武器裝備技術(shù)體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程方法研究

安波 姜江

(1.中國人民解放軍63928 部隊，北京100101;2.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，湖南 長沙410073)

1 引言

裝備技術(shù)體系是以武器裝備發(fā)展建設(shè)需求為視角，對相關(guān)技術(shù)門類、層次、領(lǐng)域進行的整體反映，是指導(dǎo)一定時期裝備技術(shù)發(fā)展管理實踐的技術(shù)規(guī)范，具有明顯的指向性、功能性、整體性、規(guī)范性、邏輯性和演化性特征［1］。它既是支撐武器裝備實現(xiàn)特定功能的重要基礎(chǔ)，也是滿足任務(wù)需求的重要保障。美軍和英軍在分別建立國防體系結(jié)構(gòu)框架指導(dǎo)文件DoDAF 和MoDAF 的基礎(chǔ)上，正在積極探討從多視圖的角度指導(dǎo)裝備技術(shù)體系的優(yōu)化設(shè)計［2，3］，國內(nèi)學(xué)者也相應(yīng)地進 行 了一些有益探索［4-6］。總體上來看，目前國內(nèi)外對裝備技術(shù)體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究尚處于起步階段，主要蘊含在發(fā)展戰(zhàn)略、體系結(jié)構(gòu)和規(guī)劃論證等方面，且大都是對單一或部分裝備屬性進行分析分解得到的技術(shù)關(guān)系。雖然這種分析方法能夠較為客觀地體現(xiàn)武器裝備對技術(shù)的需求牽引，但卻忽略了由其派生出的技術(shù)與技術(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以及技術(shù)發(fā)展對武器裝備的巨大推動作用等。裝備技術(shù)體系特征和相應(yīng)支撐工具手段的缺乏，難以保證裝備技術(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系的綜合性與整體性，如圖1 所示。

本文在對裝備技術(shù)屬性進行綜合描述的基礎(chǔ)上，結(jié)合專家經(jīng)驗獲取、分析和整合屬性描述關(guān)鍵詞及其相對權(quán)重，根據(jù)技術(shù)屬性數(shù)據(jù)分析裝備技術(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系，提出基于極大完全子圖的裝備技術(shù)聚類分析方法，并通過進一步修正聚類分析結(jié)果，設(shè)計裝備技術(shù)體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化的規(guī)范分析流程，為構(gòu)建結(jié)構(gòu)清晰的裝備技術(shù)體系及其應(yīng)用驗證提供整體框架與技術(shù)支撐。

2 裝備技術(shù)體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程

按照“軍事需求牽引、科學(xué)技術(shù)推動”的原則，裝備技術(shù)體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成主要來源于武器裝備研制需求所牽引出的各類技術(shù)領(lǐng)域、國防科技持續(xù)發(fā)展所涉及的各類技術(shù)領(lǐng)域，以及初顯端倪并具有重要軍事應(yīng)用前景的新興前沿技術(shù)領(lǐng)域等，在構(gòu)成結(jié)構(gòu)上反映了“需求”“技術(shù)”和“預(yù)見”特征，在時間維度上體現(xiàn)了近期、中期、遠期要求。在統(tǒng)一體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成設(shè)計視角、構(gòu)成要素和層次結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過提取能夠反映裝備技術(shù)體系結(jié)構(gòu)要素特征的技術(shù)標志、研究內(nèi)涵、預(yù)期時間等描述屬性，抽象出可供辨識的基本特征要素，形成技術(shù)要素信息數(shù)據(jù)［1］，從而可為裝備技術(shù)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、組成設(shè)計和優(yōu)化驗證的定性定量分析提供基本輸入，再經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，就可能得到裝備技術(shù)體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如圖2 所示。

基于不同時間維度的“需求”“技術(shù)”和“預(yù)見”，對裝備技術(shù)體系結(jié)構(gòu)要素進行梳理，可形成三個特征:一是蘊涵了武器裝備近、中、遠期發(fā)展需求的態(tài)勢布局，從不同的時間維度提供了體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建要素，體現(xiàn)出裝備技術(shù)的引領(lǐng)、支撐、提升和帶動作用;二是統(tǒng)一了體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成設(shè)計視角，從“技術(shù)門類—技術(shù)領(lǐng)域—要素技術(shù)”的層次進行分析梳理，構(gòu)成要素和層次結(jié)構(gòu)的相對一致，為形成規(guī)范化的信息數(shù)據(jù)奠定了基礎(chǔ);三是通過需求案對裝備技術(shù)分解對象的牽引作用，技術(shù)案對規(guī)劃計劃的全面梳理，預(yù)見案對技術(shù)發(fā)展的預(yù)測研究，基本保證了構(gòu)建要素數(shù)據(jù)來源的廣泛性和覆蓋性，可避免構(gòu)建要素的重大漏項。

根據(jù)裝備技術(shù)體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目標，綜合考慮武器裝備發(fā)展建設(shè)需求、技術(shù)發(fā)展水平和前沿技術(shù)探索等因素，圍繞能夠有效辨識技術(shù)要素信息龐大數(shù)據(jù)量的要求，從梳理裝備技術(shù)體系基本構(gòu)成要素，分析人在回路的優(yōu)化迭代關(guān)系，構(gòu)建體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型，借助多領(lǐng)域?qū)＜已信泻陀嬎銠C定量分析的動態(tài)交互等手段，研究提出裝備技術(shù)體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程。

2.1 輸入數(shù)據(jù)梳理

采用規(guī)范化的技術(shù)要素描述信息采集模板，統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)采集，形成規(guī)范化的輸入信息數(shù)據(jù)。將篩選檢查獲取的信息數(shù)據(jù)進行規(guī)范化整合、完善和修改，以提高技術(shù)要素屬性描述信息和裝備技術(shù)層級結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)信息的準確性和完備性。在此基礎(chǔ)上，通過專家知識經(jīng)驗梳理屬性描述關(guān)鍵詞及其權(quán)重向量，并進一步修改其中語義模糊、描述不準確的關(guān)鍵詞。通過整合其中含義相近的關(guān)鍵詞，可得到一系列關(guān)鍵詞組，從而生成描述各技術(shù)要素屬性的關(guān)鍵詞庫。

2.2 技術(shù)關(guān)聯(lián)分析

通過定義相關(guān)條件模糊度(［0，1］區(qū)間取值)，可度量技術(shù)要素在相關(guān)匹配條件下的相關(guān)度。相關(guān)條件模糊度越小，技術(shù)要素相關(guān)匹配標準越嚴格;相關(guān)條件模糊度越大，則技術(shù)要素匹配標準越寬松。根據(jù)專家經(jīng)驗和迭代驗證結(jié)果，可設(shè)置合理的相關(guān)條件模糊度參數(shù)，通過描述各技術(shù)要素屬性關(guān)鍵詞的匹配賦予相應(yīng)權(quán)重，求解相關(guān)度閾值，分析比較技術(shù)要素的相關(guān)關(guān)系。

2.3 技術(shù)領(lǐng)域生成

基于計算機輔助工具遍歷所有技術(shù)要素相關(guān)關(guān)系，對各技術(shù)要素進行聚類分析，將滿足關(guān)系子圖內(nèi)所有相關(guān)技術(shù)要素聚集為一組，從而得到聚類技術(shù)組信息。基于聚類分析結(jié)果，引入專家判斷信息，再次修改聚類技術(shù)組信息中不準確、不完備部分，合并其中內(nèi)容重復(fù)、內(nèi)涵相近、適宜合并的部分，對內(nèi)涵清晰易于識別的技術(shù)組進行命名，將不能識別的技術(shù)要素劃為一組，生成聚類整合技術(shù)組信息。在此基礎(chǔ)上，對不能識別的信息，采用技術(shù)相關(guān)度分析方法重新進行排序，并劃入相關(guān)度最大的聚類技術(shù)組中。

2.4 優(yōu)化結(jié)果驗證

優(yōu)化結(jié)果驗證分析既是對優(yōu)化方法和優(yōu)化過程進行整體評估的基本要求，也是修改和調(diào)整優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的重要依據(jù)。在得到聚類技術(shù)組基本信息后，分析識別所包含的要素技術(shù)數(shù)量、描述信息及其與各類武器裝備的關(guān)聯(lián)關(guān)系，驗證結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和優(yōu)化結(jié)果的合理性。在優(yōu)化過程中，通過建立良好的人機交互機制，結(jié)合定量分析計算方法和裝備技術(shù)研發(fā)管理實踐經(jīng)驗，進一步優(yōu)化裝備技術(shù)體系的整體結(jié)構(gòu)。

3 裝備技術(shù)體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法

根據(jù)裝備技術(shù)體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程，主要研究解決裝備技術(shù)規(guī)范化描述、關(guān)聯(lián)關(guān)系分析和技術(shù)譜系生成方法等問題。

3.1 裝備技術(shù)規(guī)范化描述方法

技術(shù)要素描述信息是裝備技術(shù)體系優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)，要準確、全面、客觀、合理。由于各類技術(shù)要素來源不同、功能各異，需要構(gòu)建一個統(tǒng)一的規(guī)范化描述標準，以保證描述信息在分析處理中具有縱向可比性。因此，采用多關(guān)鍵詞描述方法獲取技術(shù)要素描述信息，步驟如下:

步驟1:邀請相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍夹g(shù)領(lǐng)域設(shè)置描述關(guān)鍵詞，獲取描述關(guān)鍵詞庫。

步驟2:對獲取的技術(shù)描述關(guān)鍵詞進行去重整合處理，建立描述關(guān)鍵詞標準庫。

步驟3:設(shè)置描述關(guān)鍵詞數(shù)上限N，邀請相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜疫x擇不大于N個描述關(guān)鍵詞，并根據(jù)關(guān)鍵詞的相對重要度建立權(quán)重判斷矩陣，構(gòu)建技術(shù)關(guān)鍵詞描述表。

步驟4:根據(jù)關(guān)鍵詞權(quán)重判斷矩陣，采用AHP法計算關(guān)鍵詞權(quán)重向量［7］，得到技術(shù)關(guān)鍵詞加權(quán)描述表。

3.2 裝備技術(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系分析方法

根據(jù)要素技術(shù)描述關(guān)鍵詞的匹配及其對應(yīng)權(quán)重，通過求解相關(guān)度，并借助專家經(jīng)驗得到優(yōu)化參數(shù)，獲取裝備技術(shù)相關(guān)關(guān)系。相關(guān)關(guān)系分析包括裝備技術(shù)相關(guān)度求解規(guī)則、相關(guān)條件模糊度定義、基于相關(guān)條件模糊度的裝備技術(shù)相關(guān)關(guān)系分析等三部分。

3.2.1 裝備技術(shù)相關(guān)度求解規(guī)則

基于關(guān)鍵詞及其權(quán)重向量求解相關(guān)度:若兩種技術(shù)的描述關(guān)鍵詞完全相同，則其技術(shù)相關(guān)度MatchRate =1;若完全不同，則MatchRate =0;若關(guān)鍵詞組中有相同關(guān)鍵詞，則將該關(guān)鍵詞對應(yīng)的權(quán)重中較小的數(shù)值累加到技術(shù)相關(guān)度中。相同的關(guān)鍵詞越多，在描述關(guān)鍵詞組中的權(quán)重越大，則技術(shù)相關(guān)度越大，如圖3 所示。

3.2.2 相關(guān)條件模糊度定義

要素技術(shù)的相關(guān)關(guān)系可分為精確相關(guān)和模糊相關(guān)兩類。精確相關(guān)是指描述關(guān)鍵詞完全匹配所產(chǎn)生的相關(guān)關(guān)系，模糊相關(guān)則是指描述關(guān)鍵詞的匹配度達到匹配閾值所產(chǎn)生的相關(guān)關(guān)系。

相關(guān)條件模糊度在［0，1］區(qū)間上取值，度量相關(guān)條件下要素技術(shù)優(yōu)化參數(shù)。相關(guān)條件模糊度越小，則相關(guān)標準越嚴格，如果相關(guān)條件模糊度取值為0，其相關(guān)關(guān)系只有精確相關(guān);如果相關(guān)條件模糊度取值為1 時，任意要素技術(shù)均具有相關(guān)關(guān)系。

3.2.3 基于相關(guān)條件模糊度的關(guān)聯(lián)關(guān)系分析

基于相關(guān)條件模糊度可設(shè)置是否存在技術(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系的判斷條件及范圍，即技術(shù)相關(guān)度閾值。根據(jù)要素技術(shù)描述關(guān)鍵詞匹配分析計算，從而得到兩兩要素技術(shù)相關(guān)度，最終生成關(guān)聯(lián)關(guān)系分析結(jié)果。要素技術(shù)相關(guān)度算法為:

若要素技術(shù)techA的描述關(guān)鍵詞組KGA ={keyword1，keyword2，keyword3}，權(quán)重向量WA ={w1，w2，w3};要素技術(shù)techB的描述關(guān)鍵詞組KGB={keyword1，keyword4，keyword3，keyword5}，權(quán)重向量WB ={w4，w5，w6，w7}。要素技術(shù)techA與要素技術(shù)techB之間的相關(guān)度為MatchRateAB，則:

通過計算得到的要素技術(shù)相關(guān)度，從中篩選出技術(shù)相關(guān)度最大值MatchRateMax和最小值MatchRateMin。根據(jù)專家信息得到優(yōu)化參數(shù)相關(guān)條件模糊度VD，計算判斷技術(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系是否存在相關(guān)度閾值，其算法為:

若技術(shù)相關(guān)度MatchRateAB高于技術(shù)相關(guān)度閾值MatchRateU，則認為要素技術(shù)techA與要素技術(shù)techB之間存在相關(guān)關(guān)系。

3.3 基于極大完全子圖的裝備技術(shù)譜系生成方法

(1)技術(shù)組初步劃分。采用極大完全子圖聚類方法，通過遍歷所有要素技術(shù)的相關(guān)關(guān)系，將滿足關(guān)系子圖內(nèi)所有相關(guān)的要素技術(shù)聚類整合，合并其中內(nèi)容重復(fù)、內(nèi)涵相近的要素技術(shù)，生成技術(shù)組初步劃分信息。

(2)技術(shù)組劃分整合。根據(jù)專家經(jīng)驗判斷信息，進一步對聚類技術(shù)組進行整合處理，修改完善不準確、不完備的部分信息，對內(nèi)涵清晰、易于識別的技術(shù)組進行命名，將不能識別的要素技術(shù)另劃為一組，生成技術(shù)組劃分整合信息。

(3)技術(shù)譜系生成。裝備技術(shù)譜系生成是根據(jù)技術(shù)組劃分整合信息，形成組內(nèi)技術(shù)關(guān)系緊密、組間技術(shù)關(guān)系稀疏的過程。根據(jù)技術(shù)相關(guān)度對相關(guān)技術(shù)組進行排序，將不能識別的要素技術(shù)并入相關(guān)度最大的技術(shù)組，生成裝備技術(shù)譜系，分析過程如圖4 所示。

4 結(jié)束語

以要素技術(shù)為基本研究對象，對提取復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建裝備技術(shù)體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，具有明顯的適應(yīng)性和可操作性，基本實現(xiàn)了理論、方法和工具的集成。通過“裝備技術(shù)描述—技術(shù)關(guān)系分析—技術(shù)聚類分析—技術(shù)譜系生成”的規(guī)范流程，應(yīng)用基于關(guān)鍵詞匹配的關(guān)系分析和基于極大完全子圖的技術(shù)聚類方法，開發(fā)了人機交互界面良好的輔助決策系統(tǒng)，有效地獲取和整合專家經(jīng)驗進行了迭代優(yōu)化和應(yīng)用驗證，從而得到了較為科學(xué)合理的體系優(yōu)化分析結(jié)果，提出的流程設(shè)計方法及其計算機輔助決策系統(tǒng)已在某武器系統(tǒng)技術(shù)體系的研究論證中得到成功應(yīng)用。通過計算機輔助設(shè)計得到的技術(shù)體系，理論上可以有多種，必須綜合考慮多方面因素，在進行多方綜合評估分析的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多次迭代優(yōu)化和應(yīng)用驗證，才能得出相對優(yōu)化并滿足實際需要的設(shè)計方案。

［1］ 安波，石東海，沈雪石，等. 裝備技術(shù)體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論及其關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.裝備學(xué)院學(xué)報，2014(2):14 -17.

［2］ DoDAF Working Group. DoDAF (version2.0)［R］. USA:Department of Defense，2008.

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［4］ 任長晟，葛冰峰，陳英武. 武器裝備技術(shù)體系結(jié)構(gòu)描述方法［J］.兵工自動化，2010，29(10):42 -46.

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［7］ 譚躍進，陳英武，易先進.系統(tǒng)工程原理［M］.長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1999.