面向不確定多任務場景的海上聯(lián)合作戰(zhàn)裝備體系貢獻率評估方法

孔德鵬, 馬溢清, 鄭保華, 王 琦, 張志強, 趙珍強

(中國人民解放軍92942部隊, 北京 100161)

0 引 言

體系目前已經(jīng)成為能力生成的重要評估對象。武器裝備體系化發(fā)展是提高裝備效益、提升整體作戰(zhàn)效能、作戰(zhàn)能力演進的主要方式。裝備在體系中發(fā)揮的作用是裝備選擇、投資、發(fā)展的基本依據(jù)[1-2]。裝備體系貢獻率是指裝備或裝備系統(tǒng)在裝備體系構(gòu)成中對體系作戰(zhàn)能力提升和體系作戰(zhàn)效能發(fā)揮產(chǎn)生的貢獻程度[3]。裝備體系貢獻率評估主要根據(jù)評估要求和目的對裝備體系進行分析研究,確定裝備在體系效能發(fā)揮中所起的作用。目前的研究按類型可分為兩類,一類是從裝備體系能力的角度進行分析;另外一類是將體系貢獻度分解為更具體的貢獻度指標進行分析,如結(jié)構(gòu)貢獻率、能力貢獻率、效能貢獻率等[4]。裝備體系貢獻率評估的實質(zhì)是分析評價裝備在體系中的效能發(fā)揮,同其他評估問題類似,在實際問題抽象出評估模型后,大多數(shù)評估方法都可應用于體系貢獻率的評估。因此,裝備體系貢獻率評估問題的核心在于如何構(gòu)建合理的評估模型結(jié)構(gòu)和指標體系。

評估裝備體系貢獻率首先需要明確評估的對象,即裝備體系類型和運用背景[5];然后,根據(jù)相應的評估目標確定裝備體系效能評價方法;最后,依據(jù)體系中裝備發(fā)揮的效能評估貢獻率。當前裝備體系貢獻率常用的評估方法主要有:基于能力框架的方法[6-7]、基于證據(jù)網(wǎng)絡的方法[8-9]、基于作戰(zhàn)網(wǎng)絡的評估方法[10-11]、基于裝備協(xié)同關(guān)系的方法[5,12]、基于體系能力的評估方法[13-14],以及結(jié)構(gòu)方程模型(structural equation modeling，SEM)[15]、裝備作戰(zhàn)效果(armament operation effect，AOE)模型[16]、堆棧去噪自編碼器(stacked denoising auto encoder，SDAE)+softmax模型[17]等。目前的體系貢獻率評估一部分針對較為通用的裝備體系貢獻率評估理論方法研究[5,9,14,18-20],另一部分是具體的專用裝備貢獻率問題研究[21-26]。其解決問題的核心都是基于裝備作戰(zhàn)運用實際對體系貢獻率進行分解,通過網(wǎng)絡關(guān)聯(lián)關(guān)系、作戰(zhàn)環(huán)、體系能力等分別從不同的側(cè)面進行分析,最后綜合各方面評估結(jié)果確定裝備體系貢獻率。上述方法能夠在某種確定任務下,有效評估裝備的體系能力,獲得較為合理的體系貢獻率,為裝備的發(fā)展建設提供了有力支撐。但一些評估方法缺乏多作戰(zhàn)任務的考慮,使得評估結(jié)果與實際運用差距較大。而且同一作戰(zhàn)任務中往往也會出現(xiàn)不確定作戰(zhàn)場景,不確定作戰(zhàn)場景的處理是裝備體系貢獻率評估的一個難點。此外,裝備體系貢獻率評估還與裝備體系組成密切相關(guān),不同類型、不同任務的裝備體系構(gòu)成和運用差別很大,滿足某一類裝備體系的貢獻率評估方法可能并不適用于其他裝備體系。

海上聯(lián)合作戰(zhàn)裝備體系包含航母、驅(qū)逐艦、護衛(wèi)艦、潛艇、作戰(zhàn)飛機等多類型裝備。這些裝備功能復雜、執(zhí)行任務多樣、協(xié)同多元化,裝備體系中水面作戰(zhàn)力量、水下作戰(zhàn)力量和空中作戰(zhàn)力量協(xié)同密切、聯(lián)合制敵,偵察、決策、打擊等作戰(zhàn)行動既有承接又有并行,使得傳統(tǒng)體系貢獻率評估方法難以直接應用于海上聯(lián)合作戰(zhàn)。艦艇等海上作戰(zhàn)裝備本身就是一個復雜的作戰(zhàn)系統(tǒng),能夠擔負偵察、決策、打擊等作戰(zhàn)行動,要素多,融合難度大,體系化能力生成顯得尤為重要。而且遠海海上聯(lián)合作戰(zhàn)遠離大陸,缺少岸基力量的有力支撐,需要應對多種作戰(zhàn)任務和不確定的作戰(zhàn)場景。傳統(tǒng)基于裝備能力劃分的結(jié)構(gòu)化評估難以滿足此類復雜系統(tǒng)的評估需要。因此,針對海上聯(lián)合作戰(zhàn)裝備體系貢獻率評估需要基于裝備體系結(jié)構(gòu)組成和能力特點,解決不確定多任務作戰(zhàn)場景綜合評估問題。

本文首先對海上聯(lián)合作戰(zhàn)裝備體系進行分析,介紹海上聯(lián)合作戰(zhàn)裝備體系、不確定任務場景、體系效能指標體系組成;然后利用直覺模糊集作為不確定信息處理工具,提出面向不確定型任務的裝備體系貢獻率評估方法;最后通過一個體系貢獻率評估的實例說明該方法的有效性。

1 海上聯(lián)合作戰(zhàn)武器裝備體系能力分析

1.1 海上聯(lián)合作戰(zhàn)裝備體系

海上聯(lián)合作戰(zhàn)是以水面艦艇裝備為主體,聯(lián)合空中裝備、水下裝備和天基、岸基裝備實施的立體機動作戰(zhàn)。海上作戰(zhàn)裝備體系較為復雜,包含針對多種任務、具有協(xié)同能力的裝備。海上作戰(zhàn)裝備體系的評估目的主要是針對海上作戰(zhàn)任務確定相應的裝備發(fā)展[27]。為了便于描述海上作戰(zhàn)的基本裝備體系組成,根據(jù)信息感知、指揮控制、打擊對抗、戰(zhàn)勤保障等方面將海上聯(lián)合作戰(zhàn)裝備體系分為聯(lián)合預警探測系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、聯(lián)合打擊系統(tǒng)和綜合保障系統(tǒng)。海上聯(lián)合作戰(zhàn)的主要裝備如圖1所示。

圖1 海上聯(lián)合作戰(zhàn)裝備體系

1.2 海上聯(lián)合作戰(zhàn)不確定任務場景組成

傳統(tǒng)方法進行裝備體系貢獻度評估主要面向某一確定任務,由于海上作戰(zhàn)平臺的復雜性和綜合性,海上聯(lián)合作戰(zhàn)的實際過程中通常會擔負多種作戰(zhàn)任務,每種作戰(zhàn)任務可能會出現(xiàn)多種不確定作戰(zhàn)場景。因此,面向多任務不確定作戰(zhàn)場景的綜合評估是反映裝備體系貢獻度的重要方式[28]。不確定多任務場景的處理目前常用概率描述和模糊描述兩種方式,由于實際作戰(zhàn)中的任務場景概率難以獲取和確定,利用模糊集進行描述是一種較為方便的方式,在應用中也取得了較好效果[21]。

海上聯(lián)合作戰(zhàn)武器裝備體系作戰(zhàn)任務及場景組成如圖2所示。海上聯(lián)合作戰(zhàn)裝備體系所擔負的任務具有多種類型,如遠海要域奪控、防空反導、對海對陸打擊、保交護航等,每一種任務類型在作戰(zhàn)過程中又可能面臨多種任務場景。因此,全面衡量裝備體系的效能,需要考慮不同任務和不同作戰(zhàn)場景的需求。

圖2 武器裝備體系作戰(zhàn)任務及場景組成

1.3 海上聯(lián)合作戰(zhàn)裝備體系效能評估指標

裝備體系能力評估是裝備體系貢獻度評估的核心問題,建立合理的評估指標體系是評估的基礎。指標體系的建立要考慮作戰(zhàn)需求和適應性,既能夠滿足裝備體系效能評估的需求,又能夠簡化問題的處理。本文針對海上聯(lián)合作戰(zhàn)的特點,結(jié)合已有的理論成果,主要從裝備體系作戰(zhàn)效能、裝備體系結(jié)構(gòu)效能和裝備體系運用效能進行評估指標構(gòu)建。構(gòu)建的指標體系如圖3所示。

圖3 裝備體系效能評估指標體系

裝備體系作戰(zhàn)效能主要從作戰(zhàn)觀察-調(diào)整-決策-行動(observation-orientation-decision-action, OODA)過程進行評估。OODA環(huán)是從作戰(zhàn)過程的角度描述裝備體系的作戰(zhàn)能力[29],在效能評估中廣泛采用,是評估裝備體系作戰(zhàn)效能的一種有效方式[23,30-31]?；贠ODA過程,裝備體系作戰(zhàn)效能下設置4項二級指標:裝備體系觀察能力f1、調(diào)整能力f2、決策能力f3、行動能力f4。

裝備體系結(jié)構(gòu)效能主要從體系結(jié)構(gòu)的角度考慮裝備體系效能,對裝備體系構(gòu)成、發(fā)展、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性等方面的評估具有重要作用[7,32]。裝備體系結(jié)構(gòu)效能選擇裝備體系的編成合理性s1、演化性s2、經(jīng)濟性s3、魯棒性s4共4個二級指標進行評估。

裝備體系運用效能是指裝備體系在執(zhí)行相關(guān)任務時的基本能力,是裝備體系能力在作戰(zhàn)過程中的具體實現(xiàn)[7,33]。通過設置裝備體系運用效能指標,能夠全面分析評價裝備體系實際運用過程中的能力。選擇裝備體系指控能力a1、協(xié)同能力a2、保障性a3、適應性a4共4個二級指標進行評估。

2 面向不確定多任務場景的裝備體系貢獻率評估方法

2.1 基本理論

2.1.1 體系貢獻率計算方法

通過裝備體系作戰(zhàn)效能的變化計算裝備體系貢獻率是目前應用較為廣泛的一種方法[1,4,23]。該方法簡要介紹如下,設裝備A為裝備體系中的一個裝備,裝備A的體系貢獻率為

C=(E1-E0)/E0

(1)

式中:E0為原有體系作戰(zhàn)效能；E1為增加裝備A或用裝備A替換原有同類武器后的新體系作戰(zhàn)效能。

2.1.2 直覺模糊集

直覺模糊集(intuitionistic fuzzy set, IFS)是模糊集的推廣,加入了非隸屬度和猶豫度的概念,能夠更加精確地處理不確定信息[34]，目前在基于不確定信息的評估問題中運用廣泛。本文采用IFS處理裝備體系貢獻率評估中的模糊值。下面簡要介紹IFS。

定義 1給定論域X={x1,x2,…,xn},則X上的一個IFSA具有下列形式[34]:

A={〈xi,μA(xi),υA(xi)〉|xi∈X}

(2)

式中:μA(xi):X→[0,1]和υA(xi):X→[0,1]分別代表A的隸屬函數(shù)和非隸屬函數(shù),且對于A上的所有xi∈X,0≤μA(xi)+υA(xi)≤1成立。稱πA(xi)=1-μA(xi)-υA(xi)為A中的猶豫度,是xi對A猶豫程度的一種測度。顯然,0≤πA(xi)≤1。

為了方便表示,稱α=(μα,υα)為直覺模糊數(shù)(intuitionistic fuzzy number, IFN),其中μα∈[0,1],υα∈[0,1],且μα+υα≤1。

定義 2IFN的運算法則為:設任意IFN為α=(μα,υα),β=(μβ,υβ),則

(1)α⊕β=(μα+μβ-μαμβ,υαυβ);

(2)α?β=(μαμβ,υα+υβ-υαυβ);

(3)λα=(1-(1-μα)λ,υαλ),λ>0;

(4)αλ=(μαλ,1-(1-υα)λ),λ>0。

IFWA(a1,a2,…,an)=w1a1⊕w2a2⊕…⊕wnan=

(3)

2.2 方法描述

2.2.1 不確定型作戰(zhàn)任務場景數(shù)學描述

設海上聯(lián)合作戰(zhàn)裝備體系擔負的作戰(zhàn)任務共有K個,則K個任務構(gòu)成的任務集可記為T={T1,T2,…,TK}。裝備體系效能在每種作戰(zhàn)任務中表現(xiàn)不同,為全面衡量不同作戰(zhàn)任務下的裝備體系效能,K個作戰(zhàn)任務構(gòu)成的權(quán)重記為

WT=(wT1,wT2,…,wTK)

(4)

對于作戰(zhàn)任務Ti(i=1,2,…,K),實際可能發(fā)生的作戰(zhàn)場景類型的數(shù)量為N(i),則任務Ti的作戰(zhàn)場景類型集合為

(5)

由于實際作戰(zhàn)過程存在不確定性,每種作戰(zhàn)任務下作戰(zhàn)場景發(fā)生的可能性可通過專家組群決策獲得,利用IFS進行描述。作戰(zhàn)Ti任務的各個作戰(zhàn)場景類型實際發(fā)生的直覺模糊隸屬度記為

(6)

2.2.2 海上聯(lián)合作戰(zhàn)裝備體系效能表示

(7)

式中:f表示作戰(zhàn)效能指標;s表示結(jié)構(gòu)效能指標;a表示運用效能指標。

2.2.3 裝備體系效能評估方法

(1) 指標權(quán)重描述

采用二級指標權(quán)重描述方式,即首先確定裝備體系作戰(zhàn)效能、結(jié)構(gòu)效能和運用效能3個方面權(quán)重值w=(wf,ws,wa),然后針對每個方面的指標確定指標權(quán)重。例如,確定作戰(zhàn)效能指標觀察能力、調(diào)整能力、決策能力和行動能力的權(quán)重。于是,可以獲得針對裝備體系效能指標體系的權(quán)重描述:

(8)

(2) 信息集結(jié)

首先,對每一種場景的分項指標進行集結(jié),獲得作戰(zhàn)效能、結(jié)構(gòu)效能和運用效能的IFN表示:

(9)

(10)

(11)

最后,對所有任務下所有場景類型進行信息集結(jié),可得最終體系效能評價IFN表示:

(12)

(3) 體系貢獻度計算

同樣根據(jù)信息集結(jié)方法,計算新裝備加入(替代、更新)時,裝備體系的效能值U*為

設U的IFN表示形式為U=[u,v],則IFNU的計分值[36]計算如下:

(13)

式中:πU為直覺模糊數(shù)U的猶豫度,πU=1-u-v。

基于IFN的計分函數(shù),則裝備體系貢獻率C計算如下:

(14)

3 應用實例分析

3.1 海上聯(lián)合作戰(zhàn)任務場景

(1) 基本任務場景設定

(2) 基本參數(shù)設置

作戰(zhàn)任務T1～T3的權(quán)重為WT=[0.3,0.4,0.3];任務T1的3個作戰(zhàn)場景可能發(fā)生的模糊隸屬度為[〈0.6,0.3〉,〈0.5,0.2〉,〈0.3,0.6〉];任務T2的4個作戰(zhàn)場景可能發(fā)生的模糊隸屬度為[〈0.5,0.4〉,〈0.4,0.3〉,〈0.7,0.1〉,〈0.6,0.3〉];任務T3的2個作戰(zhàn)場景可能發(fā)生的模糊隸屬度為[〈0.8,0.1〉,〈0.3,0.5〉]。

指標體系中,裝備體系作戰(zhàn)效能、結(jié)構(gòu)效能和運用效能的權(quán)重為[0.4,0.3,0.3],指標體系的權(quán)重描述矩陣為

針對原有海上聯(lián)合作戰(zhàn)裝備體系,不同任務場景下的指標直覺模糊評估值如表1所示。

表1 原有裝備體系效能評估值

3.2 裝備體系效能計算

裝備體系效能計算包含以下3個步驟。

步驟 1對每個任務場景下的作戰(zhàn)效能、結(jié)構(gòu)效能和運用效能的二級指標進行評估值集結(jié),根據(jù)公式和進行計算,結(jié)果如表2所示。

表2 各任務場景二級指標集結(jié)值

步驟 2對每個任務場景下的作戰(zhàn)效能、結(jié)構(gòu)效能和運用效能評估值進行集結(jié),根據(jù)公式進行計算,結(jié)果如表3所示。

表3 各任務場景評估值集結(jié)結(jié)果

步驟 3計算所有任務下的效能評估值。

基于表3中集結(jié)信息,利用各場景發(fā)生的直覺模糊隸屬度及各任務的權(quán)重再進行集結(jié)。根據(jù)公式進行計算,可得裝備體系效能的最終評估結(jié)果：

U=〈0.671 7, 0.090 8〉

3.3 體系貢獻率計算

新的裝備加入體系后,對各個指標再次進行評估,得出的新的指標評估值如表4所示。

表4 新裝備加入后的體系效能評估值

續(xù)表4

按照第3.2節(jié)步驟 1～步驟 3同樣的步驟方法,計算新裝備加入后的裝備體系效能評估值：

U*=〈0.723 7, 0.076 7〉

計算U和U*的直覺模糊計分值:

則裝備體系貢獻率C為

3.4 結(jié)果分析

仍以上述背景下的裝備體系為例,通過同樣的計算方法,可計算得到裝備體系變化對應的裝備體系效能和裝備體系貢獻率,計算結(jié)果如表5所示。

表5 不同裝備構(gòu)成的裝備體系效能與裝備體系貢獻率

表5中SoS為原裝備體系,A1為新型同類裝備,A+為原裝備體系中裝備A的升級,B為其他類型裝備。可以看出,利用本文方法,不同的裝備加入體系后計算得到的裝備體系效能評估值不同。其中,新裝備加入后,效能評估值為〈0.703 6, 0.088 7〉,相對其他類型,此情況下體系效能評估值最大,新裝備的體系貢獻度為11.43%;原裝備升級,效能評估值為〈0.703 6, 0.088 7〉,體系效能評估值居中,升級裝備相對于原裝備的體系貢獻度為5.89%;而其他裝備替代情況下裝備體系效能評估值〈0.655 4, 0.118 5〉相對最小,替代裝備相對于原裝備的裝備體系貢獻率為-7.57%。新型裝備雖然體系貢獻率較大,但研發(fā)、列裝、保障投入也較大;裝備升級的投入相對較小,體系貢獻率提升也相對較小;其他裝備替代雖然使得裝備體系整體效能降低,但在特殊情況下,例如戰(zhàn)場應急等,也具有十分重要的意義。因此,通過裝備體系貢獻率的計算分析,可為裝備體系發(fā)展建設提供重要決策參考。

4 結(jié) 論

本文針對海上聯(lián)合作戰(zhàn)裝備體系作戰(zhàn)過程中多任務多場景的特點,面向不確定任務場景,提出了基于IFS綜合評估的體系貢獻率評估方法。首先分析了海上聯(lián)合作戰(zhàn)裝備體系、不確定任務場景及裝備體系效能指標組成,然后提出了基于IFS的裝備體系貢獻率評估方法,最后通過實例分析了海上聯(lián)合作戰(zhàn)裝備體系貢獻率計算方法。本文提出的海上聯(lián)合作戰(zhàn)裝備體系貢獻率評估方法能夠針對海上作戰(zhàn)裝備特點,充分考慮不確定任務場景的評估需求,為海上作戰(zhàn)裝備發(fā)展建設提供一種較為有效的體系貢獻率評估方法。