大口径舰炮研制技术风险评估及后果仿真

张满慧，姚忠，曹中臣，张建斌，汪永忠

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

大口径舰炮研制项目技术先进、周期长且投资巨大等特点，决定了其高风险的特性[1]。舰炮研制技术风险[2]贯穿于整个研制过程，也是造成费用和进度风险的主要因素。因此在大口径舰炮立项研制时，必须开展技术风险评估及后果可能性分析，合理度量其所隐藏的技术风险，并制定相应措施避免、减小和转移风险。

针对舰炮研制技术风险分析方面，国内外学者进行了大量地研究。田新广等[3]提出了基于模糊综合评价模型的技术风险分析方法，分析了舰炮技术风险评估的指标和准则。邱志明等[4]基于证据理论和未确知理论，给出了舰炮技术风险评估过程。对于舰炮研制的风险后果评估，田新广等[5]对舰炮研制建立了基于多元风险分析概率的进度风险分析模型，给出了基于正态分布和指数分布的进度风险估算方法。同时，也建立了基于层次评估模型的费用风险分析方法[6]，采用熵判据对费用风险程度进行度量。对于其他武器装备研制项目，闫宝会等[7]基于三角白化权函数的灰色理论，给出了航空装备技术风险评估过程和步骤。冯臻等[8]将不确定多属性决策方法应用于风险评估，给出了一种定性与定量相结合的飞行器型号项目技术风险评估方法。张怀强等[9]通过建立了新的三维权衡空间，实现了对反水雷武器性能、费用和研制风险的综合权衡。

在现有研究的基础上，笔者面向大口径舰炮的研制需求和特点，开展了技术风险分析和仿真研究。从风险识别的角度明确了舰炮研制的关键技术因素，进行了技术风险定性分析。构建了基于模糊评价方法的大口径舰炮技术风险评估流程，通过应用仿真得出了舰炮研制技术风险级别和综合风险。综合权衡技术风险的后果，给出了基于风险因子的后果可能性分析流程，明确了大口径舰炮研制技术的风险管理级别和严重程度。获得的结果对大口径舰炮研制风险监控和处理具有指导性作用。

1 大口径舰炮技术风险概述

1.1 舰炮研制关键技术分解

面向高新技术发展和海战模式的变化，为综合衡量射程、威力和适装性等[10-11]发展符合我海军装备体系的大口径舰炮，从顶层规划的角度将研制关键技术分解如下：

1)模块化总体技术。大口径舰炮应采用模块化总体技术提高装舰适应性，技术风险在于对成熟技术和拟突破技术进行综合集成时，如何保障舰炮战术技术指标的完备性及体系兼容性等。

2)火力优化技术。大口径舰炮应采用火力优化技术满足炮、弹、药的技术协议和匹配性，技术风险在于如何减小在发射高炮口动能弹药时对舰艇结构的影响，如何确保弹药的发射稳定性[12]以及同步发展远程精确制导炮弹的可行性等。

3)弹药储运总体集成技术。大口径舰炮应采用弹药储运总体集成技术实现多型弹药的储存和智能选取等，技术风险[11]在于如何实现与舰艇的一体化设计以及优化弹药交接、供弹路径等。

4)全电驱动技术。大口径舰炮应采用全电驱动技术符合现代舰艇的电气接口设计[4]，技术风险在于电磁兼容顶层设计、冗余设计等。

5)综合保障技术。大口径舰炮应采用综合保障技术，通过全寿命保障体系设计提高舰炮的效费比[10]，技术风险在于如何适应保障系统结构越来越复杂、保障功能特性越来越多的需求等。

6)智能化技术。大口径舰炮应采用智能化技术适应体系对抗需求，技术风险体现在从基础理论发展到工程应用所需攻克的一系列难题，例如基于神经网络的目标识别和数据融合，基于深度学习的自主决策和健康管理等。

7)隐身技术。大口径舰炮应采用隐身技术提高生存能力，技术风险是在外形隐身的基础上，如何应用结构/隐身复合材料增强舰炮的隐身能力等。

1.2 舰炮研制技术风险定性分析

大口径舰炮的技术风险主要是指在预定的资源约束条件下[13]，达不到战技指标要求的可能性及差额幅度，或者说某个部分出现事先意想不到的结果而产生影响的概率。

结合关键技术分解情形，明确影响舰炮技术风险的相关因素[2]主要有：技术要求较高，相关的技术储备水平较低，实现难度较大；既定的性能指标过高，技术难以达到；进度和费用约束较紧，在规定的资源下难以实现；技术前瞻性不足，不能紧跟未来发展，可扩展性较差。

由于大口径舰炮研制关键技术具有其特殊性和专用性，因此简单参考相似武器的研制经验或统计资料评估舰炮技术风险是较为困难的。关键技术风险主要是由在新的约束下仍然保持原有技术水平(无变风险、技术集成)或从原有水平向较高设计水平演进(改进风险、技术引入)或开发新技术、新原理(新研风险、技术创新)而产生的，如图1所示。

1)技术创新：随着舰炮功能性能要求的不断提高，大量新技术、新原理必须应用于提升舰炮作战效能。技术创新发挥着关键作用，但是其成功与否也成了技术风险的主要来源。

2)技术引入：将民用技术引入到军事领域或将其他装备的技术引入到舰炮研制，引入技术的消化吸收是关键环节，技术可应用性是技术风险的主要来源。

3)技术集成：将先进技术进行集成是较为普遍的，但不同技术的兼容性、标准化是技术风险的主要来源。

2 大口径舰炮技术风险评估

2.1 基于模糊评价方法的评估流程

根据模糊评价原理[3,14]，构建出大口径舰炮的技术风险评估流程：

1)建立层次结构模型U，目标层是舰炮研制技术风险，准则层是风险识别出的m项关键技术，指标层是确定出的n项评价指标。

2)建立风险评价集合V，根据舰炮研制风险控制目的，设置评语集v个因素，并指定各个因素对应的量化评分值。

3)建立权重矩阵R，采用层次分析法分别确定m项关键技术、n项评价指标在各层次内的权重，合并形成舰炮技术权重矩阵。

4)建立隶属度矩阵S，根据经验构造对应法则形成U→V的模糊关系，因素sij(i=1,2，…,m;j=1,2，…,n)是U中第i项对应V中第j个评语的隶属度。

5)运用模糊数学乘积运算，确定目标层和准则层的综合评价结果Q。

6)依据隶属度最大原则，通过集合Q确定各项关键技术及总体研制风险级别，明确大口径舰炮的研制风险。

2.2 风险评估应用仿真

2.2.1 层次结构模型U

结合舰炮研制关键技术分解情形，目标层是综合技术风险，准则层是7项(m=7)关键技术的研制风险，表示为u1，…，um。再根据技术创新、技术引入、技术集成风险源，选取评价指标体系中6项(n=6)因素分别为成熟度、可应用性、复杂性、兼容性、前瞻性和标准化，指标层表示为ui1，…，uin，i=1，2，…，m。

2.2.2 风险评价集合V

从大口径舰炮研制风险控制的角度，设置评语集的5个(v=5)因素分别为低风险、较低风险、一般风险、较高风险和高风险，对应的量化评价分值为V={1,2,3,4,5}。

2.2.3 权重矩阵R

对于大口径舰炮的准则层，运用层次分析法确定一级风险指标判断矩阵，得出7项关键技术的权重系数Rm,如表1所示，数学模型详见文献[3]所述。再对权重系数进行一致性检验，随机一致性比率CR值为0.096，小于要求值0.1，判断矩阵的一致性较好，获得的权值是合理的。

表1 舰炮技术准则层的风险指标判断矩阵

对于大口径舰炮的指标层，根据每项关键技术的现状和发展趋势，仍采用层次分析法确定二级风险指标的判断矩阵。表2以模块化总体技术为例给出了风险判断矩阵，标度元素表示各评价指标在该关键技术下的相对重要程度。通过计算评价指标的权重向量W，得出该技术对应的指标层权重系数w，数学表达式为

(1)

(2)

表2 模块化技术指标层的风险指标判断矩阵

计算可得:

W=[2.904 2 1.698 4 1.348 0 0.401 1

0.505 4 0.741 8]T,

w=[0.388 2 0.223 5 0.177 4 0.052 8

0.066 5 0.097 6]T.

再对模块化技术的指标层权重系数Rn1进行一致性检验，随机一致性比率CR的值为0.021 8，小于要求值0.1，其权值是可接受的。省略其余6项技术的专家打分结果和一致性检验过程，直接给出二级权重系数Rni(i=1，2，…，m)的计算结果，如表3所示。可以看出，虽然各关键技术的评价指标因素一致，但权重分布也存在一定差异。

表3 舰炮技术指标层的权重集

利用分块矩阵运算，得出权重矩阵R的各项元素分别为

(3)

计算可得：

2.2.4 隶属度矩阵S

采用专家打分法，按照风险类别对42项指标因素进行评判。对于整理获得的12份有效调查问卷，通过比例系数计算得出全部指标风险因素评价结果。限于篇幅，省略其余6项关键技术的隶属关系描述，仍以模块化技术为对象给出其从属向量，如表4所示，对应的隶属度矩阵为

表4 模块化技术指标层的风险因素评价结果

2.2.5 综合评价结果Q

结合所得出的权重矩阵R、缩减矩阵Rk和隶属度矩阵Sk(k=1,2,…,n)，分别确定舰炮准则层的综合评价结果为

(4)

计算可得：

依据最大隶属度原则，可明确7项关键技术的风险级别如表5所示。可以得出，智能化技术的风险较高，火力优化技术风险一般，其余各项关键技术的风险都相对较低。

表5 大口径舰炮的技术风险级别

由目标层的综合评价结果

Q∑=[Rm]T·[Q1TQ2T…QmT]T，

(5)

计算可得：

Q∑=[0.024 9 0.057 2 0.070 0 0.032 5 0.002 7].

可以看出，大口径舰炮的综合技术风险量化分值为3级，具有一般风险，结合风险防范措施能够开展型号研制工作。

3 大口径舰炮技术风险后果仿真

基于模糊评价方法的技术风险评估是从关键技术自身进行风险预计，为了避免由于反复修改而使得进度拖延、战技指标无法达到要求，以及因考虑不周而使得费用超过预期等情况，需进行大口径舰炮的技术风险后果分析。

3.1 基于风险因子的后果可能性评估流程

根据武器装备项目进度、费用与风险管理中的风险定义[15-16]，给出大口径舰炮的技术风险后果可能性评估流程，如下所示。

1)面向大口径舰炮的研制，仍选取前述指标层中的6项评价指标形成技术风险概率特征因子集P={p1,p2,…,p6}；权重等级选取表2的权重系数圆整结果A=[0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0.1]；因子集的量化标准由5个定值确定，评价向量分别设置为T=[0.1 0.3 0.5 0.7 0.9]，评价集中的量值描述如表6所示。

表6 大口径舰炮技术风险概率影响程度等级

2)各项关键技术的风险后果都将转嫁至舰炮功能性能、费用和进度周期3个方面，技术风险后果因素集Q={q1,q2,q3}；权重等级B=[0.4 0.3 0.3]，通过层次分析法确定；因子集的量化评价标准如表7所示，评价向量可表示为E=[0.1 0.30.5 0.7 0.9]。

表7 大口径舰炮的技术风险后果等级

3)请相关专家组成风险评估小组，参照表6对关键技术进行风险概率评价。对专家的评价结果进行统计，得出概率评判矩阵H6×5为

(6)

式中，hij是比例参数，表示第i个因素处于第j个量级的专家比例(专家样本)。

同时，再参照表7对各项关键技术进行风险后果评价，得出后果评判矩阵K3×5为

(7)

式中，kij是比例参数，也表示第i个因素处于第j个量级的专家比例(专家样本)。

4)分别确定技术风险事件的发生概率和后果影响，得出各风险事件的发生概率风险值Pf、后果影响风险值Cf和综合风险值Rf，其计算模型可依次表示为

Pf=A·H6×5·TT,

(8)

Cf=B·K3×5·ET,

(9)

(10)

5)再根据舰炮风险事件结构，给出舰炮总体研制风险为

(11)

(12)

(13)

至此，即可确定出大口径舰炮研制关键技术及总体的风险后果严重性，便于对不同级别的风险采取相应的风险处理和监控措施。

3.2 风险后果应用仿真

对于舰炮研制技术，依据评价向量定义分别构建评价指标表，模块化总体技术u1的评分结果如表8所示，其余省略。

表8 模块化总体技术的评估结果

通过对表8的评分量值进行统计，得出概率评价矩阵和后果评价矩阵分别为

进而，可得出模块化总体技术风险事件的综合风险值为Pf=0.310，Cf=0.535，Rf=0.437 2。

采用相同的方式，分别得出其余各关键技术的综合风险结果。此时再将表1的技术权重系数代入式(11)和(12)，即可得出舰炮总体研制风险，计算结果如表9和图2所示。

表9 大口径舰炮研制关键技术风险评估结果

将所得计算值与语言标度进行比较后，可以看出：当计及风险后果时，各项关键技术的技术风险级别发生不同程度的变化，模块化总体和火力优化技术都动态变化为一般风险；虽然各项关键技术的权重不同使得舰炮研制综合风险降低至相对较小的程度，但仍需采取有效措施处理风险，重点是智能化技术的风险处理。

4 结束语

面向大口径舰炮立项研制，为识别其所隐藏的风险因素，开展了技术风险评估及其后果仿真研究。通过舰炮技术发展趋势和方案论证，得出了大口径舰炮的7项关键技术为模块化总体、火力优化、弹药储运总体集成、全电驱动、综合保障、智能化和隐身技术，明确了其3项风险评估因素为技术创新、引入和集成。

基于模糊评价方法给出了大口径舰炮研制技术风险主线的评估流程，也采用风险因子建立了技术风险后果可能性分析流程。应用仿真定量结果表明：除了初级智能化技术的风险级别较高之外，其余关键技术和综合研制风险级别都在一般程度以下；计及后果因素时，技术风险出现动态增长，模块化总体和火力优化技术需进行风险监控，智能化技术需进行风险处理。

所建风险评估流程适应于大口径舰炮研制的不同阶段，仅需相应变化风险源和评估因素即可实现技术风险事前预估、事中预警，提供全寿命周期技术风险指导。