裝備體系貢獻率評估方法探究

吳雄清,楊 勇，周 炎，周 陽，王海濱

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

在我國軍事裝備堅持“信息主導、體系建設、自主創(chuàng)新、持續(xù)發(fā)展”的體系化發(fā)展背景下，必須將未來發(fā)展或改進的裝備放在體系的環(huán)境中，開展裝備貢獻率的研究和評估，在整個裝備體系中準確找到定位，切實將裝備研制、改進同體系使命、任務需求緊密結(jié)合。本文明確了裝備體系貢獻率的定義和評估意義，總結(jié)了多種定性及定量的裝備體系貢獻率評估方法，并給出了評估實例，為后續(xù)裝備體系論證、裝備研制或改進中裝備體系貢獻率評估提供有益借鑒。

1 貢獻率概念及意義

裝備貢獻率概念[1]定義為：在特定使命和體系下，裝備在加入體系或替換體系中原有裝備后，對體系完成使命任務的貢獻程度。

裝備體系貢獻率可表示為

U=(E1-E0)/E0

(1)

式中，E0為參考的基準體系能力度量值，E1為新裝備加入后被評體系能力度量值。

裝備體系貢獻率研究有以下重要意義：

1)為新裝備論證、研制及裝備升級改造提供依據(jù)。在裝備論證階段，對裝備進行貢獻率綜合評估，明確裝備在體系中定位及必要性；

2)為裝備體系規(guī)劃提供依據(jù)。以裝備體系化發(fā)展為指導，通過裝備體系貢獻率研究，明確體系中緊缺要素、裝備及裝備發(fā)展優(yōu)先級，支撐裝備體系論證和科學規(guī)劃；

3)為裝備體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化、演化提供支撐；

4)推動裝備體系、技術(shù)體系、研制能力體系協(xié)調(diào)發(fā)展。

2 裝備體系貢獻率評估方法

裝備體系貢獻率評估，即針對被評估裝備體系，明確使命任務、場景，構(gòu)建相應能力、裝備體系，進行裝備體系貢獻率定性評估或定量評估。

2.1 定性評估方法

定性評估方法可按體系使命-任務-能力-裝備體系的層次分解逐層從以下幾個方面論述：

1)裝備可支撐完成的新對抗樣式；

2)裝備具備的任務能力，以及填補的任務、能力、裝備體系要素空白等；

3)在體系中，本裝備對其他裝備、任務的支撐能力；

4)可以完成的非對稱優(yōu)勢等；

5)以新理論支撐的新樣式下裝備發(fā)展、新體系領(lǐng)域下裝備發(fā)展，以及新領(lǐng)域下對于國防基礎(chǔ)工業(yè)、技術(shù)領(lǐng)域的牽引能力等。

2.2 定量評估方法

目前，裝備體系貢獻率定量評估方法主要包括基礎(chǔ)技戰(zhàn)術(shù)指標比較法、綜合技戰(zhàn)術(shù)指標灰靶比較法、基于裝備體系層次的網(wǎng)絡層次分析法(ANP)、基于體系仿真及效能評估法等。

2.2.1 基礎(chǔ)技戰(zhàn)術(shù)指標比較法

基礎(chǔ)技戰(zhàn)術(shù)指標比較法是將新裝備與在役、在研的國內(nèi)外同類裝備進行關(guān)鍵技戰(zhàn)術(shù)指標逐項橫向比較、計算性能提升百分比，通過關(guān)鍵技戰(zhàn)術(shù)指標的比較評價新裝備與同類型裝備間的受關(guān)注指標性能，進行一定程度上的定量評估。

2.2.2 綜合技戰(zhàn)術(shù)指標灰靶比較法

綜合技戰(zhàn)術(shù)指標灰靶比較法基于灰靶理論[1]，將目標裝備與現(xiàn)有國內(nèi)外同類裝備樣本作為參考，通過技戰(zhàn)術(shù)指標體系生成該類裝備的標準模式裝備，計算裝備與標準模式各技戰(zhàn)術(shù)指標的靶心度，最后根據(jù)技戰(zhàn)術(shù)指標的權(quán)重獲取裝備與標準模式的靶心度，進行目標裝備與其他裝備之間綜合能力比較、近似等效評估裝備貢獻率。

基于灰靶理論的裝備貢獻率評估方法和步驟[2-4]如下：

(1)建立裝備技戰(zhàn)術(shù)指標體系，獲取權(quán)重

建立影響裝備能力的所有技戰(zhàn)術(shù)指標、權(quán)重。權(quán)重可采用專家綜合打分法或基于仿真的靈敏度分析和定量估算。

(2)獲取所有目標裝備及參考裝備的指標數(shù)據(jù)

假定裝備具有n個指標，采用m個同類型裝備進行灰靶比較(包含需要進行貢獻度評估的目標裝備)，其指標用wij表示

wij=(wij(1),wij(2),…wij(n))，
wij(k)∈wij?k∈K={1,2,…,n}，
i∈{1,2,…,m}
w(k)=(w1(k),w2(k),…wm(k))，
wij(k)∈w(k)?i∈I={1,2,…,m}

(2)

式中，w(k)稱為k指標模式列，簡稱k指標列。

(3)確定各性能指標的極性，取得標準模式

令POL(max)，POL(min)，POL(mem)分別表示極大、極小、適中極性值。

并稱序列w0=(w0(1),w0(2),…，w0(n))為標準模式。

(4)進行灰靶變換，計算指標模型序列中的指標k的灰關(guān)聯(lián)度

令Tr為灰靶變換，得到指標k的灰關(guān)聯(lián)度x(k)

x(k)=(x1(k),x2(k),…,xm(k)),
(xij(k)∈x(k)?xij(k)=Trwij(k)
x0=(x0(1),x0(2),…x0(n)),
x0(k)∈x0?x0(k)=Trw0(k)

(3)

x0稱為標準靶心。

式中，Tr定義如下[3]

(4)

一種常見的灰靶變換為

(5)

此時，x0=(1,1,…1)，x0(k)=1

(5)獲得灰關(guān)聯(lián)差異信息空間

灰關(guān)聯(lián)差異信息空間定義為

ΔGR={Δ,ζ,Δ0i(max),Δ0i(min)}

(6)

式中，Δ={Δ0i(k)|i∈I={1,2,…,m},

k∈K={1,2,…,n}}

Δ0i(k)=|x0(k)-xi(k)|=|1-xi(k)|

(7)

式中，Δ0i(k)為x0(k)與xij(k)之間的差異信息，ζ=0.5

(8)

(9)

(6)計算模式i對標準模式在指標k的靶心系數(shù)

(10)

(7)考慮技戰(zhàn)術(shù)指標的權(quán)重因素，加權(quán)計算模式i對標準模式靶心度[4-5]

各指標對裝備的重要性權(quán)重假定為f=(f1,f2,…，fn)T,則加權(quán)后模式i對標準模式的靶心度為

(11)

(8)各模式靶心度計算、貢獻度排序

計算各模式對標準模式的靶心度，并進行排序，靶心度越大表示越接近標準模式，綜合效能越強，等效近似認為裝備貢獻率越大。

2.2.3 基于裝備體系的網(wǎng)絡層次分析法(ANP)

裝備體系需求描述建立從使命到任務、任務到能力、能力到系統(tǒng)的映射關(guān)系，完整的裝備體系層次結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示[1-2]，包括自上而下的分解過程和自下而上的聚合過程。

圖1 裝備體系層次結(jié)構(gòu)關(guān)系Fig.1 Equipment SOS architecture

基于使命、任務、能力、裝備系統(tǒng)的裝備體系網(wǎng)絡層次分析法，通過裝備系統(tǒng)到能力、任務、使命的自底向上逐層聚合裝備能力、任務、使命的貢獻權(quán)重，最終將裝備對能力的權(quán)重轉(zhuǎn)移為對于使命的全局權(quán)重，從而獲得裝備對體系的貢獻率，可表示為[1]

U(Zm)=∑kU(Zm，Ck)·
(∑iU(Ck，Ti)·U(Ti))

(12)

式中，U(Ti)為任務Ti對體系完成使命的權(quán)重；U(Ck,Ti)為能力Ck對任務Ti的權(quán)重；U(Zm,Ck)為裝備Zm對能力Ck的權(quán)重；U(Zm,Sj)為裝備Zm對系統(tǒng)Sj的權(quán)重；U(Zm)為裝備Zm對體系的貢獻度。

基于使命、任務、能力、裝備系統(tǒng)的網(wǎng)絡層次分析法的關(guān)鍵是獲取各層次要素對上層次要素的綜合權(quán)重，按照式(12)最終計算出裝備體系貢獻率。

基于網(wǎng)絡層次法的裝備體系貢獻率評估流程如圖2所示。

圖2 基于ANP的裝備體系貢獻率評估流程Fig.2 ANP evaluation process of equipment contribution rate to SOS

2.2.4 基于體系仿真及效能評估法[6]

基于體系仿真及效能評估的貢獻率評估方法的基本思想是在整個裝備體系運行過程中，由于使用目標裝備而使體系效能得到提升，提升的部分即為該裝備的體系貢獻率。

假定不包含目標裝備的體系基線狀態(tài)下的體系效能為E0，加入目標裝備后體系效能評估值為E1，可通過以下兩種方法進行目標裝備貢獻率評估：

1)通過兩次效能評估差值ΔE=E1-E0或者 ΔE/E0，粗略等效目標裝備對體系效能貢獻率；

2)在體系效能評估過程中解析獲得效能評估指標體系中各級指標的統(tǒng)一化加權(quán)效能值，分析目標裝備與效能評估指標體系之間的關(guān)系，構(gòu)建目標裝備對指標效能的支持度矩陣，根據(jù)支持度矩陣以及各級指標效能，按效能評估指標體系逐層聚合，綜合計算裝備對體系效能的貢獻率。

2.3 改進的綜合評估方法

從復雜度、應用場景、缺點、難點等方面，對上述裝備體系貢獻率評估方法進行比較分析，如表1所示。

表1 裝備體系貢獻率評估方法比較

針對基于裝備體系的網(wǎng)絡層次分析法能力指標評估難題、基于體系仿真及效能評估法中評估指標及評估方法選取難題，可以采用兩者結(jié)合的方式進行綜合評估：

1)基于層次分析法中任務-能力分解矩陣，以能力指標作為體系仿真及效能評估指標，構(gòu)建指標體系，進行基于能力的效能評估；

2)基于體系仿真試驗的能力指標評估結(jié)果作為層次分析法中能力評估值完成裝備體系貢獻率評估。

改進的綜合評估方法綜合了兩方面的優(yōu)勢，解決了兩種方法的難題，能夠?qū)ρb備體系貢獻率進行精確的評估，評估流程如圖3所示。

圖3 改進的裝備體系貢獻率評估流程Fig.3 Improved evolution process of equipment contribution rate to SOS

3 裝備體系貢獻率評估實例

3.1 綜合技戰(zhàn)術(shù)指標灰靶比較法評估實例

假定某類型裝備，技戰(zhàn)術(shù)指標體系包括：最大航程、最小航程、抗毀能力、反應能力、持續(xù)能力(以下表中簡稱指標Z1～Z5)。其中最大航程、抗毀能力、持續(xù)能力為極大極性值，最小航程、反應能力為極小極性值。

選取同類型3型參考裝備樣本(ZB1～ZB3)與目標裝備(ZB0)進行灰靶比較，目標裝備及參考裝備技戰(zhàn)術(shù)指標(假定)如表2所示，并獲取標準模式裝備各項技戰(zhàn)術(shù)指標。

表2 目標、參考及標準模式裝備技戰(zhàn)術(shù)指標

采用式(5)進行灰靶變換,按式(7)計算各裝備各指標的灰關(guān)聯(lián)度差異信息。

由式(8)及(9)得到Δ0i(max)=0.925，Δ0i(min)=0。

根據(jù)式(10)，計算各裝備各指標對標準模式裝備對應指標的靶心系數(shù)，如表3所示。

表3 各裝備各指標對標準裝備對應指標靶心系數(shù)

為全面對各型裝備進行評估，需要將各裝備所有指標的靶心系數(shù)進行加權(quán)。對各指標權(quán)重進行歸一化處理。假定各指標權(quán)重分別為1,0.3,0.8,0.7,0.6,0.5,0.4，進行統(tǒng)一化處理，根據(jù)式(11)計算各裝備對標準模式裝備的所有指標加權(quán)靶心系數(shù)，結(jié)果如表4所示。

表4 各裝備對標準模式裝備加權(quán)靶心系數(shù)

由表4最終灰靶比較結(jié)果可以看出，各裝備相對于標準模式裝備的靶心系數(shù)排序分別為裝備3≈目標裝備>裝備1>裝備2，目標裝備由于各項均衡的綜合技戰(zhàn)術(shù)指標性能，實現(xiàn)了與裝備3近似優(yōu)異的綜合性能。通過上述排序，可近似評估目標裝備在目前同類裝備體系中具備較好的貢獻率。

3.2 基于網(wǎng)絡層次分析法(ANP)評估實例

假定：

1)遂行某任務T需要的能力C，并由子能力C1,C2,C3,C4,C5組成，權(quán)值分別為0.2,0.1,0.3,0.3,0.1；

2)新增裝備系統(tǒng)能夠支撐C2,C3,C5子能力；

3)C2子能力由C21,C22能力指標評估，權(quán)重分別為0.5,0.5；

4)C3子能力由C31,C32,C33能力指標評估，權(quán)重分別為0.3,0.3,0.4；

5)C5子能力由C51,C52,C53能力指標評估，權(quán)重分別為0.3,0.4,0.3。

對新增某裝備系統(tǒng)后的被評體系、與現(xiàn)有裝備系統(tǒng)構(gòu)建的基準體系進行貢獻率評估分析。

結(jié)合專家模糊綜合評估評判，按照采用評價集V={優(yōu)-1、良-0.75、中-0.5、次-0.25、差-0}5個等級對評估指標進行判定，如表5所示。

表5 指標量化評估

按照體系能力聚合評估方法，進行能力項聚合計算可得任務T-能力C映射矩陣，表6中給出了能力C各子能力的變化情況，下劃線部分代表該裝備系統(tǒng)對體系能力的提升點。

表6 任務T-能力C映射矩陣

以任務T為背景，基準體系的能力C各子能力C1,C2,C3,C4,C5分別為0.5,0.5,0.4,0.7,0.575，能力C綜合量化值為0.5375；被評體系的能力C各子能力C1,C2,C3,C4,C5分別為0.5,0.875,0.925,0.7,0.925，能力C綜合量化值為0.7675。

根據(jù)體系貢獻率定義，該新增裝備系統(tǒng)對任務T的能力C的貢獻率為

Vd=(C被評體系-C基準體系)/C基準體系=42.8%

(13)

針對目標體系，對使命下多種任務進行基于能力的貢獻率分析，綜合評估該裝備對于體系貢獻率。

4 結(jié)論

本文分析了裝備貢獻率評估的幾種方法，通過定性描述及技戰(zhàn)術(shù)指標比較、綜合技戰(zhàn)術(shù)指標灰靶比較法結(jié)合進行簡單評估，基于裝備體系的網(wǎng)絡層次分析法、基于體系仿真及效能評估法具備較好的體系及裝備貢獻率評估能力，但分別存在能力指標評估、評估指標構(gòu)建及效能評估方法上的難題。本文結(jié)合基于裝備體系的網(wǎng)絡層次分析法、基于體系仿真及效能評估法兩種方法特點及優(yōu)勢，提出了將兩種方法結(jié)合的改進綜合評估方法及流程，以層次分析法的任務-能力分解矩陣支撐體系仿真構(gòu)建指標體系及仿真系統(tǒng)，開展效能評估，以體系仿真支撐網(wǎng)絡層次分析法進行能力指標評估，實現(xiàn)裝備體系貢獻率的準確評估，為裝備體系論證、規(guī)劃、評估提供有效支撐，并適應體系擴展及演進。