面向不确定多任务场景的海上联合作战装备体系贡献率评估方法

孔德鹏, 马溢清, 郑保华, 王 琦, 张志强, 赵珍强

(中国人民解放军92942部队, 北京 100161)

0 引 言

体系目前已经成为能力生成的重要评估对象。武器装备体系化发展是提高装备效益、提升整体作战效能、作战能力演进的主要方式。装备在体系中发挥的作用是装备选择、投资、发展的基本依据[1-2]。装备体系贡献率是指装备或装备系统在装备体系构成中对体系作战能力提升和体系作战效能发挥产生的贡献程度[3]。装备体系贡献率评估主要根据评估要求和目的对装备体系进行分析研究,确定装备在体系效能发挥中所起的作用。目前的研究按类型可分为两类,一类是从装备体系能力的角度进行分析;另外一类是将体系贡献度分解为更具体的贡献度指标进行分析,如结构贡献率、能力贡献率、效能贡献率等[4]。装备体系贡献率评估的实质是分析评价装备在体系中的效能发挥,同其他评估问题类似,在实际问题抽象出评估模型后,大多数评估方法都可应用于体系贡献率的评估。因此,装备体系贡献率评估问题的核心在于如何构建合理的评估模型结构和指标体系。

评估装备体系贡献率首先需要明确评估的对象,即装备体系类型和运用背景[5];然后,根据相应的评估目标确定装备体系效能评价方法;最后,依据体系中装备发挥的效能评估贡献率。当前装备体系贡献率常用的评估方法主要有:基于能力框架的方法[6-7]、基于证据网络的方法[8-9]、基于作战网络的评估方法[10-11]、基于装备协同关系的方法[5,12]、基于体系能力的评估方法[13-14],以及结构方程模型(structural equation modeling，SEM)[15]、装备作战效果(armament operation effect，AOE)模型[16]、堆栈去噪自编码器(stacked denoising auto encoder，SDAE)+softmax模型[17]等。目前的体系贡献率评估一部分针对较为通用的装备体系贡献率评估理论方法研究[5,9,14,18-20],另一部分是具体的专用装备贡献率问题研究[21-26]。其解决问题的核心都是基于装备作战运用实际对体系贡献率进行分解,通过网络关联关系、作战环、体系能力等分别从不同的侧面进行分析,最后综合各方面评估结果确定装备体系贡献率。上述方法能够在某种确定任务下,有效评估装备的体系能力,获得较为合理的体系贡献率,为装备的发展建设提供了有力支撑。但一些评估方法缺乏多作战任务的考虑,使得评估结果与实际运用差距较大。而且同一作战任务中往往也会出现不确定作战场景,不确定作战场景的处理是装备体系贡献率评估的一个难点。此外,装备体系贡献率评估还与装备体系组成密切相关,不同类型、不同任务的装备体系构成和运用差别很大,满足某一类装备体系的贡献率评估方法可能并不适用于其他装备体系。

海上联合作战装备体系包含航母、驱逐舰、护卫舰、潜艇、作战飞机等多类型装备。这些装备功能复杂、执行任务多样、协同多元化,装备体系中水面作战力量、水下作战力量和空中作战力量协同密切、联合制敌,侦察、决策、打击等作战行动既有承接又有并行,使得传统体系贡献率评估方法难以直接应用于海上联合作战。舰艇等海上作战装备本身就是一个复杂的作战系统,能够担负侦察、决策、打击等作战行动,要素多,融合难度大,体系化能力生成显得尤为重要。而且远海海上联合作战远离大陆,缺少岸基力量的有力支撑,需要应对多种作战任务和不确定的作战场景。传统基于装备能力划分的结构化评估难以满足此类复杂系统的评估需要。因此,针对海上联合作战装备体系贡献率评估需要基于装备体系结构组成和能力特点,解决不确定多任务作战场景综合评估问题。

本文首先对海上联合作战装备体系进行分析,介绍海上联合作战装备体系、不确定任务场景、体系效能指标体系组成;然后利用直觉模糊集作为不确定信息处理工具,提出面向不确定型任务的装备体系贡献率评估方法;最后通过一个体系贡献率评估的实例说明该方法的有效性。

1 海上联合作战武器装备体系能力分析

1.1 海上联合作战装备体系

海上联合作战是以水面舰艇装备为主体,联合空中装备、水下装备和天基、岸基装备实施的立体机动作战。海上作战装备体系较为复杂,包含针对多种任务、具有协同能力的装备。海上作战装备体系的评估目的主要是针对海上作战任务确定相应的装备发展[27]。为了便于描述海上作战的基本装备体系组成,根据信息感知、指挥控制、打击对抗、战勤保障等方面将海上联合作战装备体系分为联合预警探测系统、指挥控制系统、联合打击系统和综合保障系统。海上联合作战的主要装备如图1所示。

图1 海上联合作战装备体系

1.2 海上联合作战不确定任务场景组成

传统方法进行装备体系贡献度评估主要面向某一确定任务,由于海上作战平台的复杂性和综合性,海上联合作战的实际过程中通常会担负多种作战任务,每种作战任务可能会出现多种不确定作战场景。因此,面向多任务不确定作战场景的综合评估是反映装备体系贡献度的重要方式[28]。不确定多任务场景的处理目前常用概率描述和模糊描述两种方式,由于实际作战中的任务场景概率难以获取和确定,利用模糊集进行描述是一种较为方便的方式,在应用中也取得了较好效果[21]。

海上联合作战武器装备体系作战任务及场景组成如图2所示。海上联合作战装备体系所担负的任务具有多种类型,如远海要域夺控、防空反导、对海对陆打击、保交护航等,每一种任务类型在作战过程中又可能面临多种任务场景。因此,全面衡量装备体系的效能,需要考虑不同任务和不同作战场景的需求。

图2 武器装备体系作战任务及场景组成

1.3 海上联合作战装备体系效能评估指标

装备体系能力评估是装备体系贡献度评估的核心问题,建立合理的评估指标体系是评估的基础。指标体系的建立要考虑作战需求和适应性,既能够满足装备体系效能评估的需求,又能够简化问题的处理。本文针对海上联合作战的特点,结合已有的理论成果,主要从装备体系作战效能、装备体系结构效能和装备体系运用效能进行评估指标构建。构建的指标体系如图3所示。

图3 装备体系效能评估指标体系

装备体系作战效能主要从作战观察-调整-决策-行动(observation-orientation-decision-action, OODA)过程进行评估。OODA环是从作战过程的角度描述装备体系的作战能力[29],在效能评估中广泛采用,是评估装备体系作战效能的一种有效方式[23,30-31]。基于OODA过程,装备体系作战效能下设置4项二级指标:装备体系观察能力f1、调整能力f2、决策能力f3、行动能力f4。

装备体系结构效能主要从体系结构的角度考虑装备体系效能,对装备体系构成、发展、经济性、稳定性等方面的评估具有重要作用[7,32]。装备体系结构效能选择装备体系的编成合理性s1、演化性s2、经济性s3、鲁棒性s4共4个二级指标进行评估。

装备体系运用效能是指装备体系在执行相关任务时的基本能力,是装备体系能力在作战过程中的具体实现[7,33]。通过设置装备体系运用效能指标,能够全面分析评价装备体系实际运用过程中的能力。选择装备体系指控能力a1、协同能力a2、保障性a3、适应性a4共4个二级指标进行评估。

2 面向不确定多任务场景的装备体系贡献率评估方法

2.1 基本理论

2.1.1 体系贡献率计算方法

通过装备体系作战效能的变化计算装备体系贡献率是目前应用较为广泛的一种方法[1,4,23]。该方法简要介绍如下,设装备A为装备体系中的一个装备,装备A的体系贡献率为

C=(E1-E0)/E0

(1)

式中:E0为原有体系作战效能；E1为增加装备A或用装备A替换原有同类武器后的新体系作战效能。

2.1.2 直觉模糊集

直觉模糊集(intuitionistic fuzzy set, IFS)是模糊集的推广,加入了非隶属度和犹豫度的概念,能够更加精确地处理不确定信息[34]，目前在基于不确定信息的评估问题中运用广泛。本文采用IFS处理装备体系贡献率评估中的模糊值。下面简要介绍IFS。

定义 1给定论域X={x1,x2,…,xn},则X上的一个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]分别代表A的隶属函数和非隶属函数,且对于A上的所有xi∈X,0≤μA(xi)+υA(xi)≤1成立。称πA(xi)=1-μA(xi)-υA(xi)为A中的犹豫度,是xi对A犹豫程度的一种测度。显然,0≤πA(xi)≤1。

为了方便表示,称α=(μα,υα)为直觉模糊数(intuitionistic fuzzy number, IFN),其中μα∈[0,1],υα∈[0,1],且μα+υα≤1。

定义 2IFN的运算法则为:设任意IFN为α=(μα,υα),β=(μβ,υβ),则

(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 不确定型作战任务场景数学描述

设海上联合作战装备体系担负的作战任务共有K个,则K个任务构成的任务集可记为T={T1,T2,…,TK}。装备体系效能在每种作战任务中表现不同,为全面衡量不同作战任务下的装备体系效能,K个作战任务构成的权重记为

WT=(wT1,wT2,…,wTK)

(4)

对于作战任务Ti(i=1,2,…,K),实际可能发生的作战场景类型的数量为N(i),则任务Ti的作战场景类型集合为

(5)

由于实际作战过程存在不确定性,每种作战任务下作战场景发生的可能性可通过专家组群决策获得,利用IFS进行描述。作战Ti任务的各个作战场景类型实际发生的直觉模糊隶属度记为

(6)

2.2.2 海上联合作战装备体系效能表示

(7)

式中:f表示作战效能指标;s表示结构效能指标;a表示运用效能指标。

2.2.3 装备体系效能评估方法

(1) 指标权重描述

采用二级指标权重描述方式,即首先确定装备体系作战效能、结构效能和运用效能3个方面权重值w=(wf,ws,wa),然后针对每个方面的指标确定指标权重。例如,确定作战效能指标观察能力、调整能力、决策能力和行动能力的权重。于是,可以获得针对装备体系效能指标体系的权重描述:

(8)

(2) 信息集结

首先,对每一种场景的分项指标进行集结,获得作战效能、结构效能和运用效能的IFN表示:

(9)

(10)

(11)

最后,对所有任务下所有场景类型进行信息集结,可得最终体系效能评价IFN表示:

(12)

(3) 体系贡献度计算

同样根据信息集结方法,计算新装备加入(替代、更新)时,装备体系的效能值U*为

设U的IFN表示形式为U=[u,v],则IFNU的计分值[36]计算如下:

(13)

式中:πU为直觉模糊数U的犹豫度,πU=1-u-v。

基于IFN的计分函数,则装备体系贡献率C计算如下:

(14)

3 应用实例分析

3.1 海上联合作战任务场景

(1) 基本任务场景设定

(2) 基本参数设置

作战任务T1～T3的权重为WT=[0.3,0.4,0.3];任务T1的3个作战场景可能发生的模糊隶属度为[〈0.6,0.3〉,〈0.5,0.2〉,〈0.3,0.6〉];任务T2的4个作战场景可能发生的模糊隶属度为[〈0.5,0.4〉,〈0.4,0.3〉,〈0.7,0.1〉,〈0.6,0.3〉];任务T3的2个作战场景可能发生的模糊隶属度为[〈0.8,0.1〉,〈0.3,0.5〉]。

指标体系中,装备体系作战效能、结构效能和运用效能的权重为[0.4,0.3,0.3],指标体系的权重描述矩阵为

针对原有海上联合作战装备体系,不同任务场景下的指标直觉模糊评估值如表1所示。

表1 原有装备体系效能评估值

3.2 装备体系效能计算

装备体系效能计算包含以下3个步骤。

步骤 1对每个任务场景下的作战效能、结构效能和运用效能的二级指标进行评估值集结,根据公式和进行计算,结果如表2所示。

表2 各任务场景二级指标集结值

步骤 2对每个任务场景下的作战效能、结构效能和运用效能评估值进行集结,根据公式进行计算,结果如表3所示。

表3 各任务场景评估值集结结果

步骤 3计算所有任务下的效能评估值。

基于表3中集结信息,利用各场景发生的直觉模糊隶属度及各任务的权重再进行集结。根据公式进行计算,可得装备体系效能的最终评估结果：

U=〈0.671 7, 0.090 8〉

3.3 体系贡献率计算

新的装备加入体系后,对各个指标再次进行评估,得出的新的指标评估值如表4所示。

表4 新装备加入后的体系效能评估值

续表4

按照第3.2节步骤 1～步骤 3同样的步骤方法,计算新装备加入后的装备体系效能评估值：

U*=〈0.723 7, 0.076 7〉

计算U和U*的直觉模糊计分值:

则装备体系贡献率C为

3.4 结果分析

仍以上述背景下的装备体系为例,通过同样的计算方法,可计算得到装备体系变化对应的装备体系效能和装备体系贡献率,计算结果如表5所示。

表5 不同装备构成的装备体系效能与装备体系贡献率

表5中SoS为原装备体系,A1为新型同类装备,A+为原装备体系中装备A的升级,B为其他类型装备。可以看出,利用本文方法,不同的装备加入体系后计算得到的装备体系效能评估值不同。其中,新装备加入后,效能评估值为〈0.703 6, 0.088 7〉,相对其他类型,此情况下体系效能评估值最大,新装备的体系贡献度为11.43%;原装备升级,效能评估值为〈0.703 6, 0.088 7〉,体系效能评估值居中,升级装备相对于原装备的体系贡献度为5.89%;而其他装备替代情况下装备体系效能评估值〈0.655 4, 0.118 5〉相对最小,替代装备相对于原装备的装备体系贡献率为-7.57%。新型装备虽然体系贡献率较大,但研发、列装、保障投入也较大;装备升级的投入相对较小,体系贡献率提升也相对较小;其他装备替代虽然使得装备体系整体效能降低,但在特殊情况下,例如战场应急等,也具有十分重要的意义。因此,通过装备体系贡献率的计算分析,可为装备体系发展建设提供重要决策参考。

4 结 论

本文针对海上联合作战装备体系作战过程中多任务多场景的特点,面向不确定任务场景,提出了基于IFS综合评估的体系贡献率评估方法。首先分析了海上联合作战装备体系、不确定任务场景及装备体系效能指标组成,然后提出了基于IFS的装备体系贡献率评估方法,最后通过实例分析了海上联合作战装备体系贡献率计算方法。本文提出的海上联合作战装备体系贡献率评估方法能够针对海上作战装备特点,充分考虑不确定任务场景的评估需求,为海上作战装备发展建设提供一种较为有效的体系贡献率评估方法。