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        基于可拓學(xué)的武器裝備體系效能評(píng)估

        2018-03-01 01:42:18韓建立孫作佩
        關(guān)鍵詞:體系評(píng)價(jià)能力

        高 松,韓建立,陳 健,劉 星,孫作佩

        (1.海軍航空大學(xué),山東煙臺(tái)264001;2.91115部隊(duì),浙江舟山316000;3.91599部隊(duì),山東萊陽265200;)

        現(xiàn)代高技術(shù)局部戰(zhàn)爭實(shí)質(zhì)上已經(jīng)發(fā)展成為武器裝備體系與體系的對(duì)抗[1]。戰(zhàn)爭的勝負(fù)很大程度上取決于所有參戰(zhàn)武器的整體效能和在對(duì)抗中是否得到恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用。武器裝備體系是在一定的戰(zhàn)略指導(dǎo)、作戰(zhàn)指揮和保障條件下,為完成一定作戰(zhàn)任務(wù),由功能上相互聯(lián)系和制約、作用上互為補(bǔ)充的各種武器裝備系統(tǒng)組成的更高層次系統(tǒng)[2]。效能是解決方案滿足問題需求的能力狀況[3]。武器裝備體系效能是指武器裝備體系完成規(guī)定任務(wù)的有效程度,是武器裝備在體系化應(yīng)用中所能夠發(fā)揮的能力,是在完備的作戰(zhàn)體系和在真實(shí)的作戰(zhàn)對(duì)抗環(huán)境中體現(xiàn)的綜合能力[4]。隨著武器裝備網(wǎng)絡(luò)化、信息化與智能化程度的提高,其體系綜合應(yīng)用的特性已經(jīng)明顯優(yōu)于獨(dú)立操控的基本效能。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)上,一般表征為一組戰(zhàn)技指標(biāo),具有多維性、不確定性、局限性等特點(diǎn)[5]。

        可拓學(xué)[6]又稱物元分析法(Matter Element Analysis,MEA),是我國蔡文研究員的原創(chuàng)性研究成果,采用形式化設(shè)計(jì)從定性與定量2個(gè)角度同時(shí)考慮解決問題的規(guī)律和方法[7],在人工智能、自動(dòng)控制、管理決策、系統(tǒng)工程、可靠性評(píng)估等諸多領(lǐng)域有大量應(yīng)用。本文以武器裝備體系效能為背景,在以層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)確立效能層次指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上,采用可拓學(xué)理論物元分析法,建立武器裝備體系效能評(píng)估物元模型,通過Matlab進(jìn)行實(shí)例仿真實(shí)驗(yàn),定量評(píng)估出體系效能所屬等級(jí)。

        1 武器裝備體系效能評(píng)估

        武器裝備體系效能評(píng)估主要是通過系統(tǒng)工程理論與方法,采用解析法、系統(tǒng)仿真法等技術(shù)手段,進(jìn)行體系效能指標(biāo)體系建立與效能評(píng)估,從而實(shí)現(xiàn)促進(jìn)作戰(zhàn)需求向裝備需求轉(zhuǎn)變的目的,是對(duì)武器裝備體系執(zhí)行其使命任務(wù)能力過程所進(jìn)行的一系列活動(dòng)。

        1.1 武器裝備體系效能指標(biāo)及選擇

        武器裝備體系效能指標(biāo)表征為武器裝備性能與功能的綜合水平,是武器裝備體系最基本的特征,是武器裝備價(jià)值的集中體現(xiàn),是武器裝備完成作戰(zhàn)任務(wù)的潛力與基礎(chǔ)。由于體系本身就是由復(fù)雜系統(tǒng)及其連接組成的“巨復(fù)雜系統(tǒng)”,體系效能的概念更具復(fù)雜性。因此,體系效能的指標(biāo)選擇始終為裝備論證領(lǐng)域的一大難題。

        選取武器裝備體系效能指標(biāo)時(shí),考慮以下特點(diǎn):

        1)多維性。效能的度量可采取多種維數(shù),不同的維數(shù)體現(xiàn)決策者不同的主觀價(jià)值判斷。維數(shù)的選擇取決于決策者要求達(dá)到的作戰(zhàn)行動(dòng)目的,這意味著具有較強(qiáng)的主觀性。

        2)不確定性。某些效能參數(shù)由于作戰(zhàn)行動(dòng)目標(biāo)不明確、偶發(fā)性強(qiáng)或與人的行為因素密切而難以量化。這種情況下可采用定性評(píng)價(jià)的定量表示法。

        3)局限性。體系效能指標(biāo)并不能完全包含相應(yīng)效能特性的全部信息。許多對(duì)作戰(zhàn)行動(dòng)效能起重要影響的因素,諸如指揮官能力素質(zhì)、戰(zhàn)斗人員士氣狀態(tài)等難以量化。這時(shí),可以采取定量與定性相結(jié)合的方法進(jìn)行評(píng)估。

        1.2 武器裝備體系效能指標(biāo)體系建立

        “知彼知己百戰(zhàn)不殆”是贏得戰(zhàn)爭的不二法寶,根據(jù)當(dāng)前復(fù)雜電磁環(huán)境下體系作戰(zhàn)特點(diǎn),分析能夠客觀反映武器裝備體系效能的評(píng)價(jià)要素,選取5個(gè)一級(jí)指標(biāo)[4],15個(gè)二級(jí)指標(biāo)。采用AHP法[8]構(gòu)造出的武器裝備體系效能指標(biāo)體系的層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 武器裝備體系效能指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hierarchical structure chart of effectiveness index system of weapon WSoS

        1)部署機(jī)動(dòng)能力。主要分為快速部署能力和靈活機(jī)動(dòng)能力2個(gè)二級(jí)指標(biāo)。

        ①快速部署能力主要是為實(shí)現(xiàn)有效的作戰(zhàn),達(dá)到作戰(zhàn)的目的,部隊(duì)向戰(zhàn)區(qū)快速投送、部署、轉(zhuǎn)移人員、裝備的能力;

        ②靈活機(jī)動(dòng)能力是武器裝備能夠?qū)崿F(xiàn)在戰(zhàn)場上有效運(yùn)動(dòng)已到達(dá)預(yù)定兵力集結(jié)、交戰(zhàn)、脫離戰(zhàn)斗或回避敵方作戰(zhàn)兵力的能力,主要是做到部署靈活、反應(yīng)快速且機(jī)動(dòng)性能要強(qiáng)。

        2)C4ISR系統(tǒng)綜合能力包括指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)、情報(bào)、監(jiān)視和偵察等。歸納為偵察預(yù)警能力、通信傳輸能力、指揮控制能力和綜合數(shù)據(jù)處理能力4個(gè)二級(jí)指標(biāo)。

        ①偵察預(yù)警能力是快速、準(zhǔn)確、隱蔽、全面地獲取目標(biāo)情報(bào)與戰(zhàn)場態(tài)勢(shì),并予以精確定位,為作戰(zhàn)提供有效支持?jǐn)?shù)據(jù)的能力;

        ②通信傳輸能力是通過數(shù)據(jù)鏈迅速、安全、可靠地傳輸作戰(zhàn)信息的能力;

        ③指揮控制能力是能夠高效利用時(shí)間因素,以最快的速度,根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境、敵我態(tài)勢(shì)以及目標(biāo)的精確數(shù)據(jù),先敵做出精準(zhǔn)決策,完成指揮控制活動(dòng),達(dá)到最高指揮效能的能力[8];

        ④綜合數(shù)據(jù)處理能力,通過計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大處理能力綜合分析指揮、控制、情報(bào)、監(jiān)視和偵察等各種信息,及時(shí)準(zhǔn)確獲取輔助決策建議。

        3)打擊突擊能力。主要區(qū)分為火力打擊能力、兵力突擊能力、電子壓制能力3個(gè)二級(jí)指標(biāo)。

        ①火力打擊能力是迅速、準(zhǔn)確、突然、猛烈地綜合運(yùn)用“軟硬”打擊火力,有效殺傷敵有生力量、使其喪失戰(zhàn)斗力的能力;

        ②兵力突擊能力是突入并占領(lǐng)敵陣地,滯遲、瓦解敵軍使其陷入混亂的能力,包括空中突擊能力、地面突擊能力等;

        ③電子壓制能力是使用電磁能、定向能、空射誘餌或反輻射武器等,攻擊敵人員、設(shè)施或裝備,進(jìn)行電子干擾,使敵雷達(dá)致盲、通信中斷、指揮癱瘓等的能力。

        4)防護(hù)生存能力。主要區(qū)分為裝備抗打擊能力、抗干擾能力、工程防護(hù)能力3個(gè)二級(jí)指標(biāo)。

        ①裝備抗打擊能力是武器裝備自身具備隱身、抗毀、抗干擾和強(qiáng)適應(yīng)能力;

        ②抗干擾能力是為保護(hù)我方人員、設(shè)備或裝備,使其不受友方及敵方使用電磁頻譜的影響,能夠防御電子干擾的能力;

        ③工程防護(hù)能力是部隊(duì)在戰(zhàn)場上具備由工程結(jié)構(gòu)、偽裝、障礙、攔截、干擾與電磁屏蔽技術(shù)等提供的“綜合對(duì)抗”型防護(hù),以提高其生存的能力[9]。

        5)持續(xù)作戰(zhàn)能力。主要區(qū)分為后勤供給能力、技術(shù)維護(hù)能力、可靠性水平3個(gè)二級(jí)指標(biāo)。

        ①后勤供給能力是部隊(duì)獲取為開展作戰(zhàn)行動(dòng)所必須的補(bǔ)給(食物、燃料、彈藥、部件和醫(yī)藥等)的能力;

        ②技術(shù)維護(hù)能力是部隊(duì)武器裝備或人員在作戰(zhàn)行動(dòng)中及時(shí)獲取檢測、維修、醫(yī)療等使戰(zhàn)斗力得以保持和再生的能力;

        ③可靠性水平是指武器裝備在一定的交戰(zhàn)條件下和作戰(zhàn)時(shí)間內(nèi),保持武器裝備作戰(zhàn)功能的能力。

        1.3 武器裝備體系效能評(píng)估方法

        目前,已有多種體系效能評(píng)估方法,由于傳統(tǒng)模糊層次分析法主觀臆斷性較強(qiáng),丟失信息較多,計(jì)算結(jié)果往往不夠精確,灰色聚類法運(yùn)算過程比較復(fù)雜,步驟相對(duì)繁瑣,采用這些方法得出的評(píng)價(jià)指標(biāo)值都是某一確定值,不能反映模糊性指標(biāo)的實(shí)際情況,而可拓學(xué)理論能夠克服這些方法的內(nèi)在缺陷,使評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)合理[10]。

        2 基于可拓學(xué)的綜合評(píng)估模型

        可拓學(xué)綜合評(píng)價(jià)是通過建立被評(píng)價(jià)對(duì)象的多指標(biāo)性能參數(shù)模型,反映和解決事物的綜合質(zhì)量水平。其基本原理是把待描述或評(píng)價(jià)的對(duì)象、各特征和對(duì)象關(guān)于特征的量值組成一個(gè)整體——物元來研究,用可拓集合的關(guān)聯(lián)函數(shù)值——關(guān)聯(lián)度描述各種特征參數(shù)與所研究對(duì)象的從屬關(guān)系,從而把屬于或不屬于的定性描述擴(kuò)展為定量描述。其評(píng)價(jià)步驟主要分為:①確定經(jīng)典域、節(jié)域和待評(píng)物元;②確定各等級(jí)關(guān)聯(lián)度函數(shù);③可拓關(guān)聯(lián)度及評(píng)估等級(jí)的確定。

        2.1 經(jīng)典域、節(jié)域和待評(píng)物元的確定

        設(shè)評(píng)估指標(biāo)有n個(gè),即c1,c2,…,cn,可將效能分為m個(gè)水平等級(jí),Rj為效能第j等級(jí)的物元模型,當(dāng)評(píng)價(jià)等級(jí)N的特征C發(fā)生時(shí),特征C所規(guī)定的量值范圍,即各種效果等級(jí)關(guān)于所對(duì)應(yīng)特征所取得數(shù)值范圍定義為經(jīng)典域[10]。則評(píng)價(jià)模型的物元經(jīng)典域?yàn)閇11]:

        式(1)中:Nj為第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí);Ci為評(píng)價(jià)等級(jí)Nj的評(píng)估指標(biāo);Vji=<aji,bji>表示Nj關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)Ci的量值范圍。

        節(jié)域是指所有經(jīng)典域的集合,評(píng)價(jià)模型的物元節(jié)域表示為:

        式(2)中:P為評(píng)估等級(jí)的全體;Vpi表示P關(guān)于c1,c2,…,cn的取值范圍,即P的節(jié)域<api,bpi>。

        對(duì)于待評(píng)價(jià)的物,把所檢測得到的數(shù)據(jù)或分析的結(jié)果用物元R0表示,稱為待評(píng)物元。

        式(3)中:P0為待評(píng)事物;Vi為P關(guān)于Ci量值,即待評(píng)物的評(píng)估指標(biāo)值。

        2.2 各等級(jí)關(guān)聯(lián)度函數(shù)的確定

        第i個(gè)指標(biāo)數(shù)值域?qū)儆诘趈個(gè)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度函數(shù)為:[12-13]

        式(4)中:

        分別稱為vi與vji或vi與vpi的距,用以描述同類事物性質(zhì)之間的區(qū)別。

        2.3 可拓關(guān)聯(lián)度及評(píng)估等級(jí)的確定

        可拓關(guān)聯(lián)度是指關(guān)聯(lián)函數(shù)與其對(duì)應(yīng)的權(quán)系數(shù)乘積之和,其由式(4)、(5)可得:

        式(6)中:Kj(P0)為待評(píng)物關(guān)于j等級(jí)的關(guān)聯(lián)度;sij是關(guān)聯(lián)函數(shù)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重。若存在:

        則可判斷待評(píng)物元屬于j等級(jí),從而反映出待評(píng)物的所屬等級(jí)。

        3 實(shí)例應(yīng)用

        3.1 指標(biāo)體系權(quán)重的確立

        結(jié)合實(shí)戰(zhàn)演練,經(jīng)數(shù)據(jù)收集、層次分析武器裝備體系效能指標(biāo)體系,并采用Delphi法[14]給各指標(biāo)打分,確定效能指標(biāo)體系各指標(biāo)的權(quán)重,見表1。

        表1 武器裝備體系效能指標(biāo)體系權(quán)重Tab.1 Weight of efficiency index system of WSoS

        3.2 物元模型

        1)經(jīng)典域與節(jié)域。通過對(duì)不同部隊(duì)、科研院所調(diào)研及專家評(píng)判,可將評(píng)估指標(biāo)劃分為A、B、C、D級(jí)4個(gè)標(biāo)準(zhǔn),分別對(duì)應(yīng)武器裝備體系效能的優(yōu)劣程度:優(yōu)、良、合格和不合格。其中,各個(gè)等級(jí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)列于表2中,形成如下節(jié)域Rn和經(jīng)典域R1、R2、R3、R4。

        表2 指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Index grading standards

        節(jié)域:

        經(jīng)典域:

        2)待評(píng)物元矩陣。對(duì)某部隊(duì)進(jìn)行武器裝備體系效能評(píng)估,通過實(shí)際調(diào)查和分析,可得到15個(gè)評(píng)估指標(biāo)的歸一化數(shù)據(jù),其物元矩陣如下:

        3)關(guān)聯(lián)度計(jì)算。利用式(4)、(5)得出c1~c15指標(biāo)關(guān)于各等級(jí)的關(guān)聯(lián)度及利用式(6)得出待評(píng)武器裝備體系效能P0關(guān)于各等級(jí)的關(guān)聯(lián)度,如表3所示。

        由式(7)可知:

        根據(jù)最大隸屬度原則,表明該部隊(duì)武器裝備體系效能評(píng)估屬于等級(jí)良。K3(v6)=0.392 9,屬于等級(jí)中,這表明該部隊(duì)在綜合數(shù)據(jù)處理能力方面較弱,下一步需重點(diǎn)加強(qiáng)此方面的能力提升。

        4 結(jié)束語

        當(dāng)前,武器裝備體系研究已成為系統(tǒng)工程和軍事科學(xué)領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)[15]。單項(xiàng)(指標(biāo))效能、系統(tǒng)效能和作戰(zhàn)效能是當(dāng)前武器裝備體系效能研究的主要內(nèi)容。本文主要應(yīng)用可拓學(xué)理論中的物元分析對(duì)武器裝備體系(指標(biāo))效能進(jìn)行評(píng)估的方法,利用AHP法、Delphi法分析出各層次指標(biāo)、打分并確定權(quán)重,進(jìn)一步從計(jì)算各指標(biāo)與等級(jí)關(guān)聯(lián)度出發(fā),最終獲得武器裝備體系效能與等級(jí)的關(guān)聯(lián)度,量化各項(xiàng)指標(biāo)的相對(duì)重要性。該方法簡單易懂、計(jì)算方便,為武器裝備體系效能評(píng)估、發(fā)展論證提供了一種借鑒方法,但對(duì)權(quán)重依賴性較大,今后可以結(jié)合數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法[16]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[17]等評(píng)價(jià)方法進(jìn)行更優(yōu)化的綜合評(píng)估。

        表3 各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度Tab.3 Correlation degree of each index

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