艦船研制復(fù)雜度及其度量方法

王 鷹，嚴(yán) 亮，2，劉永東，趙 鵬

(1.海軍裝備研究院，北京 100161;2.海軍后勤技術(shù)裝備研究所，北京 100072)

艦船研制復(fù)雜度及其度量方法

王 鷹1，嚴(yán) 亮1，2，劉永東1，趙 鵬1

(1.海軍裝備研究院，北京 100161;2.海軍后勤技術(shù)裝備研究所，北京 100072)

以裝備研制風(fēng)險(xiǎn)分析為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合案例明確了裝備研制技術(shù)方案指標(biāo)過高是研制中“降性能、拖進(jìn)度、漲費(fèi)用”等現(xiàn)象產(chǎn)生的根源，應(yīng)從研制復(fù)雜度和成熟度對(duì)其進(jìn)行分析;針對(duì)研制復(fù)雜度，引入復(fù)雜度的概念并結(jié)合海軍艦船研制的實(shí)際情況，將艦船研制復(fù)雜度劃分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2種，對(duì)其概念、含義及度量方法分別進(jìn)行探析;在研制復(fù)雜度和成熟度確定的基礎(chǔ)上，可結(jié)合回歸分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對(duì)裝備研制風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效評(píng)估，為武器裝備論證工作提供輔助決策。

艦船;研制;靜態(tài)復(fù)雜度;動(dòng)態(tài)復(fù)雜度;度量方法

0 引言

裝備研制是指新型武器裝備和現(xiàn)役武器裝備改進(jìn)過程中的論證、設(shè)計(jì)、試制和試驗(yàn)等活動(dòng)。其主要目的是:以規(guī)定的費(fèi)用按規(guī)定的時(shí)間交付給部隊(duì)達(dá)到規(guī)定性能要求的武器裝備［1］。作為形成裝備的決定性階段，其在裝備發(fā)展中占有重要地位。

科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展及其在軍事上的廣泛應(yīng)用，一方面使得武器裝備性能更先進(jìn)、組成更復(fù)雜、技術(shù)含量更高、創(chuàng)新性更強(qiáng)，同時(shí)也給其研制帶來大量不確定性因素。不確定性因素即風(fēng)險(xiǎn)因素，普遍存在于裝備立項(xiàng)直至完成裝備研制的各個(gè)階段中，導(dǎo)致裝備研制出現(xiàn)“降性能、拖進(jìn)度、漲費(fèi)用”等現(xiàn)象，這與“更好、更快、更省”的裝備建設(shè)發(fā)展原則不相協(xié)調(diào)。其中，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)是由于研制技術(shù)方案中指標(biāo)要求過高、新技術(shù)使用過多、不合理的設(shè)計(jì)等因素，造成裝備無法按規(guī)定要求完成［2］，它是最基本、最主要的風(fēng)險(xiǎn)。

我們統(tǒng)計(jì)了美國海軍20世紀(jì)60年代以來服役的大中型水面戰(zhàn)斗艦艇的研制情況并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析，得出艦艇研制周期變化趨勢(見圖1)。該圖表明，隨著年代的遞增，由于艦船系統(tǒng)組成越來越復(fù)雜，涉及的高新技術(shù)越來越多，即使研制管理、制造工藝水平等不斷提高，但研制中的設(shè)計(jì)周期、研制總周期都一直呈現(xiàn)明顯的增長態(tài)勢。顯然，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)是研制進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的主要根源，應(yīng)對(duì)其重點(diǎn)分析。而技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)又可以用復(fù)雜度和成熟度來體現(xiàn)。

當(dāng)前，在裝備研制中對(duì)成熟度的研究，先進(jìn)國家不但形成了豐富的理論和專用的評(píng)估軟件，而且將成熟度的分析作為裝備采辦/研制中的一項(xiàng)強(qiáng)制要求，得到了廣泛的應(yīng)用［3－6］。而對(duì)裝備研制中復(fù)雜度及其度量方法的研究則較少，為做好技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)的研究，有必要對(duì)裝備研制中復(fù)雜度及其度量方法開展深入研究。

圖1 美海軍艦艇研制周期變化趨勢Fig.1 US Naval ships research and development period trend

1 艦艇研制復(fù)雜度

復(fù)雜是一個(gè)廣為人們知曉卻又難以定量描述的客觀存在事物或事件的內(nèi)在特征，任何事物或事件都具有復(fù)雜性。對(duì)復(fù)雜性的一種程度描述就是復(fù)雜度。在過去的數(shù)十年里，出現(xiàn)過多種復(fù)雜度的定義方式，并成功地運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域，如生物醫(yī)學(xué)工程、地球物理以及信息處理等。

由于復(fù)雜度本身的復(fù)雜性，目前還沒有一個(gè)公認(rèn)的可涵蓋各領(lǐng)域的定義。學(xué)者張學(xué)文在其《組成論》一書中指出:對(duì)于1個(gè)系統(tǒng)(廣義集合)來說，其復(fù)雜度反應(yīng)的是該集合內(nèi)部元素的種類以及不同類所包含元素個(gè)數(shù)的多少等特征，其所體現(xiàn)的是集合內(nèi)部狀態(tài)的豐富程度和差異程度［7］。武器裝備作為一個(gè)由眾多系統(tǒng)、分系統(tǒng)和部件組成的集合，其復(fù)雜度可以這樣規(guī)定:由于組成裝備的各系統(tǒng)、分系統(tǒng)類型(功用)不同以及同類型的個(gè)數(shù)也不相同，使同類裝備在整體所體現(xiàn)出的差異程度。這體現(xiàn)了在認(rèn)識(shí)、分析裝備時(shí)所存在困難程度的度量。

我們在建立和分析大中型水面戰(zhàn)斗艦艇研制進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)層次圖(圖2)時(shí)發(fā)現(xiàn):為研究裝備研制復(fù)雜度對(duì)其研制風(fēng)險(xiǎn)的影響，這一定義還存在有一定局限性。因?yàn)榍懊娴亩x僅僅反映了裝備組成的復(fù)雜度，而不能體現(xiàn)裝備研制這一過程的復(fù)雜度。例如，一般意義上講，對(duì)于類似的戰(zhàn)斗艦艇，因?yàn)榻M成種類大體相似，排水量大的艦艇一般在總體集成后的復(fù)雜度必然高。再如，在艦船研制中為提高隱身性，就必須強(qiáng)化外形設(shè)計(jì)，這必然也會(huì)提高研制技術(shù)方案的復(fù)雜度。另外，如果與別的研制者比較，即使研制同類裝備，其系統(tǒng)、分系統(tǒng)的類型、甚至數(shù)量都相同，但如果相對(duì)于研制者的新系統(tǒng)增加了，則其研制復(fù)雜度也必然會(huì)增加。這些都體現(xiàn)為一個(gè)動(dòng)態(tài)的問題。因此，作者認(rèn)為，研制復(fù)雜度應(yīng)包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2種。研制靜態(tài)復(fù)雜度，是指裝備作為1個(gè)系統(tǒng)(廣義集合)所體現(xiàn)出的豐富程度和差異程度，著重于裝備組成的復(fù)雜性;研制動(dòng)態(tài)復(fù)雜度，則是指裝備研制工作的復(fù)雜程度和困難程度，它是圍繞裝備具體研制過程所提出的。針對(duì)艦艇研制，其靜態(tài)復(fù)雜度主要是全艦系統(tǒng)組成，包括系統(tǒng)類型和數(shù)量等;動(dòng)態(tài)復(fù)雜度則包括排水量、外形設(shè)計(jì)以及新系統(tǒng)數(shù)量等。

圖2 大中型水面戰(zhàn)斗艦艇研制進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)層次圖Fig.2 Research and development schedule risk of large and medium-sized naval surface warship hierarchy plot

2 艦船研制復(fù)雜度的度量方法

當(dāng)前，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)復(fù)雜度的度量較多的是Lempel-Ziv 復(fù) 雜 度［8］、近 似 熵［9］(Approximate Entropy，Ap En)以及 MIG(Mean Information Gain)復(fù)雜度，既有應(yīng)用一維復(fù)雜度的，也有應(yīng)用二維復(fù)雜度的。對(duì)于艦船研制復(fù)雜度來說以上方法并不適用，需要針對(duì)其研制特點(diǎn)提出適合的方法。

2.1 靜態(tài)復(fù)雜度的度量方法

文獻(xiàn)［7］在給出系統(tǒng)(廣義集合)復(fù)雜度定義的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步給出了廣義集合內(nèi)部狀態(tài)復(fù)雜度的計(jì)算公式:式中:C為復(fù)雜度;k為廣義集合內(nèi)不同標(biāo)志值的個(gè)數(shù);ni為標(biāo)志值i占有的個(gè)體數(shù)量;N為個(gè)體總量。

在復(fù)雜度計(jì)算公式中，如果廣義集合中所有個(gè)體的特征完全相同，即k=1，n=N時(shí)，其復(fù)雜度為0，即最簡單的事物復(fù)雜度為0;如果廣義集合內(nèi)所有個(gè)體的標(biāo)志值都不同，即每種標(biāo)志值的個(gè)體數(shù)為1，此時(shí)式中n=1，k=N，復(fù)雜度為C=N·logN，是該廣義集合所能取的復(fù)雜度中的最大值。

該復(fù)雜度的計(jì)算公式適用于眾多研究領(lǐng)域，對(duì)數(shù)的底取不同數(shù)值則復(fù)雜度的單位將不同，如分別取2，e(2.718 28…)和10，則復(fù)雜度單位分別為比特(bit)、奈特(Nat)和哈特萊(Hartly)。

艦船裝備作為一個(gè)由眾多系統(tǒng)、分系統(tǒng)和部件構(gòu)成的廣義集合，可用此公式計(jì)算裝備研制靜態(tài)復(fù)雜度。可以依據(jù)艦艇系統(tǒng)之間耦合程度的不同，將艦艇的艦體、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)組、發(fā)射裝置、火控系統(tǒng)、雷達(dá)、聲吶等作為艦艇這一集合內(nèi)的不同元素而給予不同的標(biāo)志值，其個(gè)數(shù)則是作為不同標(biāo)志值的個(gè)體數(shù)量，利用該公式可求解艦艇研制靜態(tài)復(fù)雜度。

2.2 動(dòng)態(tài)復(fù)雜度的度量方法

研制動(dòng)態(tài)復(fù)雜度則不能這樣處理，這是因?yàn)?它是同所研究的對(duì)象密切相關(guān)，對(duì)象不同則其度量方法也會(huì)不同。對(duì)艦船研制動(dòng)態(tài)復(fù)雜度，其主要體現(xiàn)在艦艇排水量、外形設(shè)計(jì)以及新系統(tǒng)數(shù)量等3個(gè)方面(見圖2)。

水面戰(zhàn)斗艦艇的外形設(shè)計(jì)是對(duì)所有艦載系統(tǒng)，主要是暴露在外的系統(tǒng)和設(shè)備，進(jìn)行外形、布局的總體規(guī)劃和設(shè)計(jì)。當(dāng)前武器裝備的隱身性對(duì)其戰(zhàn)術(shù)性能的影響越來越大，隱身技術(shù)包含眾多方面，其中對(duì)于水面戰(zhàn)斗艦艇這樣的大型武器平臺(tái)，外形設(shè)計(jì)在研制中占有十分重要的地位。艦艇隱身性要求越高，外形設(shè)計(jì)工作就會(huì)越復(fù)雜，因此可以借助隱身性能的高低來度量外形設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。為此，我們設(shè)計(jì)了艦艇外形設(shè)計(jì)復(fù)雜度評(píng)價(jià)表(見表1)。

艦艇排水量和新系統(tǒng)數(shù)量的度量也可針對(duì)其特點(diǎn)，采用類似方法進(jìn)行。對(duì)選取參加評(píng)估的大中型水面戰(zhàn)斗艦艇系列樣本:排水量可結(jié)合所統(tǒng)計(jì)艦艇滿載排水量的實(shí)際情況，選取其中的最小值和最大值，分別對(duì)應(yīng)數(shù)字1和9對(duì)參評(píng)艦艇進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。新系統(tǒng)數(shù)量，通過系統(tǒng)組成分析，依據(jù)系統(tǒng)成熟度不同(以系統(tǒng)成熟度小于7為界限)將其劃分為新、舊2類系統(tǒng)，并統(tǒng)計(jì)新系統(tǒng)的數(shù)量，確定出其中最小值和最大值，分別對(duì)應(yīng)1和7對(duì)參評(píng)艦艇進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

在分析計(jì)算完靜態(tài)復(fù)雜度和動(dòng)態(tài)復(fù)雜度后，通過加權(quán)求和即可得到某一艦艇的研制復(fù)雜度，并與成熟度一起，應(yīng)用于艦艇研制技術(shù)和進(jìn)度等方面的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

3 結(jié)語

當(dāng)前裝備研制普遍存在的“降性能、拖進(jìn)度、漲費(fèi)用”等問題，引起了各國相關(guān)部門對(duì)研制風(fēng)險(xiǎn)的高度重視。由于裝備研制風(fēng)險(xiǎn)中技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)是主要問題，本文提出可從研制復(fù)雜度和成熟度來分析技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)作者提出了動(dòng)態(tài)復(fù)雜度的概念和度量方法。借助適用的度量方法求得的復(fù)雜度和成熟度，可進(jìn)一步利用回歸分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法評(píng)估裝備研制中的進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)以及總的風(fēng)險(xiǎn)，為確定裝備研制技術(shù)方案提供輔助決策，以求取得技術(shù)創(chuàng)新與保證進(jìn)度之間的平衡。由于技術(shù)成熟度、系統(tǒng)成熟度的理論和方法研究已經(jīng)取得了長足進(jìn)步且得到了廣泛應(yīng)用，隨著武器裝備的組成越來越復(fù)雜，復(fù)雜度對(duì)其研制的影響也越來越大，未來應(yīng)加強(qiáng)裝備研制復(fù)雜度方面的研究和應(yīng)用。

［1］余高達(dá)，趙潞生.軍事裝備學(xué)(第2版)［M］.北京:國防大學(xué)出版社，2009.

［2］呂建偉.武器裝備研制的風(fēng)險(xiǎn)分析與風(fēng)險(xiǎn)管理［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2005.

［3］SAUSER B，MAGAYE R，et al.A Systems approach to expanding the technology readiness level within defense acquisition［J］.International Journal of Defense Acquisition Nanagcment，2008，(1):39 －58.

［4］DAN C.Manufacturing readiness levels(MRL)［R］.Unpublished white paper，2003.

［5］DAN C.Draft Table 1，TRL Definitions Amended to Include MRLs［R］.Unpublished，2003.

［6］DAN C.Draft Appendix 1，Manufacturing Readiness Levels［R］.Unpublished，2003.

［7］張學(xué)文.組成論［M］.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2003.

［8］LEMPEL A，ZIV J.On the complexity of finite sequences［J］.IEEE Transactions on Information Theory，1976，22(1):75－81.

［9］PINCUS S.Approximate entropy as a measure of system complexity［J］.National Acad Sciences USA，1991，88(6):2297－22301.

Research on the complexity level and measurement in researching and developing ships

WANG Ying1，YAN Liang1，2，LIU Yong-dong1，ZHAO Peng1
(1.Naval Academy of Armament，Beijing 100161，China;2.Navy Logistic Technology and Equipment Institute，Beijing 100072，China)

Taking the risk in researching and developing equipments as the point of departure，it is definitely that the root of“prolonging the schedule，reducing the capability and raising the outlay”were the high index in the technical scheme of researching and developing equipments through practical analysis，which could measure from complexity level and readiness level;taking the complexity level of researching and developing as the main object，and introduced the complexity level concept into researching and developing naval ships，which would include the static and dynamic complexity，and discussed further the concept，meaning，measurement method about them;It is useful that evaluating the risk through regression analysis，NN etc on the basis of measuring and calculating to determine the complexity level and readiness level，which could offer some assistant decision-making in equipments argumentation.

naval ships;researching and developing;static complexity level;dynamic complexity level;measurement method

U662.2

A

1672－7649(2011)12－0112－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.12.027

2011－03－29;

2011－05－06

王鷹(1962－)，男，研究員，從事發(fā)展戰(zhàn)略及政策管理研究。