水面舰艇作战试验评估指标体系构建方法研究 *

2021-07-21徐强金振中杨继坤

现代防御技术 2021年3期

徐强,金振中,杨继坤

(1.中国人民解放军92493部队,辽宁葫芦岛 125000；2.海军航空大学岸防兵学院,山东烟台 264001)

0 引言

水面舰艇作战试验评估指标体系构建是试验方案设计、试验组织实施、试验结果评定的前提条件[1]，是联系水面舰艇综合评估方法的重要依据，构建科学可行、内容完整的作战试验鉴定指标体系对于缩短装备研制进程，实现装备科学采办决策，加速装备战斗力的快速形成，具有重要作用[2-3]。当前水面舰艇作战试验评估指标体系构建方法不科学、构建步骤不清晰，难以全面评估舰艇真实作战能力[4]。本文设计了作战试验评估指标体系构建的总体思路及步骤，提出作战试验问题的多种解析方法，构建以作战效能、作战适用性、体系适用性、在役适用性为基本框架的指标体系，最后提出基于ISM(Interpretive Structural Model)方法对指标体系进行优化处理，最终形成结构清晰、内容科学的评估指标体系。

1 评估指标体系构建基本方法

1.1 总体思路

水面舰艇作战试验评估指标体系构建借鉴一体化设计和工程化编制方法，遵循“面向需求基于使命的指标体系”的构建思路，以军事需求为牵引，紧贴装备作战使命，首先从舰艇军事需求与使命任务2个方面确定作战试验目标，提出包含舰艇战术技术指标特性、作战任务要求及关键作战问题的作战试验问题；然后运用映射分解法、质量功能展开法、树状分析法等解析方法对作战试验问题进行解析，初步确定评估指标体系；最后针对初步解析得到的指标体系层次不清晰、各指标之间关系不独立等问题，采用ISM法进行结构优化，按要求对指标体系进一步分解优化，并根据分解结果反复迭代，得到最终评估指标体系。指标体系构建总体思路如图1所示。

图1 面向需求基于使命的水面舰艇作战试验评估指标体系构建总体思路Fig.1 General idea of building operational test of warships based on demand and mission

1.2 评估指标体系构建步骤

(1) 确定作战试验目标

确定舰艇装备作战试验目标是建立评估指标体系的前提和基础，其内容主要包含2个方面：①军事需求分析，②使命任务分析。其中军事需求分析主要是围绕舰艇装备是否能够满足部队作战使用需要，能否提高部队战斗力，讲清装备应“打什么仗”的问题；使命任务分析是指舰艇能否完成特定战斗条件下的作战任务，能否按要求完成作战使命任务也是舰艇作战试验考核的最终目标。

(2) 提出作战试验问题

舰艇军事需求与使命任务往往比较抽象与模糊，作战试验问题就是将舰艇军事需求与使命任务转化为具体的试验问题及指标数据要求，便于参试人员理解与生成评估指标体系。对于舰艇军事需求，一般包含多种作战形式，不同的作战形式可以用关键战技指标等性能参数来描述。对于舰艇使命任务，通常描述舰艇在单舰或编队条件下执行的作战样式、具体承担的任务及主要作战对手。由于执行不同的作战任务所对应的任务剖面不同，对舰艇作战能力要求也不同，因此需要针对特定或多元的作战任务进一步分析，通常以水面舰艇关键作战问题形式描述作战试验问题。

(3) 解析作战试验问题

水面舰艇作战试验问题通常由对应评估指标体系来表现，通过对作战试验问题的解析，可初步得出评估指标体系内容。由于作战试验问题出发点和要求不同，应针对性采用不同方法进行解析，本文采用3种方法分别将水面舰艇战术技术特性、任务要求、关键作战问题转化为评估指标体系。

1) 基于能力映射分解法

如表1所示，通过设计水面舰艇装备特性映射表格，找到舰艇战术性能指标与评估指标体系各基本要素的一一对应关系，具体分为以下3个步骤。

表1 某型水面舰艇装备特性映射表Table 1 Warships characteristic mapping table

第1步，根据水面舰艇研制总要求规定，将关键战技指标项目及指标值列入装备特性映射表格列中，按照系统能力或功能构成，提出由作战效能、作战适用性、体系适用性、在役适用性等构成的评估指标体系，并列入舰艇特性映射表格的行中。

第2步，找出舰艇装备特性映射表格行(能力项)与列(指标项)之间的关系，若某一战技指标与某一效能或适用性指标有关联，则在对应表格交叉位置处打“√”，这样建立两者之间的层层映射关系，实现性能指标到能力的层层分解。

第3步，根据水面舰艇能力项与指标项之间的层层映射关系，从而实现指标进行划分归类，形成最终评估指标体系。

基于映射分解的指标体系构建，通过设计舰艇装备特性映射表格，可清晰展现出舰艇能力项与指标项一一映射关系，实现将水面舰艇作战技术特性参数转化为用户关心的作战效能指标、作战适用性指标。

2) 基于质量功能展开法

基于质量功能展开法(quality function development,QFD)主要用于将某型水面舰艇多元任务要求及特定任务要求进行解析，把作战部队对装备的需求进行多层次的分析演绎，转化为舰艇设计要求、武器系统特性、装备研制的质量工具，用来指导装备的可行性设计和质量保证[5-6]。QFD的基本原理是以质量屋(house of quality,HOQ)的形式，量化分析装备用户需求与装备质量特性的关系度，最大程度的满足装备作战要求，演绎分解生成装备作战试验评估指标集。其基本流程如图2所示。

图2 基于QFD的作战试验评估指标体系构建流程Fig.2 Establishment process of operational test evaluation index system based on QFD

具体过程包括3步：

第1步按照舰艇作战任务清单内容，对作战任务剖面进行解析，通常一项作战任务可解析成多项作战任务阶段，每个阶段可分解对应多个作战行动，形成作战任务到作战行动的映射分解，同时按照重要度对作战任务和作战行动进行排序。

第2步对舰艇作战行动进行分解，针对舰艇不同作战行动对作战能力的需求，形成舰艇作战行动到舰艇作战能力的映射分解，同时按照重要度对作战行动和作战能力进行排序。

第3步基于舰艇作战能力进行评估指标分解，一直分解到底层指标，完成作战能力到评估指标的映射分解，由于一种作战能力可对应多个评估指标，应将评估指标按照重要度进行排序及取舍。

3) 基于树状分析法

树状分析法用于对舰艇关键作战问题进行分解转化形成评估指标体系。树状分析法来源自还原理论[7]，是利用分解、分析、还原的方法将复杂系统整体逐级分解为多属性、相互独立的组成部分，用部分来描述整体，可从抽象的高层系统逐层还原到底层清晰具体的细节问题。

树状分析法将舰艇关键作战问题按照作战效能指标、作战适用性指标、体系适用性指标、在役适用性指标作为1级指标内容，并从上至下分解形成性能指标、适用性指标等构成的2级指标及其所需数据元的3级树状层次结构，如图3所示。每项1级作战效能指标或适用性指标可分解为多个2级性能或适用性指标，这些2级指标又由多个3级数据元指标支撑联系，数据元是在舰艇作战试验中测量获取的具体指标数据，可以描述整个水面舰艇能力特性。

图3 基于树状分析的评估指标体系构建结构图Fig.3 Evaluation index system construction structure based on tree analysis

2 基于ISM的评估指标体系优化方法

解释结构模型(ISM)是系统工程的一种分析方法，主要研究复杂系统之间离散、无序要素之间结构关联关系，通过绘制图形和构建矩阵等手段表述系统间已知的零乱关系，并利用矩阵分析推导出结论，最终将关系复杂、结构不清晰的系统要素分解成多级递阶结构模型[8-11]。

ISM方法的基本步骤是：首先根据系统间各要素关系分析构建邻接矩阵，将邻接矩阵通过矩阵运算得到可达矩阵，然后将可达矩阵进行级间分解，生成系统递阶有向图，最后建立系统结构模型，将复杂系统分解形成逻辑清晰的递阶结构。

本文结合某型水面舰艇作战试验，说明如何运用ISM法对评估指标体系进行优化。

2.1 指标要素分析

水面舰艇是构成复杂的武器装备系统，开展作战试验的目标：①综合考核其在标准条件下的综合作战能力，即作战效能；②考核其在服役寿命周期内发挥装备固有能力的可用性，摸清装备在作战过程中能力发挥的影响条件，针对适用性进行评价。因此，设立作战效能、作战适用性、体系适用性、在役适用性4个1级评估指标。基于前文多种评估指标体系构建思路并根据某型水面舰艇使命任务和作战保障条件，将1级指标分解分析如下：

(1) 作战效能。某型水面舰艇单舰执行任务时，需具备高效完成任务并充分保存自己的能力；在参加舰艇编队协同作战时，作为体系协同背景下的1个作战单元，需要在充分发挥自身作战能力的基础上，具备与其他装备协同发挥联合作战能力，因此作战效能分解为火力打击能力、指挥控制能力、信息感知能力和信息攻防能力等2级指标。

(2) 作战适用性。主要考核在规定的使用条件下，装备适应实际自然和作战威胁条件并能有效、可靠、安全使用的程度指标。因此分解为作战环境适用性、作战使用适用性和作战保障适用性等2级指标。

(3) 体系适用性。主要考核水面舰艇能否有效融入作战体系，充分发挥自身能力并支撑其他装备能力发挥和实现体系能力的指标，因此可分解为体系融合度和体系贡献率等2级指标。

(4) 在役适用性。主要考核水面舰艇列装部队后，在部队实际编配和任务使用中，保持其性能及工作状态并有效、持续发挥作战效能的指标，因此可分解为部队编制适用性和编配使用经济性等2级指标。

为便于后续作战试验评估，需对以上2级指标进行逐级细化与再分解，得出相应具体评估指标。本文重点对作战效能指标下的火力打击能力S1为例，提出以下指标：对空中目标打击能力S2、打击范围S3、多目标连续拦截能力S4、打击效果S5、对海面目标打击能力S6、同时打击目标批数S7、对潜艇目标打击能力S8。将上述缺乏层次的单个指标可通过建立比较三角矩阵进行比较分析，构建比较三角矩阵能够大大降低单指标之间两两比较的工作量，例如有n个指标进行比较分析，则需要比较n2次，利用三角矩阵则只需(n2-n)/2次，评估指标主要有如下4种关系：

(1)Si×Sj，表示Si与Sj互有关系；

(2)Si∅Sj，表示Si与Sj互无关系；

(3)Si∪Sj，表示Sj取决于Si，但Si不取决于Sj；

(4)Si∩Sj，表示Si取决于Sj，但Sj不取决于Si。

对上述S1～S8单指标要素建立三角矩阵，上方评估指标为Si，下方评估指标为Sj，按照评估指标4种关系规定，结果如图4所示。

图4 某型水面舰艇火力打击能力评估指标比较三角矩阵Fig.4 Comparative trigonometry matrix of warships operation capacity evaluation index

2.2 计算可达矩阵

根据比较三角矩阵中各单评估指标要素之间的关系构建邻接矩阵。定义当矩阵中行向Si与列向Sj关系为(1)，(3)时，则邻接矩阵元素aij值为1；当矩阵中行向Si与列向Sj关系为(2)，(4)时，则邻接矩阵元素aij值为0。即：

根据图4各指标关系，邻接矩阵A表示为

邻接矩阵描述了评估指标间的直接关系，属于布尔矩阵，矩阵中各元素只能为0或者1，且邻接矩阵的运算为逻辑和与乘运算，即：

0+0=0，0+1=1，1+1=1，
1×0=0，0×1=0，1×1=1.

计算可达矩阵目的是为了确定指标体系中单评估指标的复杂关系，判断2个要素间是否存在连接路径，可达矩阵可通过邻接矩阵做布尔运算得出，求解方法如下：

若系统A满足条件(A+I)k-1≠(A+I)k=(A+I)k+1=M，

则称矩阵M为系统A的可达矩阵。

将邻接矩阵A结果代入上式，求得可达矩阵为

2.3 生成递阶有向图

通过邻接矩阵构建计算出的可达矩阵规律性不强，无法找出各评估指标的层次关系，需要对邻接矩阵进行分解处理。

定义以下类集合：

(1) 可达集合R(Si)：可达矩阵元素aij所在的第i行中，对aij=1的所有列值j构成的集合。代表Si可到达的要素。

(2) 先行集合Q(Sj)：可达矩阵元素aij所在的第j列中，对aij=1的所有行值i构成的集合。代表可到达Sj的要素。

(3) 共同集合C=R(Si)∩Q(Sj)：表示可达集合与先行集合的交集。

将可达矩阵M的可达集合R(Si)、先行集合Q(Sj)及共同集C=R(Si)∩Q(Sj)填入表2中。

表2 矩阵M的可达集合、先行集合及其交集列表Table 2 Reachable set，antecedent set and their intersection list

对表2中矩阵M的可达集合R(Si)与先行集合Q(Sj)分析可知，S3，S4，S5，S7除了自身，无其他要素可以达到，且S3可达到S1,S2,S6,S8；S4可达到S1,S2；S5可到达S1,S2,S6,S1；S7可到达S1,S6,S8。因此，评估指标S3,S4,S5,S7为整个评估指标体系最底层。

为进一步梳理剩余评估指标之间的关系，需对系统进行自上而下层级分解，最顶层为总评估指标，依次往下逐级为上级的子指标，基本做法为：找到系统要素集合的最高级要素后，并将其从系统中剔除，得到剩余要素集合，再剔除剩余要素集合中的最高级要素，以此类推，一直找出系统最底层要素集合。对于最高级要素满足条件R(Si)∩Q(Sj)=R(Si)，即最高级要素的可达集与共同集是相同的，这是因为对于多级结构系统，最高级要素没有其他要素可以到达，只能到达其本身或者与其同级的强连接要素，同理最高级要素的共同集中也只包含其本身或与其同级的强连接要素。

表2中i=1满足条件R(Si)∩Q(Sj)=R(Si)，表明S1为系统最顶层，即评估指标体系1级指标。将i=1从表2中剔除，得到表3。

表3 抽出i=1的结果Table 3 Result excluded i=1

从表3中又可看出，i=2，i=6，i=8满足条件，表示S2，S6，S8为S1的下级指标，即评估指标体系2级指标。再次剔除i=2，i=6，i=8后剩余i=3，i=4，i=5，i=7即前文所述系统最底层指标。

综上，某型水面舰艇火力打击能力S1为1级评估指标，对空中目标打击能力S2、对海面目标打击能力S6、对潜艇目标打击能力S8为2级评估指标，打击范围S3、多目标连续拦截能力S4、打击效果S5、同时打击目标批数S7为3级指标，得到指标体系递阶有向图,如图5所示。

图5 指标体系递阶有向图Fig.5 Index hierarchical directed graph

2.4 完善指标体系

基于ISM构建的某型水面舰艇火力打击能力指标体系递阶有向图为网状结构，不利于后续评估，需要进行简化处理，消除下级单一指标同时对上级多个指标有影响的问题，建立一对一的关系。方法是利用复制-分配的原则，将同时对应多个上级指标的下级指标进行复制，并将复制结果列入对应上级指标下，使得每个下级指标均对应一个上级指标，转化后的指标模型,如图6所示。

图6 树状指标体系结构图Fig.6 Tree index architecture

转换后的树状指标体系结构图中打击范围、打击效果、同时打击目标批数等3级指标出现多次，应根据舰艇作战试验具体内容进行细化及区分。例如对空中目标打击能力指标而言，打击范围应区分对飞机目标及对导弹目标，且对导弹目标拦截范围还需细分为中高空导弹目标、掠海亚声速导弹目标及掠海超音速导弹目标等不同高度、速度的参数特性；打击效果应区分舰空武器系统杀伤概率和近程反导舰炮武器系统全航路累积毁伤概率，其中舰空武器系统杀伤概率应根据导弹型号进行再区分，如某型水面舰艇配装舰空导弹武器系统，应考核单发导弹对飞机目标及对反舰导弹目标杀伤概率，配装舰空导弹武器系统，考核单发及双发的杀伤概率。完善后的某型水面舰艇火力打击能力评估指标体系，如图7所示。