基于模糊層次分析的艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)體系貢獻(xiàn)率評(píng)估

管東林,吳鑫輝,常 歌

(中國(guó)人民解放軍91977部隊(duì)，北京 100036)

艦艇編隊(duì)是海軍力量重要組成部分，艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)主要綜合運(yùn)用編隊(duì)內(nèi)電子信息系統(tǒng)與裝備，將各類作戰(zhàn)資源與作戰(zhàn)單位有機(jī)整合，發(fā)揮信息系統(tǒng)對(duì)各種作戰(zhàn)力量的倍增器和粘合劑作用，完成海上重點(diǎn)方向防空、反潛、對(duì)海打擊等作戰(zhàn)任務(wù)，是海軍作戰(zhàn)裝備力量體系的重要組成部分。

艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)規(guī)劃和論證中一個(gè)重要階段是需要對(duì)其體系貢獻(xiàn)率進(jìn)行評(píng)估，利用體系貢獻(xiàn)率評(píng)估體系，可以從全局發(fā)展規(guī)劃角度評(píng)估分析信息系統(tǒng)發(fā)展方向及目標(biāo)的合理性、可行性和經(jīng)濟(jì)性，也可以從完成作戰(zhàn)任務(wù)角度定量分析信息系統(tǒng)體系能力的水平和短板，也可以從裝備體系角度定量分析完成具體任務(wù)的能力水平或滿足度，從而可以支撐完成評(píng)估“短板弱項(xiàng)”和主要建設(shè)方向，或支撐完成項(xiàng)目建設(shè)方案優(yōu)選和改進(jìn)，或支撐完成項(xiàng)目功能、性能、指標(biāo)等適用性的論證。

目前，體系貢獻(xiàn)率方法研究尚處于理論研究和初步實(shí)踐驗(yàn)證階段，各科研院校、研制單位等提出了一些體系貢獻(xiàn)率方法，但目前尚無(wú)統(tǒng)一的定義解析。文獻(xiàn)[1-3]提出了裝備體系貢獻(xiàn)率由功能完備性、結(jié)構(gòu)合理性、有效性等方面來(lái)綜合評(píng)估；文獻(xiàn)[4]提出了基于增量的度量方法、基于比值的度量方法等四種體系貢獻(xiàn)率度量評(píng)估方法；文獻(xiàn)[5]提出了武器裝備體系貢獻(xiàn)率底層指標(biāo)量化評(píng)估方法?？傮w來(lái)說(shuō)，已有各種文獻(xiàn)主要針對(duì)新研的、具體的型號(hào)裝備、裝備體系等體系貢獻(xiàn)率進(jìn)行了評(píng)估，但對(duì)于信息系統(tǒng)貢獻(xiàn)率的研究仍處于探索階段。隨著艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展，亟須建立一套體系貢獻(xiàn)率評(píng)估方法，以解決編隊(duì)信息系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展的合理性和可行性問(wèn)題。

本文主要針對(duì)艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)貢獻(xiàn)率評(píng)估問(wèn)題，通過(guò)典型作戰(zhàn)任務(wù)與能力需求分析，確定艦艇編隊(duì)作戰(zhàn)能力目標(biāo)集合，在典型任務(wù)想定背景下，構(gòu)建信息系統(tǒng)任務(wù)、能力、指標(biāo)逐層分解的關(guān)聯(lián)矩陣，分析了體系貢獻(xiàn)率評(píng)估指標(biāo)體系建立方法，針對(duì)指標(biāo)評(píng)估具有模糊性特點(diǎn)，提出了一種模糊層次分析方法來(lái)評(píng)估信息系統(tǒng)體系貢獻(xiàn)率。

1 艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)貢獻(xiàn)率評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)任務(wù)分析

艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)的使命是在聯(lián)合作戰(zhàn)條件下，為艦艇編隊(duì)遂行各種作戰(zhàn)、訓(xùn)練任務(wù)提供信息支撐。主要任務(wù)包括保障艦艇編隊(duì)實(shí)施傳感器協(xié)同探測(cè)、組織、管理控制，輔助指揮員有效地進(jìn)行編隊(duì)作戰(zhàn)籌劃，指揮控制編隊(duì)所屬作戰(zhàn)平臺(tái)、裝備要素實(shí)施協(xié)同作戰(zhàn)。

由此可見(jiàn)，艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)與普通武器型號(hào)系統(tǒng)使命任務(wù)有較大區(qū)別，普通武器型號(hào)系統(tǒng)目的性比較明確，可能是針對(duì)某一類具體能力實(shí)現(xiàn)，例如打擊距離、打擊效果等，有具體的目標(biāo)、性能、參數(shù)指標(biāo)，而信息系統(tǒng)則涉及態(tài)勢(shì)探測(cè)、作戰(zhàn)指揮、兵力控制等一系列信息感知、信息流轉(zhuǎn)、信息處理、信息應(yīng)用等“軟”性要求，其體系貢獻(xiàn)率評(píng)估指標(biāo)體系與具體武器型號(hào)有較大差別。

1.2 典型作戰(zhàn)任務(wù)與能力需求分析

艦艇編隊(duì)主要作戰(zhàn)場(chǎng)景包括對(duì)敵水面艦艇進(jìn)行聯(lián)合火力打擊、奪取重點(diǎn)海域制空權(quán)、監(jiān)視并打擊目標(biāo)海域的水下潛艇等。對(duì)于每個(gè)作戰(zhàn)場(chǎng)景，信息系統(tǒng)為滿足任務(wù)需求，可大致分為偵察預(yù)警能力、指揮控制能力、火力打擊能力、信息攻防能力四類。如表1所示。

表1 艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)“任務(wù)-能力”二維評(píng)估矩陣

通過(guò)分析不同任務(wù)對(duì)信息系統(tǒng)能力需求，以及能力的進(jìn)一步分解，可以此為依據(jù)，建立信息系統(tǒng)對(duì)不同任務(wù)完成的貢獻(xiàn)率評(píng)估指標(biāo)體系。

1.3 貢獻(xiàn)率評(píng)估指標(biāo)體系分析

根據(jù)艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)“任務(wù)-能力”二維評(píng)估矩陣，可以將艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)按層次分析法，將總體能力分為偵察預(yù)警能力、指揮控制能力、火力打擊能力、信息攻防能力四個(gè)二級(jí)指標(biāo)，而各個(gè)二級(jí)指標(biāo)又可以逐層細(xì)化分為三級(jí)或者四級(jí)指標(biāo)。如圖1所示。

圖1 艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)體系貢獻(xiàn)率評(píng)估指標(biāo)

根據(jù)構(gòu)建的艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)體系貢獻(xiàn)率評(píng)估指標(biāo)體系，可以進(jìn)一步對(duì)每個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)要求進(jìn)行詳細(xì)分析，從而形成任務(wù)-能力-指標(biāo)的體系貢獻(xiàn)率關(guān)聯(lián)評(píng)估矩陣。如表2所示。

表2 艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)“任務(wù)-能力-指標(biāo)”體系貢獻(xiàn)率關(guān)聯(lián)評(píng)估矩陣

2 艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)體系貢獻(xiàn)率綜合模糊評(píng)估方法

由于艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)屬于復(fù)雜巨系統(tǒng)，體系貢獻(xiàn)率評(píng)估又涉及很多因素，每個(gè)因素都要賦予一定權(quán)數(shù)，而因素之間又存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，且?jiàn)A雜人的主觀判斷因素，因此，很難給出一個(gè)量化的綜合評(píng)估結(jié)果，對(duì)于此類定性、定量相結(jié)合的多因素評(píng)估問(wèn)題，可以采用模糊評(píng)估方法來(lái)決策。綜合模糊評(píng)估是以模糊數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過(guò)構(gòu)建不同歸屬的隸屬函數(shù)，將一些因素定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量化評(píng)價(jià)的一種方法，具體步驟如下。

2.1 指標(biāo)體系權(quán)重系數(shù)計(jì)算

對(duì)于艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)貢獻(xiàn)率各個(gè)層級(jí)指標(biāo)體系的權(quán)重計(jì)算是一個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題。目前采用的方法主要有專家打分法、定性評(píng)估法等，但由于軍事指揮員、專家、業(yè)務(wù)人員等對(duì)不同指標(biāo)重要性的理解程度不一，缺乏定性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，客觀上存在著對(duì)同一事物判斷準(zhǔn)則不一致，打分結(jié)果缺乏定量分析的情況。針對(duì)打分評(píng)判受個(gè)人影響較大的情況，可以采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)權(quán)重值進(jìn)行計(jì)算[6]。

首先，針對(duì)艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)第一級(jí)指標(biāo)U={偵察預(yù)警、指揮控制、火力打擊、信息攻防}={u1，u2，u3，u4}，分別請(qǐng)各領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行獨(dú)立打分，提出合適的權(quán)重向量

(1)

其中，i為第一級(jí)因素個(gè)數(shù)，m為專家打分個(gè)數(shù)。然后對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行單因素統(tǒng)計(jì)，具體步驟如下：

1)對(duì)因素ui在其統(tǒng)計(jì)權(quán)重向量wij中找出最大值Mi和最小值mi；

2)選取合適的分組數(shù)k，按下式計(jì)算權(quán)重向量wij分成k組的組距

(2)

按從小到大將wij進(jìn)行分組；

3)計(jì)算wij在每組內(nèi)的頻數(shù)和頻率；

4)根據(jù)頻數(shù)和頻率的分布情況，選取頻數(shù)和頻率分布最高的權(quán)重值，作為ui的權(quán)重值wi，從而得到權(quán)重向量

W=(w1，w2，…，wi)

(3)

對(duì)于艦艇編隊(duì)二、三級(jí)指標(biāo)權(quán)重值，可以采用層次分析法(AHP)來(lái)確定各層指標(biāo)的權(quán)重，具體計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。

2.2 體系貢獻(xiàn)率模糊層次評(píng)估算法

艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)各貢獻(xiàn)率評(píng)估指標(biāo)目前還缺乏明確的定量公式計(jì)算方法，并且在不同作戰(zhàn)任務(wù)場(chǎng)景下，即使是同一系統(tǒng)，其各個(gè)指標(biāo)的體系貢獻(xiàn)率也會(huì)有所區(qū)別。因此，體系貢獻(xiàn)率是一個(gè)典型的模糊評(píng)價(jià)問(wèn)題。所謂模糊綜合評(píng)價(jià)就是以模糊數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的一種方法。它通過(guò)構(gòu)造等級(jí)模糊子集把反應(yīng)被評(píng)價(jià)事物的模糊指標(biāo)進(jìn)行量化，然后利用模糊變換原理對(duì)各種指標(biāo)綜合。

1)分析體系貢獻(xiàn)率的因素集和評(píng)價(jià)集

根據(jù)艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)體系貢獻(xiàn)率指標(biāo)建立，可以將評(píng)價(jià)對(duì)象的因素集設(shè)定為U={u1，u2，u3，…，un}，其中，n為第一級(jí)指標(biāo)個(gè)數(shù)；而ui={u1i，u2i，u3i，…，umi}為第i個(gè)一級(jí)指標(biāo)的m個(gè)二級(jí)指標(biāo)集合。

由于關(guān)于信息系統(tǒng)的體系貢獻(xiàn)率無(wú)法用明確的公式來(lái)表示，因此可以運(yùn)用專家評(píng)語(yǔ)來(lái)表達(dá)指標(biāo)值。評(píng)價(jià)集可以表示為V={v1，v2，v3，…，vk}，k為評(píng)語(yǔ)的等級(jí)數(shù)，每一個(gè)等級(jí)可以對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊子集。

2)分析計(jì)算隸屬函數(shù)

為了分析每一個(gè)指標(biāo)，其對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)集哪個(gè)等級(jí)，需要建立相匹配的隸屬函數(shù)，以確定相應(yīng)指標(biāo)值的滿意程度。隸屬函數(shù)是模糊集合運(yùn)算的重要組成部分，針對(duì)不同的模糊關(guān)系，應(yīng)采用不同的方法來(lái)確定隸屬函數(shù)。目前常用的隸屬函數(shù)確定方法主要有模糊統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)法、二元對(duì)比排序法、模糊分布函數(shù)構(gòu)建法等。其中，模糊統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)法主要采用對(duì)集合內(nèi)元素進(jìn)行充分大試驗(yàn)次數(shù)，以逼近集合內(nèi)各元素的隸屬度，該方法對(duì)簡(jiǎn)單隸屬度模型具有很高的精確逼近度，但難以確定復(fù)雜的隸屬函數(shù)模型；二元排序法采用將元素兩兩對(duì)比來(lái)排序確定隸屬函數(shù)的大致順序，但需要集合內(nèi)各元素有相對(duì)明確的對(duì)比關(guān)系，適用范圍有限；模糊分布方法能根據(jù)元素各個(gè)趨勢(shì)，采用典型的帶有可變參數(shù)的函數(shù)來(lái)描述各類元素模型，是目前模糊工程應(yīng)用中最常用的隸屬函數(shù)推算方法。根據(jù)不同隸屬函數(shù)特征，常用的模糊分布有戒上型、戒下型和對(duì)稱型三大類。

典型的戒上型降半矩陣分布

(4)

典型的戒上型升半Γ分布

(5)

典型的戒下型升半矩陣分布

(6)

典型的戒下型升半Γ分布

(7)

典型的對(duì)稱型尖Γ分布

(8)

根據(jù)艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)“任務(wù)-能力-指標(biāo)”體系貢獻(xiàn)率關(guān)聯(lián)評(píng)估矩陣，各類指標(biāo)都具有較為明顯的趨勢(shì)性，例如情報(bào)保障范圍越大越好、目標(biāo)處理容量越高越好等，因此，本文采用模糊分布法來(lái)確定各類指標(biāo)的隸屬函數(shù)。

3)計(jì)算模糊綜合評(píng)判集

各個(gè)指標(biāo)隸屬度函數(shù)確定后，根據(jù)不同層級(jí)的指標(biāo)，建立不同層次指標(biāo)的評(píng)估矩陣。對(duì)于第一級(jí)指標(biāo)ui，可以建立模糊關(guān)系評(píng)估矩陣Ri

(9)

其中，j=1，2，…，im；l=1，2，…，k，分別為第一級(jí)指標(biāo)ui所屬二級(jí)指標(biāo)個(gè)數(shù)和評(píng)價(jià)集評(píng)估等級(jí)。

通過(guò)上式計(jì)算出每個(gè)一級(jí)指標(biāo)的模糊關(guān)系評(píng)估矩陣后，得出總體模糊關(guān)系評(píng)估矩陣R

(10)

其中，i=1，2，…，n；l=1，2，…，k，分別為第一級(jí)指標(biāo)個(gè)數(shù)和評(píng)價(jià)集評(píng)估等級(jí)。

4)綜合評(píng)估評(píng)判結(jié)果

利用合適的合成算子將權(quán)重向量W與模糊關(guān)系評(píng)估矩陣R合成得到體系貢獻(xiàn)率綜合模糊評(píng)價(jià)結(jié)果向量T

(t1，t2，…，tk)

(11)

其中，“°”為模糊矩陣合成算子，針對(duì)不同形式，對(duì)應(yīng)不同的使用范圍。一般模糊矩陣合成算子可以用四種方式來(lái)計(jì)算：主因素決定型M(∧，∨)，主因素突出型M(，∨)，不均衡平均型M(∧，⊕)和加權(quán)平均型M(，⊕)。對(duì)于體系貢獻(xiàn)率，一般可以采用加權(quán)平均型，該方法的好處是考慮到所有指標(biāo)因素的影響。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 確定各指標(biāo)的權(quán)重值

設(shè)定一個(gè)對(duì)XX海區(qū)敵水面艦艇聯(lián)合火力突擊能力作戰(zhàn)場(chǎng)景，根據(jù)作戰(zhàn)預(yù)演籌劃方案，可提取出作戰(zhàn)方案中涉及的艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)第一級(jí)指標(biāo)因素U={偵察預(yù)警、指揮控制、火力打擊、信息攻防}={u1，u2，u3，u4}，分別請(qǐng)作戰(zhàn)指揮員、各領(lǐng)域?qū)＜夜?0名對(duì)根據(jù)作戰(zhàn)需要對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重值獨(dú)立打分。假定對(duì)某個(gè)指標(biāo)ui的權(quán)重值共收集到10個(gè)權(quán)重值打分，按從小到大排序?yàn)閣i=(015，02，02，025，025，03，03，03，035，04);則根據(jù)權(quán)重值計(jì)算步驟1)-3)，按照權(quán)重分布法，可得wi=0.31；按照同樣方法，可得一級(jí)指標(biāo)權(quán)重值為W=(031，025，025，019)。假設(shè)一級(jí)指標(biāo)ui，i∈(1，4)，分別各有二級(jí)指標(biāo)3，3，4，3個(gè)，則按照上述權(quán)重值計(jì)算方法，可以分別計(jì)算出w1=04，035，025，w2=035，035，030，w3=015，045，015，025，w4=06，015，025，類推可以分別計(jì)算出三級(jí)指標(biāo)的權(quán)重值。

3.2 建立各級(jí)指標(biāo)隸屬函數(shù)

根據(jù)艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)特性，基本都具有一個(gè)明確的上限或下限值，在上、下限值之外基本為趨勢(shì)值，因此，此處主要采用模糊分布方法來(lái)確定指標(biāo)的隸屬度函數(shù)。根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)含義，涉及滿意隸屬度函數(shù)可設(shè)計(jì)如下。

假定對(duì)于對(duì)XX海區(qū)敵水面艦艇聯(lián)合火力突擊能力作戰(zhàn)場(chǎng)景中，要求情報(bào)保障范圍u1最低為50 km，期望值為200 km，則其隸屬度函數(shù)可以設(shè)計(jì)為

(12)

假定要求目標(biāo)處理時(shí)間指標(biāo)u2最大容許值為10 s，期望值為處理時(shí)間越小越好，則其隸屬函數(shù)可以設(shè)計(jì)為

(13)

假定要求目標(biāo)處理容量指標(biāo)u3最小容許值為200批，期望值為處理容量越大越好，則其隸屬函數(shù)可以設(shè)計(jì)為

(14)

類似的，可以對(duì)各類指標(biāo)建立合理的隸屬度函數(shù)。

3.3 計(jì)算模糊綜合評(píng)判集

通過(guò)建立不同指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，代入信息系統(tǒng)的具體指標(biāo)值，即可以計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)屬于不通過(guò)評(píng)判等級(jí)的程度，并構(gòu)成相應(yīng)的模糊評(píng)判矩陣。以指揮控制能力中態(tài)勢(shì)綜合能力指標(biāo)為例，假定態(tài)勢(shì)綜合能力由情報(bào)保障范圍、目標(biāo)處理容量、目標(biāo)處理時(shí)間三個(gè)典型指標(biāo)組成，對(duì)于每個(gè)指標(biāo)要求假定如表3所示。

表3 態(tài)勢(shì)綜合能力指標(biāo)隸屬度計(jì)算

根據(jù)指標(biāo)隸屬度函數(shù)，可以計(jì)算出態(tài)勢(shì)綜合能力模糊評(píng)價(jià)矩陣為R態(tài)勢(shì)綜合=[08，086，018]，同理可以計(jì)算出指揮控制能力其他指標(biāo)的模糊評(píng)價(jià)矩陣，組成指揮控制能力二級(jí)模糊矩陣

(15)

通過(guò)層次分析法，進(jìn)一步組成體系貢獻(xiàn)率綜合能力一級(jí)模糊矩陣

(16)

對(duì)于體系貢獻(xiàn)率評(píng)估結(jié)果，應(yīng)用式(11)，可以計(jì)算出模糊評(píng)價(jià)結(jié)果。在應(yīng)用實(shí)例中，將信息系統(tǒng)指標(biāo)代入計(jì)算，得出

T=W°R=[032064062028]。

假定對(duì)于體系貢獻(xiàn)率評(píng)價(jià)集V={v1，v2，v3，…，vk}，其共分為五級(jí)，每個(gè)級(jí)別按等比分為較差(小于0.2)、一般(0.2-0.4)、比較重要(0.4-0.6)、重要(0.6-0.8)、非常重要(0.8-1)，則可以分析出，在對(duì)XX海區(qū)敵水面艦艇聯(lián)合火力突擊能力作戰(zhàn)場(chǎng)景中，艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)對(duì)于偵查預(yù)警能力體系貢獻(xiàn)率為一般，對(duì)于指揮控制能力體系貢獻(xiàn)率為重要，對(duì)于火力打擊能力體系貢獻(xiàn)率為重要，對(duì)于信息攻防體系貢獻(xiàn)率為一般。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)剖析艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)體系貢獻(xiàn)率評(píng)估流程，分析了艦艇編隊(duì)信息系統(tǒng)“任務(wù)-能力”評(píng)估矩陣、評(píng)估指標(biāo)，針對(duì)評(píng)估過(guò)程中信息系統(tǒng)評(píng)估要素隨不同任務(wù)背景而具有模糊性、動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)，提出了基于模糊層次分析的體系貢獻(xiàn)率定量評(píng)估方法。該方法適用于信息系統(tǒng)體系貢獻(xiàn)率中不同類別指標(biāo)評(píng)估結(jié)果的綜合，評(píng)估結(jié)果可以為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)下系統(tǒng)建設(shè)和設(shè)計(jì)提供參考。