基于嫦娥四号工程实践的复杂重大工程OSTA四元组方案论证方法研究

刘继忠, 粟湘伟, 韩 啸, 詹 敏, 唐玉华, 徐选华,6

(1.探月与航天工程中心,北京 100190; 2.深空探测实验室,安徽 合肥 230000; 3.湖南工商大学 前沿交叉学院,湖南 长沙 410205; 4.数据智能与智慧社会国家重点实验室(培育),湖南 长沙 410205; 5.长沙人工智能社会实验室,湖南 长沙 410205; 6.中南大学 商学院,湖南 长沙 410083)

嫦娥四号探测器原为嫦娥三号备份平台，在嫦娥三号月面着陆巡视探测任务圆满成功后，其未来定位受到广泛关注和高度重视。为了尽可能地发挥备份平台的最大价值，对嫦娥四号工程进行方案论证极其重要。

传统的方案论证一般采用综合评价方法。综合评价方法是指对以多属性体系结构描述的对象系统做出全局性、整体性的评价，即对评价对象的全体，根据所给的条件，采用一定的方法给每个评价对象赋予一个评价值，再据此择优或排序。综合评价方法一般可分为定性评价方法和定量评价方法两类，若按照权重产生方法的不同则又可以分为主观赋权评价法和客观赋权评价法。综合评价方法的评价过程主要分为以下几个步骤：(1)评价目的与流程的确定与设计；
(2)指标体系的构建及指标数据的获取；
(3)指标权重的确定；
(4)评价信息的集结；
(5)评价结果的运用及实践。根据综合评价方法的分类及特点，常见的综合评价方法包括：专家法、德尔菲法、层次分析法、网络层次分析法、模糊数学方法、灰色关联分析法、证据推理方法、熵权法、神经网络方法以及组合评价方法等。

为解决复杂重大工程论证问题，学者们在决策理论及方法的创新基础上从铁路工程、桥梁工程、航天工程等实践视角出发开展研究。例如，陈宏权等从全方位创新、全过程创新和全主体创新 3 个维度进行研究，并以港珠澳大桥作为案例揭示了重大工程全景式创新的治理逻辑。唐伟等从技术、组织、团队、个体 4 个维度构建了V-R系统工程模式，并成功将其应用于载人空间站工程。王婷等构建了一个覆盖大设施全生命周期的、多维度综合效益评估指标体系，并以FAST工程为实例进行应用研究。

方案论证是一项系统且复杂的工作，是人们认识并理解事物的一种重要管理决策过程。虽然以上常见的方案论证方法已在经济、管理、工程实践等领域都有广泛应用，并产生了较好的经济和社会价值，但是面对嫦娥四号复杂重大工程的方案论证仍然存在以下不足，亟需克服：

(1)已有的复杂重大工程一般可分为两种：第一种为无备份平台，所以其实施方案不会受到备份平台的约束；
第二种，虽然有备份平台，但是备份平台有关键工程任务，如作为备份平台的嫦娥二号，其肩负有获取月球表面及极区更清晰影像数据等任务。但是，嫦娥四号探测器作为嫦娥三号的备份平台，却没有此类关键任务，在嫦娥三号成功着陆后，它便处于空闲状态。关于嫦娥三号备份平台的未来定位和任务使命的方案论证与一般复杂重大工程论证有较大区别。在已有限制条件下，如何充分发挥嫦娥四号潜在价值，确定工程实施方案，成为探月工程科学家们面临的首要问题。

(2)在嫦娥四号复杂重大工程方案论证过程中，涉及到的论证目标多元，同时有很多关键时间节点或里程碑事件需要进行阶段性评价，并且不同目标和阶段下的技术复杂。因此，嫦娥四号工程的方案论证包含了多目标、多阶段、技术复杂等综合特征。同时，由于存在大量不完全信息，工程研制队伍还需要对新概念进行研究并对实施方案进行反复深入的论证，以逐步获取更完全更精确的信息。这是传统的方案论证方法无法解决的。

(3)嫦娥四号的实施方案由牵头部门征求领导小组各个成员单位意见后，会同财政部委托第三方评估机构，开展技术和经费评估，给出评估意见后，领导小组审议通过，上报《嫦娥四号任务实施方案调整的请示》，获得中央批复后，国家航天局会同财政部正式印发立项通知，开启工程研制。由于实施方案的论证过程往往涉及众多单位及决策者在不同层面进行优化与决策，且不断反馈调整，从而形成多主体决策下的方案论证，这与传统的方案论证过程相比更具复杂性。

在存在备份平台且无关键任务的情况下如何对涉及主体众多、决策目标多、论证阶段多、技术复杂的工程方案进行论证，这是本研究的关键科学问题。

因此本文综合考虑嫦娥四号复杂重大工程多目标、多阶段、技术复杂、主体众多等决策特征，提出了一种基于嫦娥四号工程实践的复杂重大工程目标、阶段、技术、主体(OSTA)四元组方案论证方法。这个方法通过拓展后，也可以为其他复杂重大工程的论证过程提供决策参考。

嫦娥四号作为嫦娥三号备份平台，相关技术产品在嫦娥三号生产过程中一并生产，并且在嫦娥三号发射前，一直处于待命状态。嫦娥三号任务成功后，工程研制队伍为使嫦娥四号充分发挥作用，开展了嫦娥四号新任务的目标探讨与概念研究。研究提出了包括封存、小行星探测、月球极区探测、月球背面探测等多个设想，并进行了初步比较论证，见表1。综合考虑科学发现、创新性、进度可控性、技术可实现性、备份产品适应性等因素，工程研制队伍确定嫦娥四号开展月球背面探测，以此为目标开展实施方案论证。

表1 嫦娥四号新任务初步比较论证

因素封存小行星探测月球极区探测月球背面探测科学发现低较高高高创新性低高高高进度可控性高低中中技术可实现性高低低中备份产品适应性高低低中

2.1 工程总体目标纵横细分

嫦娥四号工程实施方案论证的总体目标是通过全方位资源整合机制，多约束下完成嫦娥四号工程研制，最终实现工程效益和科学效益最大化。嫦娥四号工程的研制工作由众多单位将生产资源有机整合，协同完成，因此嫦娥四号工程实施方案论证涉及经济、技术和管理等多种因素。在此基础上，工程研制队伍将目标进行纵向分级，横向分解(见图1)，并在各目标中寻找平衡点，使该工程决策的概念要素、决策问题与决策边界由模糊转变为清晰。

图1 嫦娥四号总体目标

嫦娥四号总体目标主要分为工程目标和科学目标。工程目标既是最核心的也是最艰巨的，需要科技工作者把所有的科技研发设计具体地转化为工程技术，并将航天器发射到目的地，在外层空间顺利运行、工作。嫦娥四号工程实施方案的工程目标又具体为：(1)月球中继通讯卫星系统的研制；
(2)探测器系统的研制。因此，工程研制队伍专门设立实施方案论证专家组，从技术维和产品维将两大系统研制目标再分解，进而对两大目标系统进行方案设计与试验验证。科学目标是指航天器运行期间应该并能够开展科学探测活动，获取有效的科学数据。嫦娥四号工程实施方案的科学目标又具体为：(1)月基低频射电天文观测与研究；
(2)月球背面巡视区形貌和矿物组分探测与研究；
(3)月球背面巡视区浅层结构探测与研究；
(4)实验性开展月面中子辐射剂量、中性原子等月球环境探测研究。不同的研究对象、研究阶段、实现能力等使得科学目标具有差异性，因此实施方案论证专家组充分考虑目标差异性进行方案设计与试验验证。此外，工程还考虑了一系列拓展目标。

2.2 工程方案论证阶段划分

嫦娥四号工程作为重大航天工程具有多学科性、多结构性、多分支性、综合性等特征，在宏观上突显整体性，在微观上突显复杂性。因此嫦娥四号工程实施方案论证过程还需按阶段划分，包括“待命和新概念研究阶段”和“实施方案调整论证阶段”，详见图2。在工程论证过程中，不仅需要考虑一般性决策流程，还需考虑工程关键决策点，并在关键决策点上再分阶段进行任务评审，包括：使命任务概念评审、实施方案评审，做出立项审批决策，进入工程实施过程。一般而言，在做好工程实施方案论证之前，工程不能进入实施执行阶段。

图2 嫦娥四号工程实施方案论证过程图

实施方案论证专家组按工程论证阶段开展关于工程科学目标及载荷配置、各系统的方案及技术经济可行性论证，进行各大系统接口优化设计并多轮调整，最终确定采用地月L2点中继通信的月球背面着陆实施方案。实施方案论证专家组在确定好实施方案后征求领导小组各个成员单位意见，再会同财政部委托第三方评估机构，开展技术和经费评估，得出评估意见后，经领导小组审议并报国家批准后工程论证阶段结束，进入工程研制阶段。

2.3 技术方案论证

嫦娥四号作为嫦娥三号的备份平台，在确定开展月球背面探测的目标后，嫦娥四号工程总体在原有平台的基础上对后续总体研制计划进行了技术方案论证。该论证过程主要围绕中继星和探测器两大系统进行，中继星的主要功能是提供地面、月球、卫星之间的信息通信，通过构建通信链路实现信息的高效高速传递；
探测器作为探月工程的工程主体肩负了安全着陆月背并开展就位和巡视探测等关键任务。

工程总体将中继星和探测器两大系统内部基于不同任务使命分为若干分系统，针对分解后不同的分系统及其技术，工程总体会同工程方案论证组从工程的技术或方法、研制条件和能力、产品成熟度、产品转化成熟度和参研单位组织成熟度等切入点进行技术方案论证，并给出多方案优化选择、可实现性分析、条件需求论证以及技术方案论证报告，为工程方案论证提供支持，嫦娥四号工程技术方案论证流程如图3所示。

图3 嫦娥四号工程技术方案论证流程图

2.4 多主体整体性推进

嫦娥四号工程方案论证作为一项系统级论证，由任务驱动，多主体共同推进。其存在系统边界较为模糊，系统性行为涌现均衡与非均衡状态分布等特殊性，并且涉及国家战略需求、科学研究需求和技术进步需求，由此工程方案论证采用了多主体决策机制。

国家是嫦娥四号工程的利益主体，由探月工程领导小组作为探月工程的领导组织和决策代表，行使相关权利，承担责任。探月工程领导小组由国家航天局、发改委、科技部、教育部、财政部、中科院及其他利益相关单位领导组成，是工程系统认知整合的中枢。

由各领域工程师组成的技术方案论证组对工程进行多方案优化选择、可行性分析和条件需求论证，形成技术方案论证报告。由各领域科学专家组成的科学研究论证组对工程总体进行多目标优先级选择，形成科学方案论证报告。由经济学专家组成的经济论证组对技术方案和科学方案进行经济性论证并反馈论证结果，形成经济论证报告。

各专家组将论证报告汇总给领导小组，并由领导小组开展评估和优化，形成最终的可行性报告，上报国家进行决策。根据中央对嫦娥四号工程任务的指示以及反馈意见，领导小组将工程论证方案进一步修改完善。

同时，国家航天局、相关集团公司等工程直接参与者基于工程总体组织架构，运用工程管理、行政管理等来协调、配置复杂系统中各种相互关系、相互依存的资源，由扁平的论证组织结构转向立体，从而保证目标实现。各参与主体之间动态协调，并通过“定性+定量”“知识+数据”“显性+隐性”“规划+推演”“实证+预测”等方式对工程各阶段各目标实现情况进行评价、论证、反馈和调整，整体性推动工程的论证过程。综合考虑目标、阶段、技术、主体四元组的嫦娥四号工程方案论证立体架构如图4所示。

图4 嫦娥四号工程方案论证立体架构

嫦娥四号工程研制队伍在工程方案论证过程中，成功克服了多目标、多阶段、技术复杂、主体众多的方案论证问题。因此本文将嫦娥四号工程作为复杂重大工程方案论证研究的典型对象，基于嫦娥四号工程的实施方案论证实践，提出了复杂重大工程目标、阶段、技术、主体(OSTA)四元组方案论证方法，其包括两大要点：(1)复杂重大工程四元组方案论证耦合关系框架的构建。(2)OSTA四元组方案论证模型的提出。

3.1 复杂重大工程四元组方案论证耦合关系框架构建

复杂重大工程方案论证过程涉及“待命和新概念研究阶段”和“实施方案调整论证阶段”。基于嫦娥四号工程方案论证实践，通过目标、阶段、技术、主体这四个角度对复杂重大工程实施方案进行降耦，并在不同关键决策点进行论证，从而构建出复杂重大工程“双V嵌套”关系架构。“双V嵌套”模型上方为阶段管理要素，外层V型结构为主体管理要素，内层V型结构为技术管理要素，核心部分为目标管理要素。模型中外层V型结构作为决策论证主体围绕论证目标分阶段推动内层V型结构论证任务，基于工程总体目标降耦、阶段降耦、技术方案论证降耦及多主体决策融合等4个循环论证环节，形成论证闭环，如图5所示。

图5 复杂重大工程“双V嵌套”关系框架

(1)目标降耦

实现复杂重大工程在科技上的突破，必须从国家发展战略、工程技术和科学目标、社会效益等方面充分认识复杂重大工程的重要性，因此复杂重大工程的方案论证亟需实现多元目标，构建多元目标论证框架。在对多目标进行论证时，既要考虑多目标优先级选择，也要考虑到目标的可实现性，最终通过目标论证报告完成目标的降耦。合理的目标降耦能够精细化工程综合流程，优化工程总体的资源分配。

(2)阶段降耦

复杂重大工程评价决策初期由于信息不完全性导致目标具有非程序化、方向模糊等特点，工程研究阶段则由于存在信息缺失或不确定，导致研制周期冗长。并且在不同的评价决策阶段，不同的评价主体关注的评估目标也不一样。因此，考虑关键技术攻关节点和里程碑事件对待命和新概念研究阶段及实施方案调整论证阶段进行细分，并根据工程实际进展情况动态调整各阶段方案，形成具有多目标、多阶段特征的降解论证程序。一方面不仅能有效降低工程整体性风险，另一方面还能稳步推动工程的整体运转。

(3)技术方案论证降耦

技术方案是复杂重大工程的生命线，它关系到工程效益和科学效益的最大化，关系到工程总体是否经得起考验，因此技术方案论证需要考虑各阶段、目标下的产品差异，将技术方案论证贯穿工程任务全程。完善的技术方案论证不仅需要对技术进行多方案优化选择，反复论证，还要对技术方案的可实现性和条件需求进行论证，确保技术方案具备稳定性和可靠性。

(4)多主体决策融合

复杂重大工程方案论证经目标、阶段、技术三元降耦形成了以专项管理为核心的组织体系，包含工程总体和各子系统。工程总体从使命任务需求出发进行顶层设计，通过动态关联和信息反馈确定各子系统的职能和组织，并负责工程的实施方案论证组织、工程技术方案制定、工程全过程全要素的组织实施等。各子系统同各目标、阶段和技术形成的强关联，在工程总体统一组织下完成工作。不同利益相关方、不同领域专家以及工程顾问联合起来，构建了由高知名度科学家、工程师、国家战略研究师组成的论证专家委员会，以及广泛开放的科学研究论证组、技术方案论证组、经济论证组和工程系统总体论证组。论证组基于对工程方案实施的科学、经济、风险等要素的考虑，进行工程方案的信息整合、分析验证、观点演化、迭代论证等过程，形成多主体共同推动的论证方法。

在基于OSTA四元组的方案论证过程中，各部门主体贯穿目标、阶段和技术的降耦过程，形成完整的论证过程。该方法可有效降低复杂重大工程方案论证的整体复杂度和耦合度，使决策边界逐步清晰，信息相对完全，从而最终形成明确的工程系统定义，确定工程实施方案。

本文通过对目标、阶段、技术、主体四个工程管理要素的降耦，并理清要素间基本关系，从而构建出复杂重大工程四元组方案论证耦合关系框架，有利于推动工程论证过程中的目标协调、阶段划分、技术保障和多主体决策融合，充分兼顾工程述求与科学述求。

3.2 复杂重大工程OSTA四元组方案论证模型

复杂重大工程方案论证OSTA四元组方案论证模型的构成要素包括目标、阶段、技术和主体，各要素内部分别形成目标集合、阶段节点、技术集合以及决策者方案集，要素之间相互关联作用。图6使用超网络层次结构对要素间关联作用进行描述。决策者可通过对各要素集进行分析，基于OSTA四元组方案论证模型进行方案论证。

图6 复杂重大工程方案论证OSTA四元组方案论证模型

(1)目标集是复杂重大工程的目标要素集合，居于超网络层次结构中的最顶层，对分解后的子目标起目标引领作用。由于工程的复杂性，各子目标侧重有所不同，因此所关联的相关技术具有差异。

(2)技术集是目标要素的相关技术集合，这些目标技术对方案评价体系构建至关重要。不同目标关联技术在决策过程中并非完全独立，也存在着相关关系。

(3)方案集是各预设方案集合，决策者通过对各目标情况进行评价，论证并比较各预设方案优劣，确定最终实施方案。

OSTA四元组方案论证模型以信息动态演化为主线，旨在通过目标、阶段、技术和主体的降耦，解决复杂重大工程方案论证中信息不完全性导致的决策目标、问题与边界模糊等问题，使信息相对完全，方案论证过程多层次多尺度优化。具体地，OSTA四元组方案论证模型通过在多观点演化理论的基础上将复杂重大工程的总体目标进行细分，并将研究过程分为多阶段，进一步围绕多目标、分阶段探讨相关技术。基于复杂工程的自然环境、技术、经济系统、社会等外部要素灵活结合专家会议法对各方案进行论证。纳入“反馈—论证—反馈”多层次主体组织要素，串联各层信息交互关系，最终集成具有目标(Objective)、阶段(Stage)、技术(Technology)、主体(Agent)四元组方案论证方法。

通过对嫦娥四号工程方案的论证实践研究，发现嫦娥四号工程“月背探测”方案经目标、阶段、技术降耦以及多主体决策融合可使工程稳定推进。嫦娥四号采用了多主体决策融合的论证模式，以国家主体利益为基础，协调工程目标、科学目标关系，分阶段完成工程方案论证要求，充分兼顾各论证参与主体的工程述求与科学述求，充分识别工程技术可实现性，最终选择了对全人类都具有深远意义的月背探测方案并实现。因此本文基于复杂重大工程的目标多元、阶段较长、技术复杂、主体众多的特征，提出了基于不完全信息的OSTA四元组方案论证方法。同时，该方法通过拓展后，也可以为未来深空探测工程、国际大科学工程等复杂重大工程的论证过程提供决策参考。

不足之处在于，由于复杂重大工程方案决策过程周期长、涉及部门众多、决策环境复杂，信息难以实时有效收集，在复杂重大工程方案决策过程回溯过程中存在对历史数据的估计，希望在未来的复杂重大工程方案论证实践中进一步完善。