武器裝備智能保障系統(tǒng)建模與效能分析

王輝雄，洪東跑，劉宸寧，樸美蘭

(中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引 言

隨著戰(zhàn)爭由信息化時代向智能化時代邁進，戰(zhàn)爭形態(tài)的演化加速了裝備保障的一體化融合，進而促使裝備保障的內(nèi)容、模式乃至機理發(fā)生了革命性的變化。裝備保障以作戰(zhàn)任務(wù)和行動為核心，為裝備作戰(zhàn)目的的達成發(fā)揮輔助和支撐作用，因此武器裝備保障和作戰(zhàn)行動在使用對象和組織實施等方面既相對獨立，又相互交叉[1]。在信息化戰(zhàn)爭形態(tài)下，圍繞觀察、判斷、決策和行動的作戰(zhàn)環(huán)(簡稱OODA環(huán))中各個環(huán)節(jié)的作戰(zhàn)需求，作戰(zhàn)樣式實現(xiàn)了向非線式多維立體作戰(zhàn)的飛躍，戰(zhàn)場空間的拓展對武器裝備作戰(zhàn)應(yīng)用與保障能力提出了更高要求，如何通過智能、高效的裝備保障，實現(xiàn)裝備效能的最大發(fā)揮，確保裝備的升級和演進轉(zhuǎn)化為戰(zhàn)場對抗優(yōu)勢，成為了新時期裝備建設(shè)的重大發(fā)展問題。

本文面向武器裝備智能化保障的工程需求，分析總結(jié)了國內(nèi)外武器裝備效能評估技術(shù)的研究現(xiàn)狀和存在問題，對作戰(zhàn)OODA閉環(huán)要求下的武器裝備智能保障模式進行了特征分析，構(gòu)建了面向OODA閉環(huán)的武器裝備智能保障系統(tǒng)，基于DoDAF建立了武器裝備智能保障系統(tǒng)高層概念、能力和活動模型，并基于網(wǎng)絡(luò)分析法(Analytic network process，ANP)對傳統(tǒng)裝備保障系統(tǒng)和裝備智能保障系統(tǒng)的效能進行了對比評估。

1 國內(nèi)外裝備智能保障技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 裝備智能保障

裝備保障是指為使裝備處于戰(zhàn)備完好狀態(tài)并持續(xù)完成作戰(zhàn)任務(wù)所需的保障工作，主要包括部署、貯存、使用、訓(xùn)練、維修保障和作戰(zhàn)支持等。在體系作戰(zhàn)背景下，各作戰(zhàn)力量、作戰(zhàn)單元、作戰(zhàn)要素通過信息系統(tǒng)將包括保障在內(nèi)的諸多作戰(zhàn)要素融合為一體[2]，而智能保障，就是在此背景下，廣泛運用現(xiàn)代信息技術(shù)，全面融合通信保障、作戰(zhàn)規(guī)劃、行動支持、人員訓(xùn)練、測試維修等保障要素，和智能裝備綜合為一體化、高效率的裝備作戰(zhàn)與保障系統(tǒng)，打通指揮控制鏈路，融合行動鏈路，閉環(huán)殺傷鏈路，使武器裝備整體作戰(zhàn)效能得以充分發(fā)揮。

以美國為首的世界各軍事強國在長期的裝備發(fā)展與實戰(zhàn)應(yīng)用過程中，根據(jù)其作戰(zhàn)使命任務(wù)和具體作戰(zhàn)能力需求，實施了智能保障技術(shù)的研發(fā)和實踐。自2014年提出“第三次抵消戰(zhàn)略”以來，美國啟動了大量有關(guān)智能保障技術(shù)的軍事研究項目[3]，以提高作戰(zhàn)部隊在整個OODA作戰(zhàn)行動循環(huán)反復(fù)過程中的保障效率；2016年，美軍提出“作戰(zhàn)云”構(gòu)想，構(gòu)建了情報、監(jiān)視、打擊、機動和保障一體化的作戰(zhàn)體系架構(gòu)，基于多維作戰(zhàn)空間開發(fā)用于數(shù)據(jù)分發(fā)和信息共享的作戰(zhàn)保障網(wǎng)絡(luò)[4]；2019年，美軍又提出“聯(lián)合全域作戰(zhàn)”概念，實施新形勢下的聯(lián)合保障和協(xié)同保障，推進新技術(shù)概念在裝備保障中落地，支撐陸、海、空、天、電和網(wǎng)等其他作戰(zhàn)領(lǐng)域的作戰(zhàn)保障要素深度融合。

1.2 裝備保障效能評估

裝備效能評估是伴隨軍事運籌學(xué)的發(fā)展而產(chǎn)生與生長的，并由于系統(tǒng)工程的形成而逐步完善[5]。通常，開展裝備系統(tǒng)評估的目的包括：分析武器裝備的發(fā)展規(guī)劃與計劃；明確武器系統(tǒng)的性能要求；評價武器系統(tǒng)的建設(shè)方案；為武器裝備系統(tǒng)運用提供措施建議。裝備效能評估早在20世紀50年代末就已受到各軍事強國的重視，美國將效能評估提高至“新武器裝備研究沒有效能指標，不予立項”的地位，并在武器論證和研制中陸續(xù)開展了系統(tǒng)效能的研究工作。目前，國內(nèi)不少單位根據(jù)自己的實際情況，引進、探討并應(yīng)用了一些效能評估方法，如Delphi方法、層次分析法(Analytic hierarchy proc-ess，AHP)、綜合指數(shù)法、模型模擬法、綜合模糊評判、灰色模糊評判法、ADC評估法、多目標評價法，還有簡單評價法、評分法、技術(shù)經(jīng)濟評價法、密切值法、集對分析、人工智能、專家系統(tǒng)、協(xié)同評價等方法[6]。

隨著武器裝備運行過程日益復(fù)雜，各裝備保障運行流程高度交織，使得裝備的保障資源、條件和費用急劇增加。在目前的裝備研制過程中，裝備作戰(zhàn)保障方面的差距已遠遠超過了裝備本身的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能差距，主要表現(xiàn)在裝備可靠性差、戰(zhàn)備完好率低、備件需求量大、備件種類過多、壽命周期費用顯著增加等方面[7]。裝備保障效能評估是裝備保障管理過程的關(guān)鍵支持技術(shù)，是裝備保障管理的重要依據(jù)，在裝備保障的不同階段，對相應(yīng)的決策環(huán)節(jié)進行論證分析，為實現(xiàn)宏觀層次的科學(xué)管理提供咨詢建議。利用保障效能分析方法、技術(shù)和環(huán)境，可以建立各種重大裝備保障效能分析與預(yù)測模型，支撐裝備系統(tǒng)研制過程各個階段,對裝備保障的流程、模式、相關(guān)系統(tǒng)論證和設(shè)計提供重要參考，對裝備保障項目立項論證、研制進度、技術(shù)風(fēng)險等進行綜合分析與比較，優(yōu)選裝備保障發(fā)展方案，為裝備保障發(fā)展決策提供可靠的技術(shù)支撐，提高管理決策科學(xué)化水平。

1.3 信息化作戰(zhàn)條件下裝備保障的現(xiàn)存問題

立足于當前武器裝備智能化、體系化發(fā)展的實際，聚焦于裝備實戰(zhàn)應(yīng)用中急需解決的問題，裝備保障存在的問題如圖1所示，主要包括以下方面：

圖1 裝備保障的現(xiàn)存問題Fig.1 Existing problems of equipment support

(1)裝備實戰(zhàn)化保障設(shè)計技術(shù)不完善

武器裝備建設(shè)不僅要考慮主戰(zhàn)裝備的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能指標，而且要考慮實戰(zhàn)條件下的作戰(zhàn)適用性。目前裝備保障在裝備研制生產(chǎn)中正逐步得到重視，但仍普遍存在落后于裝備研制、落后于裝備應(yīng)用的現(xiàn)象[8]。發(fā)展基于保障流程仿真、作戰(zhàn)推演的武器裝備保障流程設(shè)計與驗證方法，從作戰(zhàn)保障需求響應(yīng)、決策調(diào)度、執(zhí)行等環(huán)節(jié)緊跟裝備作戰(zhàn)應(yīng)用模式演進，通過裝備作戰(zhàn)模式與保障需求分解、裝備保障模式與保障資源論證、裝備保障系統(tǒng)與裝備同步設(shè)計，提升保障系統(tǒng)和裝備的實戰(zhàn)化保障能力，從而實現(xiàn)保障能力與裝備戰(zhàn)技術(shù)指標同步發(fā)展。

(2)裝備保障狀態(tài)認知判斷不準確

隨著作戰(zhàn)保障流程涉及要素日益增多，戰(zhàn)場復(fù)雜程度的不斷提高，裝備測試診斷、戰(zhàn)場狀態(tài)感知、作戰(zhàn)態(tài)勢認知等活動也日益復(fù)雜化[9]。一方面，裝備本身組成的復(fù)雜性加大了裝備狀態(tài)認知的復(fù)雜化，提高了對裝備進行健康管理、故障診斷和評估的復(fù)雜程度；另一方面，更復(fù)雜的裝備作戰(zhàn)使用流程使各裝備、各作戰(zhàn)使用環(huán)節(jié)的精確保障更加容易影響整體作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。當前，裝備智能狀態(tài)感知、認知、判斷和決策技術(shù)，末端數(shù)據(jù)的采集匯集，狀態(tài)數(shù)據(jù)的智能分析應(yīng)用并未覆蓋各裝備保障環(huán)節(jié)，需要通過智能測試技術(shù)、健康管理技術(shù)實現(xiàn)裝備作戰(zhàn)與保障的融合認知、準確判斷和實時決策。

(3)裝備保障缺乏智能化決策手段

體系化作戰(zhàn)情形下的作戰(zhàn)協(xié)同決策是軍事技術(shù)發(fā)展的一大重點，是影響未來作戰(zhàn)指揮控制模式、作戰(zhàn)行動組織的重要因素[10]。而目前裝備保障方面還缺乏智能化手段，對大規(guī)模聯(lián)合作戰(zhàn)行動下的保障資源拆借、保障組織重構(gòu)和信息融合等問題尚未形成智能決策和執(zhí)行的智能解決方案，導(dǎo)致裝備的保障決策和調(diào)度在作戰(zhàn)體系整合、保障資源綜合方面還未形成有效的支撐。因此，必須提高各裝備保障手段的智能決策能力，從而跳出保障尾隨戰(zhàn)爭的傳統(tǒng)模式，實現(xiàn)裝備保障戰(zhàn)爭的“預(yù)實踐”目標。

(4)裝備保障行動評估的實時性不足

裝備作戰(zhàn)手段的不斷進步使戰(zhàn)場環(huán)境日益復(fù)雜，敵方威脅的方式和機制呈現(xiàn)敏捷性、爆發(fā)性和不可預(yù)見性，使裝備保障“實時評估、實時決策、實時反應(yīng)”的需求日益突出。作為戰(zhàn)場態(tài)勢感知、作戰(zhàn)行動決策等關(guān)鍵作戰(zhàn)環(huán)節(jié)的支撐輸入，作戰(zhàn)保障行動評估在目前也由于裝備保障需求解算方法落后、裝備狀態(tài)綜合判別方法缺失等問題而受到制約，無法對裝備保障的行動過程和執(zhí)行效果進行全面、實時的掌握[11]，從而使保障過程的實時規(guī)劃和特情處置等智能保障調(diào)控功能無法順利實現(xiàn)，限制了武器裝備智能保障的全過程管控和執(zhí)行能力。

2 武器裝備智能保障系統(tǒng)建模與評估方法

2.1 基于DoDAF的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模

針對武器裝備認知判斷、智能決策、實時評估等需求，結(jié)合武器裝備作戰(zhàn)使用流程及模式，基于美國國防部體系框架(Department of Defense architec-ture framework，DoDAF)[12]建立武器裝備作戰(zhàn)與保障高層概念，并圍繞各作戰(zhàn)環(huán)節(jié)提供智能保障能力，分解保障功能和活動流程，構(gòu)建武器裝備智能保障系統(tǒng)模型。針對智能保障系統(tǒng)的建模需求，基于DoDAF的智能保障系統(tǒng)模型各視圖關(guān)系如圖2所示。

圖2 智能保障系統(tǒng)DoDAF模型各視圖關(guān)系Fig.2 Relationship between viewpoints of DoDAF model for intelligent support system

其中，高層概念視圖OV-1通常用于描述系統(tǒng)的場景、任務(wù)，描述系統(tǒng)的主要作戰(zhàn)概念和特征，包含主要的系統(tǒng)成員、任務(wù)活動關(guān)系和作戰(zhàn)環(huán)境的概述，描述系統(tǒng)架構(gòu)及環(huán)境和外部系統(tǒng)間的關(guān)系，其統(tǒng)領(lǐng)了各個系統(tǒng)模型所需遵循的基本規(guī)則、要素范圍和任務(wù)活動；任務(wù)活動視圖OV-5b描述完成特定作戰(zhàn)任務(wù)或業(yè)務(wù)目標所需執(zhí)行的作戰(zhàn)活動流程，包括作戰(zhàn)活動流程的具體步驟、輸入/輸出流及與其他作戰(zhàn)活動流程的交互活動；能力分類視圖CV-2描述系統(tǒng)能力層次分類，概括了系統(tǒng)在一定作戰(zhàn)使命下完成任務(wù)所需的能力及能力要素，可由作戰(zhàn)任務(wù)活動視圖分析得到，并與高層概念視圖中描述的系統(tǒng)使命目標一致，能夠支撐系統(tǒng)能力需求識別、能力規(guī)劃、差距分析和能力評估等。

2.2 基于ANP的系統(tǒng)效能評估

從體系高層概念出發(fā)，可分解得到完成裝備智能保障體系使命任務(wù)所需的具體任務(wù)活動過程。在DoDAF體系結(jié)構(gòu)建模中，作戰(zhàn)活動的各個環(huán)節(jié)可生成底層效能指標，可作為裝備智能保障體系的底層效能度量，這種對應(yīng)關(guān)系構(gòu)成了效能分析中的活動-效能指標映射，其模型如圖3所示。通過這種分析方法得到的效能指標集合保證了使命任務(wù)需求的豐富性與完整性，使得最終獲取的效能指標具有更高的準確度和可識別度?；顒?效能指標映射規(guī)則的具體步驟包括：將作戰(zhàn)使命分解為若干作戰(zhàn)任務(wù)；將作戰(zhàn)任務(wù)描述為流程，進而分解為若干任務(wù)活動；

圖3 裝備智能保障系統(tǒng)使命-任務(wù)-效能指標映射模型Fig.3 Mapping model of mission-task-efficiency measurement for intelligent equipment support system

由各任務(wù)活動導(dǎo)出相應(yīng)的單項效能指標；對效能指標進行歸類、分層，形成相應(yīng)的能力分類結(jié)構(gòu)，并實例化為相應(yīng)的各級保障效能指標。

裝備智能保障系統(tǒng)成員間的強耦合、強交互關(guān)系使其效能評估的過程具有特殊性，其能力和子能力間并無嚴格的從屬關(guān)系，而在各個能力分類下的子能力之間存在復(fù)雜的相互影響。因此，本文利用網(wǎng)絡(luò)分析法(Analytic network process，ANP)對裝備智能保障系統(tǒng)的效能進行評估。ANP是由AHP延伸發(fā)展得到的復(fù)雜系統(tǒng)評估決策方法。與AHP不同，ANP支持構(gòu)建網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的評估模型，不受AHP中指標單向性、獨立性等準則的限制，適用于指標之間存在相互影響及反饋關(guān)系的復(fù)雜系統(tǒng)，已在復(fù)雜系統(tǒng)多屬性決策問題中得到廣泛應(yīng)用[13]。該方法的步驟包括：

(1)建立指標集對指標的判斷矩陣J

通過專家打分法，建立關(guān)于各個指標的指標集判斷矩陣。逐個選取底層指標和指標集，按照指標集中各指標對該指標的重要程度，采用九度標注法，依據(jù)指標的影響程度進行優(yōu)勢度評分，構(gòu)造以系統(tǒng)效能為準則(P準則)的判斷矩陣，以指標集D1中的指標S1為目標，指標集D2中各指標的判斷矩陣J12可寫作：

(1)

對任意判斷矩陣Jpq，其特征向量：

(2)

(2)構(gòu)造指標集判斷矩陣W

分別對指標集D1的各指標按其對指標集D2中的各個指標的影響力大小進行間接優(yōu)勢度比較，構(gòu)造判斷矩陣并進行一致性檢驗后獲得特征向量，并利用求得的各特征向量中的元素構(gòu)造矩陣W12，其列向量代表了兩個指標集中各指標對應(yīng)的相互影響：

(3)

(3)效能指標權(quán)重求解

遍歷所有指標集，利用所有矩陣Wij的元素可構(gòu)造P準則下的超矩陣W：

(4)

此時，超矩陣W的子塊Wij是歸一化的，但W卻不是歸一化的，需要在P準則下對各指標集的重要性進行比較，構(gòu)造加權(quán)矩陣A：

(5)

利用A對W加權(quán)，得到W′：

(6)

矩陣W′中的元素w′ij實際體現(xiàn)了指標Di對指標Dj的一步優(yōu)勢度，當

(7)

存在時，W的第j列就是裝備智能保障系統(tǒng)效能P準則下各指標對指標Dj的排序權(quán)重向量，W∞即為超極限矩陣，且W∞中各列向量記為各效能指標的權(quán)重，可得到系統(tǒng)效能的評估值。

3 案例分析

3.1 面向智能保障的裝備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模

按照2.1節(jié)中的DoDAF系統(tǒng)建模方法，對系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)和能力活動依賴關(guān)系等視圖進行裁剪，選取高層概念視圖OV-1、能力分類視圖CV-2以及活動視圖OV-5b構(gòu)建面向智能保障的裝備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。裝備系統(tǒng)由任務(wù)指揮機構(gòu)、情報信息系統(tǒng)、任務(wù)執(zhí)行單元和裝備智能保障系統(tǒng)組成，其高層概念如圖4所示。各系統(tǒng)間通過作戰(zhàn)指令、保障行動、作戰(zhàn)行動進行相互交互，完成作戰(zhàn)指揮控制、裝備保障、人員保障及作戰(zhàn)打擊任務(wù)。其中，智能保障系統(tǒng)以數(shù)據(jù)工程為中樞，完成聯(lián)結(jié)裝備訓(xùn)練、保障任務(wù)規(guī)劃、裝備健康管理等裝備作戰(zhàn)及保障業(yè)務(wù)，各功能單元之間通過信息交互組成保障功能，支撐任務(wù)指揮機構(gòu)和任務(wù)執(zhí)行單元完成作戰(zhàn)任務(wù)。

圖4 裝備智能保障系統(tǒng)高層概念視圖Fig.4 High-level operational concept viewpoint of intelligent equipment support system

3.2 智能保障系統(tǒng)任務(wù)建模

(1)作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)建模

作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)以新裝備交付、新學(xué)員報到、新訓(xùn)練計劃下達為起點，開展訓(xùn)練任務(wù)籌劃工作，如圖5所示。按照訓(xùn)練類別，建立實裝-虛擬-構(gòu)造(Live, virtual & constructive, LVC)聯(lián)合仿真訓(xùn)練環(huán)境或原理示教環(huán)境，為LVC聯(lián)合仿真訓(xùn)練提供作戰(zhàn)裝備、智能兵棋推演、指揮裝備等訓(xùn)練環(huán)境支撐，為學(xué)員提供實裝實兵、虛裝實兵、構(gòu)造虛兵等多種形式靈活配置的訓(xùn)練方式，支撐多種情形下的裝備操作及作戰(zhàn)指揮訓(xùn)練。對原理示教訓(xùn)練，以提供裝備原理教學(xué)為目標，進行知識推送、原理實驗器材、虛擬實驗器材(裝備)及交互式電子技術(shù)手冊(Interactive electronic technical manual, IETM)等多種訓(xùn)練教學(xué)方式。經(jīng)過一定學(xué)習(xí)階段后，及時開展訓(xùn)練考核評估，并基于受訓(xùn)數(shù)據(jù)挖掘進行訓(xùn)練需求分析，完成訓(xùn)練計劃迭代與優(yōu)化。

圖5 作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)流程建模Fig.5 Process modeling for operation training mission

對于作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)，主要評估指標為受訓(xùn)人員對作戰(zhàn)技能、裝備操作、原理知識的熟練度，可利用智能訓(xùn)練技術(shù)中的考核評估系統(tǒng)對崗位人員進行基于虛擬環(huán)境演練、模擬裝備操作或?qū)嵮b操作的崗位考核，可采用加權(quán)評估法進行評估。如完成某一作戰(zhàn)任務(wù)共需要i個崗位，第j(j=1,2,…,i)個崗位在作戰(zhàn)流程中的重要度為kj，技能熟練度為h1j，權(quán)重為w1，操作熟練度為h2j，權(quán)重為w2，原理知識熟練度為h3j，權(quán)重為w3，(w1+w2+w3=1)，則作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)的總效能可表示為X：

(8)

式(8)表明，作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)的效果最終體現(xiàn)為各作戰(zhàn)崗位人員的技能、操作和原理的熟練程度。通過科學(xué)的訓(xùn)練籌劃和考核評估，能夠提高訓(xùn)練科目和內(nèi)容的組織效率，配合擬真的聯(lián)合仿真訓(xùn)練環(huán)境和原理示教環(huán)境，實現(xiàn)受訓(xùn)人員快速掌握崗位知識和操作，提高崗位人員的作戰(zhàn)能力。

(2)裝備健康管理任務(wù)建模

裝備健康管理任務(wù)由裝備交付部隊為起點，是包含裝備貯存、使用、定檢維護、故障維修等階段的健康管理任務(wù)[14]，如圖6所示。貯存階段，進行貯存期的裝備定檢數(shù)據(jù)采集，實施健康評分，提供裝備選用輔助決策；使用階段，進行裝備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)在線采集，并根據(jù)狀態(tài)評估結(jié)果進行裝備故障/剩余壽命預(yù)測；定檢維護階段，進行全運行階段數(shù)據(jù)集中采集和深度健康評估，提供裝備維護計劃；故障維修階段，進行基于健康數(shù)據(jù)和先驗知識的故障快速定位和檢修策略生成，輸出最優(yōu)維修路線。

圖6 裝備健康管理任務(wù)流程建模Fig.6 Process modeling of equipment health management mission

對于裝備健康管理任務(wù)，其任務(wù)效能取決于貯存、使用、定檢、維修等健康管理環(huán)節(jié)的實際效能，最終直接體現(xiàn)在裝備的使用可靠性上，即裝備在一定作戰(zhàn)使用環(huán)境和維修維護條件中表現(xiàn)出的完成任務(wù)的能力。如完成某一作戰(zhàn)任務(wù)共需要m個裝備參與，將各裝備在任務(wù)過程中保持無故障狀態(tài)的概率記為RHM(tn) (n=1,2,…,m)，系統(tǒng)的使用可靠度為R，則有：

對于單個裝備，其RHM(tn)由裝備健康管理各環(huán)節(jié)的效能決定，其中Rz表示貯存和待機階段的可靠度，Rt表示在裝備發(fā)生故障時能夠準確檢測和定位故障的概率，Rm表示在正確定位故障后能夠及時修復(fù)并滿足任務(wù)要求的概率，則該裝備的可靠度可表示為：

RHM(tn)=Rz+(1-Rz)RtRm

(9)

按照裝備系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和任務(wù)執(zhí)行過程中的任務(wù)組織關(guān)系，裝備系統(tǒng)的可靠性模型主要可分為三種情況。對于由p個單元組成的串聯(lián)系統(tǒng)，其可靠度為：

(10)

對于p個單元的并聯(lián)系統(tǒng)，其可靠度為：

(11)

對于由p個單元組成的q/p冗余系統(tǒng)，各系統(tǒng)的可靠度記為Rx，其可靠度為：

(12)

此外，對于復(fù)雜裝備系統(tǒng)，還可根據(jù)裝備的具體故障邏輯建立故障樹模型、馬爾科夫模型、Petri網(wǎng)等可靠性模型，計算系統(tǒng)的可靠度。式(12)表明，裝備系統(tǒng)的可靠度主要受健康管理效能的影響，通過有效的健康管理，可提高裝備故障提前預(yù)知、準確定位和快速修復(fù)的能力，對裝備保持戰(zhàn)備完好性具有重大意義。

(3)保障任務(wù)規(guī)劃建模

裝備保障任務(wù)規(guī)劃以產(chǎn)生裝備保障任務(wù)需求為起點，利用戰(zhàn)場數(shù)據(jù)、裝備數(shù)據(jù)進行戰(zhàn)場態(tài)勢感知和裝備狀態(tài)認知，通過生成保障策略和分配保障行動輸出規(guī)劃結(jié)果[15]。如圖7所示，通過保障過程推演結(jié)果對任務(wù)規(guī)劃進行評價和迭代，并按照最終的任務(wù)規(guī)劃結(jié)果執(zhí)行保障任務(wù)。在保障任務(wù)執(zhí)行完成后，進行保障行動評估并開展保障任務(wù)迭代，直至保障行動結(jié)果符合保障任務(wù)需求。

圖7 裝備保障任務(wù)規(guī)劃流程建模Fig.7 Process model of equipment support mission planning

對裝備保障任務(wù)規(guī)劃，其最終目的是通過合理的資源規(guī)劃和調(diào)度，使裝備能夠在任務(wù)周期內(nèi)保持可執(zhí)行任務(wù)的狀態(tài)，即提高裝備的可用度。如一個作戰(zhàn)任務(wù)共需要m個裝備參與，第n個裝備的任務(wù)可用度記為An，則：

(13)

式中：T(BF)n表示第n個裝備的平均故障間隔時間；T(TR)n表示第n個裝備的平均修復(fù)時間，包括修復(fù)性及預(yù)防性維修、使用保障和保障延誤所耗費的時間。

則系統(tǒng)的可用度可由完成作戰(zhàn)任務(wù)所必須的b個裝備的可用度和完成任務(wù)可選的m-b個裝備的可用度兩部分組成，表示為：

(14)

式中：vj表示第j個可選裝備在作戰(zhàn)任務(wù)中的重要度。

式(13)～(14)表明，在系統(tǒng)固有可靠度不變時，其可用度主要受維修保障和延誤時間的影響。因此，可通過智能保障任務(wù)規(guī)劃，使維修和保障的資源提前、精準地到達需求部位，減少資源等待、延誤的時間，通過保障任務(wù)推演對保障流程進行優(yōu)化，提高裝備保障運行效率。

3.3 智能保障系統(tǒng)效能建模

通過3.1節(jié)中的高層概念圖可知，裝備智能保障系統(tǒng)承擔(dān)人員訓(xùn)練、維修保障、作戰(zhàn)指揮、作戰(zhàn)支持和信息支援活動。按照裝備保障任務(wù)分類，裝備智能保障能力可分為訓(xùn)練保障、維修保障、信息支援和行動支援四個方面，如圖8所示。在裝備智能作戰(zhàn)與保障場景中，訓(xùn)練保障包括訓(xùn)練籌劃、數(shù)據(jù)應(yīng)用、多形式訓(xùn)練、知識覆蓋四方面能力；維修保障包括故障預(yù)知、檢測、規(guī)劃和資源補給四方面能力；信息支援包括數(shù)據(jù)引接、態(tài)勢感知、裝備認知、作戰(zhàn)及保障任務(wù)規(guī)劃和推演分析五方面能力；行動支持包括行軍路線規(guī)劃、威脅感知、處置和通信支援四個方面。

3.4 裝備智能保障系統(tǒng)效能評估

根據(jù)圖8的裝備智能保障能力模型，以裝備智能保障系統(tǒng)效能為決策準則P建立控制層，以四類效能指標作為指標集構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)層，搭建ANP效能評估模型，如圖9所示。選取網(wǎng)絡(luò)層中維修保障能力指標集D1中的相關(guān)指標，以控制層裝備智能保障系統(tǒng)效能P為準則，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層中訓(xùn)練保障能力指標集D2中的數(shù)據(jù)挖掘能力I5影響力大小進行間接優(yōu)勢度比較，構(gòu)造準則P下的判斷矩陣，得到關(guān)于D2中的I5的D1指標集判斷矩陣J11：

圖8 裝備智能保障能力模型Fig.8 Ability model of intelligent equipment support

圖9 裝備智能保障系統(tǒng)效能ANP評估模型Fig.9 ANP analysis model of intelligent equipment support ability

(15)

其特征向量：

P11=[0.865,0.838,0.838,0.925]T

(16)

以此類推，分別求出指標集D1中的各指標,按其對指標集D2中的各個指標的影響力大小進行間接優(yōu)勢度比較并構(gòu)造判斷矩陣J12，J13，J14，并進行一致性檢驗后獲得特征向量P12，P13，P14，利用各特征向量中的元素構(gòu)造矩陣W12，其列向量代表了指標集D1中各指標對應(yīng)指標集D2中各指標的影響：

(17)

以此類推，得到準則P下的超矩陣W：

(18)

在準則P下對各指標集的重要性進行比較，構(gòu)造加權(quán)矩陣A：

(19)

利用A對W加權(quán)，得到W′：

(20)

求解超限矩陣W∞=limi→∞Wi，其各列向量即為各效能指標的權(quán)重，可計算得到裝備智能保障系統(tǒng)效能的評估值。

利用專家評分法對傳統(tǒng)裝備保障系統(tǒng)和裝備智能保障系統(tǒng)的效能指標S1，S2分別進行評分，并利用W∞得到的權(quán)重進行加權(quán)評分，評分情況如表1所示。

表1的結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)裝備保障系統(tǒng)，裝備智能保障系統(tǒng)的整體效能更高，主要表現(xiàn)在其具有更優(yōu)的信息支援能力和訓(xùn)練保障能力。裝備數(shù)據(jù)工程、數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，有助于提高體系作戰(zhàn)背景下裝備保障系統(tǒng)的信息透明程度和可達程度，從而提高裝備訓(xùn)練保障、維修保障任務(wù)的各個環(huán)節(jié)的效率。從各項頂層效能指標看，裝備智能保障系統(tǒng)的維修保障能力和訓(xùn)練保障能力優(yōu)勢大于信息支援能力和行動支持能力，表明裝備智能保障系統(tǒng)具有一定的技術(shù)涌現(xiàn)性，提高系統(tǒng)的信息和行動支持能力能夠獲得更大的整體效能提升。

表1 裝備保障系統(tǒng)效能評估結(jié)果Table 1 Results of efficiency evaluation for equipment support system

4 結(jié) 論

本文從體系化、信息化戰(zhàn)爭形態(tài)下的裝備發(fā)展需求出發(fā)，分析了裝備智能保障的概念內(nèi)涵及特點，介紹了國外裝備智能保障技術(shù)研究和發(fā)展的現(xiàn)狀，并對國內(nèi)現(xiàn)有裝備保障模式存在的問題進行了分析，指出了裝備保障智能化所需攻克和發(fā)展的技術(shù)要素。按照OODA作戰(zhàn)環(huán)的分析思路，構(gòu)想了智能保障技術(shù)發(fā)展模式，構(gòu)建了智能保障系統(tǒng)模型，對智能保障系統(tǒng)的高層概念、能力分類和典型任務(wù)流程進行了建模。在此基礎(chǔ)上，提出了基于ANP的裝備智能保障系統(tǒng)效能評估模型，從維修保障、訓(xùn)練保障、信息支援和行動支持能力四個方面對傳統(tǒng)裝備保障系統(tǒng)和裝備智能保障系統(tǒng)的效能進行了對比。本文為裝備智能保障系統(tǒng)的構(gòu)建和驗證提供了一套可行的設(shè)計和評估方法，為裝備的作戰(zhàn)應(yīng)用水平、保障能力和裝備本身戰(zhàn)技術(shù)指標的同步發(fā)展和提升奠定了基礎(chǔ)。

未來裝備的作戰(zhàn)應(yīng)用勢必朝著無人作戰(zhàn)、遠程投送、快速響應(yīng)、多域全維的方向發(fā)展，智能保障技術(shù)將在未來作戰(zhàn)中提供全要素集成、全場景覆蓋、具備突發(fā)異常情況的快速響應(yīng)和處置能力的裝備、人員及作戰(zhàn)行動保障[16]。因此，以裝備系統(tǒng)數(shù)字孿生為基礎(chǔ)，通過智能保障使能技術(shù)及其系統(tǒng)的統(tǒng)籌構(gòu)建，開發(fā)裝備保障效能實時評估方法和工具，實現(xiàn)智能保障規(guī)劃、執(zhí)行和評估過程的一體化，是下一階段的重點研究內(nèi)容。