快速响应运载火箭效能评估研究

何定洲，王 硕，朱 勇，沈敦亮

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引 言

快速航天发射以军用为牵引，以商用为助推，具有快速响应、较低成本、灵活发射等特点，可有效提升人类进入探索、开发、利用太空的能力，有力促进了航天业的快速发展[1]。在此过程中，对快速发射航天系统的高效、低成本使用效能提出了更高的要求。如何获得快速响应运载火箭发射系统（以下简称：快响火箭）有针对性的效能评估结果成为亟待解决的问题。

评估就是评议估计；评价是指对事物的价值、地位、作用等方面做出判断的一种活动，是依据特定的标准、规则对客观事物做出价值判断的过程。本文以技术程序和使用活动剖面为线索，对复杂的航天发射系统要素进行梳理，建立逻辑严密、结构清晰的快响火箭的指标体系。借助A.D.C方法的基本思想，将使用能力、技术能力、保障能力分别与可信度、固有能力、可用度[2]相对应，综合应用指数模型分析法和层次模型评价方法，得出评估结果，为快响火箭系统提供有效的评价参考依据。

1 评估模型的选择

较为常用的评估方法有：A.D.C法、指数法、德尔菲法、层次分析法、模糊综合评价法[3]等。指数模型分析法结构简单，易于使用，同时效能评估是建立在装备技术性能指标基础上，避免了诸多不确定因素的影响，从而增强了评估的准确性[4]。层次模型分析法特别适合于将复杂系统的内部联系转化为清晰的层次结构，兼顾定量计算和定性分析，是解决多准则和多目标决策问题的有效方法[5]。

因此，本文结合指数模型分析法和层次模型分析法，对快响火箭的效能评估模型进行设计。

1.1 指数模型

借助A.D.C方法的基本思想，快响火箭效能作为顶层指标（E），效能评估指数模型的3层指标定义为：

a）X为第1层指标，包含：A（使用能力），D（技术能力），C（保障能力）；

b）Xi为第2层指标，为能够表征X的第i项指标；

c）Xij为第3层指标，为能够表征Xi的第j项指标。

设：μx代表X相对于E的权重值；μxi代表Xi相对X的权重值；μxij代表Xij相对于Xi的权重值。xμ、μxi、符合以下条件：

第2层指标的指数评估公式为

第1层指标的指数评估公式为

快响火箭效能的顶层指标即为

1.2 层次模型

利用层次模型分析法，把快响火箭效能评估决策问题分解为各个组成要素，并将这些要素按支配关系分组形成一个包含目标层、准则层及方案层的递阶层次结构。通过判断矩阵并计算权重向量的方法，依次计算不同方案层相对于每一准则的权重，计算准则层相对于目标层的权重，最终将两类权重进行综合，得到不同方案相对于效能评估决策目标的权重排序，为决策提供量化依据[6]，是一种结合了定性分析和定量分析的评估方法[7]。

2 效能评估相关指标体系的建立

按照快响火箭的使用程序，理清其使用状态的转换规律，再从状态转换过程细化出所有活动剖面，在每个活动剖面提取出相应指标。最后对众多指标进行分类归纳，形成效能评估指标体系的层次结构模型。

2.1 使用活动剖面分析

首先，根据快响火箭发射使用程序，从验收交付到完成发射，主要处于贮存、待发、发射及维修状态。其使用程序及状态转换情况如图1所示。

图1 状态转换程序Fig.1 State Converter

从使用状态转换程序可知，其使用状态包含的活动剖面有：贮存、待发、发射、维修及其他。在此基础上进一步细化活动剖面，可得快响火箭的使用活动剖面如图2所示。由图2中可知，快响火箭的使用活动剖面可归纳为：使用保障活动、预防性维修保障活动及修复性维修保障活动。

图2 使用活动剖面Fig.2 Use Active Profiles

2.2 指标体系构建

以快响火箭的使用活动剖面为基础，可以将其效能相关指标归纳为3类基础能力指标：使用能力指标、技术能力指标和保障能力指标。以此作为一级指标，构建快响火箭的三级效能指标体系如图3所示。

图3 效能指标体系Fig.3 Performance Index System

根据快响火箭的效能指标体系，将指标体系进行表格化层次划分，并对各层次指标进行符号定义，如表1所示。

表1 效能指标体系层次Tab.1 Hierarchy of Performance Index System

续表1

2.3 评估指标相对值的计算方法

逐一分析评估指标的实际物理意义，考虑实际使用过程中指标的相关因素，将指标用归一化的数学公式表达出来。以使用能力（A）-易用性（A1）-转载吊装（A11）为例，分析过程如下，其他指标照此计算，不再赘述。

a）使用能力（A）指标表征的是运载火箭系统在实际使用过程中的使用性能和使用感受，主要与火箭系统的易用性、实用性、耐用性指标相关。

b）易用性（A1）指的是火箭系统更容易、更方便的操作使用和维护保养，更简洁的用户界面、更少的操作项目和人工干预环节，更低的人员素质要求，核心是“好用”。

c）运载火箭的吊装转载（A11）操作性是对其吊装操作工序的复杂程度、吊装操作工序执行时间的评价，其指标一般为火箭吊装转载时间。

一般来说，吊装转载自动化程度越高、操作项目越少、操作时间越短，指标相应较高。因此，吊装转载指标定义为

式中η为吊装转载操作自动化率；Nc为吊装转载操作项目；tci为第i项吊装转载操作时间；Nm为吊装转载最多操作项目；tm为吊装转载最长单项操作时间。

按照式（4）进行计算，得出快响火箭使用效能底层指标的相对评估值，且均为0～1之间进行归一化后的数值。既保证了指数模型计算的便利性，又便于根据数值所在区间开展隶属度评价。

快响火箭效能指标的相对值可概括为以下几种类型：

a）有具体指标数值的，通过不同指标数值的相对大小进行对比得到；

b）时间指标有所差别，如贮存期指标为越长则数值越高，而发射准备时间为越短则数值越高；

c）环境适应性指标，通过耐受环境极值、相对范围值对比得到；

d）操作性指标通过操作项目数量和操作难易程度进行综合对比得到；

e）难以量化对比的指标，通过专家咨询的方式进行综合对比得到。

3 评估计算

选择某型快响火箭的在役型号（E1）、改进型（E2）和新一代（E3）3个子代型号作为评估对象，在分析并建立其指标体系的基础上，采集了5位专家打分数据，按照指数模型和层次分析模型进行计算。

3.1 指数模型计算

首先通过设计七标度专家打分表，经专家打分，统计得到某指标相对于上一级指标的重要程度两两对比结果。再应用层次分析法，求解得到每层指标相对于上层指标的权向量，每个分量即为该指标在本层所占的权重。

根据专家打分表得到的七标度矩阵统计结果，使用幂法，求解层次分析法七标度矩阵的特征值，按照专家评分进行平均后，给出各指标相对于上一层次指标的权重值。

取5位专家对3个层次权重占比数据的平均值作为快响火箭效能指标的权重值。

通过每一层级指标与其权重值的合成，成为上一级指标能力值的组成部分，逐层向上，形成最终效能评估值。按照式（1）～（3）进行计算，快响火箭3个子代型号的最终效能评估值为：E1=0.8682，E2=0.7925，E3=0.8776。

3.2 层次分析模型计算

文献[5]中基础理论描述，在指数模型计算中使用的5位专家七标度打分表基础上获得了层次间权重值，作为各层级权向量使用。再由指标对比和专家打分综合得到的最低层指标相对评估值可作为隶属度评价的基础数据使用，根据相对评估值所处的不同区间建立快响火箭的评语等级论域如下：

式中{好}对应相对评估值0.8～1.0；{较好}对应相对评估值0.6～0.8；{中}对应相对评估值0.4～0.6；{较差}对应相对评估值0.2～0.4；{差}对应相对评估值0～0.2。

选择了五段式线性函数的方式来构建隶属度函数，根据相对评估值的所在区间构建5种隶属度函数，以更好的覆盖论域集合。根据隶属度函数，计算快响火箭效能指标的隶属度评价结果。

在获得隶属度评价结果的基础上，构建隶属度评价矩阵；由三级综合评价矩阵逐层向上，确定一级综合评价矩阵，即得到单目标模型下的最终评估结果。经过计算，快响火箭3个子代的评判等级的隶属度分别为：

a）在役型号（E1）：40.7%、33.1%、17.4%、7.7%和1.1%；

b）改进型（E2）：34.6%，39.4%、16.8%、7.9%和1.3%；

c）新一代（E3）：48.6%，30.5%、12.4%、7.4%和1.1%。

根据最大隶属度法则，在役和新一代型号属于“好”的类别，改进型号属于“较好”类别。

3.3 评估结果分析

从评估结果可见，可以认为：E3（新一代）效能最高，其次是E1（在役），最后是E2（改进型）。结合3个子代型号的指标状况，可以得出如下规律：

a）新一代快响火箭保留了在役火箭的基本技术能力，同时兼有较高的保障效率、较低的故障率，特别是凭借优异的效费比和简单友好的操作使用特性获得较高的评估值。

b）在役快响火箭以较高的维修效率、较短的发射和技术准备时间、较高的入轨精度、较低的保障需求以及较长的贮存期获得了相对较高的评估值；

c）改进型快响火箭由于研制年代较久、设计考虑不充分，且改进型的重点工作侧重于地面设备，技术能力相对落后，因此产品所获得的评估值排名最末。

4 结束语

通过2种评估模型对同型火箭的3个子代的效能进行了评估，2种方法的评估结果一致，证明了快响火箭指标体系分析方法的正确性，并反映出不同的需求牵引对快响火箭的效能指标的全面影响，对后续快响火箭的研制论证及技术提升具有一定的借鉴作用