桌面式航空彈藥測試模擬訓練設備效能評估

周弘揚，馬 超，高 松

(空軍勤務學院 航空彈藥保障系， 江蘇 徐州 221000)

航空彈藥測試設備的操作與維護內容復雜，但由于實裝數量少、維護成本高以及彈藥通電壽命有限等原因，致使訓練受到嚴格限制，無法有效提高保障人員的能力水平。而桌面式測試模擬訓練設備是以操作使用為仿真對象，以計算機為平臺，應用系統仿真技術和虛擬現實技術研制的一種人在回路中的、桌面式的虛擬仿真系統，用于對個人和小組進行檢測、故障診斷等程序化操作訓練和教學中。不同于“看得見的實裝”和“看不見的仿真系統”組合的半實裝模擬訓練設備[1]，桌面式設備能夠有效減少實裝磨損和彈藥通電測試壽命損耗問題且具有不受場地和天氣限制、結構簡單、成本低、方便高效等特點。其設備效能的高低對場站勤務保障能力生成起著至關重要的作用，因此對其效能的評估十分必要。

目前，針對模擬訓練設備的研究主要集中在技術能力提升和標準規范上，包括外軍正積極推進模擬系統數據、模型、接口、軟件研制的互聯互通和一體化試訓平臺的應用[2]。但對于設備保障效能的研究，文獻[3]針對船舶電力系統模擬訓練提出層次分析法賦權，建立綜合模糊評判模型。文獻[4]則考慮專家對方法的偏好，在AHP、比系數法、熵權法中比較確定權重。文獻[5]提出基于Petri網的模擬訓練評估模型。文獻[6]構建灰色AHP模型，利用神經網絡非線性擬合求解效能等等。這些方法在一定程度上反映了特定環境下的效能[7，8]，但在處理定量定性聯合評估問題時都存在一定的局限性，如神經網絡要大量的訓練數據，模糊、灰色理論主觀性大、函數復雜[9-12]，處理模擬訓練設備效能評估不太理想。

本文提出一種基于D-AHP(D數理論改進的層次分析法)和云模型相結合的評估方法。D數理論是鄧勇教授2012年提出[13]，允許指標元素之間不獨立的情況出現，處理不完備不確定信息能力強。結合AHP解決多層次、多目標的大系統優化問題時靈活、簡潔的特點[14]，云模型依靠簡單的計算期望、方差和高階中心矩將定性與定量模型相統一，使評價結果更接近實際情況[15，16]。兩者的結合為測試模擬訓練設備效能評估提供新的思路。

1 航空彈藥測試模擬訓練設備概述

航空彈藥測試模擬訓練系統組成如圖1所示，包括多媒體教學和模擬訓練系統兩大部分。

多媒體教學系統采用圖像、文字、動畫等多媒體形式將設備工作原理、彈藥及結構組成和操作使用維護的示教等信息呈現在終端。

模擬訓練系統則主要由視景仿真、測試過程仿真、音響仿真、故障仿真、數據庫等模塊組成，用于實現彈藥的測試、信息判讀和故障診斷等訓練以及實現成績的評定和記錄回放等功能，有助于彈藥大隊人員提高測試保障水平。

圖1 桌面式測試模擬訓練系統結構組成框圖

2 測試訓練設備評估模型建立

2.1 指標體系構建

桌面式航空彈藥測試模擬訓練系統不同于數字計算機仿真，應具有良好的通用性、交互性、可操作性以及較好的仿真度等才能符合訓練要求。其設備效能既與系統本身的技術性能有關，又涉及成績評估等方面，因此信息具有一定的模糊性。基于此，本文從訓練設備要素出發，遵循全面性、重要性、層次性原則，通過查閱文獻和咨詢裝備保障領域專家的方式，建立如圖2所示指標體系，主要包含硬件性能、訓練能力、軟件性能、系統可用性等指標。

圖2 桌面式測試模擬訓練設備效能評價指標體系框圖

2.2 D-AHP賦權

由于AHP將指標體系結構內元素兩兩比較確定權重方法非常實用，但信息的模糊性又限制了典型AHP方法的使用。因此提出D數偏好關系改進AHP的方法，減少不確定性。

D數理論是對D-S證據理論的改進，無需計算概率且可以解決不確定性問題，在應急事件管理能力評估、信息安全風險評估等方面有較好應用[13]。

關于D數的相關定義和性質如下：

定義1設存在非空有限集Ω與映射D：

Ω→D[0，1]

(1)

滿足：

(2)

定義2設存在D數和非空有限集Ω，則D數信息完整度Q可量化為：

(3)

定義3設離散非空有限集Ω={b1，b2…，bn}，D數特殊表達式為：

D={(b1，υ1)，(b2，υ2)，…，(bn，υn)}

(4)

定義4設存在D數：

D={(b1，υ1)，(b2，υ2)，…，(bn，υn)}，則其集成為：

(5)

定義5模糊偏好關系用符號“?”表示，專家對各評估對象的偏好依據對比較矩陣來表示。

設存在一組評估對象F={F1，F2，…，Fn}，其模糊偏好關系為：

UR∶F×F→[0，1]

(6)

用矩陣表示為R=[rij]n×n：

(7)

該矩陣滿足：

1)rij≥0；rij+rji=1， ?i，j∈{1，2，…，n}；

2)rij=0.5， ?i∈{1，2，…，n}。

矩陣元素rij表示評估專家認為Fi相對與Fj的重要程度，其賦值范圍及其含義如下：

rij=UR(Fi，Fj)

(8)

如果rij=0，則Fj明顯比Fi重要。

如果0

如果rij=0.5，則Fj與Fi無差別。

但該方法存在專家評估信息不完整或不確定的情況，無法構造出合理的偏好矩陣。

因此對偏好關系改進，將適用范圍擴大到不確性的信息領域。其評判矩陣則被稱D矩陣。

定義6設一組評估樣本F={F1，F2，…，Fn}，則D數偏好關系為：

RD∶F×F→D

(9)

以矩陣形式表示為RD=[Dij]n×n。其中：

關于D數偏好關系計算權重的步驟為：

1) 組織領域專家對指標成對比較，以偏好關系形式表示其重要度，構建D矩陣RD。

根據設備效能評價指標體系，確定準則層一級指標集為A={A1，A2，A3，A4}={硬件性能，軟件性能，訓練能力，設備可用性}。

為定量表示指標間相對重要性，采用0.1～0.9標度進行成對比較賦值。其對應含義如表1所示。

表1 評估標準及含義

2) 由I(D)，將矩陣RD表示成確定數矩陣RC。

3) 計算偏好概率，構建基于矩陣RC的概率矩陣RP。

因此，其不一致系數為0.183 3，經專家評估認為該系數在可接受范圍內。因此對一級指標排序為A2>A3>A4>A1，對設備效能影響從高到低分別為：軟件性能，訓練能力，設備可用性，硬件性能。

(10)

其中，ωAi表示第i個準則層一級指標權重，λ表示評估信息的可信度，取值與專家經驗和對問題背景的認知水平有關。根據文獻[13]給出的取值及說明可知，專家經驗豐富，因此λ為2，則一級權重向量為ωA=(0.212 5，0.362 5，0.262 5，0.162 5)。

同理，可求得各二級指標相對于一級指標的權重以及相對于評估目標的綜合權重，如表2所示。

表2 指標權重計算結果

2.3 云模型標準量化

李德毅院士把概率論中的數字特征用期望、方差和高階中心矩表示，將模糊數學中較精確的隸屬度和利用兩種精確集合函數評定不確定性的粗糙集等模型優勢結合提出云模型理論，使評價結果更接近實際情況[15-16]。

云模型用期望Ex、熵En和超熵He三個數值來表示數字特征：

Ex是數值域中最能代表其定性評估值的樣本值即云重心；

En是對模糊度的評估，反映數值域中隨機值在云中的范圍，表示被定性云滴的離散程度；

He是云滴的不確定度的評估，是熵的疊加。超熵越大，云層越厚，隸屬度的不確定性也越大。

根據云理論和專家意見，將評估標準定義為5種：優、良、中、及格和差。量化標準如表3所示。

表3 桌面式測試模擬訓練設備效能評估的量化標準

3 實例應用

以某型空空導彈通用測試模擬訓練設備為研究對象，在實地問卷調查、座談的基礎上收集相關數據，進行如下評估工作。

1) 根據評價標準(見表3)，結合五位專家意見得到指標層評價指標結果如表4，表4中每行表示一位專家對指標的評價，每列表示同一項指標不同專家的評價。

2) 運用云理論，按照指標層期望、熵、超熵計算式(11)得到指標層各項指標特征值，如表5。

(11)

3) 根據指標層云數字特征值，按照指標權重式(12)計算，得到準則層各項評價結果，如表6。

(12)

表4 指標層評價指標結果

表5 指標層云模型各項指標特征值

表6 準則層云模型各項指標特征值

4) 由于準則層權重系數為：

WA=(0.212 5，0.362 5，0.262 5，0.162 5)

因此，可以得到目標層綜合效能評估云數字特征為(0.465 3，0.089 4，0.025 3)。與效能評估標準相比較，可知總體水平“及格”。其中，模擬逼真度、經濟性的云數字特征分別為B5(0.4，0.050 1，0.049 9)、B14(0.4，0.100 3，0.007 3)，其評估結果的平均值小于綜合效能評估值，說明這兩方面的指標落后于系統整體性能，制約著該款空空導彈通用測試模擬訓練設備效能的提升。因此在后期研制升級過程中著重提高仿真環境真實度和節約成本，從而提高設備訓練能力。

4 結論

通過D數理論改進AHP和云模型評價相結合，既體現了專家的集體智慧也較好的反映了桌面式航空彈藥測試模擬訓練設備的實際情況，為客觀、準確地對模擬訓練設備效能評估提供了新思路，可有效提高勤務保障能力，也為系統研制升級提供了重要參考意見。