基于主成分分析的部隊摩托化機動系統可靠性評價

李延通，范精明，孫大偉

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161;2.軍事交通學院 訓練部，天津300161;3.軍事交通學院 院務部，天津300161)

(3)計算R 矩陣的特征值與特征向量。采用雅可比(Jacobi)方法計算相關系數矩陣R 的特征值與特征向量。

解上式方程得p 個特征值:λ1≥λ2≥…≥λp≥0。

求得對應的特征向量L 為

部隊摩托化機動是我軍快速機動反應的最主要方式之一。我軍現行的部隊摩托化機動規章制度和組織模式仍處于傳統階段，已難以滿足現代戰爭對機動能力的高要求，因此必須對部隊摩托化機動相關問題加以研究［1］。

1 部隊摩托化機動系統內涵界定

部隊摩托化機動系統是由多個既相互區別又相互聯系的單元集合而成的，該系統以待機動部隊為對象，以完成部隊的機動任務為目的。最基本的部隊摩托化機動系統由人員子系統、車輛子系統、道路子系統、環境子系統、組織指揮子系統和勤務保障子系統組成［2］。

本文所研究的部隊摩托化機動系統可靠性是指部隊摩托化機動系統在特定條件下、規定時間內完成指定機動任務的能力。我軍對摩托化機動系統可靠性的要求主要體現在3 個方面。

(1)在平時演習、訓練任務中，能夠將參演人員、物資器材、武器裝備在規定的時間內，運抵演習地域，保障演習任務按時、順利開展。

(2)在參與搶險救災、維穩處突等非作戰軍事任務時，能夠以較高的服務水平在規定時限內將救災人員、物資、裝備運抵災區，將維穩處突部隊運達指定地域。

(3)在信息化條件下的局部戰爭中，在遭受敵精確打擊條件下，仍能做出快速反應，在規定時間內，將作戰人員、物資器材、武器裝備運抵戰斗集結地域。

2 部隊摩托化機動系統可靠性影響因素分析

部隊摩托化機動系統可靠性受多種因素的影響，現從人員、道路、環境、組織指揮、勤務保障等方面對影響部隊摩托化機動系統可靠性因素加以分析。

2.1 人員因素

(1)駕駛員素質。駕駛員是摩托化機動過程的主要參與者，駕駛員的素質直接影響到摩托化行軍的速度、安全性、協同性等方面，進而影響摩托化機動系統可靠性。

(2)裝卸人員素質。裝卸是摩托化機動的重要環節，裝載的質量及效率，不僅影響摩托化機動的時效性，而且直接影響實際運輸的效果。

(3)組織指揮人員能力。組織指揮人員是整個摩托化機動任務的組織者，在機動過程中起到組織協調的作用，其組織指揮能力直接影響摩托化機動系統可靠性。

(4)待機動人員素質。待機動人員是摩托化機動的對象，待機動人員的素質，直接影響摩托化機動系統的效率及穩定程度，從而影響摩托化機動系統可靠性。

2.2 車輛因素

(1)車輛性能。包括車輛的動力性、燃料經濟性、操縱穩定性等方面，車輛性能直接決定車輛的行駛速度、穩定性及事故率，進而對摩托化機動系統可靠性產生本質影響。

(2)車輛可用度。指建制部隊車輛的可使用情況，即車輛的新舊程度、完好率等，車輛可用度高可大幅度降低在途車輛事故出現率，提高車輛可支配度，從而為摩托化機動系統可靠性提供裝備保障。

(3)車輛協同性。指在摩托化機動過程中，車輛之間具有一定的協調性，如行車編隊中大小車比例、重車比例等，車輛協同性反映了行駛車列對突發事故的應急處理能力。

(4)車輛可維修性。指車輛可維修程度，直接影響車輛維修的效率，在途車輛的可維修性關系到物資、人員、裝備的輸送效率，進而影響摩托化機動系統可靠性。

2.3 道路因素

(1)道路等級。公路等級劃分為高速公路、一級公路、二級公路、三級公路、四級公路5 個等級。高等級公路較低等級公路具有技術狀況好，通行能力大等特點，是影響摩托化機動的主要因素。

(2)道路線形。指道路在空間的幾何形狀和尺寸，常用道路平面線形、縱斷面線形和橫斷面來表示。道路線形影響行車速度、視野，進而影響摩托化機動系統可靠性。

(3)路面狀況。主要指路面的鋪面率、鋪面等級和損壞程度，直接影響行車速度和安全。

(4)交通設施完好率。公路網交通設施和交通標志是路網的重要配套設施，交通設施完好情況不僅影響公路網各個路段的交通服務水平、安全性，而且關系到整個路網服務功能的發揮，直接影響區域路網的可靠性，進而影響我軍摩托化機動可靠性。

(5)隧道通行高度。隧道通行高度是隧道對通行車輛高度的限制，摩托化機動過程中，很多裝備的運輸屬于超限運輸，對隧道的要求較高，因此，隧道通行高度直接影響摩托化機動的可靠性。

(6)橋梁承載能力。橋梁承載能力是對通行車輛重量的限制，摩托化機動過程中，重型裝甲裝備的運輸對橋梁承載能力要求極高，因此，橋梁承載能力也是影響摩托化機動可靠性的主要組成部分。

2.4 環境因素

(1)氣候條件。不同的氣候對公路網會造成不同的影響，也會對車輛行駛狀況加以干擾。

(2)地形地貌。地形地貌影響公路的選線、走向、平緩度、坡度、曲率等，同時還影響車輛行駛速度、駕駛員視覺效果等。

(3)飽和度。指公路實際車流量和設計流量的比值，是反映道路服務水平的重要指標之一，飽和度值越高代表道路服務水平越低，進而影響車輛的行駛速度及機動性。

(4)交通流密度。交通流是指汽車在道路上連續行駛所形成的車流;交通流密度是指交通流的疏密程度，即道路單位長度上含有車輛的數量。

2.5 組織指揮因素

(1)組織指揮機構水平。組織指揮機構的健全規范程度、指揮關系的明晰度直接關系組織指揮的能力，組織指揮是摩托化機動的核心，其能力的大小直接影響摩托化機動系統的可靠性。

(2)組織指揮方法。組織指揮方法的科學、合理性是部隊摩托化機動能否順利實施的關鍵，錯誤的指揮方法會導致摩托化機動的失敗，造成巨大損失。

(3)組織指揮協調能力。指組織指揮各環節、各部門協調能力，需相關人員協調好人力、物力及財力等資源，為摩托化機動提供可靠保障。

(4)組織指揮信息化水平。信息化水平直接影響組織指揮的效率，信息化指揮系統及現代通信方法的運用，大大提高了組織指揮的效率和安全性。

2.6 勤務保障因素

(1)車材油料保障能力。保障車輛器材數量和質量，以及摩托化機動過程中的油料供應，是摩托化機動任務順利完成的基礎。

(2)技術保障能力。技術保障主要指車輛的修理。摩托化機動過程中，由于機動距離遠，動用車輛多，運輸任務重等原因，在途車輛很可能會出現故障，對故障車輛進行及時有效地維修是提高摩托化機動可靠性的重要手段。

(3)警戒勤務保障能力。主要指部隊偵察、交通管制、交通防衛等能力，在機動過程中，要不斷勘察路線，了解敵情，實施交通管制，適時進行偽裝，以提高摩托化機動系統可靠性。

(4)生活保障能力。生活保障主要包括財務、衛生勤務、軍需、野營物資等保障，該項能力是部隊摩托化機動系統可靠性得以保障的基石。

3 部隊摩托化機動系統可靠性評價

3.1 評價指標體系的建立

以上述影響因素為研究對象，建立部隊摩托化機動系統可靠性指標體系(如圖1 所示)。

圖1 摩托化機動系統可靠性評價指標體系

3.2 指標權重的確立

本文所建立指標體系中的大部分指標難以獲取實測數據，因此需由專家打分來確定指標權重，鑒于各位專家的研究方向有所不同，其所打分數也存在一定的偏向，從而給權重的確定帶來一定的模糊性。研究發現，專家人數越多，得到的權重越科學，與此同時權重的確定也就越模糊。在此基礎上提出以下假設:即在專家人數不變的情況下，利用各位專家評分間的線性關系對實際評分專家數進行簡化，從而實現權重評判的精確性。結合主成分分析的基本原理，現用主成分分析方法來確定權重。

(1)指標數據標準化。由于相關指標量綱不統一，需將原始數據進行標準化轉換，使指標數據具有可比性。數據處理后，原X矩陣變成N×P的標準化矩陣X'。

(2)計算相關系數矩陣。在標準化矩陣X'中，計算每2 個指標變量間的相關系數，即可得出相關系數矩陣。若指標變量為p個，則得p×p的相關系數矩陣Rpp(Rpp為實對稱矩陣):

式中rij(i，j=1，2，…，p)為原變量xi與xj的相關系數，rij=rji，計算式為

(3)計算R矩陣的特征值與特征向量。采用雅可比(Jacobi)方法計算相關系數矩陣R的特征值與特征向量。

式中I為特征向量

解上式方程得p個特征值:λ1≥λ2≥…≥λp≥0。

求得對應的特征向量L為

(4)計算特征值的貢獻率與累計貢獻率。利用特征值計算各指標的貢獻率和累計貢獻率，進而決定關鍵指標的個數。

貢獻率計算公式為

累計貢獻率計算公式為

一般情況下，取累計貢獻率為85%～95%的特征值，λ1，λ2，…，λm分別對應于第1，2，…，m(m≤p)個主成分［5］。

(5)計算因素權重［6］。首先確定初級權重模型，即主成分模型

計算決策矩陣系數uij為

式中fij為初始因子載荷。

在此基礎上構建綜合評價函數:

式中k=λ1+λ2+… +λm。

結合原變量矩陣，可得原有指標得分綜合值:

各指標權重為

3.3 模糊綜合評價

(1)確定評價系統的因素集U。評價系統的因素集U是影響所研究的系統或對象的因素集，即系統的評價指標集合。

(2)確定評價指標的模糊權向量W。

(3)確定評語集V。

評語等級又稱等級集合，每一個評語等級都對應一個模糊子集。通常，評語等級的級數m取值過大，則難以用語言描述且不容易判斷等級的歸屬;m取值過小，則不能滿足模糊綜合評估的質量要求，因此，m取值應為［3，7］的奇數，這樣便有一個中間等級，以更好的判斷被評價對象的等級歸屬。具體評語等級可以依據評價內容用適當的語言加以描述，本文評價摩托化機動系統可靠性用V={高，較高，一般，較低，低}。

(4)確定模糊綜合矩陣R。在等級模糊子集構造完畢的基礎上，量化被評系統或對象的各因素(u1，u2，…，un)，即從單因素的角度歸納各等級模糊子集的隸屬程度，從而確定模糊關系矩陣:

式中，矩陣R中第i行j列的元素dij表示某個被評對象從因素ui來看對vi等級的隸屬度。

計算隸屬度rij的方法較多，常用的計算方法是專家評分法和隸屬函數法。專家評分法是通過多名專家對各個指標進行評分，根據評分的結果確定隸屬度rij;隸屬函數法是通過采集被評對象的具體數據，分別對各指標構造評語等級的隸屬函數，從而確定隸屬度rij。

(5)利用合適的合成算子將W與各被評對象的矩陣R進行合成，從而得到被評價對象的模糊綜合評價結果向量B。具體評價模型為

3.4 實例分析

本文選取某摩托化步兵師全員、全裝備從北京駐地機動到A 訓練基地的摩托化機動系統為例。該師每年定期到B 基地駐訓2 次，因此有必要對該機動系統進行可靠性評價。

(1)指標權重的確定。由于無法采集各影響因素的具體數值，現選取20 位相關領域專家和經驗豐富的部隊摩托化機動指揮員對26 個因素進行打分，影響最強的給9 分，影響最弱的給1 分，其余根據影響強弱程度依次在1 ～9 之間取值(打分結果略)。

將每位專家作為指標，將各原始指標作為樣本，用SPSS 軟件對其進行主成分分析，得到6 個主成分。

由式(7)—(11)計算得原指標的權重為

對上述結果一級指標下的二級指標進行歸一化處理，得各二級指標相對于一級指標的權重為

(2)綜合評價。本實例中，各指標的計算采用專家打分法，由20 名摩托化機動方面專家結合自身經驗，在詳細分析該摩托化機動系統情況的基礎上，對該系統可靠性各指標隸屬情況進行投票。將指標分為高(好)、較高(好)、一般、較低(差)、低(差)5 個等級，投票結果見表1。

表1 部隊摩托化機動系統可靠性評價指標模糊評估

根據表1 得出各指標評價矩陣Ri。其中，人員水平指標評價矩陣:

車輛水平指標評價矩陣:

道路水平指標評價矩陣:

環境水平指標評價矩陣:

組織指揮水平指標評價矩陣:

勤務保障水平指標評價矩陣:

由式(3)—(15)計算得人員水平指標的評價值B1= (0.235 0.563 0.144 0.047 0.011);車輛水平指標的評價值B2= (0.420 0.417 0.100 0.052 0.010);道路水平指標的評價值B3= (0.437 0.281 0.212 0.058 0.012);環境水平指標的評價值B4= (0.100 0.481 0.292 0.103 0.025);組織指揮水平指標的評價值B5=(0.457 0.200 0.242 0.074

0.027);勤務保障水平指標的評價值B6=(0.409 0.331 0.201 0.057 0.000)。

根據最大隸屬度原理，可得人員水平、車輛水平、道路水平、環境水平、組織指揮水平、勤務保障水平等各指標的評價結果依次為{較高，高，高，較高，高，高}。

將U中的6 個因素子集Ui(i=1，2，…，6)看作U上的評價指標，由B1，B2，…，B6構成的單因素評價矩陣為

對一級指標進行打分，利用前述主成分分析法確定各一級指標權重為

因此，該摩托化機動系統可靠性評價結果為

由計算結果可知該摩托化機動系統可靠性綜合評價結果為“較高”。

根據該師提供數據和資料可知，該師人員滿編，訓練有素，日常駕駛員訓練扎實，軍交指揮員全部為軍交專業畢業或接受過專業培訓的人員;車輛裝備配發齊全，保養完好，專業維修隊伍分工明確，配件齊全;A 到B 道路發達，技術等級高，設施設備完好;橋隧大部分滿足國防要求，可通行重型裝備;A 及B 地區氣候良好，自然災害少;道路線形較柔和，交通密度較低，飽和度較低;組織指揮的機構分工合理，職責明確，通信手段先進，組織效率高;各保障分隊人員裝備配備齊全，保障方案詳細、完備，可較好地完成各項保障任務并有能力處理各突發事件。綜上所述，該師摩托化機動系統可靠性評價結果為“較高”，符合實際情況。

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