基于ANP的天基海洋监视体系作战能力评估方法*

姜剑雄，孔祥龙，师 鹏，赵育善

（1.北京航空航天大学宇航学院，北京 100191；2.上海卫星工程研究所，上海 200240）

基于ANP的天基海洋监视体系作战能力评估方法*

姜剑雄1，孔祥龙2，师 鹏1，赵育善1

（1.北京航空航天大学宇航学院，北京 100191；2.上海卫星工程研究所，上海 200240）

天基海洋目标监视是现代高科技条件下航天军事装备的重要发展方向。针对天基海洋监视体系作战能力的综合评估问题，提出了一种基于网络层次分析的评估方法。考虑能力指标的层次性和相关性，建立了包括控制层与多级式网络层的能力指标体系。通过定义能力满足度函数实现性能指标的量化，并根据能力需求间的关系与各层指标权重实现对能力指标的聚合计算，再利用网络层次分析法对指标体系进行综合评价。最后以实例说明所提方法的评估过程，评估结果表明该方法能够合理地反映某方案下网络层指标对侦察能力目标的影响，对于仿真训练研究及体系装备发展论证具有参考价值。

体系评估，网络层次分析法，海洋监视，能力需求

0 引言

信息化条件下的海战场对抗已经从作战力量的“平台对抗”发展到“体系对抗”，导致作战需求发生了根本的变化。信息的主导性使情报工作地位突出，而天基海洋监视体系是获取准确、可靠、及时情报信息的强有力手段。在充分客观认知航天装备体系的基础上，对海洋监视体系作战能力的评估，可以发现体系中的关键因素及薄弱环节，有效突破当前装备体系的“短板”，并从装备体系作战能力需求的角度实现对海洋监视体系建设发展的指导和规范［1］。

目前对海洋监视体系作战能力的评估往往采用武器装备系统作战效能评估的方法，如ADC方法［2-3］、层次分析法［4-5］（Analytic Hierarchy Process，AHP）、仿真方法［6-7］等对单类卫星或星座进行评价。这些方法建立的评估层次结构较为简单，在针对平台级、系统级能力评估时较为成熟，但应用到整个装备体系的评估存在诸多限制，并且与目前“基于能力”的建设思想［8］格格不入。以能力需求作为体系评估的着眼点，体现了体系评估与系统评估不同层次的特点。文献［9］提出通过定义底层能力需求满足度函数并根据能力需求的相互关系自底向上聚合得到顶层能力满足度函数的评估方法，但定义的能力满足度函数比较简单，对定性指标的量化与能力间的相关性考虑不足；张迪、郭齐胜等［1］考虑能力之间的相关性，建立了网络化能力指标体系，并通过ANP法评估解算实现对武器装备体系的评价，评估结果较为全面但对体系能力指标值在具体作战场景下的随机性与动态性考虑不足。

本文针对天基海洋监视体系的特点，采用ANP法从顶层建立了包括控制层与网络层的能力指标体系，结合性能指标量化、各级权重确定与能力指标聚合的相关方法，实现了海洋监视体系装备性能参数到能力指标满足度的映射，再利用ANP法对指标体系进行综合评价。最后，以控制层中的海洋目标搜索发现与识别为例，说明所提方法的评估过程并验证其有效性。

1 评价方法原理

1.1 ANP法概述

ANP法建模将系统元素划分为两部分：一是控制层，包括至少一个问题目标及若干决策准则，且只受目标元素支配，每个准则的权重可用AHP法获得；二是网络层，由所有受控制层支配的元素组组成，其内部是互相影响的网络结构［10］。ANP法通过构造相互联系的元素之间的关系矩阵（即超矩阵），考虑元素之间的多重影响，通过对超矩阵求极限运算，得到网络层各元素相对于目标的极限超矩阵（即综合权重）。相比AHP法，ANP法的建模与计算过程更为复杂，但其充分考虑了评估因素的相关性，比较完整地保持了系统的特性，评估结果更加合理可信。ANP法计算流程如图1所示。

图1 ANP法计算流程图

1.2 可拓AHP法

ANP法在网络层的计算过程，如构造元素组以及元素之间的判断矩阵，按判断准则对元素进行两两比较，计算权重等都是利用了AHP法的计算方法和步骤。传统的AHP法在建立元素判断矩阵时，是根据两两重要程度的主观感觉判断，给出一个确定的比较值，然而其没有考虑到人为判断的模糊性，导致判断矩阵没有弹性，因此，本文采用多人可拓AHP法［4］来确定权重，其计算步骤如下：

①针对指标体系第l-1层的某一个指标或准则，将第l层与之有关的全部指标，请专家进行两两比较，用可拓区间数表示每两个指标之间的相对重要程度，从而构造出一个可拓判断矩阵

求得权重向量为

令Wi表示第l层上第i个指标相对于第l-1层某指标或准则的相对权重，则

经归一化处理后可得权重向量W。

③采用上述步骤分别计算出每位专家的评价权重，按照下式综合各位专家的权重（设专家总数为t）

归一化后得到最终的权重向量P。

2 天基海洋监视体系评估模型

2.1 评估指标体系

评估指标体系，是指由一系列具有内在联系、相互衔接、相互制约的指标所构成的有机整体，是对天基海洋监视体系各种属性的描述。构建指标体系是一个定性与定量相结合的过程，需要遵循目的性原则、可测性原则、完备性原则、时效性原则、敏感性原则、独立性原则等。文献［11］考虑到体系的层次性和指标的可度量性，提出了信息获取能力、信息分发能力、信息处理能力等共10个指标。然而体系能力的一级、二级子能力指标之间存在相关性，不同的侦察场景对应的能力指标存在差异性，体系能力在具体侦察场景下的指标值又是概率化、动态化的，这些因素直接关系到体系能力的高低与评估结果的真实性。因此，本文在文献［11］指标体系的基础上，基于ANP建模思路，从顶层建立了包括控制层与多级式网络层的能力指标体系，如图2所示。

图2 天基海洋监视体系能力评估指标体系

控制层包含4个准则，每个准则都控制着一个网络层，不同准则类似于不同的侦察监视任务，其网络层大同小异；网络层共7个一级指标，按照指标的功能可分为侦察能力指标和侦察应用指标，能力指标包括信息获取能力、信息传输能力、信息处理能力、体系安全能力和典型侦察效能，应用指标包括体系应用能力和体系科技与社会效益。考虑到各一级指标的相关性和重要程度，侦察能力指标下的5个一级指标采用ANP法确定权重，限于篇幅，各二级指标的内容［12-13］这里不再具体介绍。侦察应用指标下的2个一级指标采用可拓AHP法确定权重，因其对海洋监视体系作战能力影响较小，本文暂忽略其影响。

2.2 指标量化方法

在建立评估指标体系时，为兼顾评估的准确性和计算复杂度，本文对指标体系建立到二级能力指标，并对各二级指标分解到底层性能指标。由于海洋监视体系底层性能指标性质、量纲不同，同一指标在不同作战任务下对作战的支持也不同，因此，在进行能力评估时必须将指标进行无量纲处理。

定量指标的量化，该处采用构造底层能力需求节点满足度函数的方法，通过一定的数学变换把底层指标的数值转化为可以进行综合比较的相对数。针对海洋监视体系底层性能指标的特点，以能力需求值r为基准建立起的两个常用的分段型能力满足度函数如式（4）和式（5）所示。

时间分辨率量化函数为

式中：k为常数，需根据指标性质及给定的条件，经过专家测验得到［14］。

定性指标的量化，运用模糊评价法，按照先定性、再分级、最后专家打分的方式将其量化。本文评估等级的个数取q=5，分别表示满足度很高、较高、一般、较低、很低，设评语集对应的能力需求满足度值为

则该评估指标的能力满足度值Ei为

式中：fij是第i项指标ui对第j种评估等级vj的隶属度，其具体公式参考文献［11］。

2.3 指标聚合计算

评估指标体系上层满足度需由底层能力需求满足度聚合得到，聚合的依据是各层能力需求节点之间的构成或依赖关系。记聚合后的某上层能力值为E，其包含的下一层各指标能力值为Ei，对应的归一化权重值为ωi。2.2节中介绍了一、二级指标权重确定的方法，考虑到其他各级指标间的相关性较弱，权重值ωi采用AHP法［5］来确定。

对于构成关系，采用线性求和法进行聚合

式中：ωi体现了下层能力需求对上层能力需求的重要程度；对于依赖关系，采用指数乘积法进行聚合

式中：ωi刻画了下层能力需求对上层能力需求的支持程度。采用何种聚合方式取决于指标结构，有时还存在复合运算，即既有构成关系又有依赖关系，此时可先计算依赖关系，再计算构成关系，最后进行综合［9］。

3 实例分析

以控制层中的海洋目标搜索发现与识别准则为例说明所提方法的评估过程。假设一艘大型舰船目标的活动区域为东经 125°～130 °、北纬 25 °～30 °，以30 kn/h的速度在该区域内运动，如图3所示。

图3 目标及活动区域仿真图

图3中正方形为目标的活动区域，TARGET的运动轨迹为舰船目标的假定行驶轨迹。海洋监视卫星、光学与SAR成像侦察卫星均由星座（3颗卫星）3组9颗组网工作，仿真周期为24 h。评估海洋监视体系在完成对该舰船目标的搜索发现与识别任务的作战能力时，还需要考虑其所处的环境和条件等因素的影响，鉴于本节主要是为了验证方法的有效性，因此，对仿真实验活动、评估数据获取过程等作了简化处理。评估指标体系各二级能力指标下底层性能指标参数依据航天装备的相关资料进行假设或仿真得到。

3.1 指标量化与聚合

以海洋监视体系典型侦察效能指标下的侦察覆盖效能为例说明能力指标的综合处理流程。利用STK软件仿真得到侦察覆盖效能指标下海洋监视卫星对舰船目标的访问时间分析数据及侦察卫星系统对目标活动区域的覆盖分析数据，其中侦察卫星每一时刻对目标区域的覆盖面积百分比如图4所示。

图4 侦察卫星每一时刻对活动区域的覆盖率

通过对仿真数据的预处理得到侦察覆盖效能指标的底层性能参数，以平均响应时间性能为例，其表示从接收到要观测目标的随机请求开始到可以观测到该目标为止的时间长度，常用访问时间间隔来计算，假设在步长为h、仿真周期为T的计算中，共有访问间隔n次，第i个访问时间间隔是ti，则平均响应时间

将性能参数取值按照2.2节介绍的指标量化方法进行量化处理，获得底层能力满足度值；根据各层能力需求节点之间的关系，分别按式（9）或式（10）进行指标的聚合计算，从而得到侦察覆盖效能指标的能力满足度值。各级指标的满足度值及相应权重如表1所示。

3.2 ANP法综合评价

经指标量化与聚合得到所有二级能力指标的满足度值后，利用超级决策（Super Decisions）软件建立侦察能力指标体系的网络结构如图5所示。

表1 侦察覆盖效能各级指标能力满足度值及权重

图5 侦察能力指标体系的网络结构图

根据各级指标间的相互影响关系及采用可拓AHP法求得的ANP模型中组与节点归一化的权重向量，Super Decisions软件可以直接计算出侦察能力指标体系各二级指标的权重值，如图6所示。图6中给出两种权重值“Normalized by Cluster”和“Limiting”，前者为按一级指标组进行归一化处理后的权重值，后者则是各二级指标相对于侦察能力目标的权重值。

图6 侦察能力二级指标权重值

从图6的条形图中可以看到，二级能力指标中星上处理能力的权重值最大，约占总能力的16.0364%，信息传输质量的权重值最小，约占总能力的1.4208%。信息获取能力、信息处理能力和体系安全能力是一级指标中影响体系能力评估结果的主要因素，而体系安全能力则是整个作战行动有效实施的前提，故其所占权重较高。结合各二级能力指标满足度值，聚合计算分别得到侦察能力各一级指标的能力满足度值（如表2所示）及海洋监视体系侦察能力满足度值

式中：ωreci为“Limiting”中给出的各二级指标权重值；Ereci为侦察能力下各二级指标的能力满足度值。

表2 侦察能力一级指标满足度值

图6和表2都是在本文天基海洋监视体系方案下，针对海洋目标搜索发现与识别准则的侦察能力评估结果。表2各级指标满足度值反映了体系各系统单元完成给定作战任务的能力，其中能力满足度值偏低的节点代表该体系方案中的薄弱环节。结果表明该方案下信息获取能力与体系安全能力的满足度较高，信息的传输和处理能力则略显不足，需要进一步加强，尤其是星上处理能力，因其权重系数大，是海洋监视体系建设优化的重点方向。同时，在侦察覆盖效能方面，需加强不同侦察载荷获取信息的融合处理能力，以及多颗、多类型卫星对海洋目标监视的联合调度能力。通过实例计算发现，ANP法可以有效处理能力指标间的相关性，可拓AHP法增加了判断矩阵的弹性，二者的结合使用使得权重系数的分配更加合理。同时能力指标体系包含典型效能指标考虑了体系能力指标值在具体作战场景下的随机性与动态性，比较完整地保持了体系的特性。

4 结论

本文所建立的评估指标体系基本涵盖了天基海洋监视体系所涉及的主要作战任务与指标因素，所提出的基于能力需求的网络层次评估方法可以有效处理指标权重的确定及量化与聚合问题。通过某海洋监视体系方案下针对海洋目标搜索发现与识别准则的侦察能力评估，验证了指标体系的科学性及评估方法的有效性。所得的评估结果有利于从顶层分析海洋监视体系的能力，并反映多个体系方案的优劣情况，也可以帮助分析人员确定某体系方案中的能力“短板”，以便对其进行重点的建设与优化。本文提出的评估方法对体系装备发展论证及仿真训练研究具有一定的参考价值。

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Combat Capability Evaluation Method of Space-based Ocean Surveillance System-of-Systems Based on ANP

JIANG Jian-xiong1，KONG Xiang-long2，SHI Peng1，ZHAO Yu-shan1
（1.School of Astronautics，Beihang University，Beijing 100191，China；2.Shanghai Institute of Satellite Engineering，Shanghai 200240，China）

Space-based ocean target surveillance is an important development in the space equipment on the modern high-technology condition.To solve the problem of the combat capability comprehensive evaluation of space-based ocean surveillance system-of-systems （SoS），an evaluation method based on the analytic network process（ANP）is proposed.Considering the hierarchy of combat capability and the correlation between them，the index system containing the control layer and the multi-level-network layer is built.By defining sufficing capability degree functions，performance indices are quantified.According to capability requirement relationships and weights of indices，capability indices are aggregated.Furthermore，it applies ANP to assess the index system.Finally，an example is given to illustrate the evaluation process of the method.Evaluation result has shown that the method can reflect the effects of the network layer indices of a scheme on the reconnaissance capability goal，and is useful for the simulation study and the equipment development.

System-of-Systems （SoS） evaluation， Analytic Network Process（ANP），ocean surveillance，capability requirement

1002-0640（2017）10-0053-06

E917；TP391

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.10.012

2016-08-10

2016-10-13

国家自然科学基金（11572019）；上海航天科技创新基金资助项目（SAST2015027）

姜剑雄（1992- ），男，甘肃定西人，硕士研究生。研究方向：飞行器总体设计，航天器动力学与控制。