多種方法結(jié)合的作戰(zhàn)效能評估研究*

董彥非，王 曦

（西安航空學(xué)院飛行器學(xué)院，西安 710089）

1 作戰(zhàn)效能評估概述

作戰(zhàn)效能是作戰(zhàn)系統(tǒng)在預(yù)定的環(huán)境和條件下，能夠滿足作戰(zhàn)使用要求的能力或度量［1］。武器裝備的作戰(zhàn)效能評估有助于明確其在作戰(zhàn)使用中的價值，為武器裝備調(diào)配部署、效費分析和發(fā)展規(guī)劃的決策者提供參考依據(jù)，也為武器系統(tǒng)整體作戰(zhàn)效能提高創(chuàng)造條件。

作戰(zhàn)效能是綜合能力，需要全面考慮所有相關(guān)參數(shù)。有的參數(shù)可以得到確切數(shù)據(jù)，有的則不能直接測量或統(tǒng)計，只能估計，因此，武器系統(tǒng)的效能通常只能“評估”而不能直接計算［2］。而評估就會帶來一定的經(jīng)驗判斷成分。

作戰(zhàn)效能評估最直接的目的就是武器系統(tǒng)之間的“對比”，其作戰(zhàn)效能值都是相對值。作戰(zhàn)任務(wù)的種類很多，也很復(fù)雜，很難得出一個“效能常數(shù)”。有些方法表面看其評估結(jié)果是絕對值，但實際上還是相對值。由于效能評估會伴隨不同程度人的主觀評定因素，因此，評估結(jié)果都或多或少有一定的局限性。

不同作戰(zhàn)效能評估方法之間的差別主要體現(xiàn)在方法本身實現(xiàn)的難易程度、應(yīng)用范圍等方面，不存在完全公平和全面合理的評估方法和評估結(jié)果。每種方法評估出來的效能值只在預(yù)定范圍和假設(shè)條件內(nèi)可信。

2 評估方法與驗證問題

2.1 評估方法比較

目前用于武器裝備作戰(zhàn)效能評估模型除了常用的解析計算法（如綜合指數(shù)法模型［3-4］）、專家評估法和作戰(zhàn)仿真以外［5-7］，其他如智能算法中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法以及灰色關(guān)聯(lián)等方法也得到應(yīng)用［8-10］。從各種文獻的結(jié)果可知，這些方法都可以用于評估作戰(zhàn)效能，但是仔細分析，所有方法都有一定的優(yōu)點和局限性。

解析計算法的優(yōu)點是公式透明性好，能夠進行變量間關(guān)系的分析，計算比較簡單，便于應(yīng)用等。主要缺點是權(quán)重仍然依賴主觀賦權(quán)，其合理性容易受到質(zhì)疑。

灰色關(guān)聯(lián)法的優(yōu)勢在于評估信息有限的不確定系統(tǒng)，該方法對樣本量的多少沒有過多的要求，也不需要典型的分布規(guī)律。其主要問題是需要合理選取分辨系數(shù)，才能使最終的評估結(jié)果具有良好的區(qū)分度。該方法未進行加權(quán)處理，重要指標(biāo)不能得以凸顯；如果引入權(quán)重加以改善，又增加了方法的主觀因素。

作戰(zhàn)仿真方法理論上具有很高的可信度，但是實際仿真系統(tǒng)往往無法做到完整模擬武器裝備全部內(nèi)部和外部表現(xiàn)，也難以完全真實地呈現(xiàn)作戰(zhàn)環(huán)境和過程。同時，由于仿真系統(tǒng)對軟硬件要求高，對數(shù)據(jù)要求量巨大，耗時長，且要通過大量仿真試驗后的統(tǒng)計分析結(jié)果評估效能，使其應(yīng)用范圍受到嚴(yán)格限制。

專家評估的優(yōu)點是：擅長處理評估中存在難以量化的性能指標(biāo)問題，以及評估不確定性和模糊性問題；同時，評估結(jié)果是各方面專家的共同評估結(jié)果，因此，評估結(jié)論更容易得到大家的認(rèn)可。

專家評估的主要缺點是：消耗大量人力、物力和時間，如德爾菲法（Delphi）一般要經(jīng)過三輪，甚至五輪評估，組織和實施過程也比較復(fù)雜，很難做到對每一種新加入型號都進行專家評估［11］。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的優(yōu)點是：適合解決需要同時考慮許多性能參數(shù)和條件的問題，評估效率高，訓(xùn)練完好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以在輸入新的評估機型參數(shù)后立即得到評估結(jié)果。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的主要缺點是：評估效果嚴(yán)重依賴訓(xùn)練樣本的好壞，沒有廣泛認(rèn)可的訓(xùn)練樣本，就無法得到效果良好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

實際評估中，揚長避短地結(jié)合多種方法評估作戰(zhàn)效能，可以得到更好的評估效果。

此外，在實際作戰(zhàn)效能評估中，可能會遇到前期樣本龐雜、重復(fù)等問題，不僅會增加效能評估的工作量，還會直接影響訓(xùn)練樣本的質(zhì)量。此時可以選用粗糙集對初始樣本集和結(jié)構(gòu)進行預(yù)處理，應(yīng)用粗糙集的屬性約簡功能使模型中的冗余指標(biāo)和樣本數(shù)量削減，以精簡后的指標(biāo)和樣本集進行作戰(zhàn)效能評估可以提高預(yù)測精度和計算效率。

2.2 組合模型選擇

根據(jù)前面的分析，這里以“粗糙集+專家評估+神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”的組合評估方法為例介紹評估過程。這種組合方法的思路是：先用粗糙集對初始樣本集和結(jié)構(gòu)進行預(yù)處理，再結(jié)合專家評估與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點進行作戰(zhàn)效能評估。

首先使用粗糙集在初始訓(xùn)練樣本集中降低維度，剔除重復(fù)對象和冗余條件屬性，同時保留原數(shù)據(jù)集的有用信息，得到“新樣本”。

然后使用“新樣本”，利用專家評估得到作戰(zhàn)效能評估結(jié)論。

最后將專家評估結(jié)論作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本，訓(xùn)練后得到基于專家經(jīng)驗的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，可以高效地評估新的武器系統(tǒng)型號。

粗糙集理論指的是一種對象分類能力，該知識通常由列聯(lián)表表達，是一種用來表示等價關(guān)系的特殊的形式化語言［12］。粗糙集理論的屬性約簡實現(xiàn)了重復(fù)對象、冗余條件屬性刪除。

專家評估法在效能評估中常使用德爾菲法（Delphi）和層次分析法（AHP法），這里選用德爾菲法評估。其實施的基本過程為：首先確定評價項目、評價因素，向相關(guān)的專家郵寄調(diào)查表進行征詢，然后將回收的專家意見進行統(tǒng)計分析，再進行下一輪征詢，反復(fù)幾次直至意見一致［13］。德爾菲法的評估過程一般分為三至四輪。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實際使用3層6×13×1的結(jié)構(gòu)，并使用Matlab中的mapminmax函數(shù)對神經(jīng)元傳遞函數(shù)進行歸一化與反歸一化。

2.3 驗證問題

作戰(zhàn)效能評估結(jié)果的驗證問題一直是效能評估領(lǐng)域研究的一個難題。作戰(zhàn)效能評估研究由于其軍事應(yīng)用的特殊性，不僅核心數(shù)據(jù)資料獲取非常困難，通常也難以進行實戰(zhàn)和試驗檢驗。國內(nèi)外對效能評估結(jié)果驗證通常采用以下方法：

1）對于成熟的武器裝備類型，由于裝備數(shù)量大以及試驗、戰(zhàn)場實用結(jié)果資料豐富，可以采用得到廣泛認(rèn)可的作戰(zhàn)效能排序結(jié)果驗證評估方法，進而推廣到新型號的評估結(jié)果。

2）如果有完善的仿真系統(tǒng)，以及充足的數(shù)據(jù)支持，可以采用仿真驗證方法。

3）對于不具備前面兩種驗證條件的武器裝備，通常采用不同作戰(zhàn)效能評估模型之間的相互印證。

滿足合理、可用這兩個條件的不同作戰(zhàn)效能評估方法所得結(jié)果應(yīng)該是基本一致的，作戰(zhàn)效能結(jié)果排序不應(yīng)該存在大的差異。因此，采用多種方法評估作戰(zhàn)效能，可以相互印證評估模型和結(jié)果的合理性。

本文的算例中，作戰(zhàn)效能評估結(jié)果將與采用綜合指數(shù)模型計算的結(jié)果進行對比，驗證模型的合理性。

3 多種方法結(jié)合評估效能舉例

3.1 評估流程

本文以無人攻擊機對地攻擊效能評估為例［14-17］，驗證方法的可行性和合理性。

本評估用到的方法包括：粗糙集、德爾菲法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和綜合指數(shù)法。

首先使用粗糙集降低無人攻擊機樣本訓(xùn)練集的維度，同時保留原數(shù)據(jù)集的有用信息，從而提高效率。

然后采用德爾菲法得到的多個無人攻擊機效能評估的輸入、輸出結(jié)果。

將德爾菲法評估結(jié)果作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)樣本集，完成訓(xùn)練后即得到基于專家經(jīng)驗的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

將n組待評估新機型數(shù)據(jù)分別采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和綜合指數(shù)評估，對比評估結(jié)果驗證合理性。

根據(jù)前面分析，確定的作戰(zhàn)效能評估流程如圖1所示。

3.2 算例與分析

在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，采用等頻法對原始數(shù)據(jù)進行離散化處理。通過屬性約簡，簡化信息表系統(tǒng)復(fù)雜程度，同時刪除冗余重復(fù)的樣本。

在專家評估階段，需準(zhǔn)備的材料包括：1）無人攻擊機的作戰(zhàn)模式；2）現(xiàn)存無人攻擊機性能介紹；3）評價指標(biāo)的確立；4）評估指標(biāo)的量化方法。以上材料需要參與評估的專家在評估前認(rèn)真閱讀。

圖1 評估流程

在本次評估中，把無人攻擊機對地攻擊能力的大小分為10個等級。最低等級為1，最高等級為10。請各位參與評估的專家根據(jù)給定無人攻擊機量化指標(biāo)值給出該型無人機對地攻擊能力的大小評估。按照德爾菲法的評估過程，得到專家評估結(jié)果，統(tǒng)計處理匯總?cè)缦马摫?所示。

利用表1專家評估法評估的結(jié)果對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，訓(xùn)練的結(jié)果為表2所示，同時采用綜合指數(shù)模型評估根據(jù)表1中數(shù)據(jù)計算作戰(zhàn)效能。此外，增加一個新機型G的數(shù)據(jù)進行評估計算。

從表2的對比結(jié)果可以看出，兩種方法的評估結(jié)果值由于量化方法不同，存在較大差異，但是效能評估的排序卻基本一致，說明本文采用的方法可用、合理。

4 結(jié)論

根據(jù)算例可知，基于專家評估的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建模思路和方法合理，可以用于武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估。同時，與綜合指數(shù)模型計算結(jié)果較強的一致性說明了以上方法基本可靠。對于其他類型武器裝備效能評估研究的建模問題均具有一定指導(dǎo)意義和參考價值。

評估時如果出現(xiàn)樣本龐雜、重復(fù)等情況，可以采用粗糙集提高訓(xùn)練效率。

表1 專家評估結(jié)果統(tǒng)計處理匯總

表2 評估結(jié)果比較

綜合指數(shù)模型適用范圍最廣，可以滿足軍地多方面需要，是一種基礎(chǔ)方法，同時也可以作為對其他評估方法的驗證手段。

專家評估與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合方法最核心的優(yōu)勢在于，通過一次專家評估和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，即得到了基于專家經(jīng)驗和知識的高效率的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。在此后的應(yīng)用中，不再需要耗費大量的人力、物力和時間組織專家參與，即可得到認(rèn)可度較高的評估結(jié)果。但是，這種方法對于訓(xùn)練樣本的要求較高，對前期專家評估的合理性依賴性過強。要求神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本充足、合理，才能使網(wǎng)絡(luò)擬合效果良好。

基于專家評估的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雖然實現(xiàn)過程較復(fù)雜，難度較大，但是考慮到其認(rèn)可度和計算的高效率，非常適于作為一種典型方法使用。作戰(zhàn)效能評估的性質(zhì)決定了不存在絕對合理和適用各種情況的評估方法。要根據(jù)研究目的、條件等具體情況合理分析選擇，并考慮選擇合適的驗證手段。