基于模糊層次分析的艦艇編隊信息系統體系貢獻率評估

管東林,吳鑫輝,常 歌

(中國人民解放軍91977部隊，北京 100036)

艦艇編隊是海軍力量重要組成部分，艦艇編隊信息系統主要綜合運用編隊內電子信息系統與裝備，將各類作戰資源與作戰單位有機整合，發揮信息系統對各種作戰力量的倍增器和粘合劑作用，完成海上重點方向防空、反潛、對海打擊等作戰任務，是海軍作戰裝備力量體系的重要組成部分。

艦艇編隊信息系統規劃和論證中一個重要階段是需要對其體系貢獻率進行評估，利用體系貢獻率評估體系，可以從全局發展規劃角度評估分析信息系統發展方向及目標的合理性、可行性和經濟性，也可以從完成作戰任務角度定量分析信息系統體系能力的水平和短板，也可以從裝備體系角度定量分析完成具體任務的能力水平或滿足度，從而可以支撐完成評估“短板弱項”和主要建設方向，或支撐完成項目建設方案優選和改進，或支撐完成項目功能、性能、指標等適用性的論證。

目前，體系貢獻率方法研究尚處于理論研究和初步實踐驗證階段，各科研院校、研制單位等提出了一些體系貢獻率方法，但目前尚無統一的定義解析。文獻[1-3]提出了裝備體系貢獻率由功能完備性、結構合理性、有效性等方面來綜合評估；文獻[4]提出了基于增量的度量方法、基于比值的度量方法等四種體系貢獻率度量評估方法；文獻[5]提出了武器裝備體系貢獻率底層指標量化評估方法。總體來說，已有各種文獻主要針對新研的、具體的型號裝備、裝備體系等體系貢獻率進行了評估，但對于信息系統貢獻率的研究仍處于探索階段。隨著艦艇編隊信息系統建設發展，亟須建立一套體系貢獻率評估方法，以解決編隊信息系統建設發展的合理性和可行性問題。

本文主要針對艦艇編隊信息系統貢獻率評估問題，通過典型作戰任務與能力需求分析，確定艦艇編隊作戰能力目標集合，在典型任務想定背景下，構建信息系統任務、能力、指標逐層分解的關聯矩陣，分析了體系貢獻率評估指標體系建立方法，針對指標評估具有模糊性特點，提出了一種模糊層次分析方法來評估信息系統體系貢獻率。

1 艦艇編隊信息系統貢獻率評估指標體系構建

1.1 艦艇編隊信息系統任務分析

艦艇編隊信息系統的使命是在聯合作戰條件下，為艦艇編隊遂行各種作戰、訓練任務提供信息支撐。主要任務包括保障艦艇編隊實施傳感器協同探測、組織、管理控制，輔助指揮員有效地進行編隊作戰籌劃，指揮控制編隊所屬作戰平臺、裝備要素實施協同作戰。

由此可見，艦艇編隊信息系統與普通武器型號系統使命任務有較大區別，普通武器型號系統目的性比較明確，可能是針對某一類具體能力實現，例如打擊距離、打擊效果等，有具體的目標、性能、參數指標，而信息系統則涉及態勢探測、作戰指揮、兵力控制等一系列信息感知、信息流轉、信息處理、信息應用等“軟”性要求，其體系貢獻率評估指標體系與具體武器型號有較大差別。

1.2 典型作戰任務與能力需求分析

艦艇編隊主要作戰場景包括對敵水面艦艇進行聯合火力打擊、奪取重點海域制空權、監視并打擊目標海域的水下潛艇等。對于每個作戰場景，信息系統為滿足任務需求，可大致分為偵察預警能力、指揮控制能力、火力打擊能力、信息攻防能力四類。如表1所示。

表1 艦艇編隊信息系統“任務-能力”二維評估矩陣

通過分析不同任務對信息系統能力需求，以及能力的進一步分解，可以此為依據，建立信息系統對不同任務完成的貢獻率評估指標體系。

1.3 貢獻率評估指標體系分析

根據艦艇編隊信息系統“任務-能力”二維評估矩陣，可以將艦艇編隊信息系統按層次分析法，將總體能力分為偵察預警能力、指揮控制能力、火力打擊能力、信息攻防能力四個二級指標，而各個二級指標又可以逐層細化分為三級或者四級指標。如圖1所示。

圖1 艦艇編隊信息系統體系貢獻率評估指標

根據構建的艦艇編隊信息系統體系貢獻率評估指標體系，可以進一步對每個任務對應的指標要求進行詳細分析，從而形成任務-能力-指標的體系貢獻率關聯評估矩陣。如表2所示。

表2 艦艇編隊信息系統“任務-能力-指標”體系貢獻率關聯評估矩陣

2 艦艇編隊信息系統體系貢獻率綜合模糊評估方法

由于艦艇編隊信息系統屬于復雜巨系統，體系貢獻率評估又涉及很多因素，每個因素都要賦予一定權數，而因素之間又存在關聯關系，且夾雜人的主觀判斷因素，因此，很難給出一個量化的綜合評估結果，對于此類定性、定量相結合的多因素評估問題，可以采用模糊評估方法來決策。綜合模糊評估是以模糊數學理論為基礎，通過構建不同歸屬的隸屬函數，將一些因素定性評價轉化為定量化評價的一種方法，具體步驟如下。

2.1 指標體系權重系數計算

對于艦艇編隊信息系統貢獻率各個層級指標體系的權重計算是一個重點問題。目前采用的方法主要有專家打分法、定性評估法等，但由于軍事指揮員、專家、業務人員等對不同指標重要性的理解程度不一，缺乏定性評估標準，客觀上存在著對同一事物判斷準則不一致，打分結果缺乏定量分析的情況。針對打分評判受個人影響較大的情況，可以采用統計學方法對權重值進行計算[6]。

首先，針對艦艇編隊信息系統第一級指標U={偵察預警、指揮控制、火力打擊、信息攻防}={u1，u2，u3，u4}，分別請各領域專家進行獨立打分，提出合適的權重向量

(1)

其中，i為第一級因素個數，m為專家打分個數。然后對各個指標進行單因素統計，具體步驟如下：

1)對因素ui在其統計權重向量wij中找出最大值Mi和最小值mi；

2)選取合適的分組數k，按下式計算權重向量wij分成k組的組距

(2)

按從小到大將wij進行分組；

3)計算wij在每組內的頻數和頻率；

4)根據頻數和頻率的分布情況，選取頻數和頻率分布最高的權重值，作為ui的權重值wi，從而得到權重向量

W=(w1，w2，…，wi)

(3)

對于艦艇編隊二、三級指標權重值，可以采用層次分析法(AHP)來確定各層指標的權重，具體計算方法見文獻[7]。

2.2 體系貢獻率模糊層次評估算法

艦艇編隊信息系統各貢獻率評估指標目前還缺乏明確的定量公式計算方法，并且在不同作戰任務場景下，即使是同一系統，其各個指標的體系貢獻率也會有所區別。因此，體系貢獻率是一個典型的模糊評價問題。所謂模糊綜合評價就是以模糊數學理論為基礎，應用模糊關系合成的原理，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，進行綜合評價的一種方法。它通過構造等級模糊子集把反應被評價事物的模糊指標進行量化，然后利用模糊變換原理對各種指標綜合。

1)分析體系貢獻率的因素集和評價集

根據艦艇編隊信息系統體系貢獻率指標建立，可以將評價對象的因素集設定為U={u1，u2，u3，…，un}，其中，n為第一級指標個數；而ui={u1i，u2i，u3i，…，umi}為第i個一級指標的m個二級指標集合。

由于關于信息系統的體系貢獻率無法用明確的公式來表示，因此可以運用專家評語來表達指標值。評價集可以表示為V={v1，v2，v3，…，vk}，k為評語的等級數，每一個等級可以對應一個模糊子集。

2)分析計算隸屬函數

為了分析每一個指標，其對應評價集哪個等級，需要建立相匹配的隸屬函數，以確定相應指標值的滿意程度。隸屬函數是模糊集合運算的重要組成部分，針對不同的模糊關系，應采用不同的方法來確定隸屬函數。目前常用的隸屬函數確定方法主要有模糊統計試驗法、二元對比排序法、模糊分布函數構建法等。其中，模糊統計試驗法主要采用對集合內元素進行充分大試驗次數，以逼近集合內各元素的隸屬度，該方法對簡單隸屬度模型具有很高的精確逼近度，但難以確定復雜的隸屬函數模型；二元排序法采用將元素兩兩對比來排序確定隸屬函數的大致順序，但需要集合內各元素有相對明確的對比關系，適用范圍有限；模糊分布方法能根據元素各個趨勢，采用典型的帶有可變參數的函數來描述各類元素模型，是目前模糊工程應用中最常用的隸屬函數推算方法。根據不同隸屬函數特征，常用的模糊分布有戒上型、戒下型和對稱型三大類。

典型的戒上型降半矩陣分布

(4)

典型的戒上型升半Γ分布

(5)

典型的戒下型升半矩陣分布

(6)

典型的戒下型升半Γ分布

(7)

典型的對稱型尖Γ分布

(8)

根據艦艇編隊信息系統“任務-能力-指標”體系貢獻率關聯評估矩陣，各類指標都具有較為明顯的趨勢性，例如情報保障范圍越大越好、目標處理容量越高越好等，因此，本文采用模糊分布法來確定各類指標的隸屬函數。

3)計算模糊綜合評判集

各個指標隸屬度函數確定后，根據不同層級的指標，建立不同層次指標的評估矩陣。對于第一級指標ui，可以建立模糊關系評估矩陣Ri

(9)

其中，j=1，2，…，im；l=1，2，…，k，分別為第一級指標ui所屬二級指標個數和評價集評估等級。

通過上式計算出每個一級指標的模糊關系評估矩陣后，得出總體模糊關系評估矩陣R

(10)

其中，i=1，2，…，n；l=1，2，…，k，分別為第一級指標個數和評價集評估等級。

4)綜合評估評判結果

利用合適的合成算子將權重向量W與模糊關系評估矩陣R合成得到體系貢獻率綜合模糊評價結果向量T

(t1，t2，…，tk)

(11)

其中，“°”為模糊矩陣合成算子，針對不同形式，對應不同的使用范圍。一般模糊矩陣合成算子可以用四種方式來計算：主因素決定型M(∧，∨)，主因素突出型M(，∨)，不均衡平均型M(∧，⊕)和加權平均型M(，⊕)。對于體系貢獻率，一般可以采用加權平均型，該方法的好處是考慮到所有指標因素的影響。

3 應用實例

3.1 確定各指標的權重值

設定一個對XX海區敵水面艦艇聯合火力突擊能力作戰場景，根據作戰預演籌劃方案，可提取出作戰方案中涉及的艦艇編隊信息系統第一級指標因素U={偵察預警、指揮控制、火力打擊、信息攻防}={u1，u2，u3，u4}，分別請作戰指揮員、各領域專家共10名對根據作戰需要對各項指標權重值獨立打分。假定對某個指標ui的權重值共收集到10個權重值打分，按從小到大排序為wi=(015，02，02，025，025，03，03，03，035，04);則根據權重值計算步驟1)-3)，按照權重分布法，可得wi=0.31；按照同樣方法，可得一級指標權重值為W=(031，025，025，019)。假設一級指標ui，i∈(1，4)，分別各有二級指標3，3，4，3個，則按照上述權重值計算方法，可以分別計算出w1=04，035，025，w2=035，035，030，w3=015，045，015，025，w4=06，015，025，類推可以分別計算出三級指標的權重值。

3.2 建立各級指標隸屬函數

根據艦艇編隊信息系統各項指標特性，基本都具有一個明確的上限或下限值，在上、下限值之外基本為趨勢值，因此，此處主要采用模糊分布方法來確定指標的隸屬度函數。根據各項指標含義，涉及滿意隸屬度函數可設計如下。

假定對于對XX海區敵水面艦艇聯合火力突擊能力作戰場景中，要求情報保障范圍u1最低為50 km，期望值為200 km，則其隸屬度函數可以設計為

(12)

假定要求目標處理時間指標u2最大容許值為10 s，期望值為處理時間越小越好，則其隸屬函數可以設計為

(13)

假定要求目標處理容量指標u3最小容許值為200批，期望值為處理容量越大越好，則其隸屬函數可以設計為

(14)

類似的，可以對各類指標建立合理的隸屬度函數。

3.3 計算模糊綜合評判集

通過建立不同指標的隸屬度函數，代入信息系統的具體指標值，即可以計算出各個指標屬于不通過評判等級的程度，并構成相應的模糊評判矩陣。以指揮控制能力中態勢綜合能力指標為例，假定態勢綜合能力由情報保障范圍、目標處理容量、目標處理時間三個典型指標組成，對于每個指標要求假定如表3所示。

表3 態勢綜合能力指標隸屬度計算

根據指標隸屬度函數，可以計算出態勢綜合能力模糊評價矩陣為R態勢綜合=[08，086，018]，同理可以計算出指揮控制能力其他指標的模糊評價矩陣，組成指揮控制能力二級模糊矩陣

(15)

通過層次分析法，進一步組成體系貢獻率綜合能力一級模糊矩陣

(16)

對于體系貢獻率評估結果，應用式(11)，可以計算出模糊評價結果。在應用實例中，將信息系統指標代入計算，得出

T=W°R=[032064062028]。

假定對于體系貢獻率評價集V={v1，v2，v3，…，vk}，其共分為五級，每個級別按等比分為較差(小于0.2)、一般(0.2-0.4)、比較重要(0.4-0.6)、重要(0.6-0.8)、非常重要(0.8-1)，則可以分析出，在對XX海區敵水面艦艇聯合火力突擊能力作戰場景中，艦艇編隊信息系統對于偵查預警能力體系貢獻率為一般，對于指揮控制能力體系貢獻率為重要，對于火力打擊能力體系貢獻率為重要，對于信息攻防體系貢獻率為一般。

4 結束語

本文通過剖析艦艇編隊信息系統體系貢獻率評估流程，分析了艦艇編隊信息系統“任務-能力”評估矩陣、評估指標，針對評估過程中信息系統評估要素隨不同任務背景而具有模糊性、動態性等特點，提出了基于模糊層次分析的體系貢獻率定量評估方法。該方法適用于信息系統體系貢獻率中不同類別指標評估結果的綜合，評估結果可以為未來戰爭下系統建設和設計提供參考。