面向裝備體系作戰(zhàn)效能評估的SEM建模與評估方法

楊　娟,朱延雷,何　榕

(裝備學院,北京　101416)

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面向裝備體系作戰(zhàn)效能評估的SEM建模與評估方法

楊娟,朱延雷,何榕

(裝備學院,北京101416)

摘要:針對裝備體系作戰(zhàn)效能評估分析需求,構(gòu)建了基于SCA(Sensor-Controller-Actuator)的裝備體系作戰(zhàn)能力評估指標體系,研究了基于SEM(Structural Equation Modeling)的裝備體系作戰(zhàn)效能評估方法,并以某防空反導裝備體系作戰(zhàn)效能評估為例,驗證了方法的合理性和有效性。該研究可為裝備體系發(fā)展論證及作戰(zhàn)效能評估提供參考。

關(guān)鍵詞:裝備體系;作戰(zhàn)能力;作戰(zhàn)效能;傳感器-控制器-執(zhí)行器(SCA);結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)

裝備體系作戰(zhàn)效能,是指裝備體系實現(xiàn)特定作戰(zhàn)任務目標的有效程度,即在給定威脅、條件、環(huán)境和作戰(zhàn)方案下裝備體系完成作戰(zhàn)任務的效果,是一個動態(tài)的概念[1]。裝備體系作戰(zhàn)效能評估是裝備體系建設(shè)和作戰(zhàn)體系分析中的一個重難點問題。采用仿真實驗方法評估裝備體系效能是目前較為通用的做法[2]。結(jié)構(gòu)方程模型(Structural Equation Modeling, SEM)是一種新型多元統(tǒng)計分析方法,目前已成為統(tǒng)計分析方法中一個新的發(fā)展方向,廣泛應用于心理學、經(jīng)濟學、社會學、軍事學等研究領(lǐng)域[3-5]。本文在構(gòu)建裝備體系作戰(zhàn)能力指標體系的基礎(chǔ)上,提出了基于SEM的裝備體系作戰(zhàn)效能建模與評估方法,并以某防空反導裝備體系作戰(zhàn)效能評估為例進行驗證與分析。

1SEM基本原理

結(jié)構(gòu)方程模型(SEM),又稱結(jié)構(gòu)方程建?；蚪Y(jié)構(gòu)方程分析，于20世紀70年代初,由瑞典統(tǒng)計學家、心理測量學家卡爾·喬瑞斯考格(karl J?skog)及其合作者提出。結(jié)構(gòu)方程模型的核心概念是兩類性質(zhì)不同的變量[6]:一類稱為顯變量(Observed Variable),或稱為可觀測變量、指示變量,它是可以直接觀測或度量的變量,如作戰(zhàn)效能指標、體系貢獻度指標;另一類稱為隱變量(Latent Variable),或稱為潛變量,它是不可直接測量的變量,但可以通過顯變量體現(xiàn)和測量,如作戰(zhàn)能力指標。此外,根據(jù)變量是否受到其他變量的影響,又分為外生變量(Independent Variable,不受其他變量影響,相當于函數(shù)的自變量)、內(nèi)生變量(Endogenous Variable,受到其他變量影響,相當于函數(shù)的因變量)。

SEM的基本原理是在顯變量和隱變量定性關(guān)系模型的基礎(chǔ)上,通過利用顯變量的觀測數(shù)據(jù)將該定性關(guān)系模型轉(zhuǎn)換為定量關(guān)系模型,并對該定量關(guān)系模型進行參數(shù)檢驗和擬合程度檢驗,直至得到滿意的模型[1,6]。

SEM由兩部分構(gòu)成:測量模型(Measurement Model)和結(jié)構(gòu)模型(Structural Model)。

測量模型描述外生顯變量X、內(nèi)生顯變量Y與外生隱變量ξ、內(nèi)生隱變量η之間的關(guān)系。測量方程為

(1)

結(jié)構(gòu)模型描述隱變量之間的關(guān)系。結(jié)構(gòu)方程為

η=Bη+Γξ+ζ

(2)

目前,從SEM的構(gòu)建與識別、參數(shù)估計、評估與修正等過程已實現(xiàn)了軟件化,常用的SEM分析軟件主要有LISREL、AMOS等,本文主要采用LISREL 8.7軟件及極大似然估計法進行SEM分析[7]。

2基于SCA的裝備體系作戰(zhàn)能力指標體系

柔性(flexible)包括靈活、可重用、可擴展、可重組等含義。柔性建模是柔性理念在建模與仿真領(lǐng)域的具體體現(xiàn)?；赟CA(Sensor—Controller—Actuator)的柔性建模方法,是指封裝裝備體系傳感器(Sensor)、控制器(Controller)、執(zhí)行器(Actuator)的相關(guān)功能,并將其作為基本的建模單元,同時按照感知能力、指控能力、執(zhí)行能力對裝備體系作戰(zhàn)能力進行指標分解,實現(xiàn)對裝備體系作戰(zhàn)能力評估的一種控制論方法[8]。圖1是基于SCA的柔性建模方法,構(gòu)建的裝備體系作戰(zhàn)能力評估指標體系。

圖1　裝備體系作戰(zhàn)能力評估指標體系

3基于SEM的裝備體系作戰(zhàn)效能建模與評估方法

圖2　裝備體系作戰(zhàn)效能評估的SEM

本文選取感知能力、指控能力和執(zhí)行能力作為裝備體系能力的構(gòu)成要素進行分析,并將這3種能力作為SEM模型中的3個隱變量,又分別用相關(guān)貢獻度指標作為顯變量,并通過貢獻度系數(shù)λ和貢獻度偏差δ構(gòu)建隱變量與顯變量之間的數(shù)學模型,如感知能力ξ1,可通過目標發(fā)現(xiàn)概率x1及其對應的貢獻度系數(shù)λx11和貢獻度偏差δ1、目標偵測時間x2及其對應的貢獻度系數(shù)λx21和貢獻度偏差δ2和目標識別概率x3及其對應的貢獻度系數(shù)λx31和貢獻度偏差δ3表示。同理,其他裝備體系能力也可用相應的顯變量和貢獻度系數(shù)及貢獻度偏差進行表示。

圖2中,φ表示外生變量間的影響關(guān)系系數(shù),γ表示外生變量與內(nèi)生變量間的影響關(guān)系系數(shù)。其關(guān)系比較復雜,本文不將其作為重點研究內(nèi)容。

表1　SEM變量對應表

模型的測量方程為:

(3)

(4)

由SEM模型的測量方程,可得裝備體系感知能力評估模型為

(5)

裝備體系指控能力評估模型為

(6)

裝備體系執(zhí)行能力評估模型為

(7)

由式(5)-(7),可知裝備體系作戰(zhàn)效能評估問題已轉(zhuǎn)化為對其SEM中的參數(shù)估計問題,通過構(gòu)建裝備體系作戰(zhàn)效能指標與作戰(zhàn)能力指標的定性關(guān)系模型及定量關(guān)系模型,從而實現(xiàn)對裝備體系作戰(zhàn)效能的仿真實驗與評估。

4驗證示例

本文以某一防空反導裝備體系作戰(zhàn)效能評估為例[2],使用SEM方法對該裝備體系作戰(zhàn)效能進行評估分析。本文通過作戰(zhàn)效能仿真對4種裝備體系方案的作戰(zhàn)能力進行評估分析,推算出這4種裝備體系分別在執(zhí)行防空反導任務中的貢獻度。4種方案的作戰(zhàn)效能指標值如表2所示。

表2　方案的作戰(zhàn)效能仿真指標值

將上述4種方案的作戰(zhàn)效能仿真指標值以及評估模型錄入到LISREL 8.7軟件中,采用極大似然估計法進行參數(shù)估計,并進行t檢驗。參數(shù)估計與t檢驗結(jié)果如表3所示。

表3　示例SEM參數(shù)估計及t檢驗值

表4　算例SEM主要擬合指數(shù)值

由表3和表4可知,所構(gòu)建的基于SEM的防空反導裝備體系貢獻度評估模型的參數(shù)估計是合理的,可以將估計的參數(shù)值作為防空反導裝備體系貢獻度評估的參數(shù)。利用SEM參數(shù)估計值,可得相應裝備體系作戰(zhàn)能力與體系貢獻度指標之間的定量關(guān)系模型。

某防空反導裝備體系感知能力(偵察預警能力)評估模型為

ξ1=0.450x1+0.407x2+0.439x3-0.191

某防空反導裝備體系指控能力評估模型為

ξ2=-0.412x4+0.427x5+0.402x6+0.063

某防空反導裝備體系執(zhí)行能力評估模型為

η1=-0.433y1+0.407y2+0.397y3-0.087

結(jié)合表2給出的4種方案的作戰(zhàn)效能仿真指標值,得出4種方案下裝備體系的感知能力、指控能力和執(zhí)行能力的評估值。按照特定的目的和要求,決策者選取出滿意的方案。

表5　4種裝備體系的作戰(zhàn)效能/體系貢獻度指標值

從表5可知,裝備體系方案3的感知能力、指控能力和執(zhí)行能力等三個方面都強于裝備體系方案1和裝備體系方案2,而在執(zhí)行能力方面,裝備體系方案4則強于裝備體系方案3。在執(zhí)行防空反導任務過程中,需要結(jié)合來襲目標狀況、指揮員和指揮機關(guān)的作戰(zhàn)意圖等因素對方案3和方案4進行有針對性的選擇。

5結(jié)束語

本文基于SCA的柔性建模及SEM方法,對裝備體系作戰(zhàn)效能與作戰(zhàn)能力進行了評估及驗證分析。評估結(jié)果表明,基于SEM的建模與評估方法對探究裝備體系作戰(zhàn)效能與作戰(zhàn)能力之間的定性定量關(guān)系具有重要支持作用。由于體系復雜性以及指標間的影響作用或涌現(xiàn)效應,使得體系效能評估還存在較大困難。本文的工作只能說是裝備體系發(fā)展論證和評估實踐的一次有益嘗試,還需按照體系作戰(zhàn)觀和復雜性科學理論,進一步研究體系效能評估方法,較好地解決裝備體系作戰(zhàn)效能仿真實驗與評估分析的現(xiàn)實難題。

參考文獻:

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SEM Model and Evaluation Method for Operational Effectiveness Assessment of Equipment System

YANG Juan,ZHU Yan-lei,HE Rong

(Academy of Equipment, Beijing 101416, China)

Abstract:Aiming at operational effectiveness assessment analysis requirements of equipment system, the paper builds operational capability evaluation index system of equipment system based on SCA(Sensor-Controller-Actuator),studies operational effectiveness assessment method of equipment system based on SEM(Structural Equation Modeling), and takes operational effectiveness evaluation of the air defense missile equipment system as an example,verifies the rationality and validity of the method. The study can provide reference for demonstration equipment system development and operational effectiveness assessment.

Key words:equipment system; operational capability; operational effectiveness; Sensor-Controller-Actuator(SCA);SEM

中圖分類號:E91

文獻標志碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.02.008

作者簡介：楊娟(1966-),女,湖南汨羅人,副研究員,研究方向為裝備管理與發(fā)展論證。朱延雷(1983-),男,博士研究生。

收稿日期：2015-10-22

文章編號：1673-3819(2016)02-0033-04

修回日期： 2015-11-02

何榕(1983-),女,博士研究生。