王劍波　王明哲　丁文優(yōu)

(1.華中科技大學自動化學院　武漢　430074)(2.中國艦船研究設(shè)計中心　武漢　430064)

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以價值為中心的體系結(jié)構(gòu)決策分析框架研究*

王劍波1,2王明哲1丁文優(yōu)2

(1.華中科技大學自動化學院武漢430074)(2.中國艦船研究設(shè)計中心武漢430064)

為了評價武器裝備體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，提出一種以價值為中心的體系結(jié)構(gòu)評價方法，建立了一個系統(tǒng)的分析框架，給出了較為詳細的分析過程和步驟，構(gòu)建能力價值模型以實現(xiàn)對武器裝備能力需求的分解-聚合，能反映武器裝備體系結(jié)構(gòu)方案與能力需求之間的相互作用關(guān)系，可為武器裝備體系規(guī)劃、設(shè)計和建設(shè)的決策提供技術(shù)支撐。

武器裝備體系; 體系結(jié)構(gòu); 以價值為中心; 方案分析

Class NumberTP391

1　引言

在需求牽引、科技推動、系統(tǒng)演進的共同作用下，一類由眾多地理分散、異構(gòu)、自治、松耦合、獨立的組件系統(tǒng)為遂行特定的使命任務(wù)而集成起來形成相應(yīng)能力的復雜自適應(yīng)系統(tǒng)，即體系(System of Systems, SoS)[1～2]，已在不同領(lǐng)域迅速發(fā)展起來。在軍事領(lǐng)域，武器裝備體系是指面向作戰(zhàn)需求而由功能上相互聯(lián)系、相互作用的各種武器裝備系統(tǒng)構(gòu)成的更高層次的整體，它具有一般體系整體性、內(nèi)部組成多樣性、多層次性、綜合集成性等特點[3]。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，戰(zhàn)爭形態(tài)發(fā)生了深刻而巨大的變革?，F(xiàn)代化戰(zhàn)爭已經(jīng)突破了以往單一化的作戰(zhàn)模式，而是趨向于陸?？仗祀娨惑w化聯(lián)合作戰(zhàn)和武器裝備體系之間的對抗，更強調(diào)從戰(zhàn)略目標出發(fā)，研究開發(fā)武器裝備體系的綜合能力和整體效能。

能力是指在特定的標準和條件下，通過綜合使用各種方法和手段來執(zhí)行一系列任務(wù)以達到預期效果的“本領(lǐng)”[4]。能力是體系的固有屬性，與組件配置、戰(zhàn)技性能和相互作用關(guān)系等體系結(jié)構(gòu)要素有關(guān)。體系架構(gòu)是系統(tǒng)各組件的結(jié)構(gòu)、它們之間的關(guān)系以及指導其設(shè)計和隨時間演化的原則與指南[5]。由于武器裝備體系具有復雜的技術(shù)特征和靈活、適變、動態(tài)的結(jié)構(gòu)特性，目前對武器裝備體系能力評價方法和手段主要側(cè)重系統(tǒng)以下層次的效能評估，主要方法包括仿真實驗方法和解析方法兩大類。其中，主要解析方法包括：統(tǒng)計分析法、蘭徹斯特方程法、指數(shù)法、專家判斷法、探索性分析法等，相關(guān)方法在武器裝備頂層體系結(jié)構(gòu)評價適用性存在一定局限性[6]，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：缺少對能力需求的響應(yīng)、缺乏量化分析。在武器裝備體系結(jié)構(gòu)頂層缺少有效的方法和技術(shù)支持，使得體系結(jié)構(gòu)評價成為體系工程領(lǐng)域面臨挑戰(zhàn)之一。

鑒于未來戰(zhàn)略環(huán)境、安全威脅和武器裝備體系演進的高度不確定性，武器裝備體系發(fā)展不僅需要針對特定想定的武器裝備性能及其作戰(zhàn)效能的量化分析。同時，也更加需要發(fā)揮不同領(lǐng)域?qū)＜胰后w的主觀創(chuàng)造性，根據(jù)對未來戰(zhàn)略環(huán)境的預測、對威脅的判斷，分析明確軍事戰(zhàn)略目標、使命任務(wù)，并確定武器裝備發(fā)展的能力需求，最終依據(jù)能力需求設(shè)計、評估和選擇最佳的武器裝備體系結(jié)構(gòu)方案。

本文在提出一種以價值為中心的決策分析方法(Value-Focused Thinking，VFT)[7～9]框架，構(gòu)建價值模型以實現(xiàn)對武器裝備能力需求的“分解-聚合”并反映對能力需求的響應(yīng)，旨在以能力需求視角，對武器裝備體系結(jié)構(gòu)進行評價，從而為武器裝備體系建設(shè)提供指導和基礎(chǔ)。

2　以價值為中心決策分析方法

以價值為中心的決策分析方法(VFT)是由Ralph L. Keeney教授于1992年提出的一種創(chuàng)造性的決策分析方法[7～9]。

按照Keeney的觀點，將決策分析方法從總體上分為以價值為中心(VFT)和以方案為中心的(Alternative-Focused Thinking，AFT)兩類決策思維方法。AFT與VFT兩者的區(qū)別在于基本決策分析過程的不同，如圖1所示。AFT先確定備選方案，然后才針對決策目標確定評價準則、確定權(quán)重并對各個方案進行評估；而VFT則先確定價值決策目標，然后允許決策分析人員創(chuàng)造或選擇任何滿足決策目標需求的備選方案。

由于AFT決策過程中，通常決策者根據(jù)經(jīng)驗在有限的范圍內(nèi)進行選擇備選方案；而VFT則強調(diào)通過建立價值模型來清晰地描述決策者對于決策的目的、期望和最終的目標，確立了創(chuàng)造性的決策分析環(huán)境。VFT方法允許創(chuàng)造或選擇更多的備選方案，擴展了決策空間，從而并提高了決策的科學性。因而，VFT方法較之AFT方法更加適用于武器裝備體系結(jié)構(gòu)評價。

圖1　VFT與AFT基本決策分析過程

3　基于能力需求的價值模型

在VFT方法中，最重要的概念是作為評估準則的“價值”。武器裝備體系發(fā)展戰(zhàn)略對于武器裝備體系演化的需求牽引作用主要體現(xiàn)為能力需求。因此，基于VFT方法進行武器裝備體系結(jié)構(gòu)評價的核心在于建立能夠反映體系能力需求的價值模型。

基于能力需求的價值分析方法實質(zhì)上是通過所建立的能力價值綜合分析模型對武器裝備體系的各種能力進行分析與綜合，從而獲得單一價值的綜合方法。其核心是分析武器裝備體系的能力進行層層分解與聚合。其基本原理是：若將武器裝備體系按其“使命→任務(wù)→功能→組件”進行層次分解，可以映射為一個倒樹狀的功能分解邏輯圖。武器裝備體系能力組合(即總功能)的發(fā)揮依賴于其下層系統(tǒng)的能力選項(即子功能)的發(fā)揮，能力選項又依賴于其組件功能的發(fā)揮。各組件所完成其任務(wù)的程度決定了武器裝備體系所能完成其使命任務(wù)的程度。性能是最底層組件其分別從不同的角度發(fā)揮功能程度的度量。性能一般為有量綱的物理量，如功率、精度、距離等。為了便于度量，采用效用函數(shù)將這些不同量綱的物理量原始數(shù)值轉(zhuǎn)化為一個無量綱評分數(shù)值，體現(xiàn)為“程度”或“水平”，這樣便得到最底層各組件的效能指標評分數(shù)值，稱為基本指數(shù)，然后再利用各種聚合函數(shù)(如模型綜合、簡單加權(quán)聚合、相關(guān)加權(quán)聚合等)將各基本指數(shù)聚合為其上一層的效能指數(shù)，直至最頂層根指標的效能指數(shù)。

基于能力需求的價值模型是主要內(nèi)容包括能力層次框架、指標體系、權(quán)重體系、評分函數(shù)、聚合函數(shù)五部分組成的指標體系。

1) 能力層次框架

按照體系能力需求分析過程，能力層次框架的構(gòu)建采用“能力組合→能力選項→能力屬性→指標(度量尺度、條件和準則)”的層次結(jié)構(gòu)描述從使命到任務(wù)、從任務(wù)到能力屬性的價值概念。根據(jù)戰(zhàn)略目標、使命任務(wù)分解映射，定義武器裝備體系的能力域，即能力組合。每個能力組合可分解為一個或多個能力選項，每個能力選項可分解為相對可度量的能力屬性。每一項能力屬性又被賦予各自的評價指標用于度量武器裝備的性能。在形式上，能力層次框架是采用層次結(jié)構(gòu)描述的框架，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　能力層次框架

2) 指標體系

能力需求的分配是將武器裝備體系總體的能力指標按照能力層次框架的結(jié)構(gòu)層次分解到各約定層次，成為各元素具體的設(shè)計指標，如目標發(fā)現(xiàn)概率、目標跟蹤概率、目標命中概率等。根據(jù)各組件的設(shè)計指標，定義相應(yīng)指標的度量尺度(關(guān)鍵性能參數(shù))、條件和準則，如指標的門限值與目標值組合。

在形式上，能力層次框架是采用層次結(jié)構(gòu)描述的基本決策目標體系，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，根目標描述決策者的最高期望，從根目標出發(fā)按照一定的層次結(jié)構(gòu)不斷分解映射，直至能夠確定符合SMART原則(明確性、可測性、可達性、可行性、時限性)的底層基本指標。在能力層次框架中，高層次的目標是由其所隸屬的低一層次子目標集來確定的，而子目標需要完整地表述它們的父目標。

圖3　能力指標體系

3) 權(quán)重體系

在建立能力指標體系的基礎(chǔ)上，為框架中的每一層的元素賦予權(quán)重而建立的價值模型權(quán)重體系，用以表示各層元素之間的隸屬度和相對重要性。所有權(quán)重的取值介于0到1之間，并且對于每一個層次元素，其直接下屬的層次元素的權(quán)重之和為1。

4) 評分函數(shù)

指標評分函數(shù)為能力指標體系每一項評價指標提供了度量武器裝備相對性能的定量方法，將武器裝備性能的試驗值或觀測值映射為裝備對于能力需求價值模型相應(yīng)能力屬性的價值評分數(shù)值，即基本指數(shù)。

5) 聚合函數(shù)

指數(shù)聚合函數(shù)由下到上、由個別到一般、由局部到總體、對無量綱的指數(shù)進行聚合，將指數(shù)聚合為根指標的綜合指數(shù)。

4　基于VFT體系結(jié)構(gòu)評價過程

基于VFT武器裝備體系結(jié)構(gòu)評價過程如圖4所示，可劃分為確定能力需求、開發(fā)價值模型、生成體系結(jié)構(gòu)方案、評估體系結(jié)構(gòu)方案四個過程。

圖4　基于VFT的體系結(jié)構(gòu)評價過程

4.1定義能力需求

定義能力需求的過程可劃分為從使命到任務(wù)、從任務(wù)到能力屬性兩個分析論證階段。

在使命到任務(wù)分析論證階段，主要分為三個步驟：

步驟1：定義使命任務(wù)。根據(jù)戰(zhàn)略目標以及相關(guān)約束來獲取戰(zhàn)略需求，并據(jù)此分析預測未來某個時間點上的軍事戰(zhàn)略構(gòu)想、軍事威脅，結(jié)合戰(zhàn)略環(huán)境確定具體的使命任務(wù)。

步驟2：定義作戰(zhàn)任務(wù)。在聯(lián)合作戰(zhàn)的背景和高層戰(zhàn)略使命的指導下，對戰(zhàn)略目標進行細化，完成對使命到任務(wù)的分解。應(yīng)用專家判斷法等決策分析方法明確作戰(zhàn)任務(wù)之間的關(guān)系，可根據(jù)各自相關(guān)關(guān)系程度賦值進行計算確定相關(guān)系數(shù)，明確作戰(zhàn)任務(wù)之間相對重要度排序。

在任務(wù)到能力需求的分析論證階段，主要分為三個步驟：

步驟1：定義能力域。將使命任務(wù)映射為能力組合，對應(yīng)將作戰(zhàn)任務(wù)結(jié)合作戰(zhàn)概念細化求精，映射為作戰(zhàn)能力選項。

步驟2：定義功能邏輯。將作戰(zhàn)任務(wù)映射為一個或一組功能。性能是最頂層組件其分別從不同的角度發(fā)揮功能程度的度量。

步驟3：生成能力屬性。將功能按照不同角度進一步分解為相對可度量的關(guān)鍵性能參數(shù)。

按照上述步驟從使命到任務(wù)、從任務(wù)到能力屬性的分解映射，最終生成反映能力需求的形式化描述的能力屬性空間。

4.2開發(fā)價值模型

在完成能力層次模型和能力需求集的基礎(chǔ)上，開發(fā)對應(yīng)的價值模型。主要分為五個步驟：

步驟1：建立能力層次框架。按照能力或功能關(guān)系進行層次分解，從而獲得能力層次框架。最頂層為能力組合，最底層一般為技術(shù)指標。

步驟2：建立指標體系。指標體系是能力層次框架中每一個元素指標用層次結(jié)構(gòu)描述的集合。指標體系最底層為基本指數(shù)，最頂層為體系的綜合指數(shù)，即效能指數(shù)。同時，定義每一項指標的關(guān)鍵參數(shù)、條件和評分準則。

步驟3：賦予指標體系元素權(quán)重。根據(jù)決策者對能力價值基本框架各層元素之間隸屬度和相對重要性的價值取向，為基本框架中的每一層的元素賦予權(quán)重而建立的價值模型權(quán)重體系。

步驟4：開發(fā)評分函數(shù)。針對能力屬性的各項評價準則建立評分函數(shù)。評分函數(shù)的自變量為指標的關(guān)鍵性能參數(shù)觀測值，值域表示其價值評分。假設(shè)評分函數(shù)的自變量可以是定性的，也可以是定量的，但其值域必須是定量的，一般情況下取值介于0到1之間。利用評分函數(shù)可以將武器裝備的各種關(guān)鍵參數(shù)指標原始值轉(zhuǎn)換為基本指數(shù)，這些基本指數(shù)作為評估體系結(jié)構(gòu)備選方案的基礎(chǔ)。

步驟5：開發(fā)聚合函數(shù)。從最底層葉結(jié)點的基本指數(shù)開始，定義聚合函數(shù)并利用權(quán)重系數(shù)，由下到上對各層指數(shù)進行聚合，最終聚合為根結(jié)點的綜合指數(shù)。

4.3生成體系結(jié)構(gòu)備選方案

該階段的主要任務(wù)是探索滿足武器裝備體系目標需求的可行備選方案。武器裝備體系的任務(wù)和目標要依賴具體的裝備去完成，也就是構(gòu)成體系的組件。武器裝備體系的屬性值是依賴系統(tǒng)組件的功能，因此，根據(jù)屬性空間選擇與之相匹配的組件。然后在此基礎(chǔ)上進行集成，以生成用于評估的體系結(jié)構(gòu)備選方案。生成體系結(jié)構(gòu)備選方案的基本步驟如下：

步驟1：定義關(guān)鍵構(gòu)成。根據(jù)滿足能力屬性需求和體系目標，定義備選的組件組合。

步驟2：開發(fā)備選方案。按照體系結(jié)構(gòu)開發(fā)方法和過程，開發(fā)不同的組件配置、組件之間的相互作用關(guān)系以及關(guān)鍵技術(shù)。

步驟3：篩選備選方案。剔除不能完全滿足次要目標和約束規(guī)則的方案，進一步剔除適合進一步分析的合理方案。

步驟4：提出設(shè)計變量。設(shè)計變量是對體系結(jié)構(gòu)屬性的某個方面的反映，是由設(shè)計師定義的定量參數(shù)。一組設(shè)計變量的取值集合能夠描述出一個體系結(jié)構(gòu)概念，即若在某個設(shè)計變量集合中，為每個設(shè)計變量賦值則體系結(jié)構(gòu)設(shè)計基本就確定了。

步驟5：生成方案空間。若上述設(shè)計變量集合中的所有變量都在取值空間內(nèi)取一個確定值，就形成了一個體系結(jié)構(gòu)備選方案?；谠O(shè)計變量集，最終生成體系結(jié)構(gòu)備選方案空間。

4.4評估體系結(jié)構(gòu)備選方案

根據(jù)價值模型可以計算每個備選方案的綜合效能指數(shù)，并根據(jù)設(shè)計方案內(nèi)設(shè)計變量的取值對應(yīng)的壽命周期費用計算總體費用。對每一個具體的方案，設(shè)計變量、屬性值、屬性效用、綜合效用和費用均可以確定。因此，可將綜合效能和費用置于同一個空間內(nèi)進行權(quán)衡分析，在滿足能力需求的空間內(nèi)挑選出可行的具有最佳效費比的體系結(jié)構(gòu)方案。

5　結(jié)語

體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣是決定武器裝備體系建設(shè)成敗的關(guān)鍵。本文提出以價值為中心的體系結(jié)構(gòu)評價方法，將定性與定量分析有機地結(jié)合起來研究體系結(jié)構(gòu)評價問題，并建立了一個系統(tǒng)地分析框架，給出了較為詳細的分析過程和步驟。該方法可為武器裝備體系規(guī)劃、設(shè)計和建設(shè)的決策提供技術(shù)支撐。

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A Value-Focused Decision Making Framework for System of Systems Architecture

WANG Jianbo1,2WANG Mingzhe1Ding Wenyou2

(1. School of Automation, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan430074) (2. China Ship Development and Design Center, Wuhan430064)

In order to evaluate the capability of the weapon system architecture, a novel value-focused architecture evaluation method is proposed, a systematic analysis framework is established, an analysis process and the detailed steps are described, and a capability value model is constructed to realize the decomposition and aggregation of weapon capability requirements, which can reflect the interaction between the alternative of the weapon system architecture and capability requirements, that can provide technical support for the decision of the planning, design and construction of the weapon system architecture.

system of systems, architecture, value-focused thinking, alternative of analysis

2016年4月12日,

2016年5月19日

王劍波,男,博士研究生,研究方向:集成系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與評價。王明哲,男,教授,博士生導師,研究方向:集成系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與評價、離散事件系統(tǒng)理論、決策與控制、認知系統(tǒng)工程。丁文優(yōu),女,碩士,工程師,研究方向:集成系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與評價。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.018