系统成熟度评估矩阵计算模型在机载制导武器研制中的应用

    王方

    摘 要：为了有效降低装备研制中的技术风险，美国国防部（DOD）在国防采办中引入了技术 成熟度等级（TRL）的概念以及技术成熟度评估（TRA）的方法，并将其应用领域和适用范围不断扩 大，发展完善为系统成熟度等级（SRL）与系统成熟度评估（SRA）。本文介绍了TRL与TRA的基本 概念，并在此基础上，介绍了SRL与SRA的基本概念以及最常用的评估方法———矩阵计算模型， 并围绕机载制导武器研制工作进行应用举例说明，为国内对复杂武器系统实施技术成熟度评估提 供参考与借鉴。

    关键词：技术成熟度等级；技术成熟度评估；系统成熟度等级；系统成熟度评估；矩阵计算模 型；机载制导武器

    中图分类号：TJ760.6 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）03-0059-05

    ApplicationResearchonMatrixBasedModelofSystemReadiness AssessmentinAirborneGuidedWeaponResearch&Development

    WANGFang

    （ChinaAVICAvionicsSystemsCo.Ltd，Beijing100086，China）

    Abstract：Inordertolowereffectivelythetechnicalriskofweaponresearch&development，theA mericanDepartmentofDefense（DOD）adoptedthenotionofTechnologyReadinessLevel（TRL）aswell asTechnologyReadinessAssessment（TRA），andcontinuouslyexpandedtheirapplicationfieldand scopetoimproveanddevelopthenotionofSystemReadinessLevel（SRL）aswellasSystemReadiness Assessment（SRA）.ThisarticleintroducesthebasicconceptofTRLandTRA，andthenfurtherintro ducesthebasicconceptofSRL，SRAandawidelyusedassessmentmethodcalled“MatrixbasedMod el”，andappliestheassessmentmethodtotheairborneguidedweaponresearch&developmentworkasa practicalinstance，presentinganusefulreferenceforTRAofdomesticcomplexintegratedsystems.

    Keywords：TRL，TRA，SRL，SRA；matrixbasedmodel；airborneguidedweapon

    0 引 言

    现代武器装备大量采用新技术，追求高性能， 导致系统结构、层次越来越复杂，因而武器装备的研制过程以及采办工作都存在着较大的不确定性 和风险性，因技术成熟度不高或对技术风险认识 不足导致的武器装备“拖进度、降性能、涨费用” 等问题己成为世界各国一个公认的难题。因而有 必要在武器装备研制过程中，对所用技术进行合 理评估，确保项目顺利完成。经过多年的发展，不 断完善的技术成熟度理论及评估方法可以清晰地审查技术研发全过程，合理地预测可能存在的技 术风险，科学地制定出各项技术的发展路线，及时 地了解关键技术的成熟度水平。

    目前，对技术成熟度的评估大都侧重于对单 一技术的评估，很难全面反映复杂武器装备系统 的技术状态。因此，必须拓展技术成熟度概念与评 估方法的范畴，深入研究复杂武器装备层面的系 统成熟度理论与评估方法，其对于强化武器装备 研制项目的综合管理，确保武器装备研制成功具 有重要意义。

    1 技术成熟度等级与技术成熟度评估

    技术成熟度等级（TRL）与技术成熟度评估 （TRA）的概念最早起源于美国，已经历了探索研 究、成熟发展和全面应用三个阶段。2003年，美国 国防部（DOD）颁布《技术成熟度评估手册》，将技 术成熟度引入采办条例，并于2005年、2009年、 2011年进行三次补充修订，其中2011年更名为 《技术成熟度评价指南》（《指南》），对于TRA工作 的组织机构、操作程序、评估细则等都进行了详细 的规定。英国、加拿大等国军方也以美军的TRL 与TRA理论为基础，相继开发出了本国的TRA体 系并全面推广应用。

    2011年版《指南》中定义，TRL是指对技术成 熟程度进行度量和评测的一种标准，可用于评估 特定技术的成熟度，以及判断不同技术对同一项 目目标的满足程度。《指南》中将TRL划分为9级， 具体如下：

    TRL1：发现和报告技术基本原理；

    TRL2：阐明技术概念和用途；

    TRL3：验证技术概念的关键功能和特性；

    TRL4：在实验室环境下完成基础部件/原理样 机验证；

    TRL5：在模拟实际使用环境中完成部件/原理 样机验证；

    TRL6：在模拟实际使用环境中完成系统/子系 统模型或样机验证；

    TRL7：在使用环境中完成系统样机验证；

    TRL8：完成实际系统试验验证；

    TRL9：完成实际系统使用验证。

    以上TRL1～TRL9的评估标准基本涵盖了一 项新技术从基础研究到工程应用的整个过程。其 中，TRL1～TRL3主要处于基础研究阶段；TRL4～ TRL6主要处于技术开发阶段；TRL7～TRL9主要 处于工程研制阶段，TRL9表明这项技术可转入生产部署阶段。

    技术成熟度评估（TRA）是指采用TRL对技术 的成熟度进行评价的一套方法、流程和程序。它是 通过一个正式的、系统化的、基于度量标准的过程 来评价系统中采用的关键硬件和软件技术的成熟 度，形成评估报告。TRL建立了一种测量技术成熟 度的标准与标尺，是技术发展的归纳与表述；TRA 进入了方法论的范畴，与TRL相辅相成，共同构 成了技术成熟度评估方法的理论基础。

    2 系统成熟度等级与系统成熟度评估

    近年来，随着科技的进步与TRA工作的深入， 当涉及到关键技术多、集成关系复杂的武器装备 系统时，TRA的实际效果并不理想。TRL与TRA 更多关注的是单项技术本身，不能有效地反映出 复杂系统间各项技术的关系。系统的成熟是以所 有关键技术的成熟为前提的，因此，DOD进一步 拓展了TRL与TRA的应用领域和适用范围，不仅 关注单项技术是否成熟，并且更加关注技术集成 性以及整个系统的成熟度水平，提出“系统成熟度 等级（SRL）”与“系统成熟度评估（SRA）”的概念。

    SRL与SRA是对传统TRL与TRA概念的继承 与发展，SRL可分为6个等级，依次表示系统在整 个开发生命周期中所处的阶段状态。SRL的定义、 描述、与TRL的对应关系如表1所示。

    目前，国内外还没有统一的SRA评估方法， 最为著名也是最有可能在未来成熟应用的评估方 法是美国斯蒂文森大学Sauser等人提出的“矩阵计算模型”将技术成熟度和技术集成成熟度通过矩阵 算法综合起来，计算出整个系统的SRL。美国航空 航天局（NASA）、DOD等已采用该计算模型，对多 个项目，包括火星气象卫星、阿丽亚娜5号、哈勃 空间望远镜等实施了评估，研究结果表明该计算 方法能够较为准确地反映系统的真实研制水平。

    3 系统成熟度评估矩阵计算模型

    3.1 技术集成成熟度等级的概念

    SRA从单项技术扩展到系统集成层面，关注 的往往是关键技术之间的相关性与相互作用。当 两项（或多项）技术进行集成时，就有必要考虑其 接口标准、相互作用、兼容性、可靠性、系统性能 等问题。因此，Sauser等人在TRL的基础上，提出 了技术集成成熟度等级（IRL）的概念，用于表征任 意两项技术之间的集成程度，IRL的引入不仅可以 对某项技术所处于的集成成熟度等级状态进行检 查，还可以为该项技术与其他技术的集成指出方 向。IRL目前提出的模型包含9个等级，这与TRL 理论相类似，具体如下：

    IRL1：技术之间的界面已经进行了确定，以便 能够体现；

    IRL2：通过一些特征等级，体现技术之间界面 的集成；

    IRL3：技术之间有兼容性，以便能够有序地和 有效地集成和相互作用；

    IRL4：在技术集成的品质和可靠性方面，有充 足的详细资料；

    IRL5：在建立、管理和终止集成所必要的技术 之间，具有充分的控制；

    IRL6：对预期应用来说，集成技术能够接受、 转化和构成信息；

    IRL7：利用充分的细节，确认和验证了技术的 集成；

    IRL8：完成了实际集成，并通过在系统环境中 进行试验和验证，合格完成任务；

    IRL9：成功完成任务，证明技术集成成功。因 为一项技术为了发展到TRL9，它必须被集成到系 统中，并在相关的环境中被证明。因此，IRL9意味 着互相集成的技术已达到TRL9。

    3.2 系统成熟度等级的矩阵计算模型

    系统成熟度评估矩阵计算模型是根据现有各 项技术的成熟度TRL以及技术之间的集成成熟度 IRL的数值，运用相关联的矩阵函数求出SRL的算 法模型，其不仅考虑了系统内部各单项关键技术，同时还考虑了各关键技术间的相互影响和作用关 系。定义关键技术元素（CTE）为在规定的时间、规 定的费用范围内为满足系统研制要求所需依赖的 新技术。以一个由n项CTE的复杂系统为例，其 SRL计算过程如下：

    4 基于“矩阵计算模型”的机载制导武器系 统成熟度算例

    下面将以某改进机载制导武器研制项目为例， 阐述“矩阵计算模型”在机载制导武器研制工作中 的实际应用。

    4.1 确定关键技术元素及其技术成熟度等级

    CTE的确定是SRA工作的首要任务。根据该 型机载制导武器的研制背景、性能和技术特点，使 用技术工作分解结构方法（WBS），自顶向下，将 机载制导武器按系统、分系统、部件进行逐级分 解，分系统一级首先分解为制导控制、引战、动 力、能源、弹体五个分系统，再进一步分解到部件 一级，如将制导系统分解为测量装置、程序装置、 解算装置、惯性装置等部件。

    以此为基础，模拟美军《指南》中规定的工作 流程———制定评估计划、成立评估专家组，跟据CTE的定义与筛选准则开展专家评估工作，遴选 出候选CTE，收集待评估候选CTE的发展水平证 据并经综合权衡。评估专家组一致认为，本项目为 改进研制项目，系统在大部分使用成熟技术的基 础上，为满足技战术使用要求，最终确定系统的 CTE及对应TRL，如表3所示。

    4.2 确定关键技术元素的集成成熟度

    模拟美军《指南》中规定的工作流程，考察各 CTE之间的技术集成关系，依据集成成熟度等级 表，模拟评估专家组划分、确定各CTE之间的 IRLij（i，j=1～5），如表4所示。

    再根据公式（4），SRLi/ni（i=1～5）分别为 0.410，0.336，0.482，0.485，0.278，则最后系统 的SRL为0.398（约等于0.4），对照表2得出系统 的SRL终值约为3。

    4.4 计算结果分析

    （1）项目仍处于技术开发阶段：虽然项目为 改进研制项目，运用了大量的成熟技术，但根据 SRA结果，系统CTE的成熟度仍然较低，系统仍 处于技术开发阶段。

    （2）项目的风险关注点为远程推力技术与定 向引战技术：根据SRLi/ni易知，在5项CTE中， 远程推力技术（i=2）、定向引战技术（i=5）取值 处于[0.10，0.39]区间，仍处于概念定义阶段。这 两项技术的TRL以及与其他CTE之间的IRL相对 较低，影响了整个机载制导武器系统的成熟度，是 整个项目的风险点，需要在整个研制工作中获得 更多的关注。

    类似的案例还有美国火星气候探测器（MCO）， 该探测器于1999年9月23日因导航系统出现问 题在火星大气层坠毁。NASA利用系统成熟度计算 方法对该系统进行分析时发现，出现问题的这两 个软件的技术成熟度虽然分别是TRL8和TRL9。 但是两项软件技术的集成成熟度只有IRL5，因此 从系统成熟度角度来看，该系统的实际成熟度水 平仍处于“系统开发、验证”阶段，不具备发射条 件。

    5 结 束 语

    近年来，随着机载制导武器技术的快速发展， 大量高新技术的应用促进了装备的快速发展，但 也带来了大量的、不可预见的技术风险，并且技术 风险已成为制约机载制导武器发展的关键因素之 一。在此背景下，本文充分借鉴并运用了国外先进 SRA方法———矩阵计算模型，对某型机载制导武 器的系统成熟度进行了评估，是国内在本领域使 用此方法的一次有益探索与实践。

    矩阵计算模型计算简便，易于编程开发，具有较强的可行性和操作性。但值得注意的是，影响机 载制导武器装备系统成熟度的因素很多，复杂武 器装备中关键技术与关键技术之间，子系统与子 系统之间的适应性、匹配性以及关联性将愈发复 杂。后续拟将结合我国武器装备研制工作实际，充 分消化吸收以美国为代表的外军SRL与SRA相关 的理论知识和组织管理经验，更加深入地开展理 论研究和实践活动，不断完善SRA评估方法，为 机载制导武器乃至我国武器装备研制项目提供全 寿命周期的有力支撑。

    参考文献：

    [1]张新国.国防装备系统工程中的成熟度理论与应用 [M].北京：国防工业出版社，2013.

    [2]SauserBJ，Ramirez-MarquezJE，HenryD，etal.A SystemMaturityIndexfortheSystemEngineeringLifeCy cle[J].JournalofIndustrialandSystemsEngineering. 2008，3（6）：673-691.

    [3]DOD.TechnologyReadinessAssessment（TRA）Desk book[R].US：PreparebyDeputyUndersecretaryofDe fenseforScienceandTechnology（DUSD（S&T））， 2005：13，2009.

    [4]DOD.TechnologyReadinessAssessment（TRA）Guid ance[EB/OL].2011.http：//www.dau.mil.

    [5]张伟，吕刚.机载武器[M].北京：航空工业出版社，

    2008.

    [6]郭道劝.基于TRL的技术成熟度模型及评估研究 [D].长沙：国防科技大学，2010.

    [7]任长晟.武器装备体系技术成熟度评估方法研究[D]. 长沙：国防科技大学，2010.

    [8]段磊，刘代军，刘琪.技术成熟度评估在空空导弹科研 管理中的作用[J].航空兵器，2012（4）：54-57.

    [9]刘旭蓉，侯妍，艾克武.美英武器装备项目技术成熟度 评估研究[J].装备指挥技术学院学报，2005（6）：48- 52.

    [10]陈利安，肖明清，赵鑫，等.复杂武器系统技术成熟度 评估方法研究[J].仪器仪表学报，2012，33（10）： 2395-2400.

    [11]彭少雄，薄延珍，李学园，等.技术成熟度评价方法在 导弹武器系统中的应用[J].舰船电子工程，2011，31 （8）：157-159.

    [12]卜广志.武器装备体系的技术成熟度评估方法[J]. 系统工程理论与实践，2011，31（10）：1994-2000.

    [13]丁茹，彭灏.美国GMD系统成熟度评估研究[J].现 代防御技术，2011（6）：83-88.

    （2）项目的风险关注点为远程推力技术与定 向引战技术：根据SRLi/ni易知，在5项CTE中， 远程推力技术（i=2）、定向引战技术（i=5）取值 处于[0.10，0.39]区间，仍处于概念定义阶段。这 两项技术的TRL以及与其他CTE之间的IRL相对 较低，影响了整个机载制导武器系统的成熟度，是 整个项目的风险点，需要在整个研制工作中获得 更多的关注。

    类似的案例还有美国火星气候探测器（MCO）， 该探测器于1999年9月23日因导航系统出现问 题在火星大气层坠毁。NASA利用系统成熟度计算 方法对该系统进行分析时发现，出现问题的这两 个软件的技术成熟度虽然分别是TRL8和TRL9。 但是两项软件技术的集成成熟度只有IRL5，因此 从系统成熟度角度来看，该系统的实际成熟度水 平仍处于“系统开发、验证”阶段，不具备发射条 件。

    5 结 束 语

    近年来，随着机载制导武器技术的快速发展， 大量高新技术的应用促进了装备的快速发展，但 也带来了大量的、不可预见的技术风险，并且技术 风险已成为制约机载制导武器发展的关键因素之 一。在此背景下，本文充分借鉴并运用了国外先进 SRA方法———矩阵计算模型，对某型机载制导武 器的系统成熟度进行了评估，是国内在本领域使 用此方法的一次有益探索与实践。

    矩阵计算模型计算简便，易于编程开发，具有较强的可行性和操作性。但值得注意的是，影响机 载制导武器装备系统成熟度的因素很多，复杂武 器装备中关键技术与关键技术之间，子系统与子 系统之间的适应性、匹配性以及关联性将愈发复 杂。后续拟将结合我国武器装备研制工作实际，充 分消化吸收以美国为代表的外军SRL与SRA相关 的理论知识和组织管理经验，更加深入地开展理 论研究和实践活动，不断完善SRA评估方法，为 机载制导武器乃至我国武器装备研制项目提供全 寿命周期的有力支撑。

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    [13]丁茹，彭灏.美国GMD系统成熟度评估研究[J].现 代防御技术，2011（6）：83-88.

    （2）项目的风险关注点为远程推力技术与定 向引战技术：根据SRLi/ni易知，在5项CTE中， 远程推力技术（i=2）、定向引战技术（i=5）取值 处于[0.10，0.39]区间，仍处于概念定义阶段。这 两项技术的TRL以及与其他CTE之间的IRL相对 较低，影响了整个机载制导武器系统的成熟度，是 整个项目的风险点，需要在整个研制工作中获得 更多的关注。

    类似的案例还有美国火星气候探测器（MCO）， 该探测器于1999年9月23日因导航系统出现问 题在火星大气层坠毁。NASA利用系统成熟度计算 方法对该系统进行分析时发现，出现问题的这两 个软件的技术成熟度虽然分别是TRL8和TRL9。 但是两项软件技术的集成成熟度只有IRL5，因此 从系统成熟度角度来看，该系统的实际成熟度水 平仍处于“系统开发、验证”阶段，不具备发射条 件。

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