基于模糊认知图的航天商业发射服务竞价影响因素分析

林 松, 刘小弟, 朱建军, 张世涛, 饶成龙, 于 亮

(1.南京航空航天大学 经济与管理学院,江苏 南京 211106; 2.安徽工业大学 数理科学与工程学院，安徽 马鞍山 243002; 3中国运载火箭技术研究院，北京 丰台区 100076)

0 引言

进入新世纪以来，世界各国加大航天领域扶持力度，从而使得航天技术迅速发展。以重复性运载、低成本、高效比为代表的运载火箭及其衍生产品成为当前国际商业发射服务市场追寻的目标。作为服务国家重大战略需求的航天商业发射产品与内容，代表了一个国家的综合科技实力。目前，国际商业发射服务市场竞争激烈。中国作为国际上少数几个掌握航天核心技术的国家，在运载火箭技术领域取得了许多重大突破，从而具有参加国际商业发射服务的实力。面对竞争激烈的国际商业发射服务市场，须研究国际航天商业发射服务流程、对手技术优势及市场状况，同时，也要认清当前我国航天发射的成本与技术现状。分析航天商业发射市场服务竞价的影响因素对拓展和维护国家战略利益、满足国际化航天商业发射竞争需求，具有显著的现实意义。

由于市场环境复杂，影响航天商业发射服务竞价的因素众多，因而制定出合适的价格是一项复杂的任务[1]。对于具体行业的定价影响因素探讨已引起了国内外学者的关注[2～4]。文献[5]研究了PPP项目定价影响因素。文献[6]研究了物流与运输行业定价影响因素。文献[7]研究了咨询服务行业定价影响因素。目前对于航天商业发射服务市场竞价的影响因素研究较少。与其它行业相比，航天商业发射服务市场竞价的影响因素既有共性也有其特性。共性表现在竞价影响因素相互关联，既有内部影响因素，也有外部影响因素；其特性在于航天工业涉及到国家安全与利益。由于航天商业发射服务竞价的影响因素复杂多样、相互关联，其规划与确定属于复杂的决策范畴。作为一种图模型，模糊认知图在解决复杂因素内在因果关联关系、模拟复杂系统、表达人类思维、整合专家知识及辅助决策等方面具有较强的知识表示与推理能力[8]，与传统推理方法如贝叶斯网络等相比，模糊认知图可以克服因素、属性等要求独立这样的限制[9]，且能表示Markov、树结构等难以表示的动态反馈因果系统[10]，因而在实际中得到了广泛应用。目前，模糊认知图已经被应用于环境评价[11]、化工检测[12]、医疗规划[13]、住房市场预测[14]、企业安全文化评估[15]等领域。本文运用模糊认知图对航天商业发射服务竞价的影响因素进行推理分析。首先，根据航天商业发射服务市场特点、影响因素划分原则等，构建竞价影响因素体系。其次，利用模糊认知图构建航天商业发射服务市场竞价影响因素分析模型。最后，根据各影响因素与竞价的灰关联度，判断影响竞价的关键因素，并通过与DEMATEL方法进行对比，说明本文方法的优越性。

1 基于灰色关联度与模糊认知图的竞价影响因素分析方法

1.1 模糊认知图

作为认知图[16]的一种拓展形式，模糊认知图引入模糊集理论，将概念节点间的值-1、1、0拓展到区间[-1,1]中，从而比认知图更能模拟现实世界的模糊性[17]。模糊认知图利用节点与有向弧表示概念间的因果推理关系，用以反映现实事物间的相互关系。由于其推理方式简洁明了、易于操作，在社会经济、管理、军事等各个方面得到了广泛的应用。

模糊认知图可以用一个四元组(C,W,X,f)表示，其中C={C1,C2,…,Cn}表示构成模糊认知图的概念节点集。W为模糊认知图的邻接矩阵，W:(Ci,Cj)→wij，wij∈[-1,1]反映了节点Ci与Cj间的因果关系强度。wij>0则节点Ci与Cj间存在正因果影响关系，即Ci的变化引起Ci同向变化；wij<0,则节点Ci与Cj间存在负因果影响关系；wij=0,则节点Ci与Cj间不存在相互关联的关系。X:Ci→xi表示节点Ci在k时刻的状态：X(k)=[x1(k),x2(k),…,xn(k)]。f:R→[-1,1]为阈值函数，以保证节点迭代值在允许范围内。

模糊认知图通过以下方式实现推理、预测：

(1)

其中wij表示概念节点间因果关系强度，X(k-1)=[x1(k-1),x2(k-1),…,xn(k-1)]为模糊认知图在第k-1时刻的状态，f(x)为sigmoid 函数[18]:

(2)

模糊认知图的状态空间事先由初始条件确定，通过函数f(x)的转换，最终系统达到稳定或循环状态，甚至出现混沌状态[9]。

1.2 灰色关联度

为分析航天商业发射服务竞价影响因素间的关系，同时考虑到灰关联在刻画事物相似性等方面的优越性，本文将灰色关联方法融入模糊认知图之中进行集成分析。灰色关联分析方法由我国学者邓聚龙教授提出，通过与特征序列间的相关程度，测算系统中因素间的关联程度。其思想是利用曲线之间的几何形状判断因素或序列间的相关度[10]。该分析方法无需样本满足特殊分布，并且对于样本量较少的情形也同样适用，因而在工农业生产等领域得到了广泛的应用。

设系统的行为序列与特征序列分别为Xi=(xi(1),xi(2),…,xi(n))(i=1,2,…,m)与X0=(x0(1),x0(2),…,x0(n))，则

(3)

其中

r(x0(k),xi(k))

(4)

称为序列Xi与X0的灰色关联度。ρ∈[0,1]，一般取ρ=0.5[19]。

对于航天商业发射服务市场竞价影响因素间的相互关系采用专家打分，按照[-1,1]之间的值确定各影响因素间的影响强度。正、负值分别表示因素间存在正、负因果影响关系，绝对值越大说明影响强度越大。为了得到较为全面、可靠的影响度值，邀请不同领域的专家进行评分，假设各专家权重相同，根据

(5)

(6)

1.3 决策步骤

本文提出了基于灰色关联度的模糊认知图分析方法，拓展了现有的分析方法，具有易于理解和推广应用的特点。基于模糊认知图与灰色关联度，下面给出航天商业发射服务市场竞价影响因素测算的具体步骤。

Step1通过专家问询、资料查询等方法确定航天商业发射服务市场竞价影响因素，并确定各影响因素初始状态。

Step2根据各影响因素特征，确定因素间的影响强度及各因素间的模糊认知图，并通过专家调研获得影响因素间的影响强度矩阵。

Step3根据式(1)、(2)，计算稳定值，确定系统稳定状态。

Step4根据式(3)、(4)，计算航天商业发射服务市场竞价与各影响因素间的灰色关联度， 确定影响竞价的关键因素。

2 案例分析

2.1 航天商业发射服务市场竞价影响因素

随着我国航天事业的不断发展，我国逐渐进入国际商业发射市场，作为重要的发射服务商提供对外商业发射服务。据相关机构预测，2015～2021年全球非地球同步轨道预计(NGSO)商业卫星需求接近200颗，近地轨道通信卫星约占38.5%；科学技术验证卫星占 26.7%；轨道运输(包括载货和载人)占 27.8%。随着运载火箭研制单位国际市场化程度的深入，运载火箭价格体系正逐步从计划价格管理向市场化价格管理转型，现有的价格体系难以适应市场化战略的实施，特别是难以适应国际化市场的竞争。面对国际化的商业发射市场，一方面要充分研究我国运载火箭的成本优势和技术优势；另一方面也要研究国际发射市场的市场营销、市场运作的方式和过程，按照国际商业发射服务的流程参与到国际发射服务的竞争中。为满足市场化、国际化的竞争需求，亟需设计适应国际发射服务市场的竞价因素和策略体系。作者梳理了与航空商业发射服务定价影响因素有关的参考文献，并整理出影响发射市场竞价的相关因素，见表1。

表1 航空商业发射服务市场竞价影响因素及参考文献

影响航天商业发射服务市场竞价影响因素众多。构建合理、完善的航天商业发射服务市场竞价影响因素体系是进行航天发射服务竞价的基础与前提。竞价影响因素的设计应能反映航天商业发射服务市场的现状，需综合考虑环境、成本、需求等各种要素。对航天商业发射服务市场竞价因素的划分要遵循如下原则：

(1)系统、合理性：航天商业发射竞价影响因素体系作为整体，应能反映航天商业发射服务市场特征，且有层次性结构。同时，能结合航天商业特点，选择合理、有代表性的影响因素。

(2)科学、简明性：航天商业发射竞价影响因素体系应能客观反映航天商业发射服务现状。影响因素应简洁明了，数量不宜过多，致使因素间重叠性过大；同时，数量又不宜太少，致使重要信息丢失，难以对航天商业发射服务市场进行客观评价。

(3)易于操作性：航天商业发射服务市场竞价影响因素体系应结合航天商业效益，即成本、社会需求、品牌、环境等特点，因素具有可度量性，以便资料的收集和选择合理有效的量化处理方法。

(4)动态灵活性：发射竞价影响因素体系能动态反映航天商业发射服务市场特征，随着形势的发展变化，影响因素体系可灵活调整与扩充，以反映航天商业发射服务市场现状。

影响航天商业发射服务竞价因素众多，需弄清与竞价相关的因素，并根据因素间因果关联关系进一步分析导致竞价成败的关键因素，从而为实际发射服务竞价作指导。通过与航天发射服务方面的专家问询及资料分析，并根据航天商业发射服务市场竞价影响因素划分原则，我们设计出竞价影响因素体系，见表2。

表2 航天商业发射服务市场竞价P影响因素体系

航天商业发射服务市场竞价P影响因素可划分为宏观环境影响因素C1、成本C2、市场需求C3、竞争需求C4、品牌因素C5等。其中宏观环境C1反映了航天商业发射服务市场所处的市场现状；成本C2是影响竞价的重要因素；市场需求C3反映了对航天商业发射服务的需求程度；竞争需求C4体现了航天商业发射服务市场竞争应具备的条件；品牌因素C5是航天商业发射服务市场竞争力的一个重要体现，反映了社会对航天商业发射服务的认可程度。各影响因素间并不完全独立，如良好的宏观环境C1会降低航天商业运营成本C2，而成本C2的降低在一定程度上会增强市场需求量C3；竞争需求C4的增强会相应提高产品的品牌C5效应。另外，各因素内子因素间也存在一定程度的关联关系，如宏观环境C1中，若政治环境C11良好，则经济C12、技术C13与社会环境C14也必然不差。成本C2中，研发C21与生产成本C22的增加必然会影响到运行C23与发射成本C24，见图1。其中的“+”、“-”分别表示影响因素间存在的正、负因果影响关系，如成本C2的增加，将引起市场需求C3的减少。

图1 航天商业发射市场服务竞价影响因素模糊认知图

2.2 基于模糊认知图的航天商业发射服务竞价影响因素分析

对航天商业发射服务竞价的影响因素进行分析，主要是为指导航天竞价提供参考。通过竞价因素分析建立影响因素预测模型，在辨识关键影响因素的前提下，提前应对，提高竞标成功率。模糊认知图基于不同概念的因果关联关系，并依据专家的先验知识进行分析、推理，以实现对航天商业发射服务竞价影响因素的识别。基于模糊认知图分析航天商业发射服务竞价的影响因素，具体过程如下：

Step1确定航天商业发射服务市场竞价影响因素及各影响因素初始状态。假设变量初始状态仅有启动与未启动之分，分别以1与0表示。竞价开始时P=0，宏观环境良好C1=1，成本较高C2=1、市场需求量大C3=1，竞争需求大C4=1，良好的品牌效应C5=1，则初始向量可表示为：

[C1,C2,C3,C4,C5,P]=[1,1,1,1,1,0]

(7)

Step2确定关联矩阵。根据航天商业发射市场服务竞价中影响因素模糊认知图，邀请五位来自不同领域的专家进行调研并通过式(5)获得因素间的影响强度矩阵W。

(8)

其中wij表示影响因素Ci(i=1,2,3,4,5)及竞价P间的影响程度。如w12=-0.1，表示宏观环境C1对成本C2具有负因果影响关系，即宏观环境C1的提升，必然会使成本C2有所降低。如技术环境C13的提高，可使得研发C21、发射C24等成本降低，而良好的政治C11、经济C12环境又在一定程度上使得生产成本C22有所减少，综合各专家意见，最终得到w12的值，其余wij类似讨论得到。

Step3计算稳定值，确定稳定状态。根据式(1)、(2)，考虑到计算的简便与各状态收敛的速度，取λ=1[15]，通过不断迭代得到系统稳定状态，见表2。

表2 航天商业发射服务市场竞价P影响因素状态

由表2可以看出，通过五次迭代，系统各因素达到稳定状态。其中成本C2的状态值降速最快，由第一次的0.6457减少到0.5859；其次是竞争需求C4，由0.5744减少到0.5393，并最终达到稳定。说明在航天商业发射服务竞价的影响因素中，成本C2与竞争需求C4是影响竞价的最为关键的因素，而品牌因素C5的状态值在迭代中未有变化，其对竞价的影响较小，说明大家不为“虚名”所动，更加关注航天服务的内在品质，这也与航天竞价实际相符。

Step4计算影响因素与竞价的关联度值。由表2可以看出迭代到第五次达到稳定状态：[C1,C2,C3,C4,C5,P]=[0.5250,0.5803,0.5057,0.5379,0.5,0.7458],若记：P(k)=[0.8808,0.7589,0.7463,0.7458,0.7458]T，作为特征序列。各影响因素序列作为行为序列，根据式(3)、(4)可得各影响因素Ci(i=1,2,3,4,5)与竞价P的关联度值分别为:R(P,C1)=0.8234,R(P,C2)=0.9624,R(P,C3)=0.7845,R(P,C4)=0.8525,R(P,C5)=0.7724,因此，R(P,C2)>R(P,C4)>R(P,C1)>R(P,C3)>R(P,C5)，即在航天商业发射服务市场中，影响竞价P的最主要的因素是成本C2，其次是竞争需求C4，见图2。

图2 航天商业发射市场服务竞价影响因素状态值

成本成为影响航天商业发射竞价成功与否的关键因素之一。随着国际航天商业发射服务市场日益激烈的竞争变化，低成本成为航天发射服务市场竞价成功的重要指标。目前，国际上不同轨道发射单价逐步降低，如GTO轨道，其单位载荷发射价约为1～3万美元，而LEO轨道约为0.5～3万美元。美国EELV计划下的德尔它4与宇宙神5系列运载火箭，由于发射价格较高，在国际航天商业发射服务市场上没有价格优势。而欧洲的阿里安5火箭单位载荷发射价格约为2万美元，价格适中且发射成功率较高，因而在商业竞价中具有较大优势。俄罗斯的质子M火箭虽然发射价格较低，但频发的质量故障使其在发射服务市场中所占份额越来越小。可见，成本C2与发射成功率即竞争需求C4是影响航天商业发射服务市场竞价的关键因素，这一结论与当前国际航天商业发射服务竞价现实相符。

对于成本C2，采用同样方法讨论其中的关键影响因素。假设变量初始状态为：

[C21,C22,C23,C24,C2]=[1 1 1 1 1]

(9)

通过专家调研及式(5)获得因素间的影响强度矩阵:

(10)

根据式(1)、(2)，并取λ=1[18]，通过不断迭代得到系统稳定状态，见表3。

表3 成本各影响因素状态

根据式(3)、(4)可得C2中各影响因素与成本C2的关联度值分别为：

R(C2,C21)=0.6672,R(C2,C22)=0.6672,
R(C2,C23)=0.7368,R(C2,C24)=0.9630

因此，R(C2,C24)>R(C2,C23)>R(C2,C22)=R(C2,C21)，即对于成本C2，最为关键的是发射成本C24与运行成本C23，见图3。

图3 成本中影响因素状态值

图4 竞争需求中影响因素状态值

对于竞争需求C4，采用同样方法可以发现(限于篇幅，计算过程略)：企业所处的行业的位置C41与市场供求环境C43在竞争需求中最为重要，见图4。其次，宏观环境C1也是影响竞价不可忽视的因素，尤其应注意加强技术环境C13、社会环境C14等的建设，这有助于发射C24、运行C23等成本的降低，从而有助于竞价成功。

2.3 方法比较

DEMATEL方法是基于矩阵理论与图论进行系统中因素关系分析的方法[32]。与模糊认知图一样，可以充分利用专家的经验与知识处理系统中因素间关系不确定的问题。为说明本文方法的优越性，本节利用DEMATEL方法分析影响航空商业发射市场服务竞价的关键因素。具体步骤如下：

表4 系统因素的影响度、被影响度、中心度与原因度

由表4可见，各因素的中心度依次为，市场需求(C3)、成本(C2)、竞争需求(C4)、品牌因素(C5)、宏观环境(C1)，即市场需求(C3)在所有影响因素中所起作用最大。而通过各影响因素原因度的对比，可以发现影响航天商业发射服务竞价的原因要素主要有品牌因素(C5)、宏观环境(C1)、竞争需求(C4)。而由本文所提方法，我们得到在航天商业发射服务市场中，影响竞价的最主要的因素是成本(C2)与竞争需求(C4)，这一结果也与当前航天商业发射服务现实更相符。与DEMATEL方法相比，模糊认知图能同时体现因素间的正、负因果影响关系。通过因素间的正、负影响强度值，可以直观反映因素间的正、反向作用，比DEMATEL方法中单纯的正影响强度值更能模拟系统因素间的不确定关系，因而知识表示和系统推理能力更强。其次，模糊认知图能模拟复杂动态系统，同时兼具预测功能。通过系统达到稳定状态，可以发现各因素的发展态势，为下一步的风险管控提供决策依据。因此，模糊认知图在分析系统影响因素时更加可行、有效。

3 结论

航天商业发射市场服务竞价关系到航天事业市场化与产业化发展，本文利用模糊认知图与灰关联方法分析航天商业发射市场服务竞价的影响因素，得出成本与竞争需求是影响竞价的两个重要指标。尤其目前低成本发射在竞价市场成为主流。同时，为了保证发射任务成功施行，发射成功率也成为航天市场竞价关注的另一个重要指标。因此，为了能够在航天市场竞价中取得成功，应在提高商业运载火箭发射服务行业技术发展水平的同时，重点关注如何降低发射成本、提高竞争需求，以及加强宏观环境等的建设。