中国指挥与控制学会会刊 
武器装备体系是在一定的作战背景和环境下为完成某种特定作战使命,由功能上互相联系、互相作用的各种武器系统组成的复杂大系统[1]。武器装备体系作为复杂系统,其发展是一项规模庞大、系统复杂、技术密集的现代系统工程,因此,对装备体系的效能评估也将是一个复杂的系统工程。效能评估作为装备体系建设和战斗力生成中具有重要物质基础地位和先导作用的一项研究活动,对探索认识装备体系特点规律、研究联合作战中装备体系运用的方式方法、指导其发展建设等都有重要的意义。评估是对整个装备体系效能的一种优化方式,评估的目的不是单纯地比对效能值的大小,而是要在联合作战的背景下,通过构建指标体系,选取评估方法,对装备体系自身效能及其在联合作战中的效能倍增性进行度量和评估,不断地优化装备体系结构,使其能够发挥更大的作用。
目前,针对武器装备体系效能评估方法主要包括指数法、ADC方法、SEA方法、效能指标综合法、探索性分析方法、系统仿真法等,各种方法都有其优劣且应用场合各不相同,很难有一种方法单独使用能直接运用于评估实践中,尚未形成有效统一的解决方案[2]。相对于一般的装备系统而言,武器装备体系具有结构复杂性、任务多样性和功能涌现性的特点,由此带来了体系评估建模的复杂性,大部分系统效能评估方法无法反映评估要素之间复杂关联关系以及作战过程的不确定性;其次评估分析模型的应用模式单一,无法满足效能评估日益复杂且多样化的应用需求;而且评估结论的可追溯性不强,无法向决策者提供清晰的评估过程。因此,需要针对武器装备体系任务特点,采用建模仿真的手段,构建具有算子化的评估模型、可重组的评估流程和可扩展的评估解算流程,实现对体系效能的高效评估。
1 基于算子的武器装备体系效能评估框架
1)可重构的评估指标体系。评估指标体系直接体现评估需求,评估需求是多样和多变的,评估指标体系能否适应评估需求的变化,是衡量评估建模系统是否具备“柔性”的标准之一,这就要求评估建模人员根据评估需求变化,灵活、快速调整评估指标体系,实现对其重构。
2)可综合的评估方法算子。未来战争是体系与体系的对抗,该类评估问题的复杂程度不是单个装备系统作战效能评估所能比拟的,单一的评估方法往往是不能胜任的,需要采用多方法综合运用的思路,可达到多种方法取长补短、优势互补的目的。各类评估方法以算子的形式进行封装,满足快速高效调用和组合的目的。
3)可重组的评估流程。为有效支撑针对多种评估对象,融合多维评估信息,体现定性定量相结合思想的柔性评估建模,根据需要选择不同的流程环节,生成针对不同应用的流程结构,体现了评估解算流程的可变性和可扩展性,即评估解算流程的柔性。
4)面向效能评估的装备体系仿真。综合运用建模与仿真技术,在较逼真的虚拟战场环境和所确定的作战样式下,通过开展武器装备体系的仿真实验和指标数据采集分析,实现武器装备的作战能力和效能的分析与评估,为分析装备体系薄弱环节,优化装备体系编配结构,探索装备作战使用方式和相应作战理论提供支撑。
2 基于算子的装备体系效能评估关键技术
2.1 武器装备体系效能评估仿真实验因子筛选技术[5]
在武器装备体系仿真实验中,一般少则包含几十个实验变量,多则包含数百上千个实验变量,并且这些实验变量还处于不同的分析层次,如果要将所有的实验变量的变化全部考虑进去进行仿真实验,那么工作量将是一个天文数字,耗费的资源和时间也将是巨大的,并且最终还不一定能够得到理想的结果。因此,需要研究一种有效的实验因子筛选方法,能够快速地筛选出对仿真实验结果影响较大的关键性变量参数作为实验因子。
2.2 基于算子的评估模型可视化、组合化建模技术
评估模型是以评估分析目的为牵引,由评估指标、评估方案、评估样本、评估分析方法组成的可执行功能结构。评估分析模型执行时自动加载评估指标、待评估方案、评估样本,使用指定的评估分析方法对评估分析目标进行定性或定量解算。为了实现评估分析方法的可扩展性,采用算子插件的形式对评估分析方法进行封装。算子只开放I/O的单元,可以通过数据接口关系,组合成算子树形式的功能模型。采用这种方法建立评估模型,可以有效提高评估分析方法使用的灵活性、直观性和规范性,降低评估分析人员开展评估工作的难度。
2.3 基于过程的装备体系效能分析评估方法
针对特定的武器装备体系对抗仿真样本进行分析评估时,仿真实验的优势在于能够给用户提供一个基于过程的体系对抗展示,但是如何将仿真实验产生的数据根据评估人员的需要进行清晰的展示,并提供“人机交互”接口,将人的经验与评估分析系统紧密结合是一个难题。因此,需要采用基于过程的装备体系效能分析评估方法,针对装备体系对抗仿真过程进行展现或复现,将仿真各类数据采用多维多视图的方式进行数据展示,构建一个“可感知”、“可交互”、“可回溯”的分析评估环境。
2.4 可定制的指标定量统计分析技术
体系能力是体系涌现产生的整体性效果,是局部所不具有的新性质,一旦把体系还原为它的组分,体系能力便不复存在了。因此,体系使命任务效能指标和体系涌现性效能指标都不能用分系统效能指标聚合而成,而是通过对仿真过程和事件信息的记录统计“测量”得到。度量指标用于产生仿真运行期间和结束时收集的统计信息。
在武器装备体系对抗过程中,由于体系组成系统较多,系统与系统之间的交互和涌现行为复杂,因此对体系效能的评估,尤其在需要对原因和过程进行深入分析时,统计记录指标是分析评估的基础。将统计模型做成灵活可定制的指标模板,评估人员可根据不同的作战任务目标及评估需求精细、灵活地定制指标,用于分析体系效能形成的因果关系。
2.5 武器装备体系仿真过程实验数据分析技术
在武器装备体系对抗仿真过程中,交互是对抗过程的体现,最终以事件的形式展现出来,例如通信事件、交战事件、毁伤事件等。为了研究武器装备体系效能评估,需要了解和掌握基于仿真的武器装备体系作战过程,在对作战过程中的实验数据进行分析时,对整个对仿真过程中的重要事件进行记录、统计和分析是一项意义重大的工作,通过对事件的记录、统计和实验数据分析,能够掌握武器装备体系对抗的全过程,能够支持对武器装备体系效能进行评估以及评估结果分析。
3 基于算子的武器装备体系效能评估工具设计与实现
3.1 功能设计
基于算子的武器装备体系效能评估工具设计的目标是为武器装备论证、研制、测试和使用等提供效能评估的基础工具平台,其功能组成如下:
1)指标体系构建与扩展功能。系统提供指标体系构建功能,并通过多种主、客观权重计算方法进行权重计算,包括层次分析法(AHP)、环比系数法、熵权法、离差最大化法。系统支持指标体系构建、评估方案定义、计算流程设计的可视化操作。
2)数据采集与处理功能。系统提供评估数据的采集和预处理功能,能够从Oracle、SQL Server等多种数据源获得数据,数据集保存SQL查询命令,在每次执行时获取最新数据。支持采用Hive查询,调用Hadoop系统进行大数据分析处理。
3)效能评估功能。系统提供全寿命周期的效能评估功能,可对装备体系效能指标进行对比分析和回归分析。系统支持基于正交实验设计的敏感性分析(采用方差分析和极差分析),同时支持指标的相干性分析(计算协方差和相关性系数)及独立性分析。
4)评估算子库。系统提供多种评估方法和算子库,包括层次分析法、环比系数法、模糊综合法、灰色白化权函数聚类法、TOPSIS法、数据包络法、ADC法、主成分分析、因子分析、支持向量机、趋势面分析、极差分析、方差分析、SEA评估法、探索性评估法等。其中层次分析法、环比系数法、模糊综合评估法均满足群决策需求,提供多种归一化方法,包括极差变换法、线性尺度变换法、线性变换法,能够将指标值归一化至[0,1]区间。系统支持多种算法扩展方式,包括采用C++动态链接库、计算公式、JavaScript脚本、Python脚本、Matlab和R语言进行算法开发。
5)评估模型验证功能。系统支持模型校核、验证、确认(VV&A)的相关分析算法,包括专家校核法和各种数理统计及时频分析方法。其中数理统计方法主要包括:参数估计(矩估计法、最大似然估计法、区间估计)、假设检验。
6)分布式在线评估功能。系统支持分布式计算,中心节点将评估任务的计算工作进行分解并分发到多个执行节点,执行节点完成计算后,由中心节点对计算结果进行汇总。支持实时在线评估,动态接收评估数据并进行评估计算,实时获得计算结果,并根据统计数据绘制成多种动态统计图表。
7)评估结果展示功能。系统提供评估演示案例,每个案例中包含了从指标体系到计算结果的全部评估数据。系统支持定制评估报告的生成,并能够支持评估结果的多种可视化展示,包括柱状图、饼图、折线图、雷达图、曲面图、层次图、等高线图、柱状图、经验分布图、平行坐标系图、星状图等。
3.2 应用架构
效能评估工具按照功能,划分为以下应用模块(如图2 所示)。
1)效能评估主程序。效能评估主程序负责系统的工程管理、评估任务执行、业务插件管理、算子插件管理等核心功能。评估工程管理提供创建工程、打开工程、编辑工程、保存工程、另存工程、关闭工程等功能。评估任务执行引擎负责根据评估方案和其中各指标计算流程的执行流程调度各算子按序执行。业务插件管理负责业务插件的加载、卸载。算子插件管理负责算子插件的注册、注销。
2)评估插件。评估插件负责指标体系、评估方案、评估任务的管理工作。指标体系管理负责指标体系的创建、编辑、保存、读取等工作。评估方案管理负责评估方案的创建、编辑、保存、读取等工作。评估任务管理负责评估任务的创建、编辑、保存、读取等工作。全寿命周期效能评估负责在效能评估工程中各评估任务之间进行计算结果的比较和指标变化趋势的分析。
3)数据预处理插件。主要负责从各种数据源获取数据并建立数据集,以及针对数据集的各种预处理操作。具体包括以下插件:① 数据集管理。负责数据集的创建、删除、编辑。数据集可以直接创建或从数据源创建。② 数据预处理。对数据集进行各种预处理操作,预处理操作包括数据集分组、数据过滤、属性过滤、数据合并、统计计算、相干性计算、主成分分析、数据集提取和数据集导出。③ 通用数据访问。通用数据访问模块提供构造针对通用数据源数据的访问功能。④ 仿真结果数据访问。数据访问模块使用仿真平台提供的数据服务中间件,获取数据库中的记录的仿真结果数据。
4)评估算法向导。评估算法向导模块主要包括:层次分析法、ADC法、灰色白化权函数法、模糊综合法、数据包络法、主成分分析法、极差分析法、趋势面分析法和TOPSIS等算法向导。
5)算子插件。包括辅助算子、评估算子、可视化算子、参数估计算子等,核心是评估算子。评估算子将评估方法封装成能够在计算流程中使用的算子,包括AHP算子、ADC算子、灰色白化权函数聚类算子、TOPSIS算子、主成分为分析算子、趋势面分析算子。每个算子都需要提供特殊的参数配置界面和结果显示界面。评估算子和算法向导使用共同的评估计算模块。
6)专家打分系统。专家打分系统提供完整的在线打分功能。专家打分系统采用B/S及C/S两种模式。效能评估主程序或评估算法向导发布的专家打分任务保存到专家打分系统的数据库中。
7)计算服务程序。计算服务程序为效能评估主程序提供分布式计算服务。计算服务程序部署于若干计算服务节点上。在效能评估主程序中可以对服务节点列表进行配置,当主程序采用分布式方式执行评估任务时,系统自动对计算任务进行分解,并将各子任务分配到最适合的计算服务节点;各节点计算完成后将结果汇总给效能评估主程序,并计算出最终结果。
8)插件算子生成工具。插件算子生成工具根据用户设定的评估算子基本信息以及算子参数为算子生成代码框架。生成过程采用XML(可扩展样式语言),使用算子XML文件中的信息将工程模板中的关键字替换成自定义算子的各项信息,包括算子类名、算子名称、算子类别、算子描述、算子参数列表等。
9)操作向导。操作向导根据系统固有的操作流程,采用流程图方式给用户以提示。用户可以执行流程图中的任意工作节点,当执行相应节点时,系统显示对应操作步骤的操作界面,用户完成相应操作后,系统继续推进工作流的执行。
3.3 应用流程
效能评估工具用来分析处理系统实验数据,实现对武器装备体系作战效能的评估与分析,根据以上应用模块,评估应用流程如图3 所示。
1)指标体系编辑。指标体系模块负责指标体系的创建、编辑与保存。指标体系是通过对同一类评估对象各种特性逐层抽取,而得到的描述指标间的依赖关系的有向图。指标体系编辑器界面如图4 所示。
2)评估方案编辑。评估方案是对一个类型的评估对象进行评估的依据。用户可通过对指标体系中各指标的评估方法、指标参数、评估数据进行定义的方式来制定评估方案。整体评估方案由若干独立的指标计算流程组成,每个指标计算流程定义了一组输入指标或样本数据到一个或几个输出指标的运算流程。评估方案的执行不涉及具体评估对象和评估样本数据。评估方案编辑器界面如图5 。
3)评估任务编辑。评估任务管理负责对评估任务的创建、编辑与保存。评估任务是指采用统一的评估方案对一个或多个相关评估对象进行一次评估的过程。评估任务编辑器界面如图6 所示。
4)评估任务结果查看。评估任务结果展示模块以图文并茂的方式展示评估任务的各项结果,评估任务结果查看界面如图7 所示。
5)全寿命周期评估界面。全寿命周期效能评估功能主要对效能评估工程中各评估任务的评估结果进行比较,并能够对指标值的变化趋势进行分析。全寿命周期评估界面如图8 所示。
6)专家打分信息管理。主要负责专家信息和打分任务的增、删、改、查的基本管理。其界面如图9 所示。
4 结束语
武器装备体系效能评估是一项复杂的系统工程,在确定体系建设方案,修正体系发展路线,探索体系作战应用模式和优化体系运行方式等武器装备体系建设和应用环节发挥重要的支撑作用。针对武器装备体系任务特点,构建了包括可重构的评估指标体系、可综合的评估方法、可重组的评估流程、面向效能评估的装备体系仿真等内容的效能评估框架。围绕评估框架实现的关键技术,提出需要突破仿真实验设计与因子筛选、评估模型算子化、评估指标定制化和定量统计、数据分析等效能评估关键技术;围绕框架实现的工具手段,构建了包括指标体系构建与扩展、数据采集与处理、效能评估、评估算子库、评估模型验证、分布式在线评估、评估结果展示等功能的效能评估工具及其灵活的应用流程。本文所述评估方法和系统工具既适用于某一特定类型武器装备体系在特定作战应用背景下的效能评估,也适用于不同作战任务背景、不同类型武器装备体系的多方案评估,能够为武器装备体系建设和结构优化提供支撑。