基于直覺模糊集的裝備部隊適用性評估*

齊分嶺，韋國軍

（1.航天工程大學研究生院，北京 101416；2.解放軍66389 部隊，太原 030031；3.航天工程大學航天保障系，北京 102206）

0 引言

在役考核是新時期我軍試驗鑒定工作新增的試驗環(huán)節(jié)，其目的是通過對列裝服役裝備進行考核評估，掌握裝備的保障使用、性能保持、效能發(fā)揮等情況，及時發(fā)現(xiàn)裝備在制約戰(zhàn)斗力生成上的問題和缺陷。在役考核主要結(jié)合部隊戰(zhàn)備管理、演習訓練、教育教學等任務進行，主要檢驗裝備作戰(zhàn)效能、部隊適用性、適編性等內(nèi)容，是對前期性能試驗與作戰(zhàn)試驗的有益補充，可以進行綜合內(nèi)容考核，也可以進行單項內(nèi)容考核［1］。部隊適用性是指裝備在實際使用環(huán)境條件下滿足部隊訓練和作戰(zhàn)使用要求的程度，雖然在作戰(zhàn)試驗階段進行了鑒定檢驗，但受試驗樣本量、試驗周期及試驗條件的限制，無法對裝備的可靠性、維修性、保障性等內(nèi)容進行充分檢驗，需要在裝備在役考核階段進行成建制、成規(guī)模、長周期的檢驗考核［2-3］。通過對部隊適用性的考核評估，持續(xù)關(guān)注裝備在實際使用環(huán)境中的適用性指標，進一步發(fā)現(xiàn)裝備自身以及人裝結(jié)合方面的問題隱患，為裝備改進升級提供理論依據(jù)。

裝備部隊適用性指標多種多樣，僅靠某一項屬性指標的評估結(jié)果來判斷裝備實際適用性表現(xiàn)必然十分片面，因此，部隊適用性評估具有多屬性評估特點。部隊適用性指標中既包含可以根據(jù)采集數(shù)據(jù)具體計算的定量指標，又包含了不少主觀定性評價指標，使部隊適用性評估具有不確定性評估的特征。在處理包含不確定性指標的多屬性評估問題上，傳統(tǒng)的模糊綜合評判法不夠靈活，而神經(jīng)網(wǎng)絡和深度學習法雖然具有強大的非線性處理能力，但由于在役考核工作屬于新型鑒定類別，近幾年積累的歷史考核數(shù)據(jù)難以滿足模型對訓練數(shù)據(jù)的數(shù)質(zhì)量需求。通過文獻研究［4-5］發(fā)現(xiàn)，直覺模糊理論在處理異質(zhì)多屬性綜合評估問題方面更加具有優(yōu)勢，因此，本文通過基于直覺模糊集的評估模型進行裝備部隊適用性評估研究。本文以衛(wèi)星裝備為具體研究對象介紹該評估方法，衛(wèi)星是典型的航天裝備，運行環(huán)境特殊，由于地面試驗環(huán)境難以做到與真實太空環(huán)境等同，部分可靠性、測試性、安全性等適用性指標需要在衛(wèi)星服役后持續(xù)考核檢驗，以推動后續(xù)衛(wèi)星改進升級，因此，對衛(wèi)星裝備部隊適用性的評估研究意義重大。

1 直覺模糊集理論基礎(chǔ)

定義2 設有兩個直覺模糊集A 和B［6］，直覺模糊集的部分運算規(guī)則如下：

直覺模糊集的和：

直覺模糊集的積：

直覺模糊集的數(shù)乘：

直覺模糊集的乘方：

2 建立評估模型

基于直覺模糊集的評估模型構(gòu)建思路是：構(gòu)建部隊適用性評價指標體系，并劃分部隊適用性指標評估等級；運用直覺模糊理論進行組合賦權(quán)；構(gòu)建直覺模糊評價矩陣，并計算綜合評估結(jié)果，依據(jù)綜合評估結(jié)果確定評估等級。評估模型構(gòu)建步驟如圖1 所示。

圖1 模型構(gòu)建基本步驟Fig.1 Basic steps of model construction

Step 1 構(gòu)建指標體系。部隊適用性指標用于衡量衛(wèi)星在實際使用中是否適應當前任務，反映裝備完成戰(zhàn)備訓練等任務的滿足程度，展現(xiàn)在遂行多樣化軍事任務中的可靠性、維修性、保障性等性能可參考《航天裝備試驗鑒定指標體系指南》，結(jié)合衛(wèi)星裝備在役考核大綱，構(gòu)建指標體系。衛(wèi)星是典型的航天裝備，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，部分作戰(zhàn)適用性及任務適用性指標仍需在衛(wèi)星入軌后的在役考核階段進行持續(xù)考核，部分裝備“六性”指標仍需在在役考核階段進行考核評價，例如環(huán)境適應性、衛(wèi)星可靠性、衛(wèi)星測試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，以考察衛(wèi)星在太空環(huán)境中的真實適用性。

需要指出的是，在役考核階段對衛(wèi)星部隊適用性進行的考核并非簡單重復作戰(zhàn)試驗階段的作戰(zhàn)適用性試驗內(nèi)容，而是根據(jù)裝備服役的實際情況考核前期未能充分考核的部分適用性指標，更加側(cè)重結(jié)合實際運用背景考核裝備批量列裝后的維修保障情況。根據(jù)在役考核目的及在役考核大綱要求，參照《航天裝備試驗鑒定指標體系指南》，在文獻［7-8］的基礎(chǔ)上，結(jié)合衛(wèi)星在訓練使用中重點關(guān)注的適用性要求，從裝備“六性”的角度將部隊適用性指標分解為可用性、可靠性、維修性、測試性、安全性、環(huán)境適應性6 個二級指標，再結(jié)合衛(wèi)星裝備特點采用樹狀分析法分解出部隊適用性三級指標，利用灰色關(guān)聯(lián)分析法與德爾菲法進行篩選優(yōu)化［9］，構(gòu)建出如圖2 所示的衛(wèi)星裝備部隊適用性指標體系。

圖2 部隊適用性指標Fig.2 Forces suitability indicators

Step 2 指標評估等級劃分。根據(jù)部隊適用性評估要求，結(jié)合實際將待評估裝備n 個指標劃分為k個等級。衛(wèi)星裝備部隊適用性指標集合B 與評估等級集合S 分別表示為：

Step 3 確定指標組合權(quán)重。權(quán)重的確定一般分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法，主觀賦權(quán)法能夠充分利用專家豐富的理論知識和工作經(jīng)驗，但容易受到專家專業(yè)知識研究水平的限制；客觀賦權(quán)法可以克服人為主觀影響，但是也受到樣本結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)類型的影響，可靠性不易保證。為保證權(quán)重確定的科學性合理性，綜合考慮主客觀權(quán)重的影響，先用AHP確定主觀權(quán)重，再用熵權(quán)法確定客觀權(quán)重，運用直覺模糊理論方法確定組合權(quán)重。

1）主觀權(quán)重。AHP 是一種傳統(tǒng)的但比較成熟的主觀賦權(quán)方法，該方法將定性定量分析相結(jié)合，用專家經(jīng)驗判斷各衡量目標之間的重要程度，通過計算給出各評價指標的權(quán)重［10］：

①構(gòu)造判斷矩陣。將上層元素與下層有支配關(guān)系的元素進行兩兩比較，按照重要程度確定等級，記aij為元素i 比元素j 的重要性等級，并采用九級標度法［10］進行賦值，所構(gòu)造的判斷矩陣記為：

③一致性檢驗。為保證判斷矩陣符合一致性要求，需要進行一致性檢驗，一致性評價指標CI，計算

公式為

表1 RI 取值Table 1 RI Values

2）客觀權(quán)重。熵權(quán)法是一種常用的客觀賦權(quán)法，基于指標數(shù)據(jù)包含的客觀信息判斷指標間的離散程度和無序程度，系統(tǒng)的無序程度越高，熵值就越小，權(quán)重就越大，熵值法就是用指標熵值來確定權(quán)重［11］，其確權(quán)步驟為：

②原始數(shù)據(jù)歸一化。根據(jù)數(shù)據(jù)類型（效益性、成本性）進行數(shù)據(jù)歸一化，得到歸一化后的矩陣。

③計算信息熵。第j 個指標的熵為

④計算熵權(quán)gj。計算公式為

⑤計算各指標的權(quán)重。計算公式為

通過以上計算可以得到評估對象的直覺模糊判斷矩陣F：

根據(jù)加權(quán)直覺模糊矩陣計算評估對象在不同等級的直覺模糊綜合評分值Sj，計算公式如式（25）所示，并根據(jù)式（7）～式（8）計算評估對象直覺模糊集等級得分值與精確值，最后比較判斷確定綜合評估結(jié)果。Sj的計算公式如下：

模型建立完畢。

3 基于直覺模糊集的裝備部隊適用性評估應用

以某型衛(wèi)星在役考核任務為背景，研究基于直覺模糊集的裝備部隊適用性評估模型實例應用。評估數(shù)據(jù)為在任務部隊采集的衛(wèi)星部隊適用性歷史數(shù)據(jù)及問卷調(diào)查數(shù)據(jù)，本文對評估數(shù)據(jù)進行了仿真處理，完成評估數(shù)據(jù)準備，而后按照上面所建立的模型進行具體評估。

Step 1 構(gòu)建部隊適用性指標體系。

Step 2 劃分部隊適用性評估指標等級。

根據(jù)衛(wèi)星服役運行特點，文獻［14-16］及專家意見將衛(wèi)星裝備部隊適用性評估指標等級劃分為優(yōu)、良、中、差4 個等級，分別用代號S1～S4表示，結(jié)合裝備部隊適用性服役實際及在役歷史數(shù)據(jù)，B1～B15各對應等級隸屬區(qū)間取值如表2 所示。其中，等級“優(yōu)”表示衛(wèi)星部隊適用性完全滿足當前使命任務，可靠性高、維修性好、官兵滿意度高；等級“良”表示衛(wèi)星部隊適用性較好，大部分部隊適用性指標能夠滿足戰(zhàn)備任務需求，但有部分指標不夠優(yōu)異，需要做好針對性維護檢查，以提高衛(wèi)星可靠性；等級“中”表示衛(wèi)星部隊適用性基本滿足平時任務需求，故障率、虛警率等指標較高，總體上在可控范圍內(nèi)，但不適應于執(zhí)行高強度偵察任務；等級“差”表示大部分部隊適用性指標較差，故障率高、保障性差、官兵使用滿意度測評較低，衛(wèi)星難以有效未完成當前戰(zhàn)備訓練任務。

表2 部隊適用性指標及評估等級劃分Table 2 Forces suitability indicators and evaluation level classification

Step 3 確定指標權(quán)重。

本文選取某型4 顆在軌衛(wèi)星進行部隊適用性評估，評估數(shù)據(jù)來源于裝備服役后的歷史數(shù)據(jù)及實驗室仿真數(shù)據(jù)，通過采集衛(wèi)星運行期間的歷史數(shù)據(jù)及部分現(xiàn)場數(shù)據(jù)，構(gòu)建部隊適用性評估指標屬性值列表，如表3 所示，定量指標根據(jù)采集數(shù)據(jù)計算得出，定性指標采用德爾菲法，由專家組打分得出，評分標準按照等級劃分表中規(guī)定執(zhí)行。

表3 指標屬性值列表Table 3 List of indicator attribute values

表4 部隊適用性主觀權(quán)重Table 4 Subjective weights of forces suitability

1）應用AHP 計算主觀權(quán)重。通過專家咨詢構(gòu)建的準則層判斷矩陣，即指標I1、I2、I3、I4、I5、I6之間重要性比較關(guān)系：

2）應用熵權(quán)法求取客觀權(quán)重。指標xij歸一化采用極差變換法轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化公式如下：

由熵值法計算式（14）～式（16）各指標權(quán)重結(jié)果，如表5 所示。

表5 部隊適用性客觀權(quán)重Table 5 Objectiveweights of forces suitability

由以上兩步得到部隊適用性主客觀權(quán)重向量：α=（0.152 8 0.152 8 0.094 9 0.059 8 0.150 7 0.095 4 0.095 4 0.055 5 0.027 8 0.027 8 0.006 5 0.009 5 0.027 5 0.021 9 0.021 9）β=（0.113 6 0.111 4 0.131 1 0.139 1 0.008 2 0.008 2 0.053 6 0.008 6 0.001 6 0.008 4 0.076 3 0.082 9 0.087 0 0.087 9 0.082 1）

3）確定部隊適用性直覺模糊權(quán)重。由式（17）構(gòu)建相應的直覺模糊組合權(quán)重：

Step 4：基于直覺模糊集的部隊適用性評估。

1）以衛(wèi)星1 為例，依據(jù)原始指標仿真數(shù)據(jù)值和評估等級劃分標準結(jié)合式（1）構(gòu)建直覺模糊矩陣F1，根據(jù)式（18）～式（22）計算可得：

2）計算加權(quán)模糊矩陣。通過式（24）～式（25）計 算加權(quán)直覺模糊矩陣結(jié)果為：

由式（3）、式（7）、式（8）計算衛(wèi)星1 各評估等級 下的綜合評分值和等級得分值，如表6 所示：

表6 綜合評分值和等級得分值（衛(wèi)星1）Table 6 Comprehensive score value and grade score value（Satellite 1）

根據(jù)直覺模糊數(shù)得分值的排序規(guī)則進行評估等級排序，S1>S2>S4>S3可知衛(wèi)星1 的部隊適用性評估結(jié)果等級為優(yōu)。

依據(jù)上述計算步驟同樣可以計算出衛(wèi)星2～衛(wèi)星4 的部隊適用性評估結(jié)果，得到評估結(jié)果匯總表，如表7 所示。

表7 評估結(jié)果（衛(wèi)星2～衛(wèi)星4）Table 7 Evaluation results（Satellites 2～Satellites 4）

由表7 評估結(jié)果可以看出，衛(wèi)星1 的部隊適用性為優(yōu)，衛(wèi)星2、衛(wèi)星4 的部隊適用性為良，衛(wèi)星3的部隊適用性為中。從部隊適用性評估數(shù)據(jù)來看，衛(wèi)星1 故障率低，任務完成中可靠度高，衛(wèi)星維修性好，一般故障易維修，總體適用性表現(xiàn)優(yōu)于其他衛(wèi)星，此衛(wèi)星的研制指標可以作為后續(xù)衛(wèi)星研制改進的參考；衛(wèi)星3 可靠性較低，故障隔離率低，導致有些一般故障發(fā)展成嚴重故障，影響修復時間與時機，相較于其他3 顆衛(wèi)星，其綜合適用性較差，后續(xù)使用中應注重日常維護與觀察，出現(xiàn)故障時及時記錄并分析原因，且不適合執(zhí)行高強度的戰(zhàn)備演練任務。雖然衛(wèi)星2 與衛(wèi)星4 評估結(jié)果均為良，但衛(wèi)星4的直覺模糊數(shù)得分值為0.039 1，大于衛(wèi)星2 的直覺模糊數(shù)得分值-0.166 2，說明衛(wèi)星4 的評估結(jié)果更接近優(yōu)，4 顆衛(wèi)星部隊適用性評估結(jié)果排序為：衛(wèi)星1>衛(wèi)星4>衛(wèi)星2>衛(wèi)星3，評估結(jié)果排序與衛(wèi)星現(xiàn)實表現(xiàn)相符。在后續(xù)衛(wèi)星研制過程中，應參照衛(wèi)星1的性能標準，進一步優(yōu)化星地一體化指標，減少衛(wèi)星任務故障率，提高可靠性水平。

4 結(jié)論

在役考核作為新型試驗鑒定類型，將在推動我軍裝備螺旋上升發(fā)展上發(fā)揮重要作用，本文結(jié)合在役考核評估需求實際，以衛(wèi)星裝備為研究對象，開展裝備部隊適用性評估問題研究，提出了基于直覺模糊集的異質(zhì)多屬性評估方法。建立了基于直覺模糊集的裝備部隊適用性評估模型，構(gòu)建了衛(wèi)星部隊適用性指標體系，給出主客觀結(jié)合的直覺模糊組合權(quán)重，構(gòu)造了加權(quán)直覺模糊矩陣，通過仿真實例驗證了評估方法的有效性，可為在役考核中裝備部隊適用性評估提供方法參考。