面向装备体系作战效能评估的SEM建模与评估方法

杨　娟,朱延雷,何　榕

(装备学院,北京　101416)



面向装备体系作战效能评估的SEM建模与评估方法

杨娟,朱延雷,何榕

(装备学院,北京101416)

摘要:针对装备体系作战效能评估分析需求,构建了基于SCA(Sensor-Controller-Actuator)的装备体系作战能力评估指标体系,研究了基于SEM(Structural Equation Modeling)的装备体系作战效能评估方法,并以某防空反导装备体系作战效能评估为例,验证了方法的合理性和有效性。该研究可为装备体系发展论证及作战效能评估提供参考。

关键词:装备体系;作战能力;作战效能;传感器-控制器-执行器(SCA);结构方程模型(SEM)

装备体系作战效能,是指装备体系实现特定作战任务目标的有效程度,即在给定威胁、条件、环境和作战方案下装备体系完成作战任务的效果,是一个动态的概念[1]。装备体系作战效能评估是装备体系建设和作战体系分析中的一个重难点问题。采用仿真实验方法评估装备体系效能是目前较为通用的做法[2]。结构方程模型(Structural Equation Modeling, SEM)是一种新型多元统计分析方法,目前已成为统计分析方法中一个新的发展方向,广泛应用于心理学、经济学、社会学、军事学等研究领域[3-5]。本文在构建装备体系作战能力指标体系的基础上,提出了基于SEM的装备体系作战效能建模与评估方法,并以某防空反导装备体系作战效能评估为例进行验证与分析。

1SEM基本原理

结构方程模型(SEM),又称结构方程建模或结构方程分析，于20世纪70年代初,由瑞典统计学家、心理测量学家卡尔·乔瑞斯考格(karl Jöskog)及其合作者提出。结构方程模型的核心概念是两类性质不同的变量[6]:一类称为显变量(Observed Variable),或称为可观测变量、指示变量,它是可以直接观测或度量的变量,如作战效能指标、体系贡献度指标;另一类称为隐变量(Latent Variable),或称为潜变量,它是不可直接测量的变量,但可以通过显变量体现和测量,如作战能力指标。此外,根据变量是否受到其他变量的影响,又分为外生变量(Independent Variable,不受其他变量影响,相当于函数的自变量)、内生变量(Endogenous Variable,受到其他变量影响,相当于函数的因变量)。

SEM的基本原理是在显变量和隐变量定性关系模型的基础上,通过利用显变量的观测数据将该定性关系模型转换为定量关系模型,并对该定量关系模型进行参数检验和拟合程度检验,直至得到满意的模型[1,6]。

SEM由两部分构成:测量模型(Measurement Model)和结构模型(Structural Model)。

测量模型描述外生显变量X、内生显变量Y与外生隐变量ξ、内生隐变量η之间的关系。测量方程为

(1)

结构模型描述隐变量之间的关系。结构方程为

η=Bη+Γξ+ζ

(2)

目前,从SEM的构建与识别、参数估计、评估与修正等过程已实现了软件化,常用的SEM分析软件主要有LISREL、AMOS等,本文主要采用LISREL 8.7软件及极大似然估计法进行SEM分析[7]。

2基于SCA的装备体系作战能力指标体系

柔性(flexible)包括灵活、可重用、可扩展、可重组等含义。柔性建模是柔性理念在建模与仿真领域的具体体现。基于SCA(Sensor—Controller—Actuator)的柔性建模方法,是指封装装备体系传感器(Sensor)、控制器(Controller)、执行器(Actuator)的相关功能,并将其作为基本的建模单元,同时按照感知能力、指控能力、执行能力对装备体系作战能力进行指标分解,实现对装备体系作战能力评估的一种控制论方法[8]。图1是基于SCA的柔性建模方法,构建的装备体系作战能力评估指标体系。

图1　装备体系作战能力评估指标体系

3基于SEM的装备体系作战效能建模与评估方法

图2　装备体系作战效能评估的SEM

本文选取感知能力、指控能力和执行能力作为装备体系能力的构成要素进行分析,并将这3种能力作为SEM模型中的3个隐变量,又分别用相关贡献度指标作为显变量,并通过贡献度系数λ和贡献度偏差δ构建隐变量与显变量之间的数学模型,如感知能力ξ1,可通过目标发现概率x1及其对应的贡献度系数λx11和贡献度偏差δ1、目标侦测时间x2及其对应的贡献度系数λx21和贡献度偏差δ2和目标识别概率x3及其对应的贡献度系数λx31和贡献度偏差δ3表示。同理,其他装备体系能力也可用相应的显变量和贡献度系数及贡献度偏差进行表示。

图2中,φ表示外生变量间的影响关系系数,γ表示外生变量与内生变量间的影响关系系数。其关系比较复杂,本文不将其作为重点研究内容。

表1　SEM变量对应表

模型的测量方程为:

(3)

(4)

由SEM模型的测量方程,可得装备体系感知能力评估模型为

(5)

装备体系指控能力评估模型为

(6)

装备体系执行能力评估模型为

(7)

由式(5)-(7),可知装备体系作战效能评估问题已转化为对其SEM中的参数估计问题,通过构建装备体系作战效能指标与作战能力指标的定性关系模型及定量关系模型,从而实现对装备体系作战效能的仿真实验与评估。

4验证示例

本文以某一防空反导装备体系作战效能评估为例[2],使用SEM方法对该装备体系作战效能进行评估分析。本文通过作战效能仿真对4种装备体系方案的作战能力进行评估分析,推算出这4种装备体系分别在执行防空反导任务中的贡献度。4种方案的作战效能指标值如表2所示。

表2　方案的作战效能仿真指标值

将上述4种方案的作战效能仿真指标值以及评估模型录入到LISREL 8.7软件中,采用极大似然估计法进行参数估计,并进行t检验。参数估计与t检验结果如表3所示。

表3　示例SEM参数估计及t检验值

表4　算例SEM主要拟合指数值

由表3和表4可知,所构建的基于SEM的防空反导装备体系贡献度评估模型的参数估计是合理的,可以将估计的参数值作为防空反导装备体系贡献度评估的参数。利用SEM参数估计值,可得相应装备体系作战能力与体系贡献度指标之间的定量关系模型。

某防空反导装备体系感知能力(侦察预警能力)评估模型为

ξ1=0.450x1+0.407x2+0.439x3-0.191

某防空反导装备体系指控能力评估模型为

ξ2=-0.412x4+0.427x5+0.402x6+0.063

某防空反导装备体系执行能力评估模型为

η1=-0.433y1+0.407y2+0.397y3-0.087

结合表2给出的4种方案的作战效能仿真指标值,得出4种方案下装备体系的感知能力、指控能力和执行能力的评估值。按照特定的目的和要求,决策者选取出满意的方案。

表5　4种装备体系的作战效能/体系贡献度指标值

从表5可知,装备体系方案3的感知能力、指控能力和执行能力等三个方面都强于装备体系方案1和装备体系方案2,而在执行能力方面,装备体系方案4则强于装备体系方案3。在执行防空反导任务过程中,需要结合来袭目标状况、指挥员和指挥机关的作战意图等因素对方案3和方案4进行有针对性的选择。

5结束语

本文基于SCA的柔性建模及SEM方法,对装备体系作战效能与作战能力进行了评估及验证分析。评估结果表明,基于SEM的建模与评估方法对探究装备体系作战效能与作战能力之间的定性定量关系具有重要支持作用。由于体系复杂性以及指标间的影响作用或涌现效应,使得体系效能评估还存在较大困难。本文的工作只能说是装备体系发展论证和评估实践的一次有益尝试,还需按照体系作战观和复杂性科学理论,进一步研究体系效能评估方法,较好地解决装备体系作战效能仿真实验与评估分析的现实难题。

参考文献:

[1]罗鹏程,周经伦,金光.武器装备体系作战效能与作战能力评估分析方法[M].北京:国防工业出版社,2014.

[2]季明,马力.面向体系效能评估的仿真实验因素与指标选择研究[J].军事运筹与系统工程,2014,28(3):61-65.

[3]侯杰泰,温忠麟.结构方程模型及其应用[M].北京:教育科学出版社,2006.

[4]邱皓政,林碧芳.结构方程模型的原理与应用[M].北京:中国轻工业出版社,2008.

[5]易丹辉.结构方程模型:方法与应用[M].北京:中国人民大学出版社,2008.

[6]李志猛,徐培德,冉承新,等.武器系统效能评估理论及应用[M].北京:国防工业出版社,2013:191-193.

[7]Byrne. Structural Equation Modeling with LISREL, PRELIS and SIMPLIS: Basic Concepts, Applications and Programming[M]. Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum Associates, 1998.

[8]王满玉,蔺美青,高玉良.基于算子的武器装备作战效能评估柔性建模方法与应用[M].北京:国防工业出版社,2012.

SEM Model and Evaluation Method for Operational Effectiveness Assessment of Equipment System

YANG Juan,ZHU Yan-lei,HE Rong

(Academy of Equipment, Beijing 101416, China)

Abstract:Aiming at operational effectiveness assessment analysis requirements of equipment system, the paper builds operational capability evaluation index system of equipment system based on SCA(Sensor-Controller-Actuator),studies operational effectiveness assessment method of equipment system based on SEM(Structural Equation Modeling), and takes operational effectiveness evaluation of the air defense missile equipment system as an example,verifies the rationality and validity of the method. The study can provide reference for demonstration equipment system development and operational effectiveness assessment.

Key words:equipment system; operational capability; operational effectiveness; Sensor-Controller-Actuator(SCA);SEM

中图分类号:E91

文献标志码:A

DOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.02.008

作者简介：杨娟(1966-),女,湖南汨罗人,副研究员,研究方向为装备管理与发展论证。朱延雷(1983-),男,博士研究生。

收稿日期：2015-10-22

文章编号：1673-3819(2016)02-0033-04

修回日期： 2015-11-02

何榕(1983-),女,博士研究生。