抗毀性評估指標體系構建方法與有效性分析

黃通，高欽和，李向陽，王冬，劉志浩

(火箭軍工程大學 導彈工程學院，陜西 西安 710025)

隨著軍事科技的快速發展,武器裝備在戰場環境中的對抗烈度逐漸增加,被敵方偵察發現并遭受打擊的概率增大,生存并保持作戰功能成為了衡量武器裝備作戰能力的重要基礎[1]?？箽约词潜碚魑淦餮b備抵抗毀傷破壞、保持運行功能的能力[2],評估武器裝備在戰場環境中的功能保持效果如何,成為了實戰化應用的關鍵問題。評估問題可以分為試驗評估[3-4]和模型評估[5],其中,模型評估由于過程簡單,對評估場地和經費等要求不高,在評估問題研究中廣泛應用。

評估指標體系的構建作為模型評估的基礎,是評估方法和評估等級劃分應用的最基本的元素,從根本上決定了模型評估的可信與否。但是,目前的武器裝備的相關評估研究并未對評估指標體系的構建進行較為深入的分析,而主要是采用基于專家知識經驗的德爾菲法(Delphi Method,DM),構建起模型評估的指標體系[6-7],德爾菲法雖然能夠較為便捷地構建反映研究對象評估特征的指標體系,但受專家認知和經驗的影響較大,主觀性較強,邏輯性較弱,從根本上影響了評估結果的可信度。同時,不同研究方向的專家對同一研究對象的認知角度不同,形成的評估指標體系也存在較大差異。

評估指標體系是表征評估對象特性及其相互聯系的多個指標所構成的有機整體,基本是以層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)為基礎,對評估對象進行層層剖析,建立具有關聯性的評估對象特性反映整體[8]。盡管現階段關于武器裝備生存能力評估指標體系的構建方法較為單一,但在其他評估問題中,存在有多種類型的評估指標體系構建方法。故障樹分析法(Fault Tree Analysis,FTA)通過自上而下的演繹失效過程,采用布林邏輯組合低階事件,分析評估對象的失效原因和影響因素,從而構建起評估對象的指標體系[9],目前FTA法已在航空航天[10]、兵器[11]等領域廣泛應用。質量功能展開法(Quality Function Deployment,QFD)是一種基于需求的層次映射分析方法,該種方法是將對象的評估需求映射到QFD規定的質量屋(House of Quality)內,通過矩陣圖表的形式描述評估對象與影響因素之間的關聯關系,構建起具有邏輯特點的評估指標體系[12]。壓力-狀態-響應模型(Pressure-State-Response,PSR)是應用于環境評估領域指標體系構建最典型的模型框架,PSR模型基于壓力對狀態的影響產生狀態的響應這一思維邏輯,將評估指標體系分解為壓力指標、狀態指標和響應指標[13],該模型從系統層面對評估對象進行邏輯分解,具有較好的系統性和邏輯關聯性,目前已應用在生物環境[14]、建筑[15]等領域的評估指標體系構建中。結構-過程-結果模型(Structure-Process-Outcome,SPO)與PSR模型類似,但SPO模型是從結構、過程和結果三個維度構建評估指標體系[16],SPO模型主要在醫學評估領域應用[17]。此外還有應用于教育評價領域的CIPP評價模式[18],CIPP評價模式是從背景(Context)、輸入(Input)、過程(Process)和結果(Product)四個維度形成評估的一級指標,從而逐層構建起評估指標體系。

基于上述,筆者從武器裝備對抗的本質出發,通過基于敵我對抗邏輯的抗毀性演化過程,對抗毀性的影響因素和邏輯關聯進行分析。以發射平臺抗毀性評估為研究對象,并分別從FTA、QFD、PSR、SPO和CIPP法對發射平臺抗毀性評估指標體系開展研究,提出基于自信息量和層次聚類的指標體系有效性和適用性分析方法,用以探究評估指標體系構建方法的優劣差異與適用性。

1 抗毀性的演化過程與影響因素

1.1 基本假設

為探究基于對抗邏輯的武器裝備抗毀性演化過程,設有武器裝備W進入作戰域Q中,對W和Q構成的戰場對抗環境作出如下假設:作戰域Q中的對抗雙方不再加入新型超高性能的武器裝備,保持評估環境的穩定性;待評估的武器裝備W不再進行總體結構和功能改造,保持評估對象的穩定性;忽略極端特殊的毀傷工況影響,保持評估過程的穩定性。

1.2 邏輯演化過程

基于敵我對抗邏輯建立武器裝備W進入作戰域Q的邏輯演化過程如圖1所示。

由圖1可知,武器裝備W進入作戰域Q后,與敵方主要進行5次對抗:

1)W是否會被敵方的偵察探測設備發現,反映的是W的隱蔽性,只有被敵方偵察發現,才存在后續被打擊毀傷的可能。

2)W是否被敵方評判為可以攻擊,反映的是W的軍事價值,只有W的自身軍事價值屬性達到一定限度,才會被敵方毀傷威脅所打擊。

3)敵方毀傷威脅對W進行追蹤或覆蓋打擊,W的結構防護抵抗毀傷變形,W是否被毀傷結構。

4)W被毀傷的結構是否影響到W的運行功能,結構毀傷不一定會影響到武器裝備的運行功能。

5)W功能受損后,是否可以進行保障搶修,使其在規定的時間內重新恢復功能使用,反映的是W的維修保障性。

顯然,從對抗邏輯的角度來看,武器裝備W抗毀性評估的研究范疇包括了從“是否被判別攻擊”到“是否被毀傷功能”的邏輯演化過程,則抗毀性評估指標體系即是研究武器裝備自身價值、結構和功能屬性對抵抗毀傷破壞的影響因素。

2 抗毀性評估指標體系構建方法

2.1 故障樹分析法(FTA)

FTA在現階段易損性和生存能力評估中又被稱為毀傷樹分析法,是根據關鍵部件與各系統之間的功能和結構關系,建立評估的毀傷樹模型,進而確定評估指標體系?；贔TA法建立發射平臺毀傷樹模型如圖2所示。

由圖2可知,基于FTA法構建的發射平臺抗毀性評估指標體系,主要是采用對發射平臺“系統-子系統-部件”的分解方法,將發射平臺總體的抗毀分解到各部件的結構抗力(結構強度、抗熱強度、電磁兼容強度)上,邏輯和客觀性較好,構建的指標體系主體以發射平臺各部件的結構屬性為主,目前被廣泛應用于易損性評估中。

2.2 質量功能展開法(QFD)

QFD是一種以需求為驅動,將需求轉化為產品各項技術要素的方法?；赒FD法,采用“作戰需求-功能特點-技術特性-基礎特征”的模式展開,建立發射平臺抗毀性質量屋結構如圖3所示。

由圖3可知,基于QFD法構建的發射平臺抗毀性評估指標體系,通過對作戰任務需求的逐層分析,將作戰任務對抗毀性的需求映射到武器裝備基礎的特性要求上,構建的指標體系包括:戰場軍事價值、最大機動速度、極限越野等級、各部件的結構抗力和各功能的失效容限。該方法構建的指標體系較為系統和全面,但構建邏輯受系統認知的影響較大,主觀性較強。

2.3 壓力-狀態-響應模型法(PSR)

PSR模型法是從壓力、狀態和響應三個方面,以“激勵-響應”關聯為基礎,通過分析系統內在因果聯系,明確影響系統的指標因素,目前主要應用于評價生態環境狀況。筆者基于PSR模型法,以環境評估中壓力、狀態和響應三個準則層,對抗毀性進行類比,建立發射平臺抗毀性評估指標體系的PSR框架如表1所示?？芍?基于PSR模型法構建的發射平臺抗毀性評估指標體系,采用“激勵-結構-響應”的分析方法,構建評估指標體系的邏輯分析關系,構建的指標體系較為系統和全面,構建方法邏輯性較好。

表1 抗毀性評估PSR模型框架

2.4 結構-過程-結果模型法(SPO)

SPO模型法是對評估對象運行的過程中包含的要素以及特征進行分析,研究各要素構成以及要素之間的交互關系,目前主要應用于評價醫療質量狀況。筆者基于SPO模型法,以發射平臺抗毀性響應過程為路徑,分別從結構、過程和結果三個維度構建準則層,建立發射平臺抗毀性評估指標體系的SPO模型框架如表2所示?？芍?基于SPO模型法構建的發射平臺抗毀性評估指標體系,與PSR模型法相似,構建方法的邏輯性較好。但由于抗毀性的分析結果O屬于評估結果,因此在結果O的準則下無法構建指標,對抗毀性評估的適應性相對較差。

表2 發射平臺抗毀性評估SPO模型框架

2.5 CIPP評價模型

CIPP評價模型法根本要義在于通過動態化評價方式對評價內容進行整體衡量,目前主要應用于評價教育質量狀況?；贑IPP法,以發射平臺抗毀性邏輯對抗過程為路徑,分別從背景評價、輸入評價、過程評價和結果評價四個維度構建準則層,建立發射平臺抗毀性評估指標體系的CIPP框架如表3所示。由表3可知,基于CIPP法構建的發射平臺抗毀性評估指標體系,從抗毀性所處的戰場環境進行分析,建立了包括敵我對抗和戰場因素在內的綜合影響系統,該方法構建的評估指標體系系統全面,而且邏輯性較好。

表3 發射平臺抗毀性評估CIPP模型框架

3 討論與分析

為檢驗所構建的評估指標體系的有效性,分別從指標體系的完整性和邏輯關聯性兩個方面分析,討論指標體系構建方法的優劣差異和適用性。

3.1 基于自信息量的指標體系完整性分析

指標體系作為反映評估對象特征的統一整體,體系中的每個指標都包含一定的反映評估對象特征的信息量。筆者根據復雜網絡理論中的節點效率和自信息量模型,對抗毀性評估指標體系中的各指標信息量進行計算?；诘?節作戰域內抗毀性的邏輯演化過程,以抗毀性影響因素為節點,以影響因素之間的邏輯演化為邊,由于抗毀性的邏輯演化過程具有方向性,構建發射平臺抗毀性影響因素有向網絡拓撲模型如圖4所示。

設該網絡G=(V,E),其中V={v1,v2,...,vn}表示G中節點的集合,E={(vi,vj)|vi,vj∈V}表示G中邊的集合。記An×n=(aij)n×n為對應的鄰接矩陣,有aij=1,否則aij=0。

網絡中的節點效率能夠反映出該節點在網絡信息傳輸過程中的作用,節點效率越大,該節點在網絡中的地位越重要,同時給邊帶來的不確定性就越小。設網絡中兩個節點i和j之間的路徑距離為dij,有:

dij(l)=(1-δij-dij(l-1)-dij(l-2)-…-
dij(1))U(aij(l)),

(1)

式中,U為單位指示函數。當i=j時,δij=1;否則δij=0。

則節點i的節點效率ηi為

(2)

定義節點i的自信息量Ii為

Ii=-lnηi.

(3)

計算得到發射平臺抗毀性各影響因素所包含的自信息量,如表4所示。

表4 影響因素的自信息量

由表4可知,在全作戰域中,發射平臺抗毀性影響因素中包含信息量最大的是功能失效容限,信息量達到2.197 2,包含信息量最小的是戰場環境因素,信息量為0.604 6。其中,與發射平臺自身相關的影響因素所包含的信息量總值為8.038 7,占全作戰域總信息量的66.03%,說明發射平臺在全作戰域中,雖然受到戰場環境和敵方打擊等因素的影響,但自身屬性仍然占主導地位。

定義發射平臺抗毀性評估指標體系中,各指標所包含的信息量Ik占全作戰域總信息量IQ之比的總和,為評估指標體系在全作戰域評估時的完整性εQ,即

(4)

定義發射平臺抗毀性評估指標體系中,各指標所包含的信息量Ik占發射平臺自身屬性總信息量IW之比的總和,為評估指標體系在發射平臺自身屬性評估時的完整性εW,即

(5)

計算不同構建方法的發射平臺抗毀性評估指標體系完整性結果如圖5所示。

由圖5可知,在全作戰域下進行抗毀性評估時,CIPP評價模型法構建的指標體系完整性最高,達到1;在發射平臺自身屬性的抗毀性評估時,QFD、PSR和CIPP模型法均達到完整性為1;SPO法構建的指標體系完整性次之,這是由于未考慮毀傷激勵維度的指標;FTA法在兩種狀況下的指標體系完整性均為最低,分別為0.147 2和0.222 9,這是因為FTA法是基于發射平臺系統功能-部件分解的,指標體系主要反映了各部件的結構強度。

3.2 基于層次聚類的指標體系邏輯關聯性分析

為了探究不同評估指標體系構建方法的邏輯關聯性,分析指標體系與不同構建方法準則層的隸屬關系,筆者基于層次聚類法,并采用與指標分解步驟相反的凝聚式層次聚集快速GN(Girvan Newman)算法,對圖4所示的抗毀性影響因素網絡模型進行分析,GN算法如圖6所示。

按照圖4所示的抗毀性影響因素有向網絡模型中的節點編號,計算得網絡G的層次聚類樹圖如圖7所示。

由圖7可知,抗毀性影響因素有向網絡模型中的節點層次聚類為3個社區,分別為紅社區0、1和2;藍社區3和4;綠社區5、6、7、8和9。這說明按照發射平臺抗毀性影響因素的邏輯關聯屬性,抗毀性影響因素可以分為三類。其中,由發射平臺自身屬性決定的影響因素為紅社區1;藍社區3;綠社區6、7和9。將上述邏輯關聯分類與不同指標體系構建方法的準則分類相比,得到如表5所示的聚類對比關系。

表5 不同指標體系構建方法的聚類對比

由表5可知,基于PSR模型法,按照壓力-狀態-響應準則構建的評估指標體系,與按照發射平臺抗毀性影響因素的邏輯關聯屬性進行的分類相似性相對較高。即說明基于PSR模型法的評估指標體系構建方法,邏輯關聯性相對較強,更適合應用于抗毀性評估。

3.3 評估指標體系構建方法對比

通過對不同評估指標體系構建方法在完整性和邏輯關聯性兩個方面的討論分析,可以得到不同構建方法的優劣對比,如表6所示。

表6 不同構建方法的優劣對比

由表6可知:

1)基于QFD、PSR和CIPP模型法構建的抗毀性評估指標體系,與基于對抗邏輯建立的抗毀性影響因素相同,在發射平臺自身屬性的抗毀性評估時指標體系所包含的信息完整性為1。這既說明了QFD、PSR和CIPP模型法具有完整的指標體系構建效果,也通過不同的方法反映了所構建的指標體系具有較好的一致性。

2)基于PSR模型法構建的抗毀性評估指標體系,與按照發射平臺抗毀性影響因素的邏輯關聯屬性進行的層次聚類的結果相同,在發射平臺自身屬性的抗毀性評估時采用PSR模型法具有較好的邏輯性,這說明了PSR模型法能夠有效減弱指標體系構建時主觀性的影響。

3)相對于其他指標構建方法,基于PSR模型法的評估指標體系構建方法在完整性和邏輯關聯性上均具有較好的效果,適合應用于抗毀性評估指標體系的構建。

4 結論

筆者針對現階段評估指標體系構建中存在的主觀性較強、邏輯關聯性較弱、系統認知差異較大等問題,以發射平臺抗毀性評估為對象,分別從影響因素分析、不同指標體系構建方法探究和指標體系構建方法有效性分析3個方面進行研究,得出以下結論:

1)基于敵我對抗邏輯建立的武器裝備抗毀性演化過程,明確了抗毀性評估的研究范疇是從“是否被判別攻擊”到“是否被毀傷功能”的過程,該方法能夠較為客觀、系統和邏輯化的反映出武器裝備抗毀性的影響因素,減弱評估的主觀性,增強邏輯性,減少系統認知差異。

2)通過基于FTA法、QFD法、PSR模型法、SPO模型法和CIPP評價模型法5類常用評估指標體系構建方法的研究,發現抗毀性評估指標體系主要由“戰場軍事價值”“各部件結構抗力”“各功能失效容限”和“戰術機動性”組成,不同指標體系構建方法反映了這一指標體系的一致性。

3)通過基于自信息量和層次聚類分別從完整性和邏輯關聯性,對不同方法構建的指標體系的有效性進行分析,發現基于PSR模型法的評估指標體系構建方法,完整性為1,且層次聚類與抗毀性的演化過程在邏輯關聯性上相似性較高,適合應用于抗毀性評估指標體系的構建。