基于技术成熟度评价的装备科研项目管理决策方法

史志富

(西安航空学院飞行器学院，陕西 西安 710077)

0 引言

装备科研项目具有技术风险大、研制周期长，复杂程度高的特点，如果在立项研制过程中没有对项目进行合理的评价和科学的分类，过早进入型号研制阶段，可能会出现项目经费严重超支、研制工期严重延误甚至中途下马等情况，造成资金、人员、物力的巨大浪费，甚至失去发展机会。同时，对于科研管理来说，不同类型项目其立项依据、研究内容、实施方案、预期成果、验收方法等也具有不同的特点，在科研管理上应有相适应的管理方法和重点，这样才能提高科研管理的准确性和科学性。因此，在装备科研项目管理过程中，必须建立规范的分类评估体系，对项目进行风险分析和控制，保证项目成功[1]。

在影响项目成败的重要因素(如技术风险、管理风险、人力风险和环境风险)中，技术风险占总风险比例约70%。关于对技术风险的管控，美国在20世纪70～80年代就开展了技术成熟度评估(Technology Readiness Assessment，TRA)的相关研究，并将其应用于航天技术评估[2]。进入21世纪，美国国防部在武器采办条例中加入了技术成熟度标准，并形成了一套系统化的评价方法和操作程序。我国在20世纪90年代后期开始将技术成熟度理论与方法引入军工科研单位项目管理，并在此基础上相继提出了系统成熟度、项目成熟度和集成成熟度等理论和方法。目前，技术成熟度已得到我国装备发展管理部门、装备研制部门和装备使用部门的重视，成为项目分级评估的重要方法[3-4]。

1 技术成熟度及评价方法

1.1 技术成熟度的等级定义

技术成熟度反映了技术能够满足研制目标和要求的程度。在装备科研项目研制过程中常根据GJB 7688—2012判断某些技术的技术成熟度。技术成熟度等级及其定义见表1[5]。

表1 技术成熟度等级及其定义

1.2 关键技术元素的技术成熟度评价流程

技术成熟度评价是指依据技术成熟度等级的判定标准，通过严谨的科学评价体系和流程对项目或产品中的各个关键技术进行评判。关键技术元素的技术成熟度评价流程如下：

S1：关键技术的识别。针对装备科研项目进行WBS工作结构分解，依据关键技术确定原则对WBS自上而下进行梳理，逐一列出关键技术，建立系统关键技术列表。

S2：建立技术层次结构图。确定系统、分系统、关键技术之间的纵向包含关系。

S3：依据技术成熟度等级的判定规则，从技术、制造和管理三个方面进行单项关键技术元素的成熟度等级判定。

S4：依据技术成熟度综合评价模型，对各关键技术元素的成熟度进行综合评价，得到待研装备科研项目的技术成熟度。

装备科研项目技术成熟度评价流程图如图1所示。

图1 装备科研项目技术成熟度评价流程图

2 基于技术成熟度的综合评价模型

2.1 装备科研项目技术指标体系的建立

在某装备科研项目进行综合评价过程中，首先需要建立相应的评价指标体系。指标体系的建立可以采用层次分析法，即对待评价项目按照从上向下的顺序进行分解，将装备科研项目分解成各个子系统，子系统之间互不交叉，子系统Ui的集合构成一级评价指标集，记作U={U1，U2，…，Um}。在子系统下识别出所有关键技术作为二级评价指标，关键技术与子系统之间为父子关系，第i个分系统的二级评价指标集，记作Ui={Ui1，Ui2，…，Uij}。装备科研项目评价指标递阶层次结构示意图如图2所示。

2.2 基于AHP的指标权重计算模型

层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一种系统分析方法。首先，将复杂决策问题按照组成架构分解为若干个要素，并将这些要素按相互之间的支配关系建立递阶层次结构；其次，对要素进行两两比较，确定每个要素对于上一层级要素的相对重要性[6]。其基本步骤如下：

(1)构造评价对象的递阶层次结构。对于一个复杂决策问题，通过综合分析，确定若干个与问题有关的因素。根据这些因素概念之间的隶属关系以及重要性级别，分成不同的层次进行排列，形成一个层次结构。

(2)构造两两比较判断矩阵。对位于同一层级的要素进行两两比较，衡量其对上一层级中某要素的相对重要性，公式如下

(1)

其中aij表示对于上层元素A0，因素Ai与Aj相对重要性的数值。该数值可参照Saaty提出的9级标度法，两两比较法的标度见表2。

表2 两两比较法的标度

(3)计算判断矩阵A的特征向量ω和最大特征根λmax。可采用根法进行如下近似计算。

首先，计算判断矩阵每行中所有元素的几何平均值，公式如下

(2)

其次，将ωi归一化，公式如下

(3)

将特征向量归一化，得到的向量ω=(ϖ1，ϖ2，…ϖn)T可视为同一层级中各要素对于上一层次某要素的相对重要性权重排序。

最后，计算判断矩阵的最大特征值，公式如下

(4)

(4)一致性判断，分析权重选择的合理性。其计算方法是计算判断矩阵的相容性指标，再根据随机一致性指标计算判断矩阵的一致性指标。

相容性指标为CI，可用λmax-n的关系来界定偏离相容性的程度，公式如下

(5)

若判断矩阵A相容，则λmax=n，否则λmax>n。

随机一致性指标RI表示一致性可接受的程度。1～10阶矩阵的随机性指标数值见表3。

表3 随机性指标数值

于是，可得一致性指标CR，公式如下

(6)

当满足一致性时，构造的判断矩阵的CI值应远小于RI ，故一般可以根据CR≤0.1来判断。若满足则认为判断矩阵符合一致性要求，权重向量ω与实际较为符合，否则，需要重新建立判断矩阵。

2.3 基于灰色综合评估的评判模型

在复杂系统评价时，会存在信息的不完备、不清晰、不正确等问题，基于数据进行解析的评价方法会存在评价结果不能反映客观真实情况的问题。因此，可利用灰色理论将评价数据进行灰化，进而提高评估的准确性，灰色综合评估已在诸如导弹武器系统[7]、能源系统[8]和环境系统[9]等复杂大系统中得到广泛应用。

2.3.1 建立评价样本矩阵

根据技术成熟度理论，将装备技术成熟度分为9个等级，相应的分值为V={v1，v2…v9}其中vd为装备技术成熟度所处的等级。采用专家打分法，设有k=1，2，…，p名专家根据技术成熟度等级评价标准分别对二级评价指标Uij进行打分，所有的得分dijk组成评价样本矩阵，公式如下

(7)

2.3.2 确定评价灰类

确定评价灰类e=1，2，…，g，即确定评价灰类的等级数、灰类以及灰数的白化权函数。根据技术成熟度的划分，本文灰类等级数为9个等级，定义第d灰类“De”，灰数⊗∈[e-2，e，e+2]，白化权函数为fe，公式如下

(8)

2.3.3 计算灰色评价矩阵

记rije为p个专家对评价指标Uij属于第e个灰类的灰色评价权，公式如下

(9)

对一级评价指标Ui所属指标Uij分别按照上式进行计算，可得Ui对应的灰色评价矩阵。

(10)

2.3.4 灰色综合评价

根据Ui下各评价指标的权重，首先对Ui进行一级综合评价，假设其结果记作Bi，则有

Bi=ωi·Ri=(bi1，bi2，…，big)

(11)

再根据一级评价指标的权重进行加权平均，可得二级综合评价结果，假设记作B，公式如下

B=ω·R=(b1，b2，…，bg)

(12)

将灰色评价隶属度归一化后，再由成熟度评分标准，可得装备科研项目的成熟度评分值：

E=int(BVT)

(13)

3 基于技术成熟度的科研阶段判定准则

对于一个装备科研项目，其完整的研究过程应包括技术预研、立项论证、工程研制、设计定型和生产定型等阶段[10]。在技术预研阶段，主要是对装备关键技术进行分析、建模和仿真，此时技术还没有明确的应用背景或者虽有应用背景但技术还无法直接应用，其技术成熟度在4级以下；在立项论证阶段，其技术成熟度在4～5级，此时主要关键技术已经得到解决或经过实验室验证，可以立项进行原理样机的研制，进行功能、性能和技术的集成验证；在工程研制阶段，技术成熟度应达到6级以上，原理系统或重要子系统应已得到实验室环境测试或实际环境的部分测试；在设计定型阶段，技术成熟度应达到7～8级，则应已完成典型环境试验，所有的功能和性能指标已完成考核；在生产定型阶段，技术成熟度应到达8～9级，代表装备已投入使用，进入批生产和使用保障阶段，。科研阶段与技术成熟关系表见表4。

表4 科研阶段与技术成熟度关系表

4 案例分析

以某小型地面无人移动系统项目为例，在现有研究基础上通过关键技术梳理，得到该项目的关键技术体系，某小型地面无人移动系统关键技术体系图如图3所示。

图3 某小型地面无人移动系统关键技术体系图

邀请5名专家对各关键技术成熟度进行打分，并对各指标的权重按照2.2节的打分方法进行打分，得到的技术成熟度评分与权重，小型地面无人移动系统技术成熟度评分表和指标权重分配表见表5与表6。

表5 小型地面无人移动系统技术成熟度评分表

表6 小型地面无人移动系统指标权重分配表

根据2.3的灰色评估模型，得到运动平台系统、无线传输系统、任务控制系统的灰色评价矩阵，公式如下

由于运动平台系统、无线传输系统、任务控制系统的权重系数分别为0.122 0，0.229 7，0.648 3，通过加权得到小型地面无人移动系统的灰色隶属度为

R=(0，0.107 8，0.244 9，0.267 9，0.212 7，0.122 1，0.033 2，0.011 4，0)

由此得到小型地面无人移动系统的技术成熟度评分值为

TRL=4

根据基于技术成熟度的科研阶段判定准则，可以认为该小型地面无人移动系统项目关键技术已经得到解决或经过实验室验证，可以立项进行原理样机的研制。

5 结语

技术成熟度评价方法作为衡量技术发展程度，控制技术风险的有效手段，已在国防装备领域得到广泛的应用。本文针对装备科研项目的立项管理，提出利用技术成熟度理论来衡量项目的整体技术成熟度，并对项目立项进行决策。建立了装备科研项目技术成熟度的评价流程和评价模型，并结合实例验证了方法和模型的适用性和可操作性。该模型和方法对能够用于项目所处阶段的判断和决策活动，能够控制技术风险，防止不成熟技术提前进入项目研制过程或成熟技术的重复研发投入，从而实现项目管理流程的优化。