基于层次分析法-熵权法的航天发射风险评价与分析

基于层次分析法-熵权法的航天发射风险评价与分析

宇文佳锋，刘晓东，朱硕

 空军工程大学，陕西 西安 710051

【摘要】航天发射作为当今世界最具有挑战性的高科技领域之一，功绩巨大、风险也巨大。本文基于航天发射任务阶段特点，对发射过程各风险因素进行探讨，运用层次分析法和熵权法相结合的方法，构建了一个针对航天发射任务的风险因素评价方法，为航天发射风险应对提供支撑。

【关键词】航天发射；层次分析法；熵权法；风险评价

1引言

航天工程作为当今世界最具有挑战性的高科技领域之一，功绩巨大、风险也巨大，成功与失败、机遇与风险仍将始终相伴着航天事业的发展，先后有200多名军官、科学家和技术人员死于试验、研发和发射工作中，每一次发射、每一次飞行都面临着巨大的风险，消除或降低航天发射安全风险始终是航天发射不可忽略的研究课题。准确识别发射各阶段的风险，对风险因素进行分析和评估，依据评估结果有效的控制和规避风险，对促进航天快速发射装备体系建设发展具有重大意义[1]。

航天发射任务的复杂性决定了影响其成功的因素非常多，面对众多的影响因素，如何有效的对风险因素进行评估[2]，克服指标选取的主观性以及评估方法选择的随意性，使得评估结果能够更真实客观的反映该型火箭发射任务的安全状况，从而指导安全决策措施的制定或调整，对发射任务风险防控方案制定和安全风险防范具有一定的指导作用。

2风险评价指标体系构建

构建科学合理的风险评价指标体系，是进行风险评价的基础。某型火箭发射任务包含的设施设备繁多，测发流程复杂，工作人员庞杂，协调沟通难度大，为了保证发射任务风险评价的科学性及合理性，风险评价指标体系充分客观反映某型火箭发射任务的风险状况。

某型火箭发射任务的风险评估是一个复杂且庞大的系统，考虑发射任务各种风险因素对任务影响程度，得到某型火箭发射任务风险评估指标，分别划分3个准则层，以及每个准则层下又分多个指标，基本包含该型火箭发射任务的各个风险因素。具体如图1所示。

图1 某型火箭发射任务风险评价指标体系

3风险评估方法

通过分析发射任务过程中各风险指标因素相对于系统体系的重要性，选用改进的层次分析法和熵权法综合应用进行某型火箭发射任务各风险指标的权重确定。两种方法结合构建评价模型，优势互补，能够使评价结果更加科学、合理。

1.改进的层次分析法

传统的层次分析法，采用“1～9”标度描述各指标间的相对重要程度，容易使专家的判断上出现模糊，影响评估的准确性[3]。采用改进的层次分析法，使用“0～2”标度判断指标间的相对重要性，降低判断难度，提升评估的准确性。三标度属于互补性标度，其构造出的比较矩阵，经过改造可以免除一致性检验。三标度法的具体意义如表1。

表1“0～2”标度法意义

“0～2”三标度法权重值得计算过程如下：

（1）构造比较矩阵

在风险评价指标体系的模型上，采用三标度与专家意见相结合，根据每层因素对上一层的重要程度，将其进行两两对比，从而构造出比较矩阵，如下所示。

其中表示两个因素对比的标度， 

（2）构造判断矩阵

根据比较矩阵构造判断矩阵B,, 按以下公式计算，

    （3-1）

其中 

（3）计算权重

            （3-2）

           （3-3）

2.熵权法

在信息论中熵值反映信息的无序化程度，某项指标的熵值越小，表示该指标离散程度越高，在综合评价中的影响越大[4]。采用熵权法来确定指标的权重，是一种客观的赋权方法，与主观赋权法相比，可以有效避免主观判断产生的偏差，赋权结果具有更好的客观性。

熵权法对指标赋权的具体步骤如下：

若有n个评价指标，m个评价对象，为第i个评价对象的第j个评价指标所对应的数据（i=1,2,…，m；j=1,2,…，n）

（1）构建评价矩阵

即：

（2）评价矩阵标准化

对评价矩阵中的元素标准化出理，可得，由于发射任务风险中为正向指标，其标准化公式为：

 （3-4）

（3）计算第j项指标的熵值

 （3-5）

其中： ，且通常假定：当时，来保证有意义。

（4）计算指标的熵权

     （3-6）

第i项指标的熵权为：且。

3.组合赋权

指标权重的确定方法对风险因素直接影响的评价结果，为了能够使某型火箭发射任务风险评价能够更科学合理，避免单一方法的缺陷，导致赋权结果出现偏差，因此采用组合赋权可以确保权重计算科学有效。

本文采用乘数合成归一的方法，对改进的层次分析法和熵权法分别计算出的权重结果进行综合，得到各指标的组合权重为：

     （3-7）

4火箭发射任务风险评价模型构建

某型火箭发射任务风险评价采用改进的层次分析法和熵权法组合赋权，构建风险评价模型，具体评价原理见图2。

邀请多位专家根据改进的层次分析法建立比较矩阵，并对风险指标打分表，通过改进的层次分析法与熵权法组合计算，得到某型火箭发射任务风险指标体系各指标层风险因素主客观相结合的赋权结果。指标权重越大表明其对任务安全影响越大；反之则表明影响越小，根据权重大小可直观地找出某型火箭发射任务中的最不利因素。

图2 某型火箭发射任务风险评价原理图

1.主观权重计算

（1）构造比较矩阵

邀请发射场总体岗位、指挥岗位、操作岗位等不同领域10位专家对R指标两两重要性比较评分，根据最终结果得到R各指标及准则层各指标的比较矩阵A为：

（2）构造判断矩阵

根据式（3-1）进行矩阵转化，求得R的判断矩阵为：

（3）计算权重

根据式（3-2）计算判断矩阵B的值如下：

同理的求得：

根据式（3-3），计算R各指标的权重：

R中各指标的权重向量为：

。

同理求得的权重向量为：

（4）层次总排序

对各层级指标权重计算结果进行整理，利用公式（3-4）得到某型火箭发射任务风险各层指标对最高层目标的相对重要性的排序值，见表2。

表2 R评价指标层析总排序

2.客观权重计算

根据某型火箭发射任务风险评价指标体系，分别咨询科研（航天工业部门）、航天发射场等单位10名专家对各个风险进行打分，其结果如表3。

表3 专家打分表

根据式（4）对评分表中技术风险的指标进行标准化得到,依据公式（3-5）计算出技术风险各指标的熵权为：

3.综合权重计算

根据改进的层次分析法和熵权法求得各指标的权重，依据公式（3-7）计算，得综合权重如表4。

表4 R评价指标综合权重

4.权重结果分析

根据改进的层次分析法计算得出准则层对目标R的权重，对目标R来说对其影响程度有大到小排列一次为：技术风险B1>设施设备风险B2>管理风险B3>人员风险B4>环境风险B5，说明技术风险对某型火箭发射任务的影响最大。

根据组合赋权求得指标层对目标R的影响权重，技术复杂性风险对发射任务的影响最大，技术复杂性风险、技术准备性风险以及硬件风险相比其他风险因素对发射任务影响更加突出，技术复杂性风险是完成任务的最不利因素。

5结论

根据航天发射任务特点，采用改进的层次分析法和熵权法结合的方法进行风险评估。评估结果表明，技术复杂性风险、技术准备性风险以及硬件风险对发射结果影响较大，在后续风险应对中重点关注

[5]。结合历次任务数据，该方法有效克服单纯主观评价带来的认识偏差，风险评价结果和实际任务过程一致度较高。

参考文献

[1]魏法杰等.航天发射试验风险管理理论、方法与工具［Ｍ］．北京：科学出版社，2020-08.

[2]施镇顺,朱亚雄,孙成杰,杨晓波等. 航天发射任务风险评估研究[J]. 航天标准化. 2020(03):7-14.

[3]李清,程阳,于强,田策,钱路. 基于改进层次分析法的爆破效果影响因素.工程爆破.2017.28(3):1-4.

[4]刘子琦,郭炳晖等. 基于熵值模糊层次分析法的科技战略评价[J]. 计算机科学. 2020,47(S1):1-5.

[5]八院航天型号产品风险分析与控制指南［Ｍ］,上海航天局,2012.

作者简介：宇文佳锋，男，陕西西安人，现为空军工程大学研究生院在读学员，大学本科学历，研究方向为项目管理研究。