任天助, 辛萬(wàn)青, 嚴(yán)晞雋, 趙鴻宇

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076; 2.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院,北京 100076;3.北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所,北京 100076)

1 引 言

隨著科技發(fā)展,在交通[1]、電力[2]、航空航天[3]和軍事[4]等領(lǐng)域出現(xiàn)了大量規(guī)模龐大、組成系統(tǒng)龐雜的復(fù)雜系統(tǒng).這類系統(tǒng)具有自主、演化、異構(gòu)、多地分布和功能涌現(xiàn)等特性,被稱為體系(systems-of-systems),即系統(tǒng)之系統(tǒng).相對(duì)于系統(tǒng)工程而言,研究體系的方法與技術(shù)被稱為體系工程,包括對(duì)體系的設(shè)計(jì)、評(píng)估和優(yōu)化等等.在體系工程中,體系能力評(píng)估是一項(xiàng)重要的工作,通過(guò)對(duì)體系方案的各方面開(kāi)展評(píng)估,分析比較體系方案的優(yōu)劣.特別評(píng)估體系中各個(gè)組成系統(tǒng)對(duì)體系整體的貢獻(xiàn)率,以此來(lái)對(duì)體系的組成進(jìn)行權(quán)衡決策,提升體系能力.

近些年,國(guó)內(nèi)外的體系工程研究者以指標(biāo)聚合、仿真推演和網(wǎng)絡(luò)分析等方法開(kāi)展了大量體系能力評(píng)估方面的研究.例如,簡(jiǎn)平[5]提出了一種基于算子的武器裝備體系效能評(píng)估框架,構(gòu)建具有算子化的評(píng)估模型、可重組的評(píng)估流程和可擴(kuò)展的評(píng)估解算流程,但該文獻(xiàn)只實(shí)現(xiàn)了對(duì)體系效能的高效評(píng)估,沒(méi)有涵蓋體系的其它方面.范云龍[6]等建立了防空預(yù)警體系貢獻(xiàn)度評(píng)估指標(biāo)體系,對(duì)評(píng)估指標(biāo)給出了詳細(xì)的計(jì)算方法.周鼎[7]則分析了天基對(duì)地武器的評(píng)估指標(biāo)體系,并對(duì)作戰(zhàn)過(guò)程進(jìn)行了仿真分析,驗(yàn)證了方法的有效性.趙丹玲[8]則以作戰(zhàn)環(huán)網(wǎng)絡(luò)分析的方法開(kāi)展體系貢獻(xiàn)度的評(píng)估,引入了能力需求滿足度的概念來(lái)衡量體系作戰(zhàn)能力.但以上這些研究往往只考慮一部分效能指標(biāo),對(duì)體系的分析不夠全面,得出的結(jié)論往往是仍然是以系統(tǒng)工程思維中面向某一類系統(tǒng)的部分能力要素,而忽視了體系中各個(gè)系統(tǒng)在各種任務(wù)條件下相互作用帶來(lái)的其它影響.對(duì)于體系的能力評(píng)估來(lái)說(shuō),僅僅分析體系整體在任務(wù)中的效能而不考慮各個(gè)組成系統(tǒng)的影響,則無(wú)法保證體系能力在各種條件下的有效發(fā)揮.

隨著體系研究的不斷深入,許多研究者開(kāi)始將對(duì)體系的評(píng)估從單一維度投向多個(gè)維度.美國(guó)普渡大學(xué)的De Laurentis[9]提出從系統(tǒng)類型、相關(guān)性和控制三個(gè)維度去選擇具體的評(píng)估方法.美國(guó)密蘇里科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)以多維度的方法開(kāi)展了許多體系評(píng)估優(yōu)化研究[10].以Pape[11]為代表的學(xué)者們認(rèn)為：體系的能力評(píng)估的關(guān)鍵屬性除了效能外,還應(yīng)包括體系的靈活性,魯棒性,經(jīng)濟(jì)性等.Agarwal[12]則選取效能、網(wǎng)絡(luò)中心性、經(jīng)濟(jì)性、魯棒性和模塊化程度開(kāi)展了體系的評(píng)估與優(yōu)化.

但目前體系多維度評(píng)估方法,尚有以下幾點(diǎn)問(wèn)題需要解決: 1)體系多維度評(píng)估方法指出了能力之外的其它維度,為體系評(píng)估問(wèn)題拓展了思路.然而在文獻(xiàn)[11]中,對(duì)于靈活性、魯棒性等維度僅給出了模糊的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),沒(méi)有給出建立評(píng)估框架的步驟和進(jìn)行定量化計(jì)算的方法.2)體系貢獻(xiàn)度評(píng)估是裝備體系評(píng)估的一個(gè)重要方面.傳統(tǒng)多維度評(píng)估方法盡管從宏觀上實(shí)現(xiàn)了對(duì)體系各個(gè)維度的評(píng)估,但是尚不能從微觀角度分析某一類系統(tǒng)對(duì)體系各方面提升情況,導(dǎo)致這些方法評(píng)估量化程度低,評(píng)價(jià)體系缺乏數(shù)學(xué)化描述,以至于難以進(jìn)一步支撐體系方案決策.

本文選取體系效能、靈活性和魯棒性和經(jīng)濟(jì)性四方面作為體系能力評(píng)估的主要維度.在文獻(xiàn)[11]的基礎(chǔ)上,通過(guò)DoDAF 體系視圖分析能力―任務(wù)―系統(tǒng)的映射關(guān)系,搭建評(píng)估框架,使得評(píng)估的指標(biāo)來(lái)源具有可追溯性.在指標(biāo)計(jì)算方法上沒(méi)有采用傳統(tǒng)的指數(shù)法、ADC 方法和SEA 方法等分析計(jì)算方法,而是創(chuàng)新性的以矩陣范數(shù)作為評(píng)估綜合計(jì)算的工具,替代了文獻(xiàn)中基于模糊規(guī)則的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),提升了各個(gè)維度評(píng)估的量化水平,使得評(píng)估結(jié)果更有說(shuō)服力.此外,通過(guò)引入貢獻(xiàn)度的概念,實(shí)現(xiàn)對(duì)某一系統(tǒng)對(duì)體系能力貢獻(xiàn)度水平的評(píng)估.通過(guò)評(píng)估某一特定系統(tǒng)對(duì)體系的各個(gè)維度的貢獻(xiàn),以此分析體系中系統(tǒng)組成的優(yōu)劣,為優(yōu)化體系中的系統(tǒng)組成提供決策依據(jù).并以海上搜救體系作為應(yīng)用案例,驗(yàn)證了評(píng)估方法的合理性.

2 多維度體系能力評(píng)估的概念

2.1 體系能力評(píng)估的概念

能力是體系工程中的核心要素,在文獻(xiàn)[12]中,將能力定義為特定對(duì)象在規(guī)定條件下,使用相關(guān)資源要素執(zhí)行一系列任務(wù)并達(dá)到預(yù)定標(biāo)準(zhǔn), 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的本領(lǐng).體系能力評(píng)估的意義在于能夠有效的指導(dǎo)資源分配、需求規(guī)劃、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及組成優(yōu)化.這一工作在體系開(kāi)發(fā)中有著重要地位,在體系進(jìn)行設(shè)計(jì)論證時(shí)能夠通過(guò)評(píng)估方案來(lái)幫助設(shè)計(jì)人員理解各方的需求關(guān)切,在體系開(kāi)發(fā)時(shí)能夠幫助相關(guān)人員找到體系組成的最佳方案,在體系運(yùn)行維護(hù)時(shí)通過(guò)評(píng)估任務(wù)的完成情況來(lái)更改具體的實(shí)施方案.

體系能力貢獻(xiàn)度是一種分析體系部分系統(tǒng)與整體之間關(guān)系的增量式度量指標(biāo),即分析體系中引入某一系統(tǒng)與否對(duì)整個(gè)體系能力的影響.目前學(xué)界關(guān)于體系貢獻(xiàn)度還沒(méi)有各方都能滿意的定義,一般來(lái)說(shuō)主要指一系統(tǒng)在加入體系或替換體系中相關(guān)系統(tǒng)后,體系整體評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化,即體系貢獻(xiàn)度Gn可表示為

其中E0表示體系中不含系統(tǒng)n時(shí)的整體評(píng)估值,En表示體系中含系統(tǒng)n時(shí)的整體評(píng)估值.

2.2 體系能力評(píng)估框架的多維度選擇

在前人研究基礎(chǔ)上,本文選取體系效能、體系魯棒性、體系靈活性和體系經(jīng)濟(jì)性四個(gè)方面.下面對(duì)這四個(gè)維度評(píng)估給出定義,以及對(duì)如何評(píng)估各個(gè)維度上的貢獻(xiàn)度給出解釋.

1)體系效能

效能的概念起源于武器裝備領(lǐng)域,一般用于評(píng)價(jià)武器系統(tǒng)完成預(yù)期規(guī)定的作戰(zhàn)任務(wù)的程度,對(duì)于非軍事領(lǐng)域的系統(tǒng)則是評(píng)價(jià)體系中某系統(tǒng)執(zhí)行特定功能任務(wù)的能力效果度量.

體系效能貢獻(xiàn)度表示某一系統(tǒng)加入體系或替換體系中原有系統(tǒng)后,體系綜合效能或指標(biāo)效能的變化.依靠建立基于任務(wù)-能力的評(píng)估框架,分析系統(tǒng)在各項(xiàng)任務(wù)中,評(píng)估該系統(tǒng)對(duì)體系各項(xiàng)能力的提升情況.

2)體系靈活性

體系靈活性表示體系開(kāi)發(fā)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)體系中的某一項(xiàng)能力所能配置資源的多寡.如果體系內(nèi)的某項(xiàng)能力只有依靠體系中的某一個(gè)系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn),則體系的靈活性很差;反之若其可由多個(gè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn),則靈活性較好.

體系靈活性貢獻(xiàn)度立足于評(píng)估系統(tǒng)對(duì)體系中各項(xiàng)任務(wù)的參與度,一個(gè)系統(tǒng)參與的任務(wù)越多,給予體系組成不同可行方案的能力越強(qiáng),則對(duì)體系靈活性貢獻(xiàn)度越大.例如查打一體無(wú)人機(jī)既能參與偵查任務(wù),又能執(zhí)行火力打擊任務(wù),比單純的偵查型無(wú)人機(jī)的靈活性貢獻(xiàn)度強(qiáng).

3)體系魯棒性

體系魯棒性表示體系在其組成系統(tǒng)失去能力或組成系統(tǒng)間的鏈路連接中斷時(shí)所能運(yùn)行的水平稱之為體系的魯棒性.如果當(dāng)體系中一個(gè)系統(tǒng)被移除后,整個(gè)體系能力大幅度下降,主要指標(biāo)只能達(dá)到體系正常時(shí)的20%以下[11],則說(shuō)明體系的魯棒性很差.

體系魯棒性貢獻(xiàn)度評(píng)估面向體系的組織結(jié)構(gòu),當(dāng)系統(tǒng)和系統(tǒng)間的聯(lián)系受損的情況下體系維持原有效能的水平.增加一個(gè)系統(tǒng)后,體系在執(zhí)行任務(wù)的魯棒性越強(qiáng),則該系統(tǒng)的魯棒性貢獻(xiàn)度越大.

4)體系經(jīng)濟(jì)性

體系經(jīng)濟(jì)性表示在滿足體系最低能力要求的條件下,所節(jié)約的預(yù)算成本值.開(kāi)發(fā)和運(yùn)行體系中所有系統(tǒng)及保持其各方面的聯(lián)系與交互的總成本越低,則體系的經(jīng)濟(jì)性越好.

體系經(jīng)濟(jì)性貢獻(xiàn)度評(píng)估整個(gè)生命周期下體系開(kāi)發(fā)和維護(hù)的成本,針對(duì)總的預(yù)算分配,引入一個(gè)新系統(tǒng)相較之前節(jié)約其開(kāi)發(fā)和維護(hù)的成本越多,則該系統(tǒng)對(duì)體系的經(jīng)濟(jì)性貢獻(xiàn)度越大.

3 多維度體系貢獻(xiàn)度評(píng)估建模方法

在文獻(xiàn)[11]中,對(duì)體系各個(gè)維度給出了定義之后,結(jié)合情報(bào)偵察監(jiān)視(ISR)體系這一具體問(wèn)題,給出了較為模糊的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn).其效能維度只提了一個(gè)總的評(píng)估指標(biāo),每日監(jiān)測(cè)成功率.對(duì)于魯棒性來(lái)說(shuō),以失去一個(gè)系統(tǒng)之后的,體系監(jiān)測(cè)成功率下降的百分比作為評(píng)估指標(biāo).靈活性評(píng)估指標(biāo)則為體系中能力來(lái)源于單一系統(tǒng)的數(shù)目.而經(jīng)濟(jì)性評(píng)估指標(biāo)為裝備的總成本.以上的評(píng)估指標(biāo)定性的反映了體系各個(gè)維度的優(yōu)劣,但是沒(méi)有建立一套定量的評(píng)估方法.因此本文在此基礎(chǔ)上,提出一套結(jié)合矩陣范數(shù)計(jì)算的評(píng)估建模方法,使得評(píng)估過(guò)程更具操作性,也使評(píng)估更有說(shuō)服力.并且從評(píng)估單一系統(tǒng)的角度,進(jìn)行了貢獻(xiàn)度評(píng)估,分析各個(gè)系統(tǒng)對(duì)體系各個(gè)維度的作用,為體系組成決策提供參考.

在體系設(shè)計(jì)中,美國(guó)國(guó)防部DoDAF 框架是體系領(lǐng)域最常用來(lái)開(kāi)展能力分析的框架,其采用各類視圖以圖形化的建模語(yǔ)言,分析體系中任務(wù)–能力–系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系.如圖1 所示.

圖1 體系設(shè)計(jì)視圖到體系評(píng)估矩陣關(guān)系Fig.1 Relationship between SoS design view and SoS evaluation matrix

利用DoDAF 中部分能力視圖、作戰(zhàn)視圖和系統(tǒng)視圖信息作為體系評(píng)估方法的輸入.通過(guò)DoDAF 模型視圖, 獲取體系的要素信息,以數(shù)學(xué)矩陣的方式構(gòu)建體系任務(wù)–能力–系統(tǒng)關(guān)系,并建立體系效能評(píng)估矩陣P、靈活性評(píng)估矩陣Y和魯棒性評(píng)估矩陣E.接下來(lái)將介紹具體建模方法.

3.1 體系評(píng)估模型的任務(wù)-能力-系統(tǒng)建模

被評(píng)估體系SoS 需考慮q類任務(wù)場(chǎng)景,任務(wù)場(chǎng)景用任務(wù)向量B表示,即B= [b1,b2,...,bq]T.某一具體任務(wù)場(chǎng)景可用變量bk來(lái)表示,k=1,2,...,q.

設(shè)被評(píng)估體系SoS 中,具備n種能力,用ˉci表示第i種能力.體系所具備的能力及能力組合關(guān)系,可用能力關(guān)系矩陣C來(lái)表示,即

SoS 由m個(gè)分系統(tǒng)組成,用ˉsj表示第j個(gè)系統(tǒng);體系中的系統(tǒng)要素及之間的關(guān)系,可用系統(tǒng)關(guān)系矩陣S來(lái)表示,即

若系統(tǒng)ˉsj2是系統(tǒng)ˉsj1的一部分,sj1j2=1,否則sj1j2=0,j1,j2=1,2,...,m.這里一個(gè)系統(tǒng)是另一個(gè)系統(tǒng)的一部分的含義是系統(tǒng)之間的組成關(guān)系，例如“偵查衛(wèi)星”是“探測(cè)系統(tǒng)”的一部分

3.2 體系的效能建模

根據(jù)能力視圖CV-6 確定“任務(wù)–能力”的映射關(guān)系后,可對(duì)SoS 建立體系效能評(píng)估矩陣

這里定義在某一任務(wù)條件bk下,其中一項(xiàng)能力的效能評(píng)估值為pik=fci(bk,S),其中fci為能力Ci的效能計(jì)算函數(shù),具體選用何種方法,該方法屬于解析計(jì)算的形式還是仿真、經(jīng)驗(yàn)等取決于具體研究問(wèn)題的能力種類.

體系能力評(píng)估的目的在于比較評(píng)估對(duì)象二者的好壞,當(dāng)評(píng)估的維度不止一個(gè)時(shí),如果試圖分析一個(gè)系統(tǒng)對(duì)整個(gè)體系能力的影響就需要一個(gè)數(shù)學(xué)工具,比較其加入后各個(gè)維度上的能力變化.范數(shù)是衡量多維向量以及多維集合的大小關(guān)系的度量.通過(guò)計(jì)算范數(shù)把各個(gè)維度上的值統(tǒng)一起來(lái),將評(píng)估值的改變量變?yōu)榫仃囆问较碌姆稊?shù)大小,實(shí)現(xiàn)了抽象評(píng)估問(wèn)題的數(shù)學(xué)公式化.常用的矩陣范數(shù)有列范數(shù)、行范數(shù)和F范數(shù)等.列范數(shù)和行范數(shù)求的都是最大值,如果采用這兩種計(jì)算方法的話,在其中一項(xiàng)較小的評(píng)估值出現(xiàn)變化時(shí)范數(shù)不會(huì)變化,無(wú)法全面反映體系評(píng)估的一些特征.

因此, 選擇F范數(shù)計(jì)算各類評(píng)估值PF=則系統(tǒng)對(duì)SoS 的總效能貢獻(xiàn)度為其中代表體系中含有系統(tǒng)ˉsj的體系效能評(píng)估矩陣,代表不含有系統(tǒng)的基準(zhǔn)體系效能評(píng)估矩陣.

除此之外,對(duì)體系的效能貢獻(xiàn)度可以進(jìn)一步細(xì)分為系統(tǒng)對(duì)某一能力的貢獻(xiàn)度和某一任務(wù)的貢獻(xiàn)度.即可以取矩陣P中的第i行作為行向量PCi= [pi1,pi2,...,piq],計(jì)算可得到能力的效能評(píng)估值,取矩陣P中的第k列作為列向量Pbk= [p1k,p2k,...,pnk]T,計(jì)算‖Pbk‖可得到任務(wù)bi的效能評(píng)估值.這樣可以更加全面的評(píng)估系統(tǒng)對(duì)體系某一項(xiàng)任務(wù)或某一項(xiàng)能力的貢獻(xiàn).

3.3 體系的靈活性建模

體系的靈活性可由體系能力和組成系統(tǒng)的映射關(guān)系矩陣為

由前文關(guān)于體系靈活性的定義可知,形成一項(xiàng)能力對(duì)應(yīng)可選擇的系統(tǒng)組合方案越多,則該體系的靈活性越強(qiáng).有些能力只需要單一的系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn),有些則需要不同系統(tǒng)的組合,因此在設(shè)計(jì)靈活性評(píng)估矩陣時(shí),將需要對(duì)由不同系統(tǒng)組合所構(gòu)成的能力進(jìn)行解耦,保障能力分解到對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)都至少能獨(dú)立支撐一項(xiàng)基本能力.

將解耦后映射矩陣重新組織成h項(xiàng)基本能力,此時(shí)靈活性評(píng)估矩陣為

通過(guò)計(jì)算矩陣Y的F范數(shù)分析體系的靈活性, 即各行的數(shù)值“1”越多組合方案越多.則系統(tǒng)ˉsj對(duì)體系SoS 的靈活性貢獻(xiàn)度為

3.4 體系的魯棒性建模

根據(jù)前文魯棒性的概念,整個(gè)體系的魯棒性由各種能力的魯棒性構(gòu)成,最直接的計(jì)算方法應(yīng)該是把體系內(nèi)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行組合,分別計(jì)算體系在各種系統(tǒng)故障組合下每種能力的效能評(píng)估值,除以所有系統(tǒng)的組合數(shù)得到平均效能評(píng)估值.但是這種計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不容易,計(jì)算開(kāi)銷比較大.實(shí)際情況下,可通過(guò)進(jìn)一步簡(jiǎn)化能力和系統(tǒng)映射關(guān)系矩陣來(lái)求解.

對(duì)于矩陣Y,將能力只對(duì)應(yīng)一個(gè)系統(tǒng),即每行都是只有一個(gè)元素“1”,其它元素都是“0”的行去掉.因?yàn)檫@樣的能力一旦對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)故障,則能力無(wú)法發(fā)揮,無(wú)需再進(jìn)行其它計(jì)算.將簡(jiǎn)化后的矩陣設(shè)為E,簡(jiǎn)化后的系統(tǒng)個(gè)數(shù)設(shè)為

體系的魯棒性由各種能力的魯棒性構(gòu)成,需要計(jì)算各能力在所支持系統(tǒng)的所有的排列條件下,即所有可能的故障情況,效能的平均值.對(duì)于在bk下效能的魯棒性為

由此得到魯棒性測(cè)試之后的效能矩陣

這里同樣可以用歸一化后的魯棒性效能評(píng)估矩陣的F范數(shù)表示,用魯棒性測(cè)試后的效能值比正常狀態(tài)下的評(píng)估值得到魯棒性評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.5 體系的經(jīng)濟(jì)性建模

3.6 與傳統(tǒng)多維度方法的比較

相對(duì)于文獻(xiàn)[11]中的多維度評(píng)估方法,本文提出的方法從評(píng)估的量化程度有較大提升.特別是通過(guò)引入貢獻(xiàn)度的概念,實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)面向體系各個(gè)維度作用程度的分析.二者不同之處可寫(xiě)成表格的形式如表1所示.

表1 與傳統(tǒng)多維度評(píng)估方法的對(duì)比Table 1 Compare of traditional multi-dimensional evaluation method

4 海上搜救體系能力評(píng)估案例分析

本文以海上搜救體系作為案例開(kāi)展分析.海上搜救體系是應(yīng)對(duì)海上突發(fā)情況,監(jiān)測(cè)海上遇險(xiǎn)船只與人員,協(xié)同海陸空各方力量開(kāi)展搜救活動(dòng)與傷員救治的復(fù)雜體系.這里將海上救援體系中的主要載具裝備作為貢獻(xiàn)度評(píng)估對(duì)象,各系統(tǒng)的參數(shù)部分根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和常識(shí)確定,以此驗(yàn)證多維度評(píng)估方法的有效性.

4.1 海上搜救體系的體系想定設(shè)計(jì)

本文中想定的海上搜救體系的任務(wù)–能力–系統(tǒng)組成如表1 所示.考慮體系中的任務(wù)包括在日間和夜間由救援指揮中心組織海上和空中的救援力量,海上救援力量包括兩艘搜救快艇和一艘醫(yī)療救援船.搜救快艇主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)傷員,海上的醫(yī)療救援船能在海上及時(shí)給予傷員醫(yī)療救治.空中包括兩架無(wú)人機(jī)、一架固定翼飛機(jī)負(fù)責(zé)搜索遇險(xiǎn)者的位置,以及一架直升機(jī)負(fù)責(zé)快速轉(zhuǎn)運(yùn)重傷員.本文的海上搜救體系重要面向搜救裝備,暫不考慮搜救人員訓(xùn)練水平對(duì)體系能力的影響.

根據(jù)其關(guān)聯(lián)及交互關(guān)系,可利用Rhapsody 軟件工具,建立如圖2～圖4 的基于DoDAF 的視圖模型.為了將體系中的任務(wù)–能力–系統(tǒng)的關(guān)系描述清楚,同時(shí)又避免篇幅冗長(zhǎng),只展示CV-2,OV-5a 和SV-1.

圖2 CV-2: 能力分類視圖Fig.2 CV-2: Capability hierarchies

圖3 OV-5a: 作戰(zhàn)活動(dòng)分解樹(shù)Fig.3 OV-5a: Operational activity hierarchy

圖4 SV-1: 系統(tǒng)接口描述Fig.4 SV-1: Systems composition and interface identification

4.2 海上搜救體系多維度效能仿真評(píng)估計(jì)算

4.2.1 體系效能計(jì)算

根據(jù)式(1)簡(jiǎn)化部分全為0 的行和列之后,得到效能評(píng)估矩陣P的計(jì)算形式為

其中各個(gè)效能評(píng)估指標(biāo)意義如表3 所示.

表2 體系能力–任務(wù)–系統(tǒng)組成要素Table 2 SoS capability-task-system component

表3 體系效能評(píng)估矩陣各要素含義Table 3 Element meaning of SoS effectiveness evaluation matrix

續(xù)表2Table 2 Continues

續(xù)表3Table 3 Continues

以體系中各個(gè)系統(tǒng)建立多Agent 體系仿真模型,通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到效能計(jì)算值.這里將遇險(xiǎn)人員的位置和人數(shù)設(shè)置在一個(gè)特定范圍內(nèi)隨機(jī)出現(xiàn),根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果得到效能評(píng)估矩陣

4.2.2 體系靈活性計(jì)算

由式(2)可得能力和系統(tǒng)映射關(guān)系矩陣R=根據(jù)矩陣C和S中的交互關(guān)系,取第2 項(xiàng)能力到第8 項(xiàng)能力,第4 個(gè)系統(tǒng)到第12 個(gè)系統(tǒng),由式(3)簡(jiǎn)化得到靈活性矩陣

4.2.3 體系魯棒性計(jì)算

經(jīng)進(jìn)一步簡(jiǎn)化魯棒性矩陣E,可得E=

需進(jìn)行魯棒性計(jì)算的效能值包括p14,p15,p24,p25,p37和p42,這些評(píng)估值用正常狀態(tài)下的效能評(píng)估值除以故障狀態(tài)下的值進(jìn)行歸一化.其它效能值均完全依賴某一個(gè)系統(tǒng),因此置為0,由式(4)可得魯棒性效能值矩陣

由式(5)計(jì)算可得,U=0.564 9.

4.2.4 體系經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

體系中系統(tǒng)的成本計(jì)算分為兩部分,一部分是系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)購(gòu)置投入成本,一部分是系統(tǒng)的使用維護(hù)成本.為了更貼近實(shí)際,在本文構(gòu)建的場(chǎng)景中,除了計(jì)算各個(gè)系統(tǒng)的先期一次性購(gòu)置成本之外還計(jì)算每一次救援行動(dòng)所花費(fèi)的成本,各系成本如圖5 所示.

圖5 體系中各系統(tǒng)消耗成本Fig.5 The costs of systems in SoS

對(duì)于整個(gè)海上救援裝備體系來(lái)說(shuō),目前的方案一次性購(gòu)置成本U1SoS= 1 990,一次救援行動(dòng)所花費(fèi)的成本U2SoS=25.

4.3 多維度貢獻(xiàn)度評(píng)估分析結(jié)果

本文選取體系中無(wú)人機(jī)、固定翼飛機(jī)、直升機(jī)和搜救快艇這四種主要的救援裝備對(duì)海上搜救體系的貢獻(xiàn)度開(kāi)展評(píng)估.效能部分除了總效能貢獻(xiàn)度之外,還對(duì)幾種重點(diǎn)能力的體系貢獻(xiàn)度開(kāi)展了評(píng)估,評(píng)估結(jié)果如圖6 所示:

圖6 多維度體系貢獻(xiàn)度評(píng)估結(jié)果Fig.6 Evaluation results of multidimensional SoS contribution rate

從總的效能維度上看,直升機(jī)的貢獻(xiàn)度是最高的,其次是搜救快艇,再次是固定翼飛機(jī),最后是無(wú)人機(jī).這幾個(gè)裝備的能力側(cè)重存在較大差距,搜救快艇的傷員轉(zhuǎn)運(yùn)能力貢獻(xiàn)度是直升機(jī)的兩倍以上,但快速到達(dá)能力上,直升機(jī)是搜救快艇的兩倍,在其它能力方面也均有貢獻(xiàn),可見(jiàn)這二者是海上救援體系裝備的核心力量.相比較而言,無(wú)人機(jī)和固定翼飛機(jī)的效能貢獻(xiàn)度就相對(duì)較低.無(wú)人機(jī)在各個(gè)維度的體系能力貢獻(xiàn)度均較其它幾類救援裝備均較低.如果采用傳統(tǒng)的單一維度的體系能力評(píng)估方法,無(wú)人機(jī)在整個(gè)海上搜救體系中屬于多余的裝備.但是通過(guò)多維度的評(píng)估結(jié)果,可以看出無(wú)人機(jī)對(duì)體系的靈活性和魯棒性均有幫助,并且成本相比其它救援裝備來(lái)說(shuō)很低.也就是說(shuō),通過(guò)引入無(wú)人機(jī),可以使得執(zhí)行救援任務(wù)有更多的可行方案,并且可以在其它裝備發(fā)生故障時(shí)保障體系能力依然能維持在比較高的水平.而同樣從經(jīng)濟(jì)性維度上來(lái)說(shuō),固定翼的投入較大,但對(duì)體系來(lái)說(shuō)只在搜索能力上獲得了提升,不如其它救援裝備經(jīng)濟(jì)劃算.

從以上的評(píng)估分析可以得出如下的優(yōu)化建議:

1)無(wú)人機(jī)盡管成本較低,對(duì)體系效能的貢獻(xiàn)度不大,但無(wú)人機(jī)是提高體系魯棒性和靈活性的重要系統(tǒng).應(yīng)當(dāng)適當(dāng)投入更多成本改進(jìn)無(wú)人機(jī)設(shè)備的性能,使其在效能上發(fā)揮更大的作用;

2)盡管先期投入的成本較大,但從各方面來(lái)看,直升機(jī)在海上救援體系中發(fā)揮及其重要的作用,應(yīng)考慮在不影響直升機(jī)整體效能的情況下節(jié)約其每次執(zhí)行任務(wù)的成本;

3)目前固定翼飛機(jī)在海上搜索能力上發(fā)揮重要作用,但其它方面作用不大,可以考慮選取性價(jià)比更高的搜救一體直升機(jī)替代,既能完成搜索任務(wù),又能轉(zhuǎn)運(yùn)部分傷員,提升體系的魯棒性.

從上述實(shí)例可以看出,相比較傳統(tǒng)的效能貢獻(xiàn)度分析,多維度體系貢獻(xiàn)度除了能比較各個(gè)裝備的效能貢獻(xiàn)多少,同時(shí)還能發(fā)現(xiàn)在保證方案的靈活性,保障運(yùn)行魯棒性以及經(jīng)費(fèi)成本上的作用,給出更加全面合理的優(yōu)化建議.

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)體系評(píng)估研究中對(duì)多維度評(píng)估方法缺乏量化手段的問(wèn)題.本文在傳統(tǒng)多維度評(píng)估方法基礎(chǔ)上,結(jié)合DoDAF 中任務(wù)–能力–系統(tǒng)之間的關(guān)系,構(gòu)建了包含效能、靈活性、魯棒性和經(jīng)濟(jì)性這四重維度下的體系能力評(píng)估方法框架,提出基于矩陣映射的體系能力評(píng)估模型,并以矩陣范數(shù)作為工具計(jì)算能力評(píng)估值.并引入了貢獻(xiàn)度的概念,使得該方法可以分析引入各個(gè)系統(tǒng)對(duì)體系帶來(lái)的變化.本研究中以海上救援體系為實(shí)例開(kāi)展了評(píng)估,分析了無(wú)人機(jī)、固定翼飛機(jī)、直升機(jī)和搜救快艇四種救援裝備,從仿真結(jié)果中可以看出不同裝備對(duì)救援體系效能、魯棒性、靈活性的貢獻(xiàn)度大小,相比傳統(tǒng)的體系多維度評(píng)估方法,量化程度更高,得出更全面更有價(jià)值的裝備優(yōu)化建議,為后續(xù)開(kāi)展體系方案設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ).目前的研究對(duì)各維度之間的相關(guān)性以及如何根據(jù)評(píng)估結(jié)果在各維度的評(píng)估間進(jìn)行取舍尚未深入.未來(lái)將對(duì)體系各個(gè)維度之間的關(guān)系進(jìn)行綜合分析,進(jìn)一步提高多維度體系能力評(píng)估方法的有效性.