装备研制技术风险流传导与耦合过程的CFD模拟*

汪 送，战仁军，袁 博

（1.武警工程大学装备工程学院，西安 710086；2.空军装备研究院总体所，北京 100076）

装备研制技术风险流传导与耦合过程的CFD模拟*

汪 送1，战仁军1，袁 博2

（1.武警工程大学装备工程学院，西安 710086；2.空军装备研究院总体所，北京 100076）

装备研制中风险间的相关性导致风险传导与耦合的产生，为深化对技术风险动态传导效应和非线性耦合机理的认识，探索研制技术风险管理与控制的有效思路或工具，在对风险传导与耦合进行定义的基础上，给出了装备研制中的风险传导模式，基于CFD技术对两种不同的耦合模式进行了数值模拟，结合仿真结果分析了风险的耦合机理，所提方法对于揭示装备研制技术风险传导与耦合规律有一定的促进作用，为下阶段求解关键风险因子间的关联关系奠定了良好基础。

装备研制，技术风险，风险传导，风险耦合，CFD模拟

0 引言

面对错综复杂的国际局势和日趋紧张的周边环境，努力发展和壮大国防实力，不断研制和更新具有高技术含量的重大国防装备是我国和平、稳定与发展的重要保证。重大装备研制具有高新技术含量大、研制成本高、研制周期长、涉及层次高、影响层面大等特点，也因此决定了其高风险特性。研制风险主要包括技术风险、进度风险、费用风险、管理风险等。技术风险通常定义为所研制的项目在规定时间内、在一定的经费保障条件下达不到战术、技术指标要求的可能性，或者说研制计划的某个部分出现意想不到的结果，从而对整个系统效能产生有害影响的概率及后果［1］，技术风险一般由研制过程中的技术因素所导致。研制技术风险所产生的风险事件是装备质量下降、装备性能降低、研制进度拖延或研制费用超支，甚至研制失败［2］。技术风险的传导和耦合产生于风险因子的动态运动。

关于风险传导的研究主要集中在经济领域，叶厚元等［3］提出了风险的显性传导与隐性传导、收敛型与发散型风险传导概念，归纳了风险传导的增强模型、稳定模型、衰退模型及其特征，定性地解释了风险传导的复杂现象。邱映贵［4］认为基于供应链的财务风险传导要素主要包括：财务风险源、财务风险传导动力、财务风险传导载体和财务风险传导宿主。风险传导的方式包括：链式正向传导、链式反向传导、网络集中式传导和交互式传导。沈俊［5］指出了企业风险传导的重点问题，即风险传导中的风险识别是基础，风险传导中的风险估量是重点，风险传导载体的辨识和路径的判断是关键。陈剑辉［6］等引入弹性系数，以供应链企业间的价格为载体，通过Stackelberg博弈模型来分析生产商原材料价格风险向生产商和零售商传递的价格风险和利润风险。国外有关风险传导的研究，主要侧重于金融风险与危机等相关的研究。Taimu和Ilan研究了东亚金融危机中各国的风险传递；Kaminsky和Reinhart研究了信贷风险在不同国家之间的传递［7］。关于企业风险传导的研究报道还有很多，主要是通过理论分析从宏观方面进行概括和介绍，部分学者提出风险传导定量估量的问题（如文献［5］），建立有定性化的计算模型［8］。风险的评估方面多注重对单指标的估计和衡量，尚未考虑各个指标间的交互和耦合作用。而事实上，各种事故的发生并非只是单因素所致，因此，James J．H.Liou［9］提出了一种针对航线安全预测的综合模型，考虑了各个评价指标间的耦合交互影响。邓明然［8］等根据风险在传导过程中相互作用、相互影响的强度将风险传导分为稳态风险传导和非稳态风险传导两种类型，分析了各自的传导机理。当传导形式为非稳态传导时，风险间存有聚类和耦合作用。黎放［10］指出在各武器系统性能的相互耦合过程中，势必会产生许多不能确定的内部或外部的风险，风险影响的扩大会导致武器装备体系耦合性能的下降。

风险因子通过微观的传导、耦合、积累和放大，导致系统危险程度逐渐增加，通过对装备研制技术风险传导与耦合机理的研究，控制系统风险值的突变，对于风险的宏观管控、提高装备的研制成功率以及避免研制项目“拖进度、降性能、涨费用”的情形具有重大意义。

1 风险传导与耦合的定义

装备研制是根据军事需求、技术水平和开发能力，在时间和资源约束下，运用新技术、新材料、新工艺研制出满足一定战略、战术需求的新装备。吕建伟教授认为技术风险体现为研制的进度风险、费用风险和性能风险三者的组合，这3种风险间存有一定的关联，这种关联即风险的传导与耦合。

初始点风险通过有形物质或无形效应传输至系统的一系列点或面的过程称为风险传导，风险传导需要依托一定的传导载体和特定的传导路径。风险传导的载体就是不同属性风险因子间的关联性，传导载体的风险传导率与两者的关联程度密切相关。技术风险由静态的技术风险因子引发，随着风险的积累与放大，风险因子借助一定载体依附特定路径进行动态传导，传导过程中不同属性技术风险因子间，技术风险因子与其他风险因子间将出现不同规律的耦合与交互，导致相互影响、相互制约，这个过程就是风险的耦合。耦合导致系统风险值突变，从而大大降低装备研制的成功率。装备研制过程中，由技术风险导致进度拖延或费用超支实际上就是风险传导与耦合作用的结果。

2 传导模型的构建

根据热传导原理，热流Q与温度梯度dT/dz以及横截面积A成正比，有［5］

式中，k为热导系数。

同样，风险的传导与风险压力梯度△R=dR/dl，传导距离l，传导载体导险系数有关，风险传导量R可表述为：

结合装备研制实际，研制技术风险在各个传导节点间的传导方式主要有 1∶N（一对多）、M∶N（多对多）和N∶1（多对一）3种，其传导过程示意图如图1所示，整个研制过程中风险的传导则是上述3种方式的结合。一般而言1∶N传导方式将出现风险的分散，即初始风险值被多个后续节点所分担。在N∶1传导方式中，多个初始节点的风险值同时向一个中间节点传导，必然导致风险的聚合和放大，从而可能引发系统风险值的突变，造成较严重的后果，这也是需要重点管控的情形。而M∶N传导方式最为复杂，初始节点和中间节点间有着错综复杂的传导关系，传导过程中将出现风险耦合、积累、放大和突变等过程，研制中需要对其中的关键风险因子进行重点管控，切断关键的传导路径。

图1 装备研制过程节点间风险传导的主要方式

3 基于CFD方法的耦合机理分析

为探索图1（c）传导方式中风险的耦合作用过程，验证不同初始风险压力梯度、不同的传导路径长度对风险耦合特性的影响规律，构建了如图2所示的基于CFD技术的风险耦合模型，图中红色部分代表高风险压力梯度的初始风险节点，蓝色部分代表风险传导路径和耦合风险节点，节点的容积表示其具有一定的抗风险能力，传导路径的摩擦阻力表征路径的导险系数。利用FLUENT软件求解所构建模型的标准k和ε方程：

图2 基于CFD技术的风险耦合模型

研究风险的耦合效应，主要观察初始节点内高压风险的衰减过程，高压风险在传导路径和耦合风险节点内的变化过程，以及耦合风险节点内速度的突变规律。

通过求解耦合模式图2（a）的标准k-ε方程和VOF模型得到了如图3所示的不同风险节点的风险压力值和图4所示的耦合风险节点入、出口速度值。从图可知，压力值和速度值的变化都呈现出一定的非线性规律，随着压力值的减小，耦合风险节点出口速度不断增加。而当耦合风险节点两个入口速度值趋向相等时，出口速度值达到最大，出现了小幅度的振荡。耦合模式图2（a）的仿真结果表明：随着风险压力梯度的减小，风险传导速度不断增大，当两种风险的传导速度值趋向相等时，耦合风险传导速度达到最大值。

图3 不同风险节点的风险压力值

图4 耦合风险节点入出口速度值

考虑同等初始风险压力值和等长度风险传导路径，即耦合模式（b），得到如图5所示的等初始压力等长度传导路径下风险压力图5（a）和风险传导速度图5（b）的变化规律图。从图可知，虽然耦合风险节点初始时刻没有任何风险压力，随着前节点风险的传导与耦合，耦合风险节点的压力值甚至超过了前风险节点的压力值，而耦合风险传导速度一直高于入口节点速度。耦合模式（b）的仿真结果表明：当两种初始风险传导方向的夹角小于90°时，风险间表现为正耦合，即耦合后的速度值将高于任何入口风险节点的速度值。

图5 等初始压力等长度传导路径下风险压力（a）和风险传导速度（b）的变化规律

4 结论

为深化对装备研制技术风险传导与耦合机理的认识，本文在对风险传导与耦合进行定义，并给出装备研制风险传导的主要模式后，采用基于CFD仿真技术的方法对两种风险耦合模式进行了探讨，模拟结果表明，初始节点风险压力梯度的减小，导致风险传导速度的递增，两种风险传导速度值相等时耦合传导速度最大，此外风险的耦合与入口风险的夹角有关，即与两者的相关性有关。研究结果对于深化风险传导与耦合机理的认识以及下一步关键风险因子间关联关系的求解奠定了基础。

［1］万小朋，雷江利，侯赤.新一代军用飞机技术风险评估研究［J］.哈尔滨工业大学学报，2009，56（3）：243-245.

［2］陈明，林桂娟.复杂产品研发技术风险管理研究与应用［J］.同济大学学报（自然科学版），2009，37（8）：1090-1095.

［3］叶厚元，洪菲.不同生命周期阶段的企业风险传导强度模型［J］.武汉理工大学学报，2010，32（6）：437-441.

［4］邱映贵，冯自钦，程国平.供应链视角下企业财务风险传导机理与模式研究［J］.财会通讯，2010，31（1）：151-153.

［5］沈俊，邓明然.基于热传导原理的企业风险传导研究［J］.武汉理工大学学报，2006，28（9）：37-40.

［6］陈剑辉，徐丽群.弹性系数在供应链风险传导研究中的应用［J］.安徽农业科学，2007，35（1）：313-314.

［7］ KAMINSKY.Reinhart，oncrises，contagion，and confusion［J］.Journal of International Economics，2000（51）145-168.

［8］邓明然，夏喆.基于耦合的企业风险传导模型探讨［J］.经济与管理研究，2006（2）：66-68.

［9］JAMES J H L，TZENG G H，CHANG H C.Airline safety measurement using a hybrid model［J］.Journal of Air Transport Management，2007（13）：243-249.

［10］黎放，王悦，狄鹏.武器装备体系作战能力评估中的耦合风险研究 ［J］. 系统工程与电子技术，2008，30（11）：2204-2206.

CFD Simulation of Equipment Development Technical Risk Conduction and Coupling

WANG Song1，ZHAN Ren-jun1，YUAN Bo2
（1.School of Equipment Engineering，Engineering University of Armed Police Force of China，Xi’an 710086，China；2.Institute of Macro Demonstration，Equipment Academy of Air Force，Beijing 100076，China）

In order to deepen the cognition of technical risk dynamic conduction and non-linear coupling mechanism in equipment development，the effective method or tools for development technical risk management and control is sought after.On the basis of defining the risk conduction and risk coupling，the main risk conduction pattern in equipment development is offered.Based on CFD technology simulate two of the risk coupling pattern，the simulation results to analyze the risk coupling mechanism is combined.The said method has some stimulative effect in opening out risk conduction and coupling mechanism in equipment development，and it establishes good basis for the study on correlative relationship between key factor of risk conduction and coupling.

equipment development，technical risk，risk conduction，risk coupling，CFD simulation

F204

：A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.06.003

2016-05-09

：2016-06-06

国家自然科学基金资助项目（71401179）

汪 送（1984- ），男，湖南衡阳人，工学博士，讲师。研究方向：装备系统工程。

1002-0640（2017）06-0010-03