關(guān)于體系作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建方法的研究分析

丁劍飛 司光亞 楊鏡宇 李保強(qiáng)

體系(System of Systems,SoS)的基本含義是由系統(tǒng)組成的系統(tǒng),早在1964年,Berry提出了“systems within systems”的概念[1].其后,Ackof f提出了“a system of systems”的概念,承認(rèn)某些體系具有演化性、適應(yīng)性、學(xué)習(xí)等特性[2].從復(fù)雜性科學(xué)角度,國防大學(xué)胡曉峰教授指出體系具有3個(gè)獨(dú)特的性質(zhì)[3],體系性質(zhì)是復(fù)雜的,具有涌現(xiàn)性;體系結(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)的,具有進(jìn)化性;體系能力是對(duì)抗的,具有相對(duì)性.軍事體系通常由國家軍事戰(zhàn)略體系、聯(lián)合作戰(zhàn)體系、武器裝備體系和保障體系等體系組成.在系統(tǒng)工程領(lǐng)域,目前研究比較多的是作戰(zhàn)體系和武器裝備體系,也是本文要描述的體系.在文獻(xiàn)[13]指出體系是針對(duì)特定目的,由多種系統(tǒng)以特定方式組成的整體.文獻(xiàn)[25]進(jìn)一步指出作戰(zhàn)體系和武器裝備體系的不同在于研究的問題不同,但可以認(rèn)為它們所依托的體系是相同或相似的.它們都具有整體、動(dòng)態(tài)、對(duì)抗的基本特性[4],我們這里研究的體系體現(xiàn)了它們的共同特征.

張最良教授認(rèn)為,效能是在規(guī)定條件下完成任務(wù)的程度.美國海軍認(rèn)為,效能是“在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定任務(wù)之程度的指標(biāo)”或“系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)滿足作戰(zhàn)需要的概率”.國軍標(biāo)GJB1364-92也對(duì)效能進(jìn)行了定義,即效能為武器裝備在“規(guī)定的條件”下達(dá)到“規(guī)定使用目標(biāo)”的“能力”.效能主要包括3種:單項(xiàng)效能、系統(tǒng)效能和作戰(zhàn)效能.單項(xiàng)效能,通常用單一指標(biāo)表示,指對(duì)“單一目標(biāo)”所能達(dá)到的程度.系統(tǒng)效能,通常用于武器裝備單項(xiàng)效能的綜合評(píng)價(jià),典型的評(píng)估模型是ADC模型.作戰(zhàn)效能,是指在規(guī)定條件下,衡量某種作戰(zhàn)力量完成作戰(zhàn)任務(wù)的程度.

效能指標(biāo)反映了作戰(zhàn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)程度,是運(yùn)籌方案和裝備力量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),指標(biāo)選取的合理性對(duì)運(yùn)籌問題的研究成敗具有決定意義[5?6].雖然關(guān)于指標(biāo)體系的構(gòu)建原則和方法,學(xué)術(shù)界已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究,但是隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來和體系作戰(zhàn)體現(xiàn)的新特點(diǎn),現(xiàn)有的方法已經(jīng)不能滿足新的需要,這里對(duì)現(xiàn)有的方法進(jìn)行分類分析,希望能對(duì)體系作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系的研究工作起到一定的作用.

1 指標(biāo)體系的框架結(jié)構(gòu)

美國軍事運(yùn)籌學(xué)家萊博維茨(M.L.Leibowiz)指出,效能指標(biāo)類似于一種道德原則,單憑推理是不可能確定某種道德原則是否正確,我們必須進(jìn)行價(jià)值判斷,必須憑“感覺”行事[5].因此,指標(biāo)的選取和指標(biāo)體系的構(gòu)建往往需要從定量和定性兩個(gè)方面出發(fā),由決策者和專業(yè)人員共同完成.從這里可以看出指標(biāo)體系的構(gòu)建原則沒有明確的標(biāo)準(zhǔn),是一種涉及多個(gè)學(xué)科多個(gè)領(lǐng)域,涉及不同知識(shí)的綜合和不同背景人員的協(xié)作問題.這也就決定了指標(biāo)體系構(gòu)建原則是多樣性的和不斷發(fā)展的.

張最良教授[5]從運(yùn)籌研究的角度提出了4點(diǎn)要求:1)要針對(duì)特定的運(yùn)籌問題,能夠體現(xiàn)相應(yīng)軍事任務(wù)的需要.2)要具有敏感性,能夠?qū)Ψ桨富蛭淦餮b備的優(yōu)劣進(jìn)行判斷.3)要具有明顯的物理意義,能夠構(gòu)建求解模型,計(jì)算簡便.4)可以在實(shí)際的演習(xí)或?qū)嶒?yàn)中應(yīng)用,達(dá)到評(píng)估的效果.

國防科技大學(xué)羅鵬程等[6]從指標(biāo)體系構(gòu)建的角度出發(fā),指出指標(biāo)體系既要具有系統(tǒng)性、完整性、可測(cè)性和獨(dú)立性,還要具有多層次的結(jié)構(gòu),這種層次結(jié)構(gòu)應(yīng)該與作戰(zhàn)過程和作戰(zhàn)體系相一致,能夠反映下層指標(biāo)向上層指標(biāo)的可聚合性.

空軍預(yù)警學(xué)院胡磊博士[7]在研究預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建時(shí),提出了4條原則:1)要針對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)的特有的預(yù)警作戰(zhàn)能力進(jìn)行評(píng)估.2)要能全面評(píng)估衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)警作戰(zhàn)能力.3)要具有層次性,從上層不確定指標(biāo)能逐層分解出可量化的確定性指標(biāo).4)確保底層的指標(biāo)是可以通過不同方式進(jìn)行度量的.

國防大學(xué)許相莉博士[8]針對(duì)網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)的指標(biāo)體系構(gòu)建指出:1)與傳統(tǒng)火力作戰(zhàn)能力評(píng)估的樹狀指標(biāo)體系相比,新的作戰(zhàn)樣式更加注重整體性,因此,需要網(wǎng)絡(luò)化的指標(biāo)體系.2)與傳統(tǒng)靜態(tài)獨(dú)立的分析單個(gè)指標(biāo)相比,網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)變化,更加需要考慮指標(biāo)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)性.3)作戰(zhàn)是一個(gè)對(duì)抗過程,體系作戰(zhàn)更是整體的對(duì)抗,因而體系效能評(píng)估指標(biāo)體系要能夠反映對(duì)抗性的特征.

2 指標(biāo)的選取和聚合具體方法研究

根據(jù)指標(biāo)體系的研究對(duì)象,指標(biāo)選取和聚合的方法,我們將指標(biāo)體系的構(gòu)建方法分為4類分別進(jìn)行描述分析.

2.1 綜合評(píng)價(jià)方法

主要采用傳統(tǒng)的層次分析法、模糊綜合評(píng)判法和灰色系統(tǒng)效能分析等方法.在以往的作戰(zhàn)效能評(píng)估中被廣泛采用,具有操作簡單、數(shù)據(jù)易于處理等優(yōu)點(diǎn).但在大數(shù)據(jù)處理和指標(biāo)客觀性等方面都存在明顯的缺陷.針對(duì)這些缺點(diǎn)研究者提出了許多改進(jìn),但指標(biāo)之間的無相關(guān)性和指標(biāo)體系的全面性始終無法得到很好的解決.

羅鵬程等[6]將指標(biāo)體系分為活動(dòng)層、行動(dòng)層、戰(zhàn)斗層,根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)先選取各層與具體作戰(zhàn)任務(wù)相關(guān)的2級(jí)指標(biāo),主要以反映各層的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)為主.然后,對(duì)2級(jí)指標(biāo)進(jìn)行無量綱化(規(guī)范化、歸一化),并采用多屬性評(píng)價(jià)的方法和模型進(jìn)行規(guī)范聚合計(jì)算,以得到任務(wù)的完成效益和完成代價(jià)這種更加概括的1級(jí)指標(biāo).每個(gè)層次的指標(biāo)聚合模型都分為同層次聚合模型和跨層次聚合模型兩個(gè)部分:所謂同層次聚合模型,就是通過聚合當(dāng)前層次的2級(jí)作戰(zhàn)效能指標(biāo),來獲得1級(jí)作戰(zhàn)效能指標(biāo);所謂跨層次聚合模型,就是通過聚合下層的2級(jí)作戰(zhàn)效能指標(biāo),來獲得當(dāng)前層次的2級(jí)作戰(zhàn)效能指標(biāo).在此基礎(chǔ)上,他們提出了一種新的作戰(zhàn)能力指標(biāo)聚合的方法,利用“折合系數(shù)”解決了不同裝備對(duì)作戰(zhàn)能力的影響問題[10].這些方法雖然利用定性和定量相結(jié)合的方法解決了單個(gè)指標(biāo)和整體能力的關(guān)系問題.但方法的可靠性,指標(biāo)的相關(guān)性等重要問題都沒有考慮.

國防科技大學(xué)魯延京博士[11]針對(duì)體系能力指標(biāo)的不確定性問題,利用了區(qū)間數(shù)的方法對(duì)體系的能力指標(biāo)進(jìn)行了描述.該方法的基礎(chǔ)是基于層次分析的結(jié)構(gòu),對(duì)層次之間聚合的計(jì)算上,采用了TOPSIS的線性規(guī)劃方法求解求解指標(biāo)的權(quán)重問題,而對(duì)于指標(biāo)的區(qū)間數(shù)的確定引入了專家經(jīng)驗(yàn).在該工作的基礎(chǔ)上,針對(duì)專家經(jīng)驗(yàn)的可信性問題魯延京博士又提出了利用BN網(wǎng)絡(luò)分析能力的重要性的方法.該方法的關(guān)鍵步驟是:利用原有的置信度區(qū)間數(shù)對(duì)體系能力進(jìn)行度量;在利用beta分布對(duì)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估,得出驗(yàn)證模型;以此驗(yàn)證模型為基礎(chǔ),利用BN網(wǎng)絡(luò)分析體系能力.該方法初步利用了數(shù)據(jù)挖掘的思想,但對(duì)指標(biāo)之間的相關(guān)性、指標(biāo)與能力的關(guān)系并沒有明確的分析.

海軍航空工程學(xué)院潘科等[12]利用一定的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化將定性指標(biāo)和定量指標(biāo)進(jìn)行無量綱規(guī)范化,依據(jù)與各指標(biāo)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息,采用熵值法確定指標(biāo)的權(quán)重關(guān)系,改進(jìn)了原有的多屬性決策算法.

海軍大連艦艇學(xué)院陳奇博士[14]提出了指標(biāo)權(quán)重確定算法、指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理模型、聚合模型等一系列量化方法.首次提出了基于一致性排序原理的一致性排序權(quán)重確定方法.在指標(biāo)歸一化方面,根據(jù)將指標(biāo)進(jìn)行分類,分別提出了效益性指標(biāo)歸一化模型、成本性指標(biāo)歸一化模型、適度型指標(biāo)歸一化模型、區(qū)間型指標(biāo)歸一化模型.在指標(biāo)聚合方面,根據(jù)指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系,分別采用了不同的聚合方法.對(duì)指標(biāo)間相互獨(dú)立的采用了加法方式;對(duì)于強(qiáng)相關(guān)的,采用乘法方式,體現(xiàn)“短板”指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的制約性;對(duì)于體現(xiàn)相同效果的指標(biāo),采用代換法.

解放軍理工大學(xué)張亮等[15]提出了一種灰色關(guān)聯(lián)矩陣和層次分析法相結(jié)合的方法,利用層次分析法的思想構(gòu)建指標(biāo)體系的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系圖,由專家意見確定各指標(biāo)的權(quán)重和評(píng)估對(duì)象的數(shù)值,得到評(píng)價(jià)矩陣.將評(píng)價(jià)矩陣與灰色關(guān)聯(lián)分析矩陣相匹配得到新的關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣.通過修訂理想對(duì)象和評(píng)價(jià)對(duì)象的相關(guān)性重新確定指標(biāo)的權(quán)重,達(dá)到構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)的指標(biāo)體系.

2.2 整體性評(píng)價(jià)方法

這類方法主要從系統(tǒng)論的角度出發(fā),認(rèn)為體系是特殊的復(fù)雜系統(tǒng),其作戰(zhàn)效能具有各組分功能涌現(xiàn)的特點(diǎn),因而體系級(jí)的作戰(zhàn)效能不再是以還原論為依據(jù)的自下而上疊加出來的,而只能從整體角度去反映.

北京工程系統(tǒng)研究所于芹章等[16]開展了基于整體效果的裝備體系作戰(zhàn)效能評(píng)估方法研究,提出將信息效能、決策效能和行動(dòng)效能作為體系效能指標(biāo),構(gòu)建了評(píng)估元模型,但未對(duì)數(shù)據(jù)獲取和處理方法進(jìn)行說明和實(shí)驗(yàn).

裝備學(xué)院李小喜博士[17]提出一種通過構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型選取指標(biāo)的方法,能夠從大量指標(biāo)中挖掘出對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果具有顯著影響的主要因素,很大程度上減少了指標(biāo)選取不完整對(duì)效能評(píng)估的影響.

2.3 面向C4ISR的網(wǎng)絡(luò)特征分析方法

武器裝備體系很重要的特點(diǎn)表現(xiàn)在綜合電子信息系統(tǒng)(C4ISR)對(duì)武器裝備的粘合作用,以及通過它粘合各組分系統(tǒng)形成的武器裝備體系的整體性能力,因而通過分析C4ISR的網(wǎng)絡(luò)特征可以評(píng)估體系的整體作戰(zhàn)效能.

藍(lán)羽石等[18]采用信息流的方式分析網(wǎng)絡(luò)化C4ISR系統(tǒng),定義了3種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)效性分析指標(biāo),分別包括情報(bào)信息時(shí)延、協(xié)同信息時(shí)延、指控信息流時(shí)延.通過以上3類指標(biāo)來反映整個(gè)作戰(zhàn)過程的時(shí)效性.

臧壘等[19]分析C4ISR系統(tǒng)效能評(píng)估時(shí)提出了四層度量的理論.最底層是尺度參數(shù)(DP),度量了系統(tǒng)自身的屬性和性能;往上一層是性能度量(MOP),度量了系統(tǒng)行為和任務(wù)參數(shù);再上層是效能度量(MOE),定量化描述了系統(tǒng)完成任務(wù)的程度.最頂層是作戰(zhàn)效能度量(MOFE),度量了在特定作戰(zhàn)環(huán)境中完成任務(wù)的程度.他們從物理域、信息域和認(rèn)知域3個(gè)層面建立了C4ISR系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系,該指標(biāo)體系包括信息優(yōu)勢(shì)、決策優(yōu)勢(shì)和兵力優(yōu)勢(shì)3個(gè)遞進(jìn)層次,并給出了指標(biāo)量化的方法.

王鈺等[20]以文獻(xiàn)[19]為基礎(chǔ),在聯(lián)合戰(zhàn)役背景下,對(duì)C4ISR系統(tǒng)MOE層進(jìn)行了分析,提出了綜合性能指標(biāo)體系,主要包括態(tài)勢(shì)感知效能指標(biāo)、決策支持效能、指揮引導(dǎo)效能等.劉俊先等[21]對(duì)C4ISR系統(tǒng)效能評(píng)估指標(biāo)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,把指標(biāo)之間的關(guān)系定義為依賴關(guān)系和影響關(guān)系,構(gòu)建了指標(biāo)關(guān)系矩陣,并證明了依賴關(guān)系和影響關(guān)系的存在性.

2.4 基于體系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分析方法

系統(tǒng)論認(rèn)為,微觀層次上大范圍的協(xié)同運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了系統(tǒng)宏觀整體上的突現(xiàn)行為,而這種突現(xiàn)行為可以解釋為微觀層次上個(gè)體之間聯(lián)系所導(dǎo)致.在傳統(tǒng)的“平臺(tái)中心戰(zhàn)”條件下,體系內(nèi)部之間的關(guān)系對(duì)體系作戰(zhàn)能力的貢獻(xiàn)還不明顯,隨著信息化條件下“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”特征的突現(xiàn),體系的結(jié)構(gòu)關(guān)系對(duì)體系作戰(zhàn)能力的貢獻(xiàn)越來越突出,必然要求在體系作戰(zhàn)能力評(píng)估中要充分考慮到這種“體系結(jié)構(gòu)關(guān)系”的特性.

羅鵬程等[6]從結(jié)構(gòu)關(guān)系的角度研究體系作戰(zhàn)能力,提出了體系連通性的概念,關(guān)注體系內(nèi)系統(tǒng)尋求、獲取、提供信息支持/指揮控制等的能力,并根據(jù)連通性矩陣的譜范數(shù)、有向圖的生成樹數(shù)量和等指標(biāo)度量體系的連通性.

許相莉[8]以指控網(wǎng)為例,在對(duì)指控體系網(wǎng)以鄰接矩陣的形式定義的基礎(chǔ)上,依據(jù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論,選取了活動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量、度、層級(jí)、功能重心、連通度、鏈路節(jié)點(diǎn)比、介數(shù)、中立率、集群、散度等體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)特征的基礎(chǔ)指標(biāo),并分析了網(wǎng)絡(luò)能力和指標(biāo)之間的聚合關(guān)系,從而初步建立了對(duì)指控網(wǎng)進(jìn)行效能評(píng)估的指標(biāo)體系.

海軍航空工程學(xué)院賈子英博士[22]對(duì)網(wǎng)絡(luò)化防空體系進(jìn)行了研究,把防空體系看成一個(gè)有向網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)代表作戰(zhàn)單元,整個(gè)體系作戰(zhàn)效能的評(píng)估分為節(jié)點(diǎn)的作戰(zhàn)效能和節(jié)點(diǎn)協(xié)同產(chǎn)生的效能.節(jié)點(diǎn)的作戰(zhàn)效能,度量了各節(jié)點(diǎn)完成作戰(zhàn)任務(wù)的程度.節(jié)點(diǎn)協(xié)同的效能反映了節(jié)點(diǎn)之間協(xié)同完成任務(wù)的情況,以鄰接矩陣的最大特征值作為網(wǎng)絡(luò)化效能的系數(shù).

賈子英等[23]同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)化防空體系生存能力進(jìn)行了研究,針對(duì)以前研究作戰(zhàn)體系生存問題時(shí)只考慮物理屬性,不能有效體現(xiàn)防空體系網(wǎng)絡(luò)性能的情況.在考慮物理生存能力的基礎(chǔ)上,結(jié)合體系的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)分析,定義了6個(gè)網(wǎng)絡(luò)化指標(biāo),分別體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)連通性能、節(jié)點(diǎn)連通性能和網(wǎng)絡(luò)抗毀性能,提出了同時(shí)反映防空體系物理屬性和網(wǎng)絡(luò)性能的生存能力評(píng)估指標(biāo)體系.

3 檢驗(yàn)方法

北京電子工程總體研究所趙文婷[24]給出了網(wǎng)絡(luò)化體系作戰(zhàn)效能仿真驗(yàn)證的總體思路和效能評(píng)估試驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案.驗(yàn)證方法為固定其他因素,變動(dòng)一種因素進(jìn)行效果分析和靈敏度分析.賈子英等[23]提出了從完備性、合理性、有效性等3個(gè)方面來檢驗(yàn)指標(biāo)體系的實(shí)用性.完備性檢驗(yàn),是通過查閱資料和反復(fù)咨詢專家等形式,檢驗(yàn)指標(biāo)體系的全面性和無交叉性.合理性檢驗(yàn),利用層次分析法得到的指標(biāo)權(quán)重,來判斷指標(biāo)價(jià)值.有效性檢驗(yàn),采用專家打分的效度系數(shù)法,檢驗(yàn)指標(biāo)認(rèn)可的一致性.

4 現(xiàn)狀分析

1)從指標(biāo)體系構(gòu)建的原則看.隨著對(duì)指標(biāo)體系認(rèn)識(shí)的不斷深化,研究人員提出的原則已部分體現(xiàn)了指標(biāo)體系的基本特征和體系作戰(zhàn)新的變化,但仍需要進(jìn)一步探索能體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化體系特點(diǎn)的更具指導(dǎo)性原則.

2)從指標(biāo)體系構(gòu)建的基礎(chǔ)看.近年來,大數(shù)據(jù)概念的提出,使得在作戰(zhàn)訓(xùn)練和裝備研究中已經(jīng)積累了大量豐富的數(shù)據(jù),但目前研究方法的基礎(chǔ)更多地還是小數(shù)據(jù)模式和專家定性判斷.

3)從指標(biāo)體系構(gòu)建的方法看.現(xiàn)有的大部分方法仍然是以層次分析法為基礎(chǔ)的靜態(tài)分析方法,指標(biāo)間的相關(guān)性,層次之間的聚合關(guān)系,指標(biāo)的全面性等基礎(chǔ)特征仍沒有很好的解決方法.

4)從指標(biāo)體系取得的效果看.現(xiàn)有方法構(gòu)建的指標(biāo)體系,還只能滿足靜態(tài)條件下,對(duì)單方的評(píng)估,而不能滿足動(dòng)態(tài)、整體、對(duì)抗條件的評(píng)估需要.

5 結(jié)論

本文從研究對(duì)象入手,對(duì)作戰(zhàn)體系效能評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建原則,體系的框架結(jié)構(gòu),指標(biāo)的選取和聚合,指標(biāo)體系的驗(yàn)證等多個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有的指標(biāo)體系構(gòu)建方法進(jìn)行了描述、分析和總結(jié).指出目前指標(biāo)體系研究存在的一些問題:指導(dǎo)原則需要面向信息化條件下網(wǎng)絡(luò)化體系作戰(zhàn),研究的基礎(chǔ)應(yīng)由主觀少量數(shù)據(jù)向客觀大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變,研究方法應(yīng)由靜態(tài)分析法向基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析的智能學(xué)習(xí)方法靠攏,使得評(píng)估效果上體現(xiàn)動(dòng)態(tài)、整體、對(duì)抗的體系特征.