PCA和熵權(quán)TOPSIS法綜合評估新型信息化裝備保障能力

邱雄飛，張樺，高翠娟，趙潤澤

(1.陸軍工程大學(xué) 石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050003；2.陸裝駐石家莊第三軍代室，河北 石家莊 050051)

裝備保障能力是指裝備保障機(jī)構(gòu)組織實(shí)施裝 備保障的能力,包括裝備調(diào)配保障能力、裝備技術(shù) 保障能力、裝備經(jīng)費(fèi)保障能力等[1],關(guān)乎部隊(duì)整體作戰(zhàn)能力,裝備保障能力好壞直接影響戰(zhàn)場局勢的走勢甚至戰(zhàn)爭的勝負(fù),是部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力生成的重要支撐。但是隨著我軍作戰(zhàn)任務(wù)以及信息技術(shù)的發(fā)展,裝備保障正發(fā)生一些新的改變,各類綜合電子信息系統(tǒng)、精確制導(dǎo)彈藥、信息化作戰(zhàn)平臺以及單兵數(shù)字化裝備等新型信息化裝備不斷配發(fā)部隊(duì)[2]。與傳統(tǒng)信息化裝備相比,基于新型信息化裝備的現(xiàn)代作戰(zhàn)裝備保障中,更多地呈現(xiàn)出指揮協(xié)調(diào)、信息支撐、精確保障和體系保障等新特點(diǎn)。如何適應(yīng)愈加復(fù)雜的現(xiàn)代戰(zhàn)場條件,提高我軍新型信息化裝備保障能力,是當(dāng)前以及未來一段時(shí)期需要重點(diǎn)解決的難題。

當(dāng)前對裝備保障能力的評估成果有很多,比如宋星等[3]將ADC法和模糊綜合評判法相結(jié)合重新構(gòu)建合成旅裝備保障評估模型,以保障系統(tǒng)的可信度、可用度和能力的乘積作為結(jié)果評估裝備保障能力,有很好的適用性;帥勇等[4]系統(tǒng)介紹了裝備保障能力評估方法選擇,為后來的裝備保障研究提供了很多思路;趙師等[5]從系統(tǒng)作戰(zhàn)出發(fā),分析BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn),構(gòu)建基于德爾菲法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評估模型,有效減少收斂速度慢的問題;張耀龍等[6]從層次分析法和模糊評判入手,從客觀賦權(quán)和主觀打分系統(tǒng)分析合成旅裝備保障能力,增強(qiáng)了可靠性;李海君等[7-8]分別從主成分分析(principal component analysis,PCA)和組合賦權(quán)改進(jìn)TOPSIS法評估區(qū)域裝備保障能力,采用不同方法從不同側(cè)重角度進(jìn)行評估;徐其等[9]分析實(shí)戰(zhàn)化條件裝備保障特點(diǎn),建立改進(jìn)TOPSIS方法的評估模型,更加具有可信度;朱東濟(jì)等[10]在指出AHP、灰色關(guān)聯(lián)和TOPSIS法各自的利弊之后,將三者結(jié)合,創(chuàng)新提出基于三者相結(jié)合的裝備評估模型。以上評估模型中,ADC法在可用度和可信度的適用性上存在一定的局限,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估模型存在數(shù)據(jù)隨機(jī)性不足、收斂速度慢等問題,模糊綜合評判又存在評估指標(biāo)體系的模糊性和不確定性,TOPSIS法在確定權(quán)重方面又存在一定瑕疵,需要配合其他方法綜合評判。以上每一種評估方法在裝備保障評估時(shí)都有自己的利弊,單純用一種評估方法不能很好地做到全面評估。為此,筆者在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,通過構(gòu)建新型信息化裝備保障能力評估指標(biāo)體系,利用PCA與熵權(quán)TOPSIS系統(tǒng)全面評估其保障能力,能更加直觀、有效地幫助決策者做出最優(yōu)選擇,從而更好地發(fā)揮新型信息化裝備保障能力,這對我軍信息化裝備建設(shè)發(fā)展有一定的參考意義。

1 影響因素分析

與傳統(tǒng)信息化裝備相比,高新技術(shù)條件下的新型信息化裝備具有精密度更高、系統(tǒng)性更強(qiáng)、技術(shù)愈加復(fù)雜等特點(diǎn),這樣直接產(chǎn)生其保障能力評估難度大、適應(yīng)周期長、維修成本高、保障任務(wù)繁重等問題?；谝陨显?系統(tǒng)分析新型信息化裝備保障能力影響因素,是科學(xué)客觀評估其保障能力的有效前提。新型信息化裝備保障是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,其中的各個(gè)影響因素不是單獨(dú)存在的。從系統(tǒng)層面分析,各因素之間通過相互關(guān)聯(lián)、相互制約、相互影響從而構(gòu)成其保障能力的有機(jī)整體。結(jié)合新型信息化裝備保障特點(diǎn),可將影響因素分為指揮協(xié)調(diào)能力、維修處理能力、供應(yīng)保障能力以及信息支撐能力四大類,具體如圖1所示。

1)指揮協(xié)調(diào)能力指的是能夠綜合分析戰(zhàn)場態(tài)勢,確定保障計(jì)劃,合理編配新型信息化裝備保障力量。主要包括支援籌措能力、體系建設(shè)能力、力量運(yùn)用能力以及要素生成能力。

2)維修處理能力指的是在新型信息化裝備發(fā)生故障時(shí)能夠快速恢復(fù)其裝備技戰(zhàn)術(shù)狀態(tài)的能力。主要包括野戰(zhàn)搶修能力、快速檢查能力、技術(shù)管理能力以及維護(hù)保養(yǎng)能力。

3)供應(yīng)保障能力指的是能夠快速為前線任務(wù)部隊(duì)提供可靠支撐保障的能力。主要包括物資輸送能力、野戰(zhàn)器材庫開設(shè)能力、野戰(zhàn)彈藥庫開設(shè)能力以及布局規(guī)劃能力。

4)信息支撐能力是指在信息化條件下通過多種渠道對裝備保障數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接受、分析、處理、傳送等能力。主要有信息采集能力、信息分析能力、信息處理能力以及信息傳送能力。

2 構(gòu)建評估指標(biāo)體系

通過歸納總結(jié)以往的構(gòu)建指標(biāo)體系經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,得出建立新型信息化裝備保障能力評估指標(biāo)體系不僅要遵循科學(xué)性、全面性、獨(dú)立性等原則,還要遵循以下原則。

2.1 構(gòu)建原則

1)戰(zhàn)建一致。新型信息化裝備的使用就是為了提高部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的生成。在構(gòu)建評估指標(biāo)體系時(shí),首先要瞄準(zhǔn)戰(zhàn)斗力生成,將戰(zhàn)斗與建設(shè)統(tǒng)一起來。

2)可比性。構(gòu)建指標(biāo)體系的目的就是通過指標(biāo)因素之間進(jìn)行相互比較得出評估結(jié)果,只有可比性的指標(biāo)因素才有構(gòu)建的意義,才能評估出保障能力,因此所構(gòu)建的新型信息化裝備保障能力評估指標(biāo)體系都應(yīng)該是可以比較的。

3)層次性。在建立指標(biāo)體系的過程中,應(yīng)該從上而下將其分解為幾個(gè)簡單的子系統(tǒng),突出指標(biāo)因素之間的層次性。這樣可以降低評估的復(fù)雜程度,也便于整體把握評估結(jié)果。

4)可操作性。在選取評估指標(biāo)體系時(shí),也要選取那些利于計(jì)算、收集、分析和處理的數(shù)據(jù)。選取可操作性數(shù)據(jù)的目的是為了能夠從數(shù)據(jù)中分析得到有效信息,從而采取針對性措施解決問題。

2.2 構(gòu)建內(nèi)容

通過研究文獻(xiàn)、部隊(duì)調(diào)研、訪問專家等方式,在全面掌握新型信息化裝備保障能力含義的基礎(chǔ)上,將得到的指標(biāo)體系要素進(jìn)行系統(tǒng)分析、科學(xué)把握,不斷優(yōu)化篩選最為合理的新型信息化裝備保障能力評估指標(biāo)體系。整體構(gòu)建流程如圖2所示。

根據(jù)構(gòu)建指標(biāo)體系原則和流程,在綜合各類文獻(xiàn)資料和新型信息化裝備保障自身特性的基礎(chǔ)上,構(gòu)建新型信息化裝備保障能力評估指標(biāo)體系,具體如圖3所示。

3 模型建立

3.1 主成分分析法

主成分分析法(PCA)是一種利用降維的思想,把多元素簡化為主要元素,把多維空間轉(zhuǎn)為低維空間的多元統(tǒng)計(jì)方法[11]。核心思想就是在眾多指標(biāo)中挑選出影響程度最深的主要成分,抓住主要矛盾,同時(shí)簡化數(shù)據(jù),避免各個(gè)指標(biāo)因素間的相互影響。在分析過程中,計(jì)算兩兩指標(biāo)之間的相關(guān)性系數(shù)以及指標(biāo)的特征值和貢獻(xiàn)率,刪除相關(guān)系數(shù)性較大以及貢獻(xiàn)率較小的指標(biāo)因素,使建立的指標(biāo)因素盡可能相互獨(dú)立[12]。通過將m維特征映射到n維特征上(n

1)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理。因本文研究選取的指標(biāo)都為高優(yōu)指標(biāo)(指標(biāo)值越高越好),不用進(jìn)行同趨勢化,只需將指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理。

2)確定主成分成分和權(quán)重。將標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)輸入到SPSS軟件中,利用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析得到特征根和累積貢獻(xiàn)率,通常提取特征根λi≥1,累積貢獻(xiàn)率≥85%的成分作為主成分。

3)構(gòu)造線性組合函數(shù)。根據(jù)SPSS軟件求解得到的旋轉(zhuǎn)成分矩陣表構(gòu)造如下線性組合函數(shù),

F=L11C11+L12C12+…+L43C43+L44C44,

(1)

式中,L11,L12,…,L43,L44為旋轉(zhuǎn)成分矩陣值。根據(jù)得到的結(jié)果重新總結(jié)主成分表達(dá)式進(jìn)行綜合評估[13]。

3.2 熵權(quán)TOPSIS法

熵權(quán)TOPSIS法是一種應(yīng)用于多決策分析的方法[14]。核心思想就是求出目標(biāo)問題的正理想解和負(fù)理想解,然后在可行方案中找到一個(gè)最優(yōu)方案,使其距正理想解的距離最近,而距離負(fù)理想解的距離最遠(yuǎn)[15]。大體步驟如下:

1)無量綱化處理。將得到的主成分進(jìn)行歸一化處理,消除量綱帶來的影響。

(2)

(3)

3)求出各可行方案的相對接近程度Ci:

(4)

由式(4)可見,若Ci越大,則愈靠近正理想解;若Ci越小,則愈靠近負(fù)理想解[16]。按照Ci數(shù)值大小可對各可行方案進(jìn)行排序。

模型建立流程如圖4所示。

4 計(jì)算分析

筆者以10個(gè)地區(qū)的新型信息化裝備保障能力為研究對象,如表1所示,數(shù)據(jù)來源是根據(jù)裝備保障演練實(shí)際結(jié)合得來,并經(jīng)過脫密處理的計(jì)算數(shù)據(jù),并非原始真實(shí)數(shù)據(jù),僅用于驗(yàn)證該方法的適用性和可行性。由于主成分分析先將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理,在這里可以不計(jì)量綱。將表1數(shù)據(jù)輸入到SPSS軟件中進(jìn)行主成分分析,得到結(jié)果如表2～4所示。

表1 各指標(biāo)初始數(shù)據(jù)

表2 各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)

由表3可以得出,成分1～6的特征值都大于1,且這6個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率已經(jīng)超過85%,通過降維得到的這6個(gè)主成分能夠代表16個(gè)新型信息化裝備保障能力指標(biāo)的大部分信息,故選取6個(gè)主成分較為合適。構(gòu)造線性組合函數(shù)如下:

表3 總方差解釋

F1=-0.221C11+0.177C12+0.025C13+…-
0.039C43-0.045C44,
F2=-0.103C11+0.073C12+0.206C13+…-
0.004C43+0.263C44,

同理可得F3,F4,F5,F6,綜合可得

F=(0.251/0.89)F1+(0.203/0.89)F2+…+
(0.082/0.89)F6。

基于表4,對6個(gè)主成分進(jìn)行加權(quán)求和,利用熵權(quán)TOPSIS法求出正理想解距離D+、負(fù)理想解距離D-以及相對接近程度C,如表5所示。由排序結(jié)果可以看出,地區(qū)3和地區(qū)8新型信息化裝備保障能力較好,地區(qū)5和地區(qū)7保障能力較差,需要決策者借鑒較好地區(qū)經(jīng)驗(yàn),在各項(xiàng)指標(biāo)上向較差地區(qū)加大投入力度,以加強(qiáng)這些地區(qū)的新型信息化裝備保障能力。

表4 旋轉(zhuǎn)成分矩陣

表5 最終評估結(jié)果

為了更加直觀對比評估結(jié)果,將表1原始數(shù)據(jù)利用TOPSIS方法進(jìn)行計(jì)算得到對比結(jié)果,如圖5所示。根據(jù)表5和圖5可知,本文方法評估結(jié)果與實(shí)際情況一致,實(shí)際情況是指已由專家評判法得出的評估結(jié)果,而TOPSIS方法得到評估結(jié)果中地區(qū)2和地區(qū)10與實(shí)際結(jié)果不一致?？梢?由PCA和熵權(quán)TOPSIS法評估更加符合實(shí)際情況,從而驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

5 結(jié)束語

在借鑒以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合多種途徑以及新型信息化裝備保障特點(diǎn),構(gòu)建了新型信息化裝備保障能力評估指標(biāo)體系,然后結(jié)合主成分分析法和熵權(quán)TOPSIS法建立模型,減少了決策者主觀因素帶來的影響。通過實(shí)例計(jì)算分析,較好地評估了模型的合理性和適用性。筆者旨在驗(yàn)證方法的可行性和有效性,對于得到的評估結(jié)果,筆者并未深入研究,相關(guān)業(yè)界學(xué)者可進(jìn)行下一步研究分析,從整體上把握和了解制約新型信息化裝備保障能力的因素,從而對困擾形成新型信息化裝備保障能力的難題提供一個(gè)可靠的解決途徑。此外,新型信息化裝備保障能力涉及的指標(biāo)因素并不是一成不變的,應(yīng)伴隨戰(zhàn)場任務(wù)變化、保障需求、保障技術(shù)的發(fā)展作出相應(yīng)的調(diào)整,才能更好地為決策者開展新型信息化裝備保障建設(shè)提供理論支撐和方法指導(dǎo)。