理。

由于连接矩阵A为l×l的非负矩阵，根据庇隆·佛罗本缪斯定理，若矩阵A≥0，则A有一非负实特征值等于其谱半径，与该特征值相对应有一非负特征向量。若A不可约，则该非负实特征值及对应特征向量均为正。因此，对于连接矩阵A，总可以找到唯一非负向量P≥0，使之满足：AP=λP。其中：λ 为连接矩阵A的主特征值;P为与λ 对应的标准归一化主右特征向量。P≥0则表示向量P的每一个分量Pi≥0，标准归一化则表示Σl i=1Pi=1，因此，可以用主特征向量P表示协同集成指数，每一个分量Pi即为对应列子系统的协同集成指数。

子系统对于系统的贡献权重，除受该子系统贡献指数影响外，还受到各子系统对其他子系统的依赖程度影响。可继续借用已构建的连接矩阵A，利用其转置矩阵AT来求解各子系统的依赖指数，如表4 所示。

转置矩阵AT与连接矩阵A表示含义类似。按上述方法，根据AT主特征值和对应标准化的主右特征向量来确定各个子系统的依赖指数［8］。依赖指数可用向量L来表示。

表4 各子系统连接转置矩阵AT

由于系统中各个子系统的权重有两个决定性因素，即该子系统对整个系统的协同集成贡献和该子系统对其他子系统的依赖程度。因此，各子系统的标准化权重可以表示为：

因此，系统成熟度评估值可表示为：SRL=

3.3 优化分析

装备建设发展不仅受到技术因素的影响，还受到成本与进度的影响［9］。因此，综合考虑成本与进度约束条件，可以进行系统优化，并为潜在领域开发的优先顺序提供直接指导。基本模型为：

通过上述模型，可以计算出既定条件下的系统所达到的潜在系统成熟度水平，也可为追加投资情况下发展路径的选择提供决策依据。

4 结论

通过TRL 评估，可以较好地确定单项技术的成熟程度，有助于掌握系统技术状态，制定超前技术规划，从而形成技术储备。但现代武器装备的系统集成度越来越高，还必须考虑技术集成过程的接口、性能及适应性等因素，降低技术集成对系统带来的不确定性影响［10］。SRL 不仅考虑到关键技术的成熟度，还注重不同子系统功能的联系，包含了各子系统之间的集成情况及全系统的成熟状态，是系统成熟程度的综合评估。SRL 不仅可以为装备发展过程中的技术路径选择、降低技术集成风险提供决策依据［11］，同时通过持续SRA分析，为装备系统发展过程中的阶段转移提供参

考，在实际应用中得到了较好的效果。

［1］ 卜广志.武器装备体系的技术成熟度评估方法［J］.系统工程理论与实践，2011(10)：1994 -2000.

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