基于DoDAF與QFD的武器作戰能力評估

熊 奇，張 翀，韓潤繁，常雷雷，廖天俊

(1.火箭軍工程大學 裝備管理工程系， 西安 710025； 2.火箭軍駐材研所軍代室， 四川 綿陽 621000； 3.北京系統工程研究所 復雜系統仿真總體重點實驗室， 北京 100015)

【后勤保障與裝備管理】

基于DoDAF與QFD的武器作戰能力評估

熊 奇1，張 翀2，韓潤繁1，常雷雷1，廖天俊3

(1.火箭軍工程大學 裝備管理工程系， 西安 710025； 2.火箭軍駐材研所軍代室， 四川 綿陽 621000； 3.北京系統工程研究所 復雜系統仿真總體重點實驗室， 北京 100015)

針對武器裝備作戰能力評估中各指標生成以及各指標權重確定缺乏任務需求牽引的問題，提出基于DoDAF與QFD武器裝備作戰能力評估方法，利用DoDAF體系框架分析思路對武器裝備進行分析，建立作戰目標—作戰活動—子能力映射，確定武器裝備評估指標要素，在此基礎上利用QFD質量屋建立活動—子能力關系矩陣，確定各指標要素模糊權重并進行合理量化。最后以某型導彈武器裝備為例進行分析，驗證所提算法的有效性。

作戰能力評估；重要度；映射；矩陣

在武器裝備論證工作中，為評價裝備設計方案，通常采用作戰能力這一尺度去度量系統方案的優劣[1]，作戰能力是武器裝備的固有屬性，由裝備類型、數量與技術性能指標決定[2]。由于未來軍事需求的不確定性、模糊性和作戰目標的多樣性，評價武器裝備作戰能力應當考慮作戰適用性，注重任務需求，全面考慮影響因素，增強其動態特性[3]，簡單地通過聚合武器裝備性能參數分析作戰能力缺乏評估的針對性和有效性。因此，面向武器裝備對應的作戰任務，結合軍事需求生成武器裝備作戰能力評估指標，獲取并科學量化各能力評估指標權重，最后確定武器裝備的評估模型，可以有效地將作戰能力評估與軍事需求緊密結合起來。

基于以上問題，為了綜合全面反映武器裝備的作戰能力，本文利用美國國防部體系結構框架(DoDAF)，模糊質量功能展開QFD(Quality Function Deployment)法[4]，給出了一種基于DoDAF與QFD的武器裝備作戰能力評估的通用方法。

1 DoDAF映射和QFD方法

1.1 基于DoDAF作戰活動到能力的映射

美國國防部體系結構框架(DoDAF)是體系結構設計工具的典型代表。作為一項系統體系結構設計標準，它解決了從多個方面按統一標準規范描述復雜系統的難題[5]。不僅啟示工業界，同時在軍事界、學術界引起了極大的重視。隨著武器裝備軍事需求越來越多樣，裝備結構越來越復雜，集成度越來越高，單件武器裝備也可以包含若干子系統，這使其具備了體系的特征。因此可以利用DoDAF體系結構分析思路對裝備進行分析，通過作戰目標—作戰活動—子能力的映射關系可以由作戰目標分析出作戰活動以及子能力，如圖1。

圖1 DoDAF作戰目標分解示意圖

1.2 基于QFD的分解

QFD (quality function deployment)這一概念由日本質量專家赤尾洋二于1966年首次提出[6]，目的是為了在產品設計階段就確定出制造過程中的質量控制要點，減少生產初期錯誤的發生。QFD方法是一種面向用戶需求的產品開發決策方法[7]，可將顧客需求逐級分解為有關的技術特性，并且通過對各級技術要求等項目的重要度加權評價找出對產品質量及其關鍵作用的影響因素。通過利用圖2的質量屋(HOQ)清晰直觀地、定性定量相結合地把用戶需求多層次的展開到產品工程特性、零部件特性、工藝要求和生產操作等各階段。利用QFD逐級分解并對重要度加權原理，運用質量屋分析工具建立總目標分解出的作戰活動和子能力的關系矩陣，最后得到武器裝備各評估指標的權重。

2 裝備作戰能力評估流程

2.1 基于DoDAF作戰目標分解

根據武器裝備的作戰總目標，利用DoDAF分析工具中目標到作戰活動映射關系矩陣、作戰活動到子能力映射關系矩陣，分析出武器裝備完成作戰總目標需要經過m項作戰活動(M1,M2,…，Mm)，完成這些活動應具備n項子能力(Q1,Q2,….，Qn)。

圖2 質量屋

2.2 建立質量屋

建立如圖3所示質量屋，首先確定各作戰活動對于總目標的重要度Wi，其次確定各項子能力對于各項作戰活動的重要度矩陣Rij，最后得出武器裝備各子能力綜合重要度Xj。

圖3 作戰活動質量屋

2.3 處理重要度

作戰活動與子能力之間的相互關系是由專家根據自己的背景知識和所處的觀察角度所確定的，對某一需求的評估勢必會有不同的看法，另外讓專家以精確的數值描述兩者之間的關系，不太容易實現。因此專家對于重要度的評估結果是一個模糊值，利用基于α-截集的模糊加權平均方法合理地處理模糊的專家評價結果，可以得到科學準確的權重系數，建立可靠的效能評估模型。

1) 數學模型

(3)

式中Dkj是子能力自相關對稱矩陣。定義第j項子能力重要度為

….,n

(4)

2) 基于α-截集模糊加權平均

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式(9)、(10)中i=1,2,…,m;j=1,2,…,n;t,vi≥0。

j=1,2,….,n

(11)

式中，α1、.α2….、αN是不同的α截集水平，滿足α1<….<αN=1。由式(11)計算子能力不同α-截去模糊值。

2.4 武器裝備子能力聚合

子能力到作戰能力的聚合采用加權聚合的方法獲得[9]。加權聚合包括加權積與加權和兩類聚合方法。加權積適用于評價武器裝備組合的整體能力，強調裝備的所有能力均衡發展才能達到整體能力最大，其公式表示

(12)

其中，j=1,2,…,m。

加權和適用于評價子能力相互獨立的武器裝備，強調裝備各種能力的一個綜合評估值。其公式表示

(13)

其中，k=1,2,…，l。

3 實例分析

3.1 某型號導彈D的作戰活動分析

利用某型導彈對某戰略目標實施遠程精確打擊，通過DoDAF體系框架分析方法對該型號導彈作戰目標進行分解，如圖4所示：T0～T1時間段接到命令點火發射后，導彈在大氣層內飛行；T1～T2時間段穿過大氣層進入中段飛行，T2～T3時間段到達目標區域之后進行狀態調整，而后T3～T4時間段鎖定目標，做好再入大氣層準備，T4～T5時間段對敵軍防御體系進行突破。T5～T6時間段戰斗部引爆摧毀目標。

圖4 作戰活動分解示意圖

導彈武器作戰活動分解視圖共6項作戰活動，分析各項活動需要的子能力，得到如圖5所示的活動到能力映射關系視圖。

作戰活動子能力加速能力通信能力時序控制能力制導能力姿態調整能力目標鎖定能力機動變軌能力信息處理能力彈頭穩定能力毀傷能力M1M2M3M4M5M6

圖5 作戰活動—子能力映射關系

3.2 子能力重要度處理

首先利用專家經驗確定作戰活動的權重，專家使用語言變量描述需求重要度，具有模糊性和不確定性，可以把它們表達成三角模糊數，進行模糊加權平均[10]。將重要度分為5個等級：幾乎不重要、較不重要、重要、較重要、非常重要。定義相應的三角模糊數分別為(0,0,0.2)、(0,0.25,0.5)、(0.3,0.5,0.7)、(0.6,0.8,1)和(0.8,1,1)。根據三角模糊數運算法則計算8位軍事專家對6項作戰活動重要度的評估，計算公式見式(13)，計算結果見表2。

i=1,2,…,6

(15)

表2 作戰活動權重

接著利用質量屋建立作戰活動—子能力關系矩陣。作戰活動與子能力之間的相關性度量以及子能力之間的自相關度用5等級的語言變量描述，分別為很弱、較弱、中度、較強、強。定義相應的三角模糊數分別為(0,0,0.2)，(0,0.25,0.5)、(0.3,0.5,0.7)、(0.6,0.8,1)和(0.8,1,1)。如圖6所示。

通過專家打分法構建作戰活動相關關系矩陣，再利用式(16)綜合專家的評估結果，計算結果省略。

i=1,2,…,6;j=1,2,…,9

(16)

應用式(9)和式(10)計算子能力重要度的α-截集的上、下限，見表3。表3所列之值暗示了獲取信息的可能性水平和不確定程度。值越大可能性越大，不確定程度越低。

圖6 作戰活動質量屋

子能力α-截集α00．10．20．30．40．50．60．70．80．91．0Q1(Yj)Lα0．29010．32100．35310．38090．41130．44010．47230．50340．53680．56430．5931(Yj)Uα0．90040．87240．84010．81830．78440．75410．72040．68820．65790．62520．5931Q2(Yj)Lα0．48420．52640．56870．61110．65360．69610．73860．78120．82380．86660．9095(Yj)Uα1．31211．27251．23281．19291．15291．11271．07241．03190．99120．95040．9095Q3(Yj)Lα0．35660．38670．41690．44710．47720．50730．53750．56760．59780．62790．6580(Yj)Uα0．93500．90810．88090．85360．82620．79860．77080．74280．71470．68640．6580Q4(Yj)Lα0．47360．51380．55130．59430．63970．67450．72130．76320．80120．85010．8902(Yj)Uα1．24631．20951．19541．15681．11081．07341．03040．99040．95010．92060．8902Q5(Yj)Lα0．28180．31090．34210．37120．40340．43230．46340．49230．52560．55340．5801(Yj)Uα0．89560．86230．83770．80630．75230．74670．71450．67340．64430．61520．5801Q6(Yj)Lα0．44150．48000．51830．55640．59470．63310．67170．71050．74940．78850．8278(Yj)Uα1．17831．14461．11051．07621．04151．00660．97140．93590．90010．86410．8278Q7(Yj)Lα0．41030．44100．48150．52090．55430．59260．62040．66140．69510．73010．7693(Yj)Uα1．10421．07191．04031．00620．97150．93890．90010．86030．83340．80090．7693Q8(Yj)Lα0．35070．38170．41270．44380．47490．50610．53730．56850．59980．63110．6625(Yj)Uα0．98040．94960．91860．88740．85600．82430．79240．76020．72790．69530．6625Q9(Yj)Lα0．13370．15250．17150．19050．20960．22880．24800．26740．28680．30630．3259(Yj)Uα0．55910．55180．54450．51720．48990．46250．43520．40790．38060．35320．3259Q10(Yj)Lα0．38660．41670．44690．47710．50720．53730．56750．59760．62780．65790．6890(Yj)Uα0．97500．94810．91090．88360．85620．83860．80080．77280．74470．71640．6890

由式(11)計算出每個子能力的去模糊值，并進行歸一處理，得到如表4所示結果。

表4 子能力權重

3.3 導彈武器裝備作戰能力評估

導彈的作戰能力依靠各子能力共同支撐，各子能力必須協同發揮才能使導彈作戰能力達到最佳。因此該型號導彈武器裝備的作戰能力為

(17)

4 結論

1) 結合作戰目標，利用QFD質量屋工具可以建立武器裝備作戰活動與子能力關系矩陣，得出子能力模糊權重，建立起緊貼作戰目標的武器裝備作戰能力評估指標。

2) 利用三角模糊數可以科學地量化武器裝備子能力評估各指標的權重。

3) 根據該方法建立起的武器裝備作戰能力評估模型，可以確定影響裝備作戰能力的關鍵能力指標。

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EffectivenessEvaluationofMissileWeaponBasedonDoDAFandQFD

XIONG Qi1, ZHANG Chong2, HAN Runfan1, CHANG Leilei1, LIAO Tianjun3

(1.Department of Management, High-Tech Institute of Xi’an, Xian 710025, China; 2.The Office of Rocket Army stationed Material Institute of Military，Mianyang 621000, China; 3.Beijing Institute of System Engineering, State Key Laboratory of Complex System Simulation, Beijing 100015, China)

The index generation and weight determination of each index of weapon effectiveness evaluation are lack of traction of task demand, and the method based on department of Defense Architecture Framework (DoDAF) and Quality Function Deployment (QFD) is proposed to evaluate the efficiency of weapon. The analytic system of the DoDAF framework is used to analysis weapons and establish map of operational objectives-operational activities-sub capability to determinate evaluation index of weapon equipment. On this basis, the QFD quality housing is used to establish relationship matrix between activities and capacity so that the fuzzy weight of each index element is confirmed and reasonably quantifiable. Finally, A certain type of missile weapon equipment is taken as an example to verify the effectiveness of the proposed algorithm.

combat capability evaluation; importance; map; matrix

2017-05-12；

2017-06-10

熊奇(1992—)，男，碩士，主要從事國防工程與項目管理研究。

10.11809/scbgxb2017.10.019

本文引用格式：熊奇，張翀，韓潤繁，等.基于DoDAF與QFD的武器作戰能力評估[J].兵器裝備工程學報，2017(10):91-96.

formatXIONG Qi, ZHANG Chong, HAN Runfan, et al.Effectiveness Evaluation of Missile Weapon Based on DoDAF and QFD [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(10):91-96.

E917

A

2096-2304(2017)10-0091-06

(責任編輯楊繼森)