典型航天裝備在役考核指標體系構(gòu)建*

齊分嶺,韋國軍,侯 煒,孫 金,施力琪

(1. 航天工程大學(xué),北京 102206;2. 中國人民解放軍66389部隊,山西 太原 030031)

當(dāng)前我軍試驗鑒定進入新的歷史發(fā)展時期。新體制下的裝備試驗鑒定包括性能試驗、作戰(zhàn)試驗、在役考核三個階段。其中，在役考核是我軍提出的新的試驗鑒定類型,在役考核是在裝備列裝服役后進行的鑒定考核,主要目的是檢驗裝備滿足部隊使用與保障要求情況,及時發(fā)現(xiàn)服役裝備在實際運用中存在的問題隱患,為裝備改進升級提供意見建議。航天裝備主要包括在軌運行的衛(wèi)星、空間站、運載系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、運控系統(tǒng)及應(yīng)用系統(tǒng)。開展航天裝備在役考核研究有助于摸清航天裝備性能,驗證裝備在實際使用環(huán)境下的任務(wù)效能,探索裝備運用模式,為同型裝備改進升級或新型裝備立項論證提供理論依據(jù)。指標體系構(gòu)建是在役考核的基礎(chǔ)性工作,其構(gòu)建過程是否科學(xué),指標設(shè)計是否合理,是裝備在役考核的關(guān)鍵。

孟慶均等分析了在役考核評估的邏輯過程,通過提出關(guān)鍵在役考核問題,界定了在役考核重點內(nèi)容,構(gòu)建了裝備在役考核指標體系,為規(guī)范在役考核評估設(shè)計提供理論支撐。朱閩等采用專家打分與問卷調(diào)查法確定陸軍主戰(zhàn)裝備在役考核指標體系,綜合運用優(yōu)序圖法和差異修正法計算指標權(quán)重。彭文成等對指控分系統(tǒng)體系能力進行自頂而下分解,運用映射、聚類方法構(gòu)建在役考核指標體系。張超等從在役考核的概念和內(nèi)容出發(fā),運用改進的灰色關(guān)聯(lián)分析法對指控分系統(tǒng)在役考核指標體系進行優(yōu)化,運用實例對模型進行了驗證。吳溪等通過確定作戰(zhàn)試驗?zāi)繕?提出裝備關(guān)鍵作戰(zhàn)問題,運用基于映射分解、基于質(zhì)量功能展開及基于樹狀分析3種方法解析關(guān)鍵作戰(zhàn)問題,采用ISM模型構(gòu)建了作戰(zhàn)試驗評估指標體系。當(dāng)前對航天裝備在役考核指標體系構(gòu)建的研究較少,本文借鑒上述文獻中指標體系構(gòu)建方法,緊密結(jié)合航天器裝備工作環(huán)境及任務(wù)特點構(gòu)建典型航天裝備在役考核指標體系。

1 典型航天裝備在役考核指標體系構(gòu)建方法

1.1 裝備在役考核內(nèi)容

在役考核指標體系構(gòu)建之前要明確裝備在役考核內(nèi)容,只有搞清楚在役考核主要內(nèi)容才能建立科學(xué)全面的指標體系。在役考核是考核在役裝備在訓(xùn)練演練、完成任務(wù)、值勤保障等實際使用過程中滿足需求的程度,是對裝備進行的持續(xù)性考核鑒定,通過科學(xué)評估,及時發(fā)現(xiàn)問題缺陷,檢驗裝備是否真正“好用”,通過全方位的在役考核為裝備采購、改進升級及退役報廢提供意見建議。如圖1所示，裝備在役考核主要包含以下3個方面內(nèi)容。

圖1 裝備在役考核內(nèi)容示意圖

1)在役適用性指標。在役適用性是考核裝備在列裝后裝備與使用人員、裝備與裝備之間結(jié)合的效能,裝備服役后基本性能保持及執(zhí)行任務(wù)中效能發(fā)揮情況,是否滿足裝備使用單位任務(wù)要求,包括裝備適編性、適配性、服役經(jīng)濟性、部隊適用性和質(zhì)量穩(wěn)定性,重在考核裝備在實際使用環(huán)境中的表現(xiàn)及作用發(fā)揮,是在役考核的主要內(nèi)容。

2)性能試驗及作戰(zhàn)試驗考核不充分或未能考核指標。在性能試驗及作戰(zhàn)試驗階段,由于裝備試驗樣本量少或者考核條件不具備,導(dǎo)致部分指標考核不充分或者無法考核,就本文所研究的典型航天裝備而言，這一特點更加明顯,多數(shù)衛(wèi)星可靠性、可用性的測試在發(fā)射入軌前后是有差別的,另外，由于使用壽命的限制，衛(wèi)星入軌后的任務(wù)測試試驗不可能占用太長時間,需要結(jié)合在役考核進一步試驗驗證。

3)裝備鑒定定型時遺留問題改正情況及以往在役考核問題解決情況。新的試驗鑒定體制下,考慮研制成本及戰(zhàn)斗力生成周期等因素,允許裝備存在部分不影響裝備整體功能的問題,這些遺留問題需要在批量生產(chǎn)時消除。新裝備列裝后,再結(jié)合在役考核驗證這些遺留問題的解決情況,對以往在役考核排查出的問題解決情況進行回頭看,檢驗裝備效能提升情況,調(diào)查官兵對裝備改進后的滿意度。

1.2 在役考核指標體系構(gòu)建基本思路

指標體系的構(gòu)建是在役考核的基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性工作,是在役考核數(shù)據(jù)采集與評估的依據(jù),指標體系是否合理直接影響到在役考核效益。構(gòu)建在役考核指標體系首先應(yīng)當(dāng)明確考核目的,基于裝備完成不同工作任務(wù)的滿足度,從裝備擔(dān)負使命、用戶使用體驗以及部隊工作任務(wù)三個方面提出關(guān)鍵在役問題。然后采用樹狀分析技術(shù)，結(jié)合裝備在服役過程中所需完成的工作任務(wù)，解析關(guān)鍵在役問題,初步確定在役考核評價指標,最后通過灰色關(guān)聯(lián)模型和專家咨詢法進行指標篩選優(yōu)化,從而形成優(yōu)化后的指標體系?？傮w構(gòu)建思路如圖2所示。

圖2 典型航天裝備在役考核指標體系構(gòu)建基本思路

1.3 在役考核指標體系構(gòu)建步驟

1.3.1 確定在役考核目的

以構(gòu)建先進實用的航天裝備試驗鑒定體系為總體目標,探索裝備在役考核科目設(shè)計、指標體系和效能評估方法等,進一步驗證在役裝備完成各項任務(wù)的實際效能,跟蹤掌握部隊裝備戰(zhàn)法運用、使用管理、保障維修情況,考核裝備適編性、適配性和服役期經(jīng)濟性等指標,為裝備運用以及改進升級提供意見與建議。確定在役考核目的要結(jié)合裝備擔(dān)負使命、用戶使用體驗、部隊工作任務(wù)3方面內(nèi)容分析。其中，裝備擔(dān)負使命分析主要圍繞裝備擔(dān)負的具體使命講清航天裝備載荷及平臺性能、效能是否滿足任務(wù)需求;用戶使用體驗分析主要是分析航天裝備人員編制、數(shù)量編配是否合理以及維修保障性如何;部隊工作任務(wù)分析主要是圍繞部隊日常多樣化的工作任務(wù)，分析航天裝備在戰(zhàn)備、訓(xùn)練、演習(xí)、管理等工作中的性能保持、效能發(fā)揮、操作使用滿意度、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性等綜合表現(xiàn)情況。

1.3.2 提出關(guān)鍵在役問題

關(guān)鍵在役問題是在役考核關(guān)注的重點內(nèi)容,是在役考核重點解決的問題,能夠直接反映裝備列裝服役后“好不好用”“耐不耐用”等現(xiàn)實表現(xiàn),在役考核指標必須圍繞關(guān)鍵在役問題進行分解,確保在役考核指標具有針對性和有效性。航天裝備在役考核指標必須圍繞航天裝備的關(guān)鍵在役問題構(gòu)設(shè),與列裝服役后的工作任務(wù)緊密相關(guān),“裝備在多樣化軍事任務(wù)中的性能保持、效能發(fā)揮及是否滿足當(dāng)前任務(wù)需要”是關(guān)鍵在役問題所在。關(guān)鍵在役問題的主要任務(wù)是在分析裝備擔(dān)負使命、部隊工作任務(wù)及用戶使用體驗的基礎(chǔ)上,將模糊的在役考核要求轉(zhuǎn)化為比較明確的問題,便于考核人員理解和構(gòu)建指標體系。對于裝備使命層面而言,考核人員主要關(guān)心的是衛(wèi)星性能保持及效能發(fā)揮情況；對于部隊工作任務(wù),考核人員主要關(guān)心的是衛(wèi)星在實際使用中的組織運用、操作流程、維修保障等方面的情況；對于用戶使用體驗,考核人員主要關(guān)心的是衛(wèi)星編配是否合理、能否保持信息優(yōu)勢。結(jié)合在役考核目的分析,關(guān)鍵在役問題可分解為裝備適編性問題、適配性問題、部隊適用性等問題。關(guān)鍵在役問題需要緊密結(jié)合裝備擔(dān)負的訓(xùn)練、演練、保障、管理等具體任務(wù)分解,以便有利于后續(xù)數(shù)據(jù)采集工作開展。以航天裝備中的某型衛(wèi)星系統(tǒng)為例,結(jié)合實際工作任務(wù),提出關(guān)鍵在役問題,部分關(guān)鍵在役問題如表1所示。

表1 關(guān)鍵在役問題

1.3.3 解析關(guān)鍵在役問題

裝備試驗鑒定考核評估依據(jù)具體的評估指標體系來考核,解析關(guān)鍵在役問題的目的也是為了建立合理完善的在役考核指標體系。不同類型的在役考核目的不同,對應(yīng)的指標體系和分解方法也不同。

本文選取基于樹狀分析的方法構(gòu)建在役考核指標體系,主要將裝備服役壽命周期中需要關(guān)注的關(guān)鍵在役問題轉(zhuǎn)化為評估指標體系。樹狀分析的技術(shù)思想產(chǎn)生于還原論,是一種逐層分解剖析問題的方法論。

運用樹狀結(jié)構(gòu)將復(fù)雜的系統(tǒng)研究對象進行多種屬性的描述,對系統(tǒng)進行逐級逐層地解析,由上到下、由高層次到低層次、由抽象到具體。結(jié)合在役考核目的定義分析可知,在役考核的內(nèi)涵也可理解為是對裝備在役效能的考核,具體包含適用性、適配性、經(jīng)濟性等指標,這些指標再結(jié)合裝備日常戰(zhàn)備、維護管理、演習(xí)訓(xùn)練等工作又可以進一步分解,直到分解到可以直接采集的底層數(shù)據(jù)元為止。

樹狀分析技術(shù)是將關(guān)鍵在役問題層層分解為層次清楚的樹狀結(jié)構(gòu),結(jié)合航天裝備在役考核內(nèi)容及服役后所涉及的主要任務(wù),可以將關(guān)鍵在役問題分解為裝備適編性、適配性、服役經(jīng)濟性、部隊適用性和質(zhì)量穩(wěn)定性5類問題,并據(jù)此設(shè)置在役考核的一級指標。每個關(guān)鍵問題可以進一步分解為幾個子問題,每個關(guān)鍵在役問題或子問題可以分解為一個或多個與其相關(guān)的效能指標,每個效能指標可分解為多個性能指標,每個性能指標則與最終數(shù)據(jù)元相對應(yīng)。例如，適編性問題可以分解為：在軌衛(wèi)星數(shù)量資源是否滿足實際任務(wù)需求?地面應(yīng)用系統(tǒng)值勤人員配備是否合理?地面應(yīng)用系統(tǒng)與任務(wù)適應(yīng)性如何?將這些關(guān)鍵在役問題用指標來衡量,可以分解出所有可以回答關(guān)鍵在役問題的指標數(shù)據(jù)。基于樹狀分析構(gòu)建在役考核指標體系的方法如圖3所示。

圖3 基于樹狀分析的在役考核指標體系構(gòu)建

1.3.4 生成初始指標體系

由于篇幅有限，本文僅以典型航天裝備在役考核中部隊適用性及服役經(jīng)濟性指標的構(gòu)建為例進行詳細闡述。

1)以某型衛(wèi)星為研究對象構(gòu)建部隊適用性指標體系

衛(wèi)星是航天裝備中數(shù)量最多的一類,部隊適用性指標是衡量衛(wèi)星在實際使用中是否適應(yīng)當(dāng)前任務(wù)的重要指標。部隊適用性是指裝備完成戰(zhàn)備訓(xùn)練等任務(wù)的滿足程度,在役考核階段進行適用性考核的內(nèi)容主要是前期性能試驗與作戰(zhàn)試驗期間不具備條件考核或者未能充分考核的一些指標。由于航天裝備工作環(huán)境特殊,衛(wèi)星地面模擬空間環(huán)境試驗不可能完全代替真正的空間環(huán)境試驗,因此部分適用性指標仍須在衛(wèi)星入軌后進行持續(xù)考核,例如可靠性、測試性、環(huán)境適應(yīng)性等指標均需在實際使用的空間環(huán)境中進行長周期的考核。運用樹狀分析技術(shù)解析部隊適用性關(guān)鍵問題,可得到部隊適用性指標,如表2所示。

表2 部隊適用性I1(一級指標)

2)以某型測控裝備為研究對象構(gòu)建服役經(jīng)濟性指標體系

測控裝備是測控系統(tǒng)的重要組成,主要用于跟蹤測量航天器的姿態(tài)狀態(tài),發(fā)送遙測遙控信號。服役經(jīng)濟性是指裝備在服役期間消耗維持經(jīng)費的合理性,主要考核費效比情況,一般以年為時間單位計算,考核裝備在訓(xùn)練、使用、管理、維護及完成其他日常任務(wù)中的經(jīng)費消耗是否合理。考核測控裝備的服役經(jīng)濟性有助于考察測控裝備經(jīng)濟性是否合理,為裝備退役更新提供決策參考。運用樹狀分析技術(shù)解析服役經(jīng)濟性關(guān)鍵問題,可得到測控裝備服役經(jīng)濟性指標,如表3所示。

表3 服役經(jīng)濟性I2(一級指標)

2 典型航天裝備在役考核指標體系優(yōu)化

經(jīng)過樹狀分析初步建立的典型航天裝備在役考核指標體系,存在某些指標與上一級指標相關(guān)性較差、部分指標的重要性不易區(qū)分以及部分指標不適于實施考核等問題,因此應(yīng)該進一步優(yōu)化初始指標體系。

2.1 基于灰色關(guān)聯(lián)度分析的初始指標體系優(yōu)化

初始指標體系中包含定性指標和定量指標,而且部分指標之間不存在明確的數(shù)量關(guān)系,可以看作一種灰色系統(tǒng),可利用灰色關(guān)聯(lián)度對在役考核指標體系進行優(yōu)化,進一步剔除相關(guān)性不大的指標。

2.1.1 初始指標值的獲取與標準化

在役考核初始評價指標體系中，既有可以直接從工作任務(wù)中獲取的定量指標,也有需要根據(jù)試驗鑒定專家、部隊操作維護人員主觀評價的定性指標。對于定性指標,如“人員數(shù)量合理性”“專業(yè)崗位合理性”“太空溫度適應(yīng)性”等,可以采用問卷調(diào)查以及德爾菲法進行獲取。

指標值的類型主要分兩類：一類是效益性指標,或者稱正向型指標,即越大越好,如指標“任務(wù)完成可靠度”;另一類是成本型指標,或者稱負向型指標,即越小也好,如指標“故障檢測虛警率”。數(shù)學(xué)中一般使用閾值法對數(shù)據(jù)進行標準化,閾值法是指將原始值與指標中的某個閾值進行比較,進而轉(zhuǎn)化為標準值的方法。標準化公式可表示為:

效益性指標標準化:=max()

(1)

成本型指標標準化:=min()

(2)

其中,為第個考核對象的第個指標的實際采樣值,max()、min() 分別為試驗中采集到數(shù)據(jù)中的最優(yōu)值。

2.1.2 灰色模型建立

灰色關(guān)聯(lián)分析法是根據(jù)系統(tǒng)中各個指標之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)程度進行分析,通過對實例指標數(shù)據(jù)的處理發(fā)掘指標之間的相關(guān)性,應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析法分析各個指標之間的關(guān)聯(lián)性是否密切,剔除關(guān)聯(lián)性弱的指標,從而達到優(yōu)化指標體系的目的?；疑P(guān)聯(lián)模型構(gòu)建步驟一般如下:

1)確定評價對象指標集,包括參考數(shù)列和比較數(shù)列

={(1),(2),…,()}

(3)

={(1),(2),…,()}

(4)

式(3)中，()表示第個指標的參考值、最優(yōu)值,式(4)中，()為第個考核對象第個指標的某次采樣值、實測值。

2)求解差值數(shù)列矩陣

先對指標進行標準化處理,以()為標準參考數(shù)列,以()為比較數(shù)列,求解差值數(shù)列矩陣:

(5)

式(5)中，Δ()表示第個評價對象第個指標與標準值的差值。令=()*,()=|()-()|。

3)計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

在上一步的基礎(chǔ)上，依據(jù)公式計算關(guān)聯(lián)系數(shù):

(6)

其中，為分辨系數(shù),取值范圍為[0,1]。一般情況下，取大于04的數(shù),通常在05～1之間,可取05。

4)計算關(guān)聯(lián)度

關(guān)聯(lián)度表示指標之間關(guān)聯(lián)性的大小,即密切相關(guān)程度:

(7)

對進行排序,可得到各指標相對于評價對象的重要程度,剔除相關(guān)性較小的指標。

2.2 專家咨詢法優(yōu)化調(diào)整

衛(wèi)星運行空間環(huán)境復(fù)雜、工作方式特殊,部分考核指標的確定區(qū)別于通用裝備,經(jīng)過灰色關(guān)聯(lián)模型篩選的在役考核指標體系還需結(jié)合專家經(jīng)驗進行意見征詢,優(yōu)化調(diào)整與實際不符的部分指標,以使指標體系更加完善。

3 實例分析

下面以部隊適用性指標為例,利用灰色關(guān)聯(lián)分析法進行優(yōu)化。選取某型衛(wèi)星不同時期統(tǒng)計的相關(guān)數(shù)據(jù)四組,分別記為data1、data2、data3、 data4,采用灰色關(guān)聯(lián)度模型對指標體系進行篩選優(yōu)化。

1)獲取指標值

對于所選取的指標數(shù)據(jù)樣本中定性或主觀數(shù)據(jù)采用專家打分法獲??；對于定量型數(shù)據(jù)則從衛(wèi)星運行歷史數(shù)據(jù)中采集,從而得到各指標原始值,所有數(shù)據(jù)應(yīng)用前均做脫密處理,而后用式(1)、式(2)對數(shù)據(jù)進行標準化處理,如表4所示。

2)指標分析

設(shè)定所取的4組數(shù)據(jù)數(shù)列的參考數(shù)列為={1,1,1,1},比較數(shù)列分別為,,,,數(shù)列中的數(shù)值由表4得到。然后計算差值矩陣=()*,()=|()-()|,得到矩陣后轉(zhuǎn)化為表5。

表4 指標標準化值

表5 D值

利用MATLAB求解出中最大值為0988,最小值為0,由式(6)求出關(guān)聯(lián)系數(shù)(),如表6。

表6 關(guān)聯(lián)系數(shù)

最后由式(7)計算關(guān)聯(lián)系數(shù)，可得關(guān)聯(lián)度矩陣=[0745 0416 0426 0721 0542 0641 0557 0472 0351 0615 0904 0842 0464 0890 0685 0734 0352]

3)指標篩選

根據(jù)指標關(guān)聯(lián)度值的大小判斷指標的重要性,值越小說明關(guān)聯(lián)程度越低,指標測試規(guī)程合理性、指標干擾環(huán)境下工作適應(yīng)性與在役考核部隊適用性關(guān)聯(lián)度均低于04,可以剔除。

4)指標優(yōu)化

對于篩選出的指標體系再組織試驗鑒定領(lǐng)域、航天工程領(lǐng)域及衛(wèi)星管控部隊專家通過德爾菲法廣泛征詢意見。綜合專家意見,該指標體系比較合理,但認為“衛(wèi)星在軌維修性”指標表述不合理,因為在軌維修技術(shù)目前尚未實現(xiàn),衛(wèi)星可恢復(fù)性故障一般是通過上注遙測指令進行重置恢復(fù),致命性故障一般無法維修,建議將指標“在軌維修性”更改為“遙測維修性”。

5)指標體系的最終確定

通過灰色關(guān)聯(lián)模型及專家咨詢法進行篩選優(yōu)化,最終確定了比較完善的部隊適用性指標體系,如圖4所示。

圖4 典型航天裝備(衛(wèi)星)部隊適用性指標體系

運用同樣的方法可得到典型航天裝備適編性、適配性、服役經(jīng)濟性及質(zhì)量穩(wěn)定性指標。

4 指標體系評估應(yīng)用

為驗證上述指標體系的合理性與有效性,本文采用模糊綜合評價法進行在役考核評估,擬對某星座中3顆衛(wèi)星(編號為1-3號星)適用性進行考核,指標體系采用優(yōu)化后的部隊適用性指標體系,數(shù)據(jù)來源為經(jīng)處理的歷史數(shù)據(jù)及仿真數(shù)據(jù)。

1)確定評價對象集={,,},其中,,分別代表待評估對象1-3號衛(wèi)星。

2)確定評價因素集={,,,,},其中,,,,分別代表準則層指標,即5個二級指標:任務(wù)可靠性、衛(wèi)星維修性、衛(wèi)星測試性、衛(wèi)星安全性、環(huán)境適應(yīng)性,每個準則層指標包含對應(yīng)的項目層指標,分別為、、等15個三級指標。

3)確定評價評語集={,,},其中,,分別代表優(yōu)秀、良好、一般、差。

4)運用層次分析法計算各層次權(quán)重,生成權(quán)重向量,其中準則層權(quán)重矩陣記為,指標層權(quán)重矩陣分別記為1、2、3、4、5。

5)建立綜合評價模糊關(guān)系矩陣。由10名來自任務(wù)部隊、院校、科研單位的專家結(jié)合衛(wèi)星歷史數(shù)據(jù)及仿真數(shù)據(jù)進行評價打分,每名專家對每個衛(wèi)星具體指標評價選擇僅為一類,并采取10分制打分。分別求出3顆衛(wèi)星的模糊關(guān)系矩陣、、。

6)綜合評判。通過公式=°計算3顆衛(wèi)星的模糊綜合評價向量,根據(jù)最大隸屬原則確定衛(wèi)星部隊適用性綜合評判結(jié)果。

依據(jù)上述步驟1-6,代入數(shù)據(jù)計算即可得到綜合評價向量,由于篇幅有限,具體演算過程不再詳細描述,只給出評價結(jié)果向量。

=°=(0287 0471 0205 0037)

=°=(0526 0277 0197 0000)

=°=(0026 0226 0483 0265)

根據(jù)最大隸屬原則可知,1號星適用性為良好,2號星適用性為優(yōu)秀,3號星適用性為一般。實際上,1號星綜合表現(xiàn)良好,處于壽命中期;2號星為近期發(fā)射的改進型衛(wèi)星,性能優(yōu)秀,適用性強;3號星服役時間長,故障率偏高,綜合表現(xiàn)一般,可見評估結(jié)果與實際相符,說明本文所建立的指標體系科學(xué)有效,能夠較好地反映典型航天裝備實際狀態(tài)。

5 結(jié)束語

典型航天裝備在役考核是摸清裝備性能底數(shù)、了解裝備效能發(fā)揮、發(fā)現(xiàn)裝備實際運用中存在問題隱患的重要手段,可以為裝備研發(fā)論證、改進升級提供意見建議。

本文結(jié)合文獻研究成果,以典型航天裝備為在役考核研究對象,從裝備在役考核內(nèi)容出發(fā),梳理在役考核指標體系構(gòu)建思路,突出在役問題的分析分解,構(gòu)建初始指標體系,運用灰色關(guān)聯(lián)分析法與專家咨詢法進行優(yōu)化,以優(yōu)化后的指標體系為基礎(chǔ)進行綜合評估仿真,驗證了指標體系的合理性與有效性,為下一步組織典型航天裝備在役考核數(shù)據(jù)采集工作打下基礎(chǔ)。