池宜興 馮雪 劉兵

(1 河北工業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，天津 300401)(2 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京 101499)

空間科學(xué)(Space Science)是指利用航天器研究發(fā)生在日地空間、行星際空間及至整個(gè)宇宙空間的物理、天文、化學(xué)及生命等自然現(xiàn)象及其規(guī)律的科學(xué)[1]?？臻g科學(xué)衛(wèi)星工程是科學(xué)與技術(shù)、工程的有機(jī)融合、相互迭代并最終實(shí)現(xiàn)科學(xué)上的重大創(chuàng)新突破的工程，發(fā)展空間科學(xué)是建設(shè)世界科技強(qiáng)國的重要途徑。一方面，空間科學(xué)衛(wèi)星工程中的量子通信可以實(shí)質(zhì)性地提升國家的信息技術(shù)水平和信息產(chǎn)業(yè)的核心競爭力，實(shí)現(xiàn)國家信息系統(tǒng)建設(shè)的跨越式發(fā)展，對綜合國力的提升、經(jīng)濟(jì)和社會的進(jìn)步產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響；另一方面，空間科學(xué)衛(wèi)星工程在進(jìn)行科學(xué)探索的過程中，也會帶來明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益。因此，無論是在“國家安全”和“國民經(jīng)濟(jì)”兩大方面，空間科學(xué)衛(wèi)星工程都起到了至關(guān)重要的作用。

由于空間科學(xué)衛(wèi)星工程技術(shù)難度大、參與單位多、環(huán)節(jié)復(fù)雜，其在建設(shè)過程中會面臨越來越多的風(fēng)險(xiǎn)。尤其是衛(wèi)星工程在協(xié)調(diào)前沿科學(xué)目標(biāo)和工程技術(shù)水平之間的平衡時(shí)會使得在建設(shè)過程的風(fēng)險(xiǎn)增加，最終導(dǎo)致工程成功與科學(xué)成果指標(biāo)先進(jìn)不平衡的風(fēng)險(xiǎn)，從而對衛(wèi)星的成功發(fā)射造成不良的后果。其中風(fēng)險(xiǎn)包括兩個(gè)方面：①不能實(shí)現(xiàn)具體目標(biāo)的概率；②不能實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)所導(dǎo)致的后果[2]。在風(fēng)險(xiǎn)控制方面，空間科學(xué)各衛(wèi)星工程遵循“系統(tǒng)策劃，識別全面，分析準(zhǔn)確，措施有效，風(fēng)險(xiǎn)受控”的原則，明確各級責(zé)任，配備必要的資源，并充分發(fā)揮專業(yè)機(jī)構(gòu)和同行專家的作用，按照策劃、識別與評價(jià)、應(yīng)對、監(jiān)控的步驟，開展各階段的風(fēng)險(xiǎn)分析與控制工作，并在工程研制各階段迭代進(jìn)行。

改進(jìn)層次分析法(AHP)是將定性和定量相結(jié)合的方法。模糊綜合評價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評價(jià)方法。模糊綜合評價(jià)法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評價(jià)，即用模糊數(shù)學(xué)對受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評價(jià)[3]。在評價(jià)過程中，有很大一部分風(fēng)險(xiǎn)因素是難以用數(shù)值準(zhǔn)確加以定量描述的，主要利用歷史經(jīng)驗(yàn)或?qū)＜以u判，因此具有一定的主觀性。而改進(jìn)的AHP是定量與定性相結(jié)合的，可以有效減少模糊綜合評價(jià)法的主觀性。因此，本文采用改進(jìn)AHP和模糊綜合評價(jià)法的二者結(jié)合，以量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星(以下簡稱量子衛(wèi)星)方案設(shè)計(jì)階段為例，對該階段的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行判斷并采取措施加以有效控制。

1 風(fēng)險(xiǎn)管理理論與方法綜述

風(fēng)險(xiǎn)管理是指對潛在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行管理策劃、識別與分析、應(yīng)對和監(jiān)控，以求用最小的付出成本獲得最大的風(fēng)險(xiǎn)管理效果[4]。風(fēng)險(xiǎn)管理最早在美國興起，其應(yīng)用的范圍從最初的大型企業(yè)逐漸擴(kuò)大。1998年NASA發(fā)布的《計(jì)劃和項(xiàng)目管理過程與要求》已經(jīng)明確提出了將風(fēng)險(xiǎn)管理應(yīng)用在在航天項(xiàng)目中。2002年NASA發(fā)布的 《航天項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)程與指南》 中明確的指出了風(fēng)險(xiǎn)管理的重要性以及風(fēng)險(xiǎn)管理的實(shí)施要求。同樣，ESA在吸收NASA風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)程的基礎(chǔ)上制定了適用的風(fēng)險(xiǎn)管理標(biāo)準(zhǔn)。隨著國內(nèi)航天技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)險(xiǎn)管理也逐漸受到極大的重視。文獻(xiàn)[5]基于模糊層次分析法探討了載人航天工程項(xiàng)目封信管理的研究。

1.1 風(fēng)險(xiǎn)管理的過程

我國衛(wèi)星項(xiàng)目目前采用的風(fēng)險(xiǎn)管理辦法，其迭代過程包括了4個(gè)部分：風(fēng)險(xiǎn)管理策劃、風(fēng)險(xiǎn)識別與分析、風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對、風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控[6]。首先，在整體工程開始前，首先應(yīng)根據(jù)過往經(jīng)驗(yàn)和新技術(shù)的結(jié)合來有效的預(yù)先判斷可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，并作出具體的管理策劃[7]。其次，作為風(fēng)險(xiǎn)管理過程的最原始起點(diǎn)，風(fēng)險(xiǎn)識別如果出現(xiàn)偏差，在后續(xù)過程中，這種偏差極有可能會被逐漸放大，甚至最后得出錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對措施以及風(fēng)險(xiǎn)的延展。再次，風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對是控制和解決風(fēng)險(xiǎn)的至關(guān)重要的一步，在這一階段各衛(wèi)星工程根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)結(jié)果，梳理確定高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目、中風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目和低風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目，并有針對性地提出消除、降低、轉(zhuǎn)移或接收的應(yīng)對措施，確保風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對措施充分、有效和合理。最后，風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控是一種風(fēng)險(xiǎn)處置技術(shù)，其目的是為了最大限度地降低風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的概率，減小風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生時(shí)造成的損失程度。

1.2 風(fēng)險(xiǎn)管理的方法

1)NASA的風(fēng)險(xiǎn)管理方法

NASA發(fā)展至今其風(fēng)險(xiǎn)管理方法從單一的定性風(fēng)險(xiǎn)管理階段到采取一體化的定量化風(fēng)險(xiǎn)管理階段。從20世紀(jì)50年代至80年代，NASA分別經(jīng)歷了采用概率計(jì)算和故障樹方法相結(jié)合、失效模式及其影響分析(FMEA)和關(guān)鍵相關(guān)項(xiàng)目表(CIL)、故障樹分析法(FTA)、概率風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)法(PRA)[8]。目前，NASA風(fēng)險(xiǎn)管理的方法是將CRM和PRA結(jié)合起來，利用PRA估計(jì)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率，估算風(fēng)險(xiǎn)等級和風(fēng)險(xiǎn)影響，將定性與定量相結(jié)合把握項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生規(guī)律及其可能造成的影響，構(gòu)建動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管理的程序和組織[9]。

2)ESA的風(fēng)險(xiǎn)管理方法

ESA同樣對風(fēng)險(xiǎn)管理工作十分重視。ESA在風(fēng)險(xiǎn)管理上主要借鑒了美國的概率風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)，并根據(jù)自身實(shí)際情況進(jìn)行了改進(jìn)[10]。ESA在吸收NASA風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范的基礎(chǔ)上制定了適用的風(fēng)險(xiǎn)管理標(biāo)準(zhǔn)，主要包括：ECSS-M-00-03A、ECSS-M-00-03B、ECSS-M-ST-80C、PSS-01-403等[11]。ESA在借鑒NASA的同時(shí)，將項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)管理程序具體分為4個(gè)迭代步驟、9項(xiàng)任務(wù)?，F(xiàn)如今，在科技發(fā)展的今天，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)慢慢成為ESA風(fēng)險(xiǎn)管理的方法之一。

3)國內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)管理方法

目前，除FTA和PRA外，國內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)管理主要還采用故障模式、影響與危害性分析(Failure Mode Effects and Criticality Analysis, FMECA)法和改進(jìn)AHP-模糊綜合評價(jià)法。

PRA法和改進(jìn)AHP-模糊綜合評價(jià)法屬于綜合評價(jià)方法。PRA方法雖然有助于分析復(fù)雜的航天系統(tǒng)，但由于該方法比較復(fù)雜，需要投入較多的人力、物力，實(shí)際應(yīng)用時(shí)會有一定的難度[12]。改進(jìn)AHP-模糊綜合評價(jià)法具有結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。因此，本文選擇采用此方法作為空間科學(xué)衛(wèi)星工程風(fēng)險(xiǎn)管理的方法。

2 空間科學(xué)衛(wèi)星工程風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系

相比空間科學(xué)衛(wèi)星工程的其他階段，方案設(shè)計(jì)階段需要更多的創(chuàng)新性和模糊性，因此方案設(shè)計(jì)階段最大的特點(diǎn)是風(fēng)險(xiǎn)大和不確定性高[13]。方案設(shè)計(jì)階段的重點(diǎn)工作包括依據(jù)工程研制和使用要求，對其任務(wù)特點(diǎn)、使用狀態(tài)和環(huán)境等方面進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，對總體、分系統(tǒng)、重要單機(jī)設(shè)計(jì)方案，研制過程各類大型試驗(yàn)方案，關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)情況，采用的新技術(shù)、新工藝、新材料(含器件)情況，用戶技術(shù)指標(biāo)的滿足程度，可靠性指標(biāo)分配和傳遞情況等方面進(jìn)行分析。因此，本文將方案階段風(fēng)險(xiǎn)劃分為3個(gè)一級風(fēng)險(xiǎn)因子和12個(gè)二級風(fēng)險(xiǎn)因子，如表1所示。

表1 風(fēng)險(xiǎn)因子識別Table 1 Identification of risk factors

2.1 方向風(fēng)險(xiǎn)

(1)任務(wù)特點(diǎn)分析，該風(fēng)險(xiǎn)源主要是梳理出本次任務(wù)所采用新技術(shù)的特點(diǎn)、難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，分析所選用產(chǎn)品的使用環(huán)境、使用狀態(tài)，進(jìn)行工程產(chǎn)品技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析。

(2)科學(xué)研究目標(biāo)，該風(fēng)險(xiǎn)源主要由于目前對太空的探索還處于科研階段而不是資源勘探利用階段。因此，確定科學(xué)研究目標(biāo)不出現(xiàn)與國內(nèi)外的重復(fù)至關(guān)重要。

(3)方案可行性分析，該風(fēng)險(xiǎn)源是對工程總體方案的可行性進(jìn)行分析，確?？傮w方案正確可行，避免在工程后續(xù)研制過程中出現(xiàn)方案顛覆的情況。

(4)災(zāi)害性空間環(huán)境事件危害分析，該風(fēng)險(xiǎn)源是對衛(wèi)星發(fā)射運(yùn)行階段極端惡劣災(zāi)害性空間環(huán)境事件預(yù)報(bào)，分析災(zāi)害影響，制定相應(yīng)的耐受性和適應(yīng)性設(shè)計(jì)方案。

2.2 創(chuàng)新風(fēng)險(xiǎn)

(1)新技術(shù)、新工藝分析，該風(fēng)險(xiǎn)源主要重點(diǎn)關(guān)注未經(jīng)飛行試驗(yàn)考核的新技術(shù)與新工藝，對工程產(chǎn)品新技術(shù)的可靠性和地面試驗(yàn)驗(yàn)證的充分性要進(jìn)行分析。

(2)新單位分析，該風(fēng)險(xiǎn)源是新單位的資質(zhì)是否與要求所匹配、質(zhì)量是否能充分保障以及產(chǎn)品保證措施是否合理等。

(3)新器材、新材料分析，該風(fēng)險(xiǎn)源主要包括新器材和新材料選用的合理性、驗(yàn)證充分性、使用正確性進(jìn)行分析。

(4)新產(chǎn)品分析，該風(fēng)險(xiǎn)源主要包括對新產(chǎn)品的功能和性能符合性、可靠性、安全性設(shè)計(jì)符合性、質(zhì)量保證符合性、操作符合性等方面進(jìn)行分析。

2.3 設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)

(1)設(shè)計(jì)裕度量化分析，該風(fēng)險(xiǎn)源要圍繞關(guān)鍵特性參數(shù)，為了保證衛(wèi)星產(chǎn)品的可靠性，一般都采用裕度設(shè)計(jì)。

(2)技術(shù)成熟度分析，該風(fēng)險(xiǎn)源主要包括關(guān)鍵技術(shù)的工程以及設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法或試驗(yàn)方法不成熟的項(xiàng)目。

(3)曾經(jīng)發(fā)生過影響成敗問題的工程，該風(fēng)險(xiǎn)源主要涉及對曾經(jīng)發(fā)生過影響任務(wù)成敗的工程(產(chǎn)品)進(jìn)行復(fù)查和分析。對其它相似工程(產(chǎn)品)發(fā)生的影響任務(wù)成敗的質(zhì)量問題，在本工程中進(jìn)行舉一反三分析。

(4)繼承性分析，該風(fēng)險(xiǎn)源主要考慮對使用的成熟技術(shù)方案對本項(xiàng)目的適用性和融合性風(fēng)險(xiǎn)。

3 改進(jìn)AHP-模糊綜合評價(jià)法的算法流程

對于本文需要采用的改進(jìn)AHP-模糊綜合評價(jià)法，其主要的算法流程如下：

(1)建立綜合評價(jià)的因素集。因素集是以影響評價(jià)對象的各種因素為元素所組成的一個(gè)普通集合，本文用A表示，即A={A1,A2,A3…An}，其中元素Ai代表影響評價(jià)對象的第i個(gè)因素。

(2)確定權(quán)重。通過專家對風(fēng)險(xiǎn)因子的評分，評分采用“三標(biāo)度法”，即用2、0、1這三個(gè)數(shù)來分別代表“甲比乙重要”、“乙比甲重要”、“二者一樣重要”。構(gòu)建兩兩比較判斷矩陣，從而得出總風(fēng)險(xiǎn)ω和一級風(fēng)險(xiǎn)因子的權(quán)重ω1、ω2、ω3。

(3)建立隸屬矩陣。通過對專家判斷每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子的風(fēng)險(xiǎn)程度隸屬于極低、低、中等、高、極高等不同等級的數(shù)據(jù)的整理可以得到3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)維度的隸屬度矩陣，分別是R1、R2、R3。

(5)二級模糊綜合評價(jià)。通過將權(quán)重與隸屬度矩陣相乘可以得到風(fēng)險(xiǎn)維度的模糊綜合評價(jià)指標(biāo)值分別是v1、v2、v3。將其與評價(jià)分值相乘，最終得到3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)維度的最終得分δ1、δ2、δ3。

4 空間科學(xué)衛(wèi)星工程的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)實(shí)證分析

量子衛(wèi)星是我國乃至世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，這意味著人類將首次完成衛(wèi)星和地面之間的量子通信，從而構(gòu)建一個(gè)天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。本文以量子衛(wèi)星為例，對其方案設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)證分析。根據(jù)改進(jìn)AHP-模糊綜合評價(jià)法的算法流程，對量子衛(wèi)星工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。

4.1 改進(jìn)AHP

首先，根據(jù)表1建立的層次結(jié)構(gòu)模型，本行業(yè)專家、學(xué)者、空間科學(xué)衛(wèi)星項(xiàng)目管理人員、一線設(shè)計(jì)人員對其風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行打分，并建立兩兩比較矩陣。

其次，基于判斷矩陣的最大特征根計(jì)算與之對應(yīng)的特征向量ω，并對所求的ω進(jìn)行歸一化處理，得到各指標(biāo)的權(quán)重取值矩陣ω，其中各指標(biāo)的取值大小和排列順序就反映了該指標(biāo)相對于上一層次要素的重要程度和權(quán)重分配[11]。最終得到一級指標(biāo)權(quán)重和二級指標(biāo)權(quán)重情況如表2所示。

表2 指標(biāo)權(quán)重匯總表情況Table 2 Summary of index weight

4.2 模糊綜合評價(jià)

4.2.1 二級模糊綜合評價(jià)

為了更好的評價(jià)量子衛(wèi)星的風(fēng)險(xiǎn)，本文通過采用專家對風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評分來對量子衛(wèi)星風(fēng)險(xiǎn)管理過程的風(fēng)險(xiǎn)源做出不同的評價(jià)。通過總結(jié)十位專家的打分?jǐn)?shù)據(jù)，得出空間科學(xué)衛(wèi)星工程各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)的隸屬度矩陣，如表3所示。

表3 量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星方案設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的隸屬度Table 3 QUESS Membership degree of risk assessment in scheme design phase

其次，對量子衛(wèi)星的二級風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行二級模糊綜合評價(jià)。通過對表3數(shù)據(jù)的整理可以得到3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)維度的隸屬度矩陣，分別是R1、R2、R3。

(1)

(2)

(3)

再次，測算風(fēng)險(xiǎn)維度的模糊綜合評價(jià)指標(biāo)值分別為

(4)

最后通過上述計(jì)算，可以得到模糊綜合評價(jià)結(jié)果如表4所示。

表4 二級模糊綜合評價(jià)結(jié)果Table 4 Results of two-level fuzzy comprehensive evaluation

4.2.2 一級模糊綜合評價(jià)

根據(jù)二級模糊綜合評價(jià)的結(jié)果，可以得到量子衛(wèi)星方案設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)的總體判斷矩陣。

(5)

(6)

計(jì)算得到模糊綜合評價(jià)的結(jié)果，并據(jù)此可以計(jì)算得出量子衛(wèi)星方案設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)的總體得分δz。

通過模糊綜合評價(jià)法計(jì)算出該總風(fēng)險(xiǎn)得分δz=R×v=59.52，得分在[40，60)之間，屬于中等風(fēng)險(xiǎn)的評價(jià)等級。從評價(jià)結(jié)果可以看出，對于二級風(fēng)險(xiǎn)因子來說，其中方向風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)都屬于中等風(fēng)險(xiǎn)，二者對于其風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生的損失可以及時(shí)的修復(fù)并且對人員也不會造成較大傷害。但是其中創(chuàng)新風(fēng)險(xiǎn)屬于高風(fēng)險(xiǎn)，主要是由于采用的新技術(shù)等方面具有巨大的不確定性，因此可能會帶來指標(biāo)的失敗和任務(wù)的推遲從而影響整體工程的進(jìn)度。然而，對于總風(fēng)險(xiǎn)來說，仍然屬于中等風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語

對于空間科學(xué)衛(wèi)星工程來說，由于改進(jìn)AHP-模糊綜合評價(jià)法具有結(jié)果清晰，系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合于此項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)管理評價(jià)。本文基于改進(jìn)AHP-模糊綜合評價(jià)法，以量子衛(wèi)星方案設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)為例進(jìn)行實(shí)證分析得出該階段的風(fēng)險(xiǎn)屬于中等風(fēng)險(xiǎn)，即雖然會產(chǎn)生一定的損害但是可以修復(fù)，并且對人員和最終目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)不會造成極大的傷害。因此，有必要根據(jù)衛(wèi)星工程的各個(gè)階段中風(fēng)險(xiǎn)的評估結(jié)果，給出對應(yīng)的解決方案。具體來說，對于高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目，各衛(wèi)星工程及相關(guān)單位必須制定消除或降低風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對措施，并落實(shí)在工程研制生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，采取計(jì)算、分析、試驗(yàn)等手段，驗(yàn)證風(fēng)險(xiǎn)控制措施的有效性，加強(qiáng)對實(shí)施效果的評估，并對采取措施后的項(xiàng)目重新進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)綜合評級；對于中風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目，應(yīng)將其作為節(jié)點(diǎn)質(zhì)量控制和里程碑的重點(diǎn)內(nèi)容，在后續(xù)研制生產(chǎn)環(huán)節(jié)中密切關(guān)注，并結(jié)合研制流程采取有效措施，保證在衛(wèi)星出廠前降低至可接受水平；對于低風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目，應(yīng)進(jìn)行必要的監(jiān)控，跟蹤并記錄其后續(xù)狀態(tài)變化情況，防止其危害程度上升。