武器裝備體系結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度評(píng)估

羅小明， 何　榕， 朱延雷

(1. 裝備學(xué)院航天指揮系， 北京 101416； 2. 裝備學(xué)院研究生管理大隊(duì)， 北京 101416)

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武器裝備體系結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度評(píng)估

羅小明1， 何榕2， 朱延雷2

(1. 裝備學(xué)院航天指揮系， 北京 101416； 2. 裝備學(xué)院研究生管理大隊(duì)， 北京 101416)

定義了武器裝備體系結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度的基本概念，構(gòu)建了武器裝備體系功能結(jié)構(gòu)和信息結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度評(píng)估指標(biāo)體系，研究了基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論和結(jié)構(gòu)方程模型(Structual Equation Modeling，SEM)的武器裝備體系結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度評(píng)估方法，并通過某反導(dǎo)預(yù)警裝備體系結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度分析示例，描述了武器裝備體系結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度評(píng)估的具體過程和做法。

武器裝備體系結(jié)構(gòu)； 體系貢獻(xiàn)度； 結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度； 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)； 結(jié)構(gòu)方程模型

武器裝備體系結(jié)構(gòu)是構(gòu)成武器裝備體系的各類武器系統(tǒng)及其相互關(guān)系。它決定了武器裝備體系的形態(tài)、屬性和功能，也是武器裝備體系連通戰(zhàn)場(chǎng)信息、保持各組分系統(tǒng)有序運(yùn)作、發(fā)揮整體效能的內(nèi)在依據(jù)。研究武器裝備體系結(jié)構(gòu)的建模、特性度量與優(yōu)化等機(jī)理和方法，回答“結(jié)構(gòu)是什么”、“結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度評(píng)什么”、“結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度怎么評(píng)”等問題，既是武器裝備體系建設(shè)與科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是武器裝備發(fā)展論證、作戰(zhàn)試驗(yàn)開展、作戰(zhàn)使用保障和實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練等迫切需要解決的關(guān)鍵問題。

1　基本概念

1.1武器裝備體系結(jié)構(gòu)

基于SCAS(Sensor-Controller-Actuator-Supporter)的柔性建模方法，可將武器裝備體系的組分系統(tǒng)分為偵察探測(cè)系統(tǒng)(傳感器類(Sensor))、指揮控制系統(tǒng)(控制器類(Controller))、火力打擊系統(tǒng)(執(zhí)行器類(Actuator))和綜合保障系統(tǒng)(支持器類(Supporter))。其中：偵察探測(cè)系統(tǒng)包括預(yù)警、偵察、情報(bào)和戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng)；指揮控制系統(tǒng)包括作戰(zhàn)指揮、通信和戰(zhàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)；火力打擊系統(tǒng)包括火力打擊平臺(tái)或主戰(zhàn)武器系統(tǒng)；綜合保障系統(tǒng)包括作戰(zhàn)保障、裝備保障和后勤保障系統(tǒng)[1-3]。因此，武器裝備體系結(jié)構(gòu)可定義為：用于實(shí)現(xiàn)偵察探測(cè)、指揮控制、火力打擊和綜合保障等功能的各類武器裝備系統(tǒng)，以及這些武器裝備系統(tǒng)之間的數(shù)量關(guān)系、空間關(guān)系、時(shí)間關(guān)系、信息保障關(guān)系和作戰(zhàn)協(xié)同關(guān)系等。筆者將武器裝備體系結(jié)構(gòu)劃分為功能結(jié)構(gòu)和信息結(jié)構(gòu)2大類。其中：功能結(jié)構(gòu)主要描述武器裝備體系的適編性、靈活性、高效性和魯棒性[4]119-121；信息結(jié)構(gòu)主要描述武器裝備體系的信息保障質(zhì)量、信息保障時(shí)效性及作戰(zhàn)協(xié)同能力。

1.2武器裝備體系結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度

武器裝備體系結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度可定義為[5]：對(duì)己方作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)效能(能力)提升的貢獻(xiàn)程度，或?qū)撤阶鲬?zhàn)體系結(jié)構(gòu)效能(能力)下降的貢獻(xiàn)程度。具體表現(xiàn)為體系結(jié)構(gòu)特性或能力(“質(zhì)”)、體系結(jié)構(gòu)效能(“量”)的變化量(直接貢獻(xiàn)度)和變化率(相對(duì)貢獻(xiàn)度)。

2　功能結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度

武器裝備體系功能結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度評(píng)估指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1　武器裝備體系功能結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度評(píng)估指標(biāo)體系

2.1任務(wù)編成能力

在體系作戰(zhàn)或聯(lián)合作戰(zhàn)中，單件武器裝備之間、單件武器裝備與武器裝備系統(tǒng)之間、武器裝備系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的交鏈耦合性越來越強(qiáng)，單件武器裝備如不能融入作戰(zhàn)體系，就無法發(fā)揮其作戰(zhàn)效能。如：作戰(zhàn)中是否需要保障，是否能實(shí)施有效保障；裝備戰(zhàn)斗編組是否能充分發(fā)揮綜合打擊能力，是否能自身防衛(wèi)或在其他武器防護(hù)下提高生存能力和突防能力；人機(jī)結(jié)合是否合理，戰(zhàn)時(shí)是否能實(shí)現(xiàn)快速修復(fù)等。對(duì)這種結(jié)合的把握，既要考慮該裝備自身的戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)性能和作戰(zhàn)使用性能，又要考慮該裝備與其他系統(tǒng)的綜合集成度以及與部隊(duì)行動(dòng)的協(xié)調(diào)匹配性，其實(shí)質(zhì)就是任務(wù)編成(即適編性)問題。

2.2結(jié)構(gòu)特性能力

靈活性、高效性和魯棒性是武器裝備體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具備的基本特性[4]119-129。靈活性(Flexibility)反映武器裝備體系結(jié)構(gòu)適應(yīng)其作戰(zhàn)任務(wù)及內(nèi)、外部環(huán)境變化的能力(如配置能力、接入能力、組合能力和調(diào)整能力等)，其結(jié)構(gòu)特性主要用聚集系數(shù)[4]125和度分布[4]123來衡量。其中：聚集系數(shù)反映武器裝備體系結(jié)構(gòu)的整體性(集團(tuán)化)程度；度分布反映武器裝備體系中各組分系統(tǒng)的拓?fù)溥B接情況。高效性(Efficiency)是對(duì)武器裝備體系結(jié)構(gòu)運(yùn)行效率的綜合度量，體現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)高效性的要素主要包括時(shí)效性、協(xié)同性、共享性、擇優(yōu)性和均衡性，其結(jié)構(gòu)特性主要用平均路徑長(zhǎng)度[6]或網(wǎng)絡(luò)效率來衡量，其中：平均路徑長(zhǎng)度用來表征武器裝備體系的有序運(yùn)作特性。魯棒性(Robustness)反映武器裝備體系各組分系統(tǒng)及其相互關(guān)系在失效或降效等情況下仍保持原有效能的能力(有時(shí)也稱為健壯性)，可用抗毀度來衡量?？箽Ф戎饕糜诿枋鑫淦餮b備體系結(jié)構(gòu)中各組分系統(tǒng)及其相互關(guān)系發(fā)生失效或遭受攻擊的條件下，武器裝備體系結(jié)構(gòu)保持連通的能力。聚集系數(shù)、度分布、平均路徑長(zhǎng)度、網(wǎng)絡(luò)效率和抗毀度等為表征復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性的參數(shù)，其定義及計(jì)算方法如下[6-7]：

1)聚集系數(shù)

(1)

(2)

(3)

式中：N為網(wǎng)絡(luò)的總節(jié)點(diǎn)數(shù)。

顯然，0≤C≤1。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)均為孤立節(jié)點(diǎn)，即沒有任何連接邊時(shí)，C=0；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)都直接相連時(shí)，C=1。

2)度分布

(4)

網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)入度和出度的分布情況可分別用分布函數(shù)P(k)in和P(k)out來表示，分別表示網(wǎng)絡(luò)中其入度值和出度值剛好等于k的節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所占的比例。

3)平均路徑長(zhǎng)度

網(wǎng)絡(luò)G中2個(gè)節(jié)點(diǎn)vi和vj之間的距離dij定義為連接這2個(gè)節(jié)點(diǎn)的最短路徑上的邊數(shù)，其倒數(shù)1/dij稱為節(jié)點(diǎn)vi和vj之間的傳輸效率，記為εij。通常效率用以度量節(jié)點(diǎn)之間的信息傳遞速度，當(dāng)vi和vj之間沒有路徑連通時(shí)，dij=∞，εij=0。

網(wǎng)絡(luò)中任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間距離的最大值稱為網(wǎng)絡(luò)的直徑，記為D，即

(5)

網(wǎng)絡(luò)G的平均路徑長(zhǎng)度L定義為任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間距離的平均值，即

(6)

一般地，平均路徑長(zhǎng)度越大，說明該體系層次越多，體系中信息的流動(dòng)、共享和同步將會(huì)越困難和低效。

4)網(wǎng)絡(luò)效率

網(wǎng)絡(luò)G的全局效能(網(wǎng)絡(luò)效率)的計(jì)算公式[7]為

(7)

5)抗毀度

一般地，體系結(jié)構(gòu)抗毀度值越大，表明體系的連接程度越好，即魯棒性越好。記體系結(jié)構(gòu)的抗毀度Inv(G)[4]127為

(8)

式中：ω為該體系結(jié)構(gòu)所包含的連通分支數(shù)；Ni為第i個(gè)連通分支的節(jié)點(diǎn)數(shù)；Li為第i個(gè)連通分支的平均路徑長(zhǎng)度。

3　信息結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度

武器裝備體系信息結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度評(píng)估指標(biāo)體系如圖2所示。

圖2　武器裝備體系信息結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度評(píng)估指標(biāo)體系

3.1信息保障質(zhì)量

信息保障質(zhì)量主要從文字、語音和圖像3個(gè)方面對(duì)信息互聯(lián)互通能力進(jìn)行度量[8]99。其中：文字保障質(zhì)量主要采用帶寬、可靠度和速度來描述；語音保障質(zhì)量主要采用帶寬和可靠度來描述；圖像保障質(zhì)量主要采用帶寬、可靠度和分辨率來描述。信息保障質(zhì)量主要采用定性評(píng)分法進(jìn)行評(píng)定，一般將信息保障質(zhì)量分為“很高、較高、中等、較低、很低”5個(gè)等級(jí)，并分別賦值(0.85，1]、(0.60，0.85]、(0.40，0.60]、(0.15，0.40]、[0，0.15]。

3.2信息保障時(shí)效性

時(shí)效性是指武器裝備體系中各武器裝備系統(tǒng)之間進(jìn)行信息、物質(zhì)和能量交流的快慢程度。時(shí)效性越強(qiáng)，各武器裝備系統(tǒng)之間的交互就越順暢，武器裝備體系的作戰(zhàn)效能(能力)就越高。信息保障時(shí)效性反映信息獲取/處理/分發(fā)單元、決策控制單元及響應(yīng)執(zhí)行單元等信宿單元能否及時(shí)獲取相關(guān)保障信息，其為信息獲取(偵察探測(cè))單元、信息處理單元和通信保障單元等信源單元發(fā)送信息到信宿單元(指揮控制系統(tǒng)、火力打擊系統(tǒng)、綜合保障系統(tǒng))接收到該信息的平均時(shí)間間隔[4]189-192。

3.3作戰(zhàn)協(xié)同能力

作戰(zhàn)協(xié)同能力主要反映武器裝備體系在指揮決策和作戰(zhàn)控制等方面的能力或效果，一般可用指揮控制周期(或OODA環(huán)時(shí)長(zhǎng)，OODA指Observe(觀察)、Orient(判斷)、Decide(決策)、Act(行動(dòng))或偵(察)、控(制)、打(擊)、評(píng)(估)過程)、指揮容量(指揮控制系統(tǒng)能夠同時(shí)指揮控制的武器系統(tǒng)(平臺(tái))或作戰(zhàn)部隊(duì)(作戰(zhàn)單元)的最大數(shù)量)、武器協(xié)同控制能力(包括武器協(xié)同類型、數(shù)量、時(shí)效性和準(zhǔn)確性)、作戰(zhàn)控制成功率(指揮控制系統(tǒng)對(duì)武器系統(tǒng)(平臺(tái))或作戰(zhàn)部隊(duì)(作戰(zhàn)單元)控制成功的次數(shù)與總的控制數(shù)之比)等指標(biāo)來衡量[3]。

3.4信息結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度的SEM建模與評(píng)估

3.4.1SEM的基本原理

結(jié)構(gòu)方程模型(Structural Equation Modeling, SEM)又稱結(jié)構(gòu)方程建?；蚪Y(jié)構(gòu)方程分析。其基本思想是在顯變量(Observed Variable)和潛變量(Latent Variable)定性關(guān)系模型的基礎(chǔ)上，通過利用顯變量的觀測(cè)數(shù)據(jù)將這種定性關(guān)系模型轉(zhuǎn)換為定量關(guān)系模型，并對(duì)該定量關(guān)系模型進(jìn)行參數(shù)檢驗(yàn)和擬合程度檢驗(yàn)，直到得到滿意的SEM[8]131。

3.4.2信息結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度SEM建模

圖3　武器裝備體系信息結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度評(píng)估的SEM

變量潛變量(信息結(jié)構(gòu)能力指標(biāo))顯變量(信息結(jié)構(gòu)效能指標(biāo))外生變量文字保障質(zhì)量x1信息保障質(zhì)量ξ1語音保障質(zhì)量x2圖像保障質(zhì)量x3信息獲取時(shí)長(zhǎng)x4信息保障時(shí)效性ξ2信息處理時(shí)長(zhǎng)x5信息傳輸時(shí)長(zhǎng)x6內(nèi)生變量作戰(zhàn)協(xié)同能力η1指揮控制周期y1指揮容量y2 武器協(xié)同控制數(shù)量y3 作戰(zhàn)控制成功率y4

模型的測(cè)量方程為

(9)

(10)

于是，可得武器裝備體系信息結(jié)構(gòu)效能、信息結(jié)構(gòu)能力、信息結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度指標(biāo)之間的定量關(guān)系模型為

(11)

(12)

(13)

由此可見：當(dāng)獲得x1，x2，…，x6和y1，y2，…，y4的測(cè)量值時(shí)，即可解算出信息結(jié)構(gòu)能力指標(biāo)ξ1、ξ2和η1，并通過對(duì)比分析當(dāng)x1，x2，…，x6變化時(shí)ξ1、ξ2、η1的變化情況，進(jìn)而分析該武器裝備體系相應(yīng)的信息結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度。

4　示例分析

反導(dǎo)預(yù)警裝備體系包括由天基情報(bào)網(wǎng)、空基/臨基情報(bào)網(wǎng)及地基情報(bào)網(wǎng)組成的偵察探測(cè)系統(tǒng)和由通信衛(wèi)星、通信網(wǎng)及相應(yīng)的通信交換樞紐等組成的信息傳輸系統(tǒng)，且通過戰(zhàn)略、戰(zhàn)役、區(qū)域3級(jí)指揮機(jī)構(gòu)組成的指揮體系進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，從而構(gòu)成一體化的多元立體預(yù)警體系，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如圖4所示[9-10]。

圖4　反導(dǎo)預(yù)警裝備體系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

設(shè)GA為圖4所示的反導(dǎo)預(yù)警裝備體系，示例GB為無天基情報(bào)網(wǎng)支援的反導(dǎo)預(yù)警裝備體系。表2為2種反導(dǎo)預(yù)警裝備體系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)各參數(shù)分析結(jié)果。

表2　2種反導(dǎo)預(yù)警裝備體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)分析結(jié)果

由表2可以看出：與GB相比，GA具有更明顯的“扁平化”結(jié)構(gòu)，較小的網(wǎng)絡(luò)直徑和平均路徑長(zhǎng)度，較高的聚集系數(shù)、抗毀度及網(wǎng)絡(luò)效率，因而GA呈現(xiàn)出更好的靈活性、高效性和魯棒性。從提升網(wǎng)絡(luò)效率的角度來看，天基情報(bào)網(wǎng)對(duì)反導(dǎo)預(yù)警裝備體系功能結(jié)構(gòu)的相對(duì)貢獻(xiàn)度為

將信息結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度評(píng)估示例SEM輸入軟件LISREL 8.7，該軟件采用極大似然估計(jì)法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，24個(gè)待估參數(shù)的估計(jì)值及其顯著性t檢驗(yàn)值如表3所示。表4為SEM的主要擬合指數(shù)值。

表3　SEM參數(shù)估計(jì)值及t檢驗(yàn)值

表4　SEM主要擬合指數(shù)值

由表3、4可以看出：基于SEM構(gòu)建的反導(dǎo)預(yù)警裝備體系信息結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度評(píng)估模型及其參數(shù)估計(jì)值是合理的，可以將估計(jì)的參數(shù)值作為其結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度評(píng)估的參數(shù)。利用SEM參數(shù)估計(jì)值，可得反導(dǎo)預(yù)警裝備體系信息結(jié)構(gòu)效能、信息結(jié)構(gòu)能力、信息結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度指標(biāo)之間的定量關(guān)系模型為

ξ1=0.439x1+0.422x2+0.457x3-0.188；

(14)

ξ2=-0.388x4-0.407x5-0.439x6+0.296；

(15)

η1=-0.291y1+0.313y2+0.329y3+

0.313y4+0.151。

(16)

表5為2種反導(dǎo)預(yù)警裝備體系信息結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度評(píng)估SEM相應(yīng)的輸入?yún)?shù)，即2種反導(dǎo)預(yù)警裝備體系結(jié)構(gòu)效能指標(biāo)測(cè)量值。由式(14)-(16)可得相應(yīng)的評(píng)估結(jié)果，如表6所示。

由表6可以看出：GA比GB具有更優(yōu)的信息保障質(zhì)量、信息保障時(shí)效性以及作戰(zhàn)協(xié)同能力，從提升體系的信息保障質(zhì)量、信息保障時(shí)效性、作戰(zhàn)協(xié)同能力的角度來看，應(yīng)該選擇具有天基情報(bào)網(wǎng)的反導(dǎo)預(yù)警裝備體系。

表5　2種反導(dǎo)預(yù)警裝備體系結(jié)構(gòu)效能指標(biāo)測(cè)量值

表6　2種反導(dǎo)預(yù)警裝備體系的評(píng)估結(jié)果

5　結(jié)論

武器裝備體系貢獻(xiàn)度是一個(gè)新的概念，目前尚處在理論研究和實(shí)踐探索階段。“結(jié)構(gòu)決定功能”是系統(tǒng)工程和系統(tǒng)論的基本認(rèn)識(shí)。由于體系的復(fù)雜系統(tǒng)特征和結(jié)構(gòu)的靈活、適變和動(dòng)態(tài)特性，使得武器裝備體系配置、編配使用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化成為難題，因而亟需探索其結(jié)構(gòu)建模、度量及優(yōu)化方法。筆者主要研究了武器裝備體系結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度的基本概念、評(píng)估指標(biāo)體系以及評(píng)估方法等問題，并給出了一個(gè)演示示例，以期為武器裝備發(fā)展論證、體系作戰(zhàn)能力建設(shè)、作戰(zhàn)試驗(yàn)開展、作戰(zhàn)使用保障和實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練等提供有效的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

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[10]李宏權(quán)，鄭國(guó)杰，裴蘭珍，等．反導(dǎo)預(yù)警作戰(zhàn)仿真模型服務(wù)體系與方法[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2015：28-33.

(責(zé)任編輯: 王生鳳)

Research on Evaluation of Contribution to Weapon Equipment System Architecture

LUO Xiao-ming1, HE Rong2, ZHU Yan-lei2

(1. Department of Space and Command, Equipment Academy, Beijing 101416, China;2. Brigade of Postgraduate Management, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

The paper defines the basic concept of weapon equipment system architecture and its contribution to system architecture. It builds the evaluation index system of contribution to function architecture and information architecture of weapon equipment system. It also has research on the evaluation methods of contribution to weapon equipment system architecture based on complex network theory and Structural Equation Modeling (SEM). Finally, according to the example analysis of anti-missile warning equipment of contribution to system architecture, the paper gives the specific processes and ways of contribution to weapon equipment system architecture evaluation.

weapon equipment system architecture; contribution to system architecture; complex network; Structural Equation Modeling (SEM)

1672-1497(2016)04-0001-06

2016-04-30

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

羅小明(1966-)，男，教授，博士。

E917

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.04.001