运载火箭技术成熟度评价应用研究

◎ 中国航天系统科学与工程研究院 章 威 谢伟华 包彦明 常 青

当前，运载火箭发射具有发射密度高、时间紧、任务重、重型运载火箭研发难度大等特点，如何减少技术风险，提高研发效率显得尤为重要。针对这个问题，美英等国推行了技术成熟度评价，对装备技术发展状态进行定量评价，识别其中的技术风险，为装备采办项目转段决策提供支撑，取得了良好的经济和军事效益。目前，技术成熟度评价已被国际上许多国家作为技术管理的重要“抓手”，用于科技立项、过程检查、项目验收和采办等重要环节。例如，美国、欧盟等国家已经将技术成熟度评价应用在武器装备采办、航天工程的项目管理中，并逐步扩大到先进制造、环境保护、核电工程、油气开发、医药研制、航空航天、武器装备、电子器件等诸多领域[1]。

本文在研究国内外技术成熟评价方法的基础上，建立了运载火箭技术成熟度评价模型，对技术成熟度等级、评价准则、评价体系和评估方法进行定义和构建，并基于熵权和模糊综合评价方法对运载火箭技术成熟评鉴进行了算例演示。

一、 技术成熟度概述

技术成熟度（Technology Readiness Level，TRL）是国际上广泛使用的对重大科技攻关和工程项目的技术研发进展进行量化评价的方法。它将一项技术从基本原理到成功应用的成熟过程划分为4个阶段，共9个级别：第一阶段是原理和技术概念验证阶段（TRL1—TRL3）；第二阶段是技术攻关和演示验证阶段（TRL4—TRL6）；第三阶段是产品开发和验证阶段（TRL7—TRL8）；第四阶段是产品使用验证阶段（TRL9）。其中技术成熟度共9级，其定义为：TRL1指观察到并报道了与该项技术有关的基本原理；TRL2指形成了技术概念和/或应用设想；TRL3指在实验室环境中通过分析和试验的手段进行关键性功能验证和/或概念验证；TRL4指在实验室环境中对部件或者面包板进行了验证；TRL5指在相应的环境中对部件或者面包板进行了验证；TRL6指系统/分系统的模型或者原型在相应的地面或者空间环境中进行了演示；TRL7指在空间环境中对系统原型进行了演示；TRL8指实际系统完成研制，并通过地面或空间的试验和演示取得了“飞行资格”；TRL9指通过成功执行任务，实际系统得到了飞行验证[2]。

进入21世纪后，越来越多的机构开始研究和使用技术成熟度评价方法。例如，美国国防部（DoD）、美国审计署、美国能源部、美国卫生与公众服务部、法国国防部、英国国防部、北大西洋公约组织和欧空局等机构，普遍制定了不同领域的技术成熟度评价准则，一些机构或组织还制定了技术成熟度使用要求和指南。技术成熟度评价能够为管理部门掌握技术攻关进展、识别技术短板、避免不够成熟的技术提前转入下一个研制阶段等提供技术管理工具。

二、 国内外应用情况

（一）国外应用情况

美国国防部（DoD）先后制定了2003、2005、2009、2011共4个版本的技术成熟度评价指南，用于指导国防采办项目开展技术成熟度评价工作；该指南除了包括宇航、舰船类技术等评价准则外，同时，还包括医药类技术成熟度评价准则，如生物医药、医疗器械、医疗信息系统的研究、开发、测试和评估等。美国空间实验室（AFRL）研究编写了关于技术成熟度评价的书籍。美国国家航空航天局（NASA）系统工程手册中明确了技术成熟度的9级定义、评估矩阵和评估流程。美国导弹防御局（MDA）在美国国防部（DoD）技术成熟度评价指南的基础上，研究制定了技术成熟度评价检查清单，用以提高技术成熟度评价实施过程中的可操作性和准确性。2005年9月，美国国土安全部（DHS）制定了技术成熟度评估的项目管理模型，该模型包括评价过程中各级评估的问题检查单、完成标准和关键交付物等。2008年，NASA发布了新版的程序文件《NASA研究项目、技术项目和工程管理要求》，规定了技术成熟度的9级定义及其评估流程。同年，欧空局（ESA）发布了空间项目技术成熟度手册，详细给出了技术成熟度的各级内涵，进行技术成熟度评价时需要回答的关键问题，以及提供的证据要求。2013年，国际标准化组织ISO发布了“空间项目技术成熟度定义和评价准则”[3]。

国外通过技术成熟度评价实践，总结出项目各阶段的技术成熟度等级要求。例如，美国国防部（DoD）提出当方案研究阶段结束转入技术开发阶段时，关键技术应达到TRL4级，即达到里程碑决策点A；采办项目由技术开发阶段转入系统演示与开发阶段，关键技术通过相关环境演示验证可达到TRL6级，即达到里程碑决策点B；采办项目由系统开发与演示阶段转入生产与部署阶段，关键技术应达到TRL7级，即达到里程碑决策点C。此外，美国国会立法要求NASA对进入重大系统开发合同的技术应达到TRL6级。

（二）国内应用情况

近年来，技术成熟度评价在国内也逐步得到了研究和推广应用，在诸多方面发挥了重要的作用，其作用和价值得到了广泛认可。2009年，国防科技工业局制定下发了《军工核心能力重大项目技术成熟度评价报告审核程序》，要求把技术成熟度评价报告作为重大项目指南编制和项目立项的重要依据之一。原国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会联合发布了《科学技术项目评价通则》（GB/T22900—2009），此标准采用技术就绪水平（即技术成熟度）作为一种量化管理的方法，对基础研究、应用研究和开发研究这3类项目的投入产出效率进行了评价。2012年，原总装备部制定了《装备预先研究技术成熟度评价暂行办法》等法规，以及配套的国家军用标准（GJB7688—2012《装备技术成熟度等级划分及定义》、GJB7689—2012《装备技术成熟度评价程序》）。2013年，原总装备部开始组织并研究制定9个不同装备类型的技术成熟度评价指南。同时结合重大工程，研究制定专门的技术成熟度评价规范，如专项工程技术成熟度评价规范、载人航天工程技术成熟度评估规范[4]。2013年，中国工程院在国家科技重大专项中期评估工作中，采用了技术成熟度方法对民口10个国家科技重大专项的关键核心技术进行评价。2014年和2015年，科学技术部科技评估中心在国家科技重大专项年度监督评估中也采用技术成熟度方法对10个国家科技重大专项的关键核心技术进行评价。中国石油天然气集团公司研究制定了油气勘探类、油气开发类、工程类技术（石油地球物理）、工程类技术（测井）、工程类技术（钻井）5类技术的技术成熟度评价准则。2015年，在国家能源局核电司的支持下，国家核电技术公司联合中国航天系统科学与工程研究院制定《核电技术成熟度评价规范》国家核电行业标准。目前，我国诸多行业正在开展技术成熟度方法研究工作，部分行业已制定其行业标准或企业标准。

三、 运载火箭技术成熟评价方法

（一）项目技术分解

项目技术分解是开展技术成熟度评价的基础，由项目总负责人牵头筛选。利用技术成熟度方法对某运载火箭进行评估的首要工作就是技术分解，将项目分解成若干个关键技术。在确定各关键单项技术成熟度的基础上，可对项目整体技术成熟度进行评价，得到技术成熟度等级。

（二）关键技术选择

通过对比项目技术分解结构中的技术，筛选出关键技术。判断某项技术是关键技术的一般原则是此技术是一种全新或新颖的技术，或者以全新或新颖的方式使用的技术，对实现系统成功开发或决定项目成败必须突破且无可替代的技术。

（三）评价准则制定

本文按照技术成熟度通用等级的定义，结合运载火箭的技术成熟规律，包括方案阶段、初样、试样等各研制阶段的特点，制定了运载火箭的技术成熟度评价准则，并以氢氧发动机推进技术为例进行说明，见表1。

（四）熵权法及模糊综合评价方法

1.熵权法

将某运载火箭技术分解成各项关键技术，采用熵权法确定各项关键技术的权重。熵的概念最早由Shannon提出，他同时提出一个对离散信息源产生的信息量进行度量的公式，用于度量系统状态的无序和混乱程度。

表1 运载火箭等级定义及案例说明

在有m个评价指标、n个被评价对象的评估问题（以下简称（m，n））情况下，将第i个评价指标的熵定义为：

式中，k=1/lnn；当rij=0时，可令rijlnrij=0。

将熵权作为单项技术的权重，其表示在给定被评价对象集及确定各评价指标后，各指标在竞争意义上的相对激烈程度系数。在技术风险评估过程中，如果评价因素对评判集中各评语的隶属度值相差较大，此时信息熵值较少，熵权较大，说明该因素在评价中的作用较大。

2.模糊综合评价方法

模糊综合评价方法适用于模糊概念，且又能量化的评价问题，其基本原理如下：

给定模糊子集A和评价项目U，对于一个函数R（u），且R（u）∈[0，1]，则称为待评价项目U相对于A的隶属矩阵。

假设评语集为：

评价对象Xi相对于评语集的隶属度为rij，以此构建隶属度矩阵。隶属度是多个评价主体对某个评价对象在某方面做出某种程度可能性的认可度。

3.关键技术成熟度评价矩阵构建

采用模糊综合评价方法对某运载火箭项目关键技术成熟度等级进行评价，假设待评价关键技术数量为m，待评价问题（技术成熟度等级达到程度）为n。评语集u=（TRL1，TRL2，…，TRLn），由相关领域专家对各关键技术相对评语集的支持程度进行评价，形成技术成熟度隶属矩阵：

对隶属度矩阵进行归一化处理，其中：

根据信息熵的定义，在上述各评价指标隶属度基础上，通过公式（1）计算指标熵权：

其中，wi越大表示该技术在某运载火箭系统中的作用越大。

技术成熟度综合评分总得分为：TRL=（TRLn，TRLn-1，…，TRL1）ST，S=wR，S为指标综合隶属度，可通过此公式计算得出某运载火箭的技术成熟度等级。

四、 案例应用

（一）构建项目关键技术分解结构

本文基于熵权法及模糊综合评价的技术成熟度评价方法对某运载火箭在××年××月研制过程中的技术成熟度水平进行评价。图1是某运载火箭关键技术分解情况。

图1 某运载火箭关键技术分解情况

（二）运载火箭关键技术隶属度矩阵构建

基于运载火箭，选择相关技术领域的5名专家，对项目涉及的关键技术系统进行筛选，确定8项关键技术，并对各项关键技术开展技术成熟度专家评价。技术成熟度等级划分采用了上述的9级方法，构建关键技术成熟度评语集，形成技术成熟度评价隶属度矩阵。矩阵的数据从左到右为技术TRL9级到TRL1级依次排列，矩阵中的数字表示赞同此级别的专家人数，例如，矩阵中的第一行表明，有2位专家认为此项技术达到了TRL7级，有2位专家认为此项技术达到了TRL6级，一位专家认为此项技术为TRL5级。

将其进行归一化处理：

隶属度rij为专家对此项关键技术在相应技术成熟度等级上的认可程度，且

（三）运载火箭关键技术熵权及成熟度等级评价

（1） 计算各关键技术熵权系数。根据公式 （1），可得到8个指标的权重向量w=（0.1145，0.125，0.125，0.1145，0.157，0.1145，0.125，0.125）。

（2）计算运载火箭技术成熟度等级。根据公式（2）计算运载火箭技术成熟度水平为：TRL=[9，8，7，6，5，4，3，2，1]·RT·wT=6.24，评价结果显示该项目技术成熟度等级为6+级，项目关键技术已突破，无颠覆性风险，可以申请型号转段评审。

五、 结论与展望

技术成熟度方法作为一种量化考核管理方法，在我国国防领域已得到了广泛的应用，但目前尚未发现应用技术成熟度在运载火箭开展评价的文章。本文参考国内外技术成熟度的发展应用情况，结合运载火箭研发实际，提出了一个较全面的技术成熟度评价方法，包括技术分解、关键技术选择、评价准则制定，以及基于熵权和模糊综合评价的综合集成方法，在得到各关键技术等级的基础上，综合集成计算出某运载火箭的技术成熟度等级，并通过示例验证了方法的实用性和有效性，为运载火箭开展技术成熟度评价提供了借鉴。