基于改進(jìn)ADC 模型裝備保障效能評(píng)估

何能波，吳紅樸，朱佳辰，侯 煒，陳玉龍

（航天工程大學(xué)，北京 102206）

0 引言

裝備保障對(duì)于保持和恢復(fù)裝備性能，保證裝備戰(zhàn)斗力的持續(xù)輸出起著至關(guān)重要的作用，裝備保障效能的高低影響著戰(zhàn)局的最終走向，而裝備保障效能評(píng)估是對(duì)保障作用發(fā)揮的度量，能夠檢驗(yàn)裝備保障現(xiàn)狀和發(fā)現(xiàn)不足，通過科學(xué)有效的方法進(jìn)行效能評(píng)估達(dá)到促進(jìn)裝備保障能力提升的目的，具有非常重要的意義。

1 效能評(píng)估方法與模型確定

1.1 效能評(píng)估方法

文獻(xiàn)［1］綜述了關(guān)于裝備保障能力評(píng)估方法的優(yōu)缺點(diǎn)，如有模糊層次分析法、云理論法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能評(píng)估法等方法，文獻(xiàn)［2］運(yùn)用模糊層次分析法對(duì)導(dǎo)彈裝備保障能力進(jìn)行了評(píng)估，文獻(xiàn)［3］闡述了ADC 方法的優(yōu)點(diǎn)，即基于ADC方法的效能評(píng)估值與裝備系統(tǒng)的實(shí)戰(zhàn)效果和作戰(zhàn)過程之間具有良好的物理擬合性，且模型的簡便靈活的優(yōu)點(diǎn)并被運(yùn)用到機(jī)載反輻射導(dǎo)彈效能評(píng)估中，文獻(xiàn)［4］根據(jù)合成旅裝備保障的特點(diǎn)，結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)和ADC 方法的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了效能評(píng)估模型，并用實(shí)例進(jìn)行檢驗(yàn)，說明模型是有效的。結(jié)合文獻(xiàn)對(duì)裝備保障效能評(píng)估方法的研究，各評(píng)估方法存在以下優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）模糊層次分析法的效能評(píng)估，模型簡單，采用定性定量的方法對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)問題分析效果較好，但評(píng)估人員的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)對(duì)指標(biāo)權(quán)重的確定由較大影響。

（2）云理論法充分考慮裝備保障系統(tǒng)的隨機(jī)性和模糊性的問題，為表達(dá)不確定提供了更系統(tǒng)更高層的工具，可通過云圖直觀的展現(xiàn)出評(píng)估結(jié)果，但存在數(shù)據(jù)收集和處理時(shí)比較繁瑣，形成的云圖不理想的情況。

（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法避免了復(fù)雜模型的計(jì)算，解決建模難的問題，便于實(shí)現(xiàn)，具有比較好的學(xué)習(xí)能力和容錯(cuò)能力，但其需要大量的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，同時(shí)很難將其運(yùn)算得出的結(jié)果解釋清楚，且運(yùn)算的時(shí)間較長。

（4）ADC 模型方法成熟，使用簡便，能夠反映裝備保障系統(tǒng)的物理本質(zhì)，單個(gè)或復(fù)雜系統(tǒng)的效能評(píng)估效果較好，但模型的每項(xiàng)需要明確的解析表達(dá)式，有些系統(tǒng)難于給出解析表達(dá)式。

1.2 評(píng)估方法確定

裝備保障系統(tǒng)效能評(píng)估應(yīng)包含動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩個(gè)方面。ADC效能評(píng)估模型的指標(biāo)體系是以可靠性、維修性、固有能力為基礎(chǔ)，從系統(tǒng)的可用度、可信度、固有能力3 個(gè)方面建立，可用性是指某項(xiàng)任務(wù)需要系統(tǒng)完成時(shí)，處于能運(yùn)用的概率，可信性是指系統(tǒng)完成某項(xiàng)任務(wù)的整個(gè)過程中從某種狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一種狀態(tài)的概率，固有能力是指系統(tǒng)所處狀態(tài)下完成任務(wù)的能力。裝備保障效能評(píng)估是以部隊(duì)所擔(dān)負(fù)的使命任務(wù)為背景，基于對(duì)抗條件下遂行演訓(xùn)任務(wù)或考核，裝備保障系統(tǒng)有效執(zhí)行任務(wù)的度量，從裝備保障力量執(zhí)行保障任務(wù)開始至結(jié)束這一過程中保障系統(tǒng)的狀態(tài)變化與ADC 模型所評(píng)估的系統(tǒng)具有較高的切合度，因而選用ADC 模型進(jìn)行裝備保障效能評(píng)估。

2 ADC 效能評(píng)估模型的優(yōu)化

雖然裝備保障系統(tǒng)效能評(píng)估采用ADC 模型，考慮了系統(tǒng)的可用性、可靠性和固有能力，與整個(gè)部隊(duì)裝備保障系統(tǒng)具有較好的契合度，但還存在以下兩個(gè)不足之處。

（1）缺少實(shí)戰(zhàn)化條件下戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境因素，不能體現(xiàn)部隊(duì)中心工作即聚焦戰(zhàn)斗力這個(gè)唯一的根本標(biāo)準(zhǔn)，使效能評(píng)估因缺少了復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境因素而不能客觀全面地評(píng)估高原高寒地區(qū)裝備保障實(shí)際情況，高原高寒地區(qū)裝備保障效能評(píng)估既要突出高原環(huán)境的特點(diǎn)，也要突出戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)抗性的特征。

（2）ADC 模型是基于數(shù)值計(jì)算的模型，對(duì)于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度要求較高，而對(duì)于效能評(píng)估的一些定性指標(biāo)在量化上存在模糊性和隨機(jī)性的問題。

針對(duì)問題主要的兩個(gè)方面，對(duì)ADC 模型進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 增加環(huán)境適應(yīng)能力G

在ADC 模型的基礎(chǔ)上增加環(huán)境適應(yīng)能G，改進(jìn)后的ADC模型為：

其中，A、D、C 分別表示裝備保障系統(tǒng)的可用度、可信度和固有能力，G 表示其環(huán)境適應(yīng)能力。

2.2 增加云模型

在定性與定量的基礎(chǔ)上，云模型將自然語言中定性描述的隨機(jī)性和模糊性有機(jī)地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了定性描述與定量數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換，克服ADC 模型定性指標(biāo)的量化問題。

2.2.1 確定對(duì)應(yīng)的云模型

云模型的形狀體現(xiàn)了定性指標(biāo)的重要特性。云是由若干個(gè)云滴組成，每一個(gè)云滴是定性指標(biāo)的每一次量化，云模型是定性指標(biāo)量化的概率分布函數(shù)，云滴數(shù)量越多越能反映定性指標(biāo)的特征，云模型3 個(gè)數(shù)值特征分別是期望值Ex、熵En、超熵He，其中Ex表示定性指標(biāo)量化后最理想值，En表示定性指標(biāo)不確定的程度、是云滴可被接受的程度，He 表示云滴的離散程度。

對(duì)于確定的Ex、En、He 由云發(fā)生器就能產(chǎn)生云，其過程步驟分為：

步驟1：生成期望為Ex，標(biāo)準(zhǔn)差為En的正態(tài)隨機(jī)數(shù)xi～N（Ex，En）。

步驟2：生成期望為En，標(biāo)準(zhǔn)差為He 的正態(tài)隨機(jī)數(shù)En′i～N（En，He）。

步驟3：計(jì)算x 的隸屬度u（x），即：

循環(huán)步驟1 至步驟3，即可得Ex、En、He 對(duì)應(yīng)的云。

當(dāng)需要對(duì)定量數(shù)值轉(zhuǎn)換為定性指標(biāo)描述時(shí)，可以通過云滴樣本利用逆向云發(fā)生器，得到相應(yīng)的數(shù)值特征值Ex、En、He：

其中，xi為云滴樣本中第i 云滴值。

2.2.2 建立評(píng)價(jià)集及標(biāo)準(zhǔn)云模型

（1）通過咨詢裝備保障領(lǐng)域?qū)＜液脱b備保障骨干，將評(píng)價(jià)分為優(yōu)秀、良好、一般、合格、不合格、差（表1），建立評(píng)價(jià)集V={v1，v2，v3，v4，v5，v6}。

表1 評(píng)價(jià)等級(jí)與數(shù)值區(qū)間

（2）生成對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)云，將數(shù)據(jù)代入式（3）～（5）求得對(duì)應(yīng)的Ex、En、He值，在通過云發(fā)生器生成標(biāo)準(zhǔn)云模型。

當(dāng)binf=0 時(shí)，Ex、En、He求解公式：當(dāng)bsuf=1 時(shí)，Ex、En、He 求解公式：

當(dāng)binf≠0 且bsuf≠1 時(shí)，Ex、En、He 求解公式：

（3）綜合云計(jì)算，通過下層指標(biāo)云模型數(shù)字特征值與指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算出上層指標(biāo)的云模型數(shù)字特征值，即

或當(dāng)存在兩朵云相乘時(shí)有：

3 構(gòu)建效能指標(biāo)體系

裝備保障系統(tǒng)可用度與保障裝備平均故障間隔時(shí)間和平均故障維修時(shí)間相關(guān)。裝備保障系統(tǒng)可信度可由主戰(zhàn)裝備可靠性表示。裝備保障系統(tǒng)固有能力可由保障指揮能力、信息保障能力、維修保障能力、供應(yīng)保障能力、動(dòng)員保障能衛(wèi)、管理訓(xùn)練能力6 個(gè)指標(biāo)表示，環(huán)境適應(yīng)能力可用自然環(huán)境適應(yīng)能力和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)能力來表示（圖1）。

圖1 裝備保障效能指標(biāo)體系

4 裝備保障效能評(píng)估

4.1 可用度

裝備保障系統(tǒng)的可用度A 和可信度D 可以用系統(tǒng)內(nèi)各類型裝備的平均可用度和平均可信度來近似表示。由于編配的裝備種類多樣，因而編配的保障裝備種類也多，對(duì)于某一類型的保障裝備的可用度可由該類型裝備的故障間隔時(shí)間MTBF 和故障維修時(shí)間MTTR，可用度可表示為：

如果某單位的裝備保障系統(tǒng)裝備類型數(shù)量為n，則該裝備保障系統(tǒng)平均可用度為：

裝備保障系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)開始時(shí)可能處于正常工作和故障兩種狀態(tài)，分別用a1和a2表示所處兩種狀態(tài)的概率。其中a1和a2可表示為：

通過調(diào)研，可知某單位保障裝備主要有4 種類型，通過查找相關(guān)技術(shù)資料和結(jié)合保障裝備日常故障維修統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得到各類型保障裝備的故障間隔時(shí)間和故障維修時(shí)間（表2）。

表2 保障裝備可用性相關(guān)參數(shù)

所以裝備保障系統(tǒng)的平均可用度Ak以及可用度A 為：

4.2 可信度

保障裝備從任務(wù)開始到任務(wù)結(jié)束有4 種狀態(tài)，即：任務(wù)開始到結(jié)束裝備均是正常工作狀態(tài)；任務(wù)開始時(shí)裝備在正常工作狀態(tài)，任務(wù)結(jié)束時(shí)處于故障不能工作狀態(tài)；任務(wù)開始時(shí)裝備處于故障不能工作狀態(tài)，任務(wù)結(jié)束時(shí)仍處于正常工作狀態(tài)；從任務(wù)開始時(shí)到任務(wù)結(jié)束裝備均處于故障不能工作狀態(tài)。

這4 種狀態(tài)分別用平均概率表示，分別用d11、d12、d21和d22，D 可表示為：

4.3 固有能力

裝備保障能力實(shí)施的裝備保障活動(dòng)即保障任務(wù)，裝備保障力量只有完成任務(wù)和未完成任務(wù)兩種狀況，可以用c1、c2表示，所以固有能力C 可表示為式（19）。由于任務(wù)未完成，說明裝備保障能力沒有發(fā)揮、c2=0，因此只需要分析計(jì)算c1就能得到裝備保障系統(tǒng)的固有能力C。

（1）建立固有能力評(píng)價(jià)集及標(biāo)準(zhǔn)云模型。通過咨詢裝備保障領(lǐng)域?qū)＜液脱b備保障骨干，將評(píng)價(jià)等級(jí)分為優(yōu)秀、良好、一般、合格、不合格和差等6 個(gè)等級(jí)，建立評(píng)價(jià)集V={v1，v2，v3，v4，v5，v6}，其對(duì)應(yīng)分值見表3。

表3 評(píng)價(jià)等級(jí)與數(shù)值區(qū)間

（2）根據(jù)表3，通過式（6）～式（8）計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)云數(shù)字特征（表4）。

表4 評(píng)估等級(jí)對(duì)應(yīng)隸屬云數(shù)字特征

（3）利用正向云發(fā)生器得到對(duì)應(yīng)的云圖（圖2）。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)云圖

（4）邀請(qǐng)裝備保障領(lǐng)域的專家對(duì)固有能力指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行比較，求出各指標(biāo)的權(quán)重，同時(shí)對(duì)各指標(biāo)具備的能力在區(qū)間［0，1］內(nèi)進(jìn)行打分，判斷矩陣和打分結(jié)果見圖3、表5。

圖3 一級(jí)指標(biāo)打分判斷矩陣

（5）通過表5 計(jì)算出固有能力指標(biāo)權(quán)重wA。

表5 評(píng)估指標(biāo)打分結(jié)果

（6）根據(jù)表6，通過式（3）和式（4）計(jì)算出各指標(biāo)的云數(shù)字特征（表6）。

表6 云數(shù)字特征

4.4 環(huán)境適應(yīng)能力

由式（9）可得到固有能力指標(biāo)的綜合云，其對(duì)應(yīng)的Ecx、Ecn、Hec分別為：

同理，可得到環(huán)境適應(yīng)能力綜合云數(shù)字特征（Egx、Egn、He）g及云圖。

4.5 計(jì)算保障效能

由式（1）可知，裝備保障系統(tǒng)的效能E 為：

則裝備保障系統(tǒng)的效能對(duì)應(yīng)的云數(shù)字特征為：

其對(duì)應(yīng)的云圖如圖4 所示。

圖4 裝備保障效能云圖

由此可知，裝備保障系統(tǒng)的效能為合格，具有較大的提升空間。

5 結(jié)束語

以ADC 模型為基礎(chǔ)增加環(huán)境適應(yīng)能力改進(jìn)評(píng)估模型，并運(yùn)用云理論克服定性指標(biāo)的量化問題，得到了裝備保障效能評(píng)估模型，評(píng)估結(jié)果以圖形的方式直觀地展現(xiàn)出來，得到的結(jié)果與實(shí)際較為貼近，說明模型科學(xué)有效。