基于可拓學(xué)的武器裝備體系效能評(píng)估

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(yáng)265200；）

現(xiàn)代高技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)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(zhēng)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(wèn)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(guó)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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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(zhēng)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)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(chǎng)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(guò)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(chǎng)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(cè)、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(guò)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(guò)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(lái)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(cè)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(guò)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(guò)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(yǔ)

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(jiǎn)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