基于ANP的天基海洋監(jiān)視體系作戰(zhàn)能力評估方法*

姜劍雄，孔祥龍，師 鵬，趙育善

（1.北京航空航天大學宇航學院，北京 100191；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

基于ANP的天基海洋監(jiān)視體系作戰(zhàn)能力評估方法*

姜劍雄1，孔祥龍2，師 鵬1，趙育善1

（1.北京航空航天大學宇航學院，北京 100191；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

天基海洋目標監(jiān)視是現(xiàn)代高科技條件下航天軍事裝備的重要發(fā)展方向。針對天基海洋監(jiān)視體系作戰(zhàn)能力的綜合評估問題，提出了一種基于網(wǎng)絡層次分析的評估方法?？紤]能力指標的層次性和相關性，建立了包括控制層與多級式網(wǎng)絡層的能力指標體系。通過定義能力滿足度函數(shù)實現(xiàn)性能指標的量化，并根據(jù)能力需求間的關系與各層指標權重實現(xiàn)對能力指標的聚合計算，再利用網(wǎng)絡層次分析法對指標體系進行綜合評價。最后以實例說明所提方法的評估過程，評估結果表明該方法能夠合理地反映某方案下網(wǎng)絡層指標對偵察能力目標的影響，對于仿真訓練研究及體系裝備發(fā)展論證具有參考價值。

體系評估，網(wǎng)絡層次分析法，海洋監(jiān)視，能力需求

0 引言

信息化條件下的海戰(zhàn)場對抗已經(jīng)從作戰(zhàn)力量的“平臺對抗”發(fā)展到“體系對抗”，導致作戰(zhàn)需求發(fā)生了根本的變化。信息的主導性使情報工作地位突出，而天基海洋監(jiān)視體系是獲取準確、可靠、及時情報信息的強有力手段。在充分客觀認知航天裝備體系的基礎上，對海洋監(jiān)視體系作戰(zhàn)能力的評估，可以發(fā)現(xiàn)體系中的關鍵因素及薄弱環(huán)節(jié)，有效突破當前裝備體系的“短板”，并從裝備體系作戰(zhàn)能力需求的角度實現(xiàn)對海洋監(jiān)視體系建設發(fā)展的指導和規(guī)范［1］。

目前對海洋監(jiān)視體系作戰(zhàn)能力的評估往往采用武器裝備系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估的方法，如ADC方法［2-3］、層次分析法［4-5］（Analytic Hierarchy Process，AHP）、仿真方法［6-7］等對單類衛(wèi)星或星座進行評價。這些方法建立的評估層次結構較為簡單，在針對平臺級、系統(tǒng)級能力評估時較為成熟，但應用到整個裝備體系的評估存在諸多限制，并且與目前“基于能力”的建設思想［8］格格不入。以能力需求作為體系評估的著眼點，體現(xiàn)了體系評估與系統(tǒng)評估不同層次的特點。文獻［9］提出通過定義底層能力需求滿足度函數(shù)并根據(jù)能力需求的相互關系自底向上聚合得到頂層能力滿足度函數(shù)的評估方法，但定義的能力滿足度函數(shù)比較簡單，對定性指標的量化與能力間的相關性考慮不足；張迪、郭齊勝等［1］考慮能力之間的相關性，建立了網(wǎng)絡化能力指標體系，并通過ANP法評估解算實現(xiàn)對武器裝備體系的評價，評估結果較為全面但對體系能力指標值在具體作戰(zhàn)場景下的隨機性與動態(tài)性考慮不足。

本文針對天基海洋監(jiān)視體系的特點，采用ANP法從頂層建立了包括控制層與網(wǎng)絡層的能力指標體系，結合性能指標量化、各級權重確定與能力指標聚合的相關方法，實現(xiàn)了海洋監(jiān)視體系裝備性能參數(shù)到能力指標滿足度的映射，再利用ANP法對指標體系進行綜合評價。最后，以控制層中的海洋目標搜索發(fā)現(xiàn)與識別為例，說明所提方法的評估過程并驗證其有效性。

1 評價方法原理

1.1 ANP法概述

ANP法建模將系統(tǒng)元素劃分為兩部分：一是控制層，包括至少一個問題目標及若干決策準則，且只受目標元素支配，每個準則的權重可用AHP法獲得；二是網(wǎng)絡層，由所有受控制層支配的元素組組成，其內部是互相影響的網(wǎng)絡結構［10］。ANP法通過構造相互聯(lián)系的元素之間的關系矩陣（即超矩陣），考慮元素之間的多重影響，通過對超矩陣求極限運算，得到網(wǎng)絡層各元素相對于目標的極限超矩陣（即綜合權重）。相比AHP法，ANP法的建模與計算過程更為復雜，但其充分考慮了評估因素的相關性，比較完整地保持了系統(tǒng)的特性，評估結果更加合理可信。ANP法計算流程如圖1所示。

圖1 ANP法計算流程圖

1.2 可拓AHP法

ANP法在網(wǎng)絡層的計算過程，如構造元素組以及元素之間的判斷矩陣，按判斷準則對元素進行兩兩比較，計算權重等都是利用了AHP法的計算方法和步驟。傳統(tǒng)的AHP法在建立元素判斷矩陣時，是根據(jù)兩兩重要程度的主觀感覺判斷，給出一個確定的比較值，然而其沒有考慮到人為判斷的模糊性，導致判斷矩陣沒有彈性，因此，本文采用多人可拓AHP法［4］來確定權重，其計算步驟如下：

①針對指標體系第l-1層的某一個指標或準則，將第l層與之有關的全部指標，請專家進行兩兩比較，用可拓區(qū)間數(shù)表示每兩個指標之間的相對重要程度，從而構造出一個可拓判斷矩陣

求得權重向量為

令Wi表示第l層上第i個指標相對于第l-1層某指標或準則的相對權重，則

經(jīng)歸一化處理后可得權重向量W。

③采用上述步驟分別計算出每位專家的評價權重，按照下式綜合各位專家的權重（設專家總數(shù)為t）

歸一化后得到最終的權重向量P。

2 天基海洋監(jiān)視體系評估模型

2.1 評估指標體系

評估指標體系，是指由一系列具有內在聯(lián)系、相互銜接、相互制約的指標所構成的有機整體，是對天基海洋監(jiān)視體系各種屬性的描述。構建指標體系是一個定性與定量相結合的過程，需要遵循目的性原則、可測性原則、完備性原則、時效性原則、敏感性原則、獨立性原則等。文獻［11］考慮到體系的層次性和指標的可度量性，提出了信息獲取能力、信息分發(fā)能力、信息處理能力等共10個指標。然而體系能力的一級、二級子能力指標之間存在相關性，不同的偵察場景對應的能力指標存在差異性，體系能力在具體偵察場景下的指標值又是概率化、動態(tài)化的，這些因素直接關系到體系能力的高低與評估結果的真實性。因此，本文在文獻［11］指標體系的基礎上，基于ANP建模思路，從頂層建立了包括控制層與多級式網(wǎng)絡層的能力指標體系，如圖2所示。

圖2 天基海洋監(jiān)視體系能力評估指標體系

控制層包含4個準則，每個準則都控制著一個網(wǎng)絡層，不同準則類似于不同的偵察監(jiān)視任務，其網(wǎng)絡層大同小異；網(wǎng)絡層共7個一級指標，按照指標的功能可分為偵察能力指標和偵察應用指標，能力指標包括信息獲取能力、信息傳輸能力、信息處理能力、體系安全能力和典型偵察效能，應用指標包括體系應用能力和體系科技與社會效益。考慮到各一級指標的相關性和重要程度，偵察能力指標下的5個一級指標采用ANP法確定權重，限于篇幅，各二級指標的內容［12-13］這里不再具體介紹。偵察應用指標下的2個一級指標采用可拓AHP法確定權重，因其對海洋監(jiān)視體系作戰(zhàn)能力影響較小，本文暫忽略其影響。

2.2 指標量化方法

在建立評估指標體系時，為兼顧評估的準確性和計算復雜度，本文對指標體系建立到二級能力指標，并對各二級指標分解到底層性能指標。由于海洋監(jiān)視體系底層性能指標性質、量綱不同，同一指標在不同作戰(zhàn)任務下對作戰(zhàn)的支持也不同，因此，在進行能力評估時必須將指標進行無量綱處理。

定量指標的量化，該處采用構造底層能力需求節(jié)點滿足度函數(shù)的方法，通過一定的數(shù)學變換把底層指標的數(shù)值轉化為可以進行綜合比較的相對數(shù)。針對海洋監(jiān)視體系底層性能指標的特點，以能力需求值r為基準建立起的兩個常用的分段型能力滿足度函數(shù)如式（4）和式（5）所示。

時間分辨率量化函數(shù)為

式中：k為常數(shù)，需根據(jù)指標性質及給定的條件，經(jīng)過專家測驗得到［14］。

定性指標的量化，運用模糊評價法，按照先定性、再分級、最后專家打分的方式將其量化。本文評估等級的個數(shù)取q=5，分別表示滿足度很高、較高、一般、較低、很低，設評語集對應的能力需求滿足度值為

則該評估指標的能力滿足度值Ei為

式中：fij是第i項指標ui對第j種評估等級vj的隸屬度，其具體公式參考文獻［11］。

2.3 指標聚合計算

評估指標體系上層滿足度需由底層能力需求滿足度聚合得到，聚合的依據(jù)是各層能力需求節(jié)點之間的構成或依賴關系。記聚合后的某上層能力值為E，其包含的下一層各指標能力值為Ei，對應的歸一化權重值為ωi。2.2節(jié)中介紹了一、二級指標權重確定的方法，考慮到其他各級指標間的相關性較弱，權重值ωi采用AHP法［5］來確定。

對于構成關系，采用線性求和法進行聚合

式中：ωi體現(xiàn)了下層能力需求對上層能力需求的重要程度；對于依賴關系，采用指數(shù)乘積法進行聚合

式中：ωi刻畫了下層能力需求對上層能力需求的支持程度。采用何種聚合方式取決于指標結構，有時還存在復合運算，即既有構成關系又有依賴關系，此時可先計算依賴關系，再計算構成關系，最后進行綜合［9］。

3 實例分析

以控制層中的海洋目標搜索發(fā)現(xiàn)與識別準則為例說明所提方法的評估過程。假設一艘大型艦船目標的活動區(qū)域為東經(jīng) 125°～130 °、北緯 25 °～30 °，以30 kn/h的速度在該區(qū)域內運動，如圖3所示。

圖3 目標及活動區(qū)域仿真圖

圖3中正方形為目標的活動區(qū)域，TARGET的運動軌跡為艦船目標的假定行駛軌跡。海洋監(jiān)視衛(wèi)星、光學與SAR成像偵察衛(wèi)星均由星座（3顆衛(wèi)星）3組9顆組網(wǎng)工作，仿真周期為24 h。評估海洋監(jiān)視體系在完成對該艦船目標的搜索發(fā)現(xiàn)與識別任務的作戰(zhàn)能力時，還需要考慮其所處的環(huán)境和條件等因素的影響，鑒于本節(jié)主要是為了驗證方法的有效性，因此，對仿真實驗活動、評估數(shù)據(jù)獲取過程等作了簡化處理。評估指標體系各二級能力指標下底層性能指標參數(shù)依據(jù)航天裝備的相關資料進行假設或仿真得到。

3.1 指標量化與聚合

以海洋監(jiān)視體系典型偵察效能指標下的偵察覆蓋效能為例說明能力指標的綜合處理流程。利用STK軟件仿真得到偵察覆蓋效能指標下海洋監(jiān)視衛(wèi)星對艦船目標的訪問時間分析數(shù)據(jù)及偵察衛(wèi)星系統(tǒng)對目標活動區(qū)域的覆蓋分析數(shù)據(jù)，其中偵察衛(wèi)星每一時刻對目標區(qū)域的覆蓋面積百分比如圖4所示。

圖4 偵察衛(wèi)星每一時刻對活動區(qū)域的覆蓋率

通過對仿真數(shù)據(jù)的預處理得到偵察覆蓋效能指標的底層性能參數(shù)，以平均響應時間性能為例，其表示從接收到要觀測目標的隨機請求開始到可以觀測到該目標為止的時間長度，常用訪問時間間隔來計算，假設在步長為h、仿真周期為T的計算中，共有訪問間隔n次，第i個訪問時間間隔是ti，則平均響應時間

將性能參數(shù)取值按照2.2節(jié)介紹的指標量化方法進行量化處理，獲得底層能力滿足度值；根據(jù)各層能力需求節(jié)點之間的關系，分別按式（9）或式（10）進行指標的聚合計算，從而得到偵察覆蓋效能指標的能力滿足度值。各級指標的滿足度值及相應權重如表1所示。

3.2 ANP法綜合評價

經(jīng)指標量化與聚合得到所有二級能力指標的滿足度值后，利用超級決策（Super Decisions）軟件建立偵察能力指標體系的網(wǎng)絡結構如圖5所示。

表1 偵察覆蓋效能各級指標能力滿足度值及權重

圖5 偵察能力指標體系的網(wǎng)絡結構圖

根據(jù)各級指標間的相互影響關系及采用可拓AHP法求得的ANP模型中組與節(jié)點歸一化的權重向量，Super Decisions軟件可以直接計算出偵察能力指標體系各二級指標的權重值，如圖6所示。圖6中給出兩種權重值“Normalized by Cluster”和“Limiting”，前者為按一級指標組進行歸一化處理后的權重值，后者則是各二級指標相對于偵察能力目標的權重值。

圖6 偵察能力二級指標權重值

從圖6的條形圖中可以看到，二級能力指標中星上處理能力的權重值最大，約占總能力的16.0364%，信息傳輸質量的權重值最小，約占總能力的1.4208%。信息獲取能力、信息處理能力和體系安全能力是一級指標中影響體系能力評估結果的主要因素，而體系安全能力則是整個作戰(zhàn)行動有效實施的前提，故其所占權重較高。結合各二級能力指標滿足度值，聚合計算分別得到偵察能力各一級指標的能力滿足度值（如表2所示）及海洋監(jiān)視體系偵察能力滿足度值

式中：ωreci為“Limiting”中給出的各二級指標權重值；Ereci為偵察能力下各二級指標的能力滿足度值。

表2 偵察能力一級指標滿足度值

圖6和表2都是在本文天基海洋監(jiān)視體系方案下，針對海洋目標搜索發(fā)現(xiàn)與識別準則的偵察能力評估結果。表2各級指標滿足度值反映了體系各系統(tǒng)單元完成給定作戰(zhàn)任務的能力，其中能力滿足度值偏低的節(jié)點代表該體系方案中的薄弱環(huán)節(jié)。結果表明該方案下信息獲取能力與體系安全能力的滿足度較高，信息的傳輸和處理能力則略顯不足，需要進一步加強，尤其是星上處理能力，因其權重系數(shù)大，是海洋監(jiān)視體系建設優(yōu)化的重點方向。同時，在偵察覆蓋效能方面，需加強不同偵察載荷獲取信息的融合處理能力，以及多顆、多類型衛(wèi)星對海洋目標監(jiān)視的聯(lián)合調度能力。通過實例計算發(fā)現(xiàn)，ANP法可以有效處理能力指標間的相關性，可拓AHP法增加了判斷矩陣的彈性，二者的結合使用使得權重系數(shù)的分配更加合理。同時能力指標體系包含典型效能指標考慮了體系能力指標值在具體作戰(zhàn)場景下的隨機性與動態(tài)性，比較完整地保持了體系的特性。

4 結論

本文所建立的評估指標體系基本涵蓋了天基海洋監(jiān)視體系所涉及的主要作戰(zhàn)任務與指標因素，所提出的基于能力需求的網(wǎng)絡層次評估方法可以有效處理指標權重的確定及量化與聚合問題。通過某海洋監(jiān)視體系方案下針對海洋目標搜索發(fā)現(xiàn)與識別準則的偵察能力評估，驗證了指標體系的科學性及評估方法的有效性。所得的評估結果有利于從頂層分析海洋監(jiān)視體系的能力，并反映多個體系方案的優(yōu)劣情況，也可以幫助分析人員確定某體系方案中的能力“短板”，以便對其進行重點的建設與優(yōu)化。本文提出的評估方法對體系裝備發(fā)展論證及仿真訓練研究具有一定的參考價值。

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Combat Capability Evaluation Method of Space-based Ocean Surveillance System-of-Systems Based on ANP

JIANG Jian-xiong1，KONG Xiang-long2，SHI Peng1，ZHAO Yu-shan1
（1.School of Astronautics，Beihang University，Beijing 100191，China；2.Shanghai Institute of Satellite Engineering，Shanghai 200240，China）

Space-based ocean target surveillance is an important development in the space equipment on the modern high-technology condition.To solve the problem of the combat capability comprehensive evaluation of space-based ocean surveillance system-of-systems （SoS），an evaluation method based on the analytic network process（ANP）is proposed.Considering the hierarchy of combat capability and the correlation between them，the index system containing the control layer and the multi-level-network layer is built.By defining sufficing capability degree functions，performance indices are quantified.According to capability requirement relationships and weights of indices，capability indices are aggregated.Furthermore，it applies ANP to assess the index system.Finally，an example is given to illustrate the evaluation process of the method.Evaluation result has shown that the method can reflect the effects of the network layer indices of a scheme on the reconnaissance capability goal，and is useful for the simulation study and the equipment development.

System-of-Systems （SoS） evaluation， Analytic Network Process（ANP），ocean surveillance，capability requirement

1002-0640（2017）10-0053-06

E917；TP391

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.10.012

2016-08-10

2016-10-13

國家自然科學基金（11572019）；上海航天科技創(chuàng)新基金資助項目（SAST2015027）

姜劍雄（1992- ），男，甘肅定西人，碩士研究生。研究方向：飛行器總體設計，航天器動力學與控制。