武器裝備體系貢獻(xiàn)率評(píng)估方法

宋敬華，李 亮，郭齊勝

（陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072）

0 引言

體系貢獻(xiàn)率試驗(yàn)是體系試驗(yàn)中作戰(zhàn)試驗(yàn)的重要組成部分[1]。習(xí)主席指出：“要以對(duì)作戰(zhàn)體系的貢獻(xiàn)率為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)設(shè)計(jì)裝備需求和技術(shù)指標(biāo)”。裝備體系貢獻(xiàn)率是指單件裝備在武器裝備體系或作戰(zhàn)體系構(gòu)成中，按照體系的總目標(biāo)和運(yùn)行規(guī)律，對(duì)體系的整體性指標(biāo)（如體系作戰(zhàn)能力或作戰(zhàn)效能）具有的貢獻(xiàn)的大小，即該裝備的加入對(duì)體系作戰(zhàn)效能（性能/能力）增加的促進(jìn)作用的大小。體系貢獻(xiàn)率是當(dāng)前體系研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題?？傃b國(guó)防系統(tǒng)分析和體系技術(shù)專業(yè)組給出了體系貢獻(xiàn)率的如下定義[2]：

按照體系專業(yè)組對(duì)體系貢獻(xiàn)率的定義，可以認(rèn)為體系貢獻(xiàn)率試驗(yàn)是建立在體系作戰(zhàn)效能試驗(yàn)基礎(chǔ)上的。一方面，可以按照體系專業(yè)組的定義開(kāi)展體系貢獻(xiàn)率試驗(yàn)的研究；另一方面，還可以通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)體系貢獻(xiàn)率的其他定義以及試驗(yàn)方法。

本文的研究?jī)?nèi)容是對(duì)體系貢獻(xiàn)率研究的一種有益的嘗試，只是初步的認(rèn)識(shí)，后續(xù)還可以開(kāi)展更深入的研究。所謂體系貢獻(xiàn)率試驗(yàn)，就是通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算單裝對(duì)體系的貢獻(xiàn)率。可以通過(guò)作戰(zhàn)效能試驗(yàn)和集成成熟度試驗(yàn)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。體系貢獻(xiàn)率試驗(yàn)主要依賴于目前研究成果較多的作戰(zhàn)效能試驗(yàn)評(píng)估，因此，試驗(yàn)流程中的其他內(nèi)容就不再贅述。

1 基于體系作戰(zhàn)效能試驗(yàn)的體系貢獻(xiàn)率試驗(yàn)方法

體系專業(yè)組對(duì)體系貢獻(xiàn)率的定義可以描述為以下數(shù)學(xué)模型：

上式的含義是對(duì)于裝備體系S（S∩{A}=Φ，即S不含裝備A），裝備A的體系貢獻(xiàn)率SCRA（SoS Contribution Rate of A）等于包括裝備A的體系作戰(zhàn)效能OES+{A}（Operational Effectivess ofS+{A}）和不包括裝備A的體系作戰(zhàn)效能OES（Operational Effectivess of S）的差值與不包括裝備A的體系作戰(zhàn)效能OES的比值。

從公式中可以看出，體系貢獻(xiàn)率的計(jì)算依賴于體系作戰(zhàn)效能的計(jì)算模型，這就回到了本文的研究?jī)?nèi)容，從而將體系貢獻(xiàn)率試驗(yàn)的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為作戰(zhàn)效能試驗(yàn)的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)被試裝備A在體系S中的加減改，進(jìn)行體系作戰(zhàn)效能試驗(yàn)，得到相關(guān)參數(shù)值進(jìn)而求得裝備A的體系貢獻(xiàn)率SCRA。

假設(shè)之前做過(guò)裝備體系S+{A}（S∩{A}=Φ）的作戰(zhàn)效能試驗(yàn)，就可以通過(guò)進(jìn)行裝備體系S的作戰(zhàn)效能試驗(yàn)來(lái)計(jì)算裝備A的體系貢獻(xiàn)率SCRA；假設(shè)之前做過(guò)裝備體系S（S∩{A}=Φ）的作戰(zhàn)效能試驗(yàn)，就可以通過(guò)進(jìn)行裝備體系S+{A}的作戰(zhàn)效能試驗(yàn)來(lái)計(jì)算裝備A的體系貢獻(xiàn)率SCRA；假設(shè)之前既沒(méi)有做過(guò)裝備體系S的作戰(zhàn)效能試驗(yàn)也沒(méi)有做過(guò)裝備體系S+{A}的作戰(zhàn)試驗(yàn)，那么分別進(jìn)行裝備體系的作戰(zhàn)試驗(yàn)來(lái)計(jì)算裝備A的體系貢獻(xiàn)率SCRA。

考慮到體系作戰(zhàn)效能試驗(yàn)的規(guī)模巨大、程序復(fù)雜、周期長(zhǎng)、花銷大，通過(guò)實(shí)裝體系作戰(zhàn)效能試驗(yàn)來(lái)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)是不太現(xiàn)實(shí)的，因此，考慮采用體系對(duì)抗仿真的手段（或進(jìn)行一體化平行試驗(yàn)[4]）來(lái)獲取“實(shí)驗(yàn)”數(shù)據(jù)作為“試驗(yàn)”數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)值。

該方法的一般步驟是[2]：1）根據(jù)試驗(yàn)想定搭建實(shí)驗(yàn)背景體系（環(huán)境、被試裝備、陪試裝備）；2）進(jìn)行被試裝備接入前的體系效能仿真實(shí)驗(yàn)；3）接入被試裝備；4）進(jìn)行被試裝備接入后的體系效能仿真實(shí)驗(yàn)；5）收集分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；6）計(jì)算體系貢獻(xiàn)率。

2 基于集成成熟度試驗(yàn)的體系貢獻(xiàn)率試驗(yàn)方法

所謂成熟度試驗(yàn)，就是通過(guò)試驗(yàn)的方法，確定組成體系的各裝備之間的集成程度（成熟度）。借鑒技術(shù)之間集成成熟度的界定[3，5]，給出各裝備之間集成成熟度的含義如表1所示。

表1 各裝備之間的集成成熟度等級(jí)（E_IRL）

體系構(gòu)成裝備之間的集成成熟度反映了裝備有機(jī)結(jié)合的程度，集成成熟度越高，則裝備之間的有機(jī)結(jié)合程度越高，進(jìn)而體系效能也能得到更好的發(fā)揮；集成成熟度低，則裝備之間的有機(jī)結(jié)合程度低，進(jìn)而體系效能的發(fā)揮也受到影響。這里的集成成熟度也可以理解為裝備之間的協(xié)同程度，當(dāng)體系構(gòu)成裝備可以相互協(xié)同，并且協(xié)同程度高，則作戰(zhàn)效能高，反之亦然[6-7]。

設(shè)裝備體系 S 由裝備{E1，E2，…，En}組成，通過(guò)前期的單項(xiàng)作戰(zhàn)效能評(píng)估得出裝備E1，E2，…，En的作戰(zhàn)效能分別為 OE1，OE2，…，OEn，假設(shè)通過(guò)集成成熟度試驗(yàn)評(píng)估得出的裝備Ei和Ej（i，j=1，2，…，n）的集成成熟度為E_IRLij（E_IRLij=E_IRLji），裝備集成成熟度分為m級(jí)，但是沒(méi)有集成關(guān)系的兩種裝備的集成成熟度為 0（E_IRLij=0，1，…，m），裝備自身的集成程度為 m，即 E_IRLii=m（i=1，2，…，n），設(shè)和裝備Ei有集成關(guān)系的裝備數(shù)量為hi（i=1，2，…，n），裝備集成成熟度的高低決定了作戰(zhàn)效能聚合的效果，裝備Ei在裝備體系S中的重要度權(quán)重為ωi（i=1，2，…，n），則構(gòu)成體系的各裝備之間的集成關(guān)系如下頁(yè)表2所示。

根據(jù)各參數(shù)含義，裝備體系S構(gòu)成裝備的作戰(zhàn)效能貢獻(xiàn)向量可以通過(guò)如下計(jì)算獲得：

表2 體系構(gòu)成裝備集成關(guān)系表

其中，1/m 和 diag（1/h1，…，1/hn）在公式中的作用是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理；OEE的每一個(gè)分量表示的是體系構(gòu)成裝備在作戰(zhàn)效能聚合中所貢獻(xiàn)的部分。

根據(jù)上述分析，記OES為裝備體系S的作戰(zhàn)效能，通過(guò)對(duì)裝備 E1，E2，…，En的作戰(zhàn)效能 OE1，OE2，…，OEn進(jìn)行聚合得到，計(jì)算方法如下：

復(fù)雜的體系作戰(zhàn)效能就是單裝（系統(tǒng)）作戰(zhàn)效能的線性加權(quán)求和么？答案是否定的。雖然上式是線性加權(quán)的形式，但是對(duì)于每一個(gè)集成成熟度而言，其自身本來(lái)就是通過(guò)復(fù)雜的非線性的試驗(yàn)過(guò)程獲取的，換句話說(shuō)，集成成熟度E_IRLij（i，j=1，2，…，n）是一組復(fù)雜參數(shù)的非線性函數(shù)。這樣一來(lái)上式就是單裝（系統(tǒng)）作戰(zhàn)效能的非線性函數(shù)，而不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

回顧向量OEE的計(jì)算過(guò)程，以O(shè)EE1為例，OEE1就是裝備E1的重要度和裝備E1有集成關(guān)系的裝備數(shù)量h1、裝備E1和其他體系構(gòu)成裝備的集成成熟度以及體系構(gòu)成裝備的作戰(zhàn)效能的函數(shù)。裝備E1和其他體系構(gòu)成裝備之間的集成，因集成成熟度的不同影響裝備E1在集成過(guò)程中對(duì)體系效能的貢獻(xiàn)程度。

向量OEE的第i個(gè)元素（OEE）i可以解釋為裝備Ei與體系中其他裝備進(jìn)行集成后所貢獻(xiàn)的作戰(zhàn)效能。這樣一來(lái)可以得到如下公式：

顯然

這樣就將體系貢獻(xiàn)率試驗(yàn)的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單裝作戰(zhàn)效能試驗(yàn)和體系集成試驗(yàn)問(wèn)題。雖然上式的計(jì)算不同于體系專業(yè)組的定義，但其推導(dǎo)也是合情合理的，不妨作為體系貢獻(xiàn)率評(píng)估的另一個(gè)定義，即強(qiáng)調(diào)“貢獻(xiàn)”程度，而不單單是提升程度。

該方法的一般步驟：1）根據(jù)試驗(yàn)想定構(gòu)建試驗(yàn)背景體系（環(huán)境、被試裝備、陪試裝備）；2）通過(guò)集成成熟度試驗(yàn)確定體系構(gòu)成裝備（系統(tǒng)）的集成成熟度矩陣；3）通過(guò)試驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)）收集相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算體系構(gòu)成裝備（系統(tǒng)）的作戰(zhàn)效能；4）根據(jù)式（2）計(jì)算體系構(gòu)成裝備（系統(tǒng)）的體系貢獻(xiàn)率。

3 應(yīng)用示例

3.1 基于體系效能仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用示例

這里文獻(xiàn)[2]的想定，并稍加修改，假設(shè)本仿真實(shí)驗(yàn)的想定是：1）紅方某要地防空體系由預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)、火力攔截系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)和綜合保障系統(tǒng)等構(gòu)成；2）藍(lán)方從紅方的防區(qū)外對(duì)紅方要地防控體系實(shí)施巡航導(dǎo)彈攻擊；3）巡航導(dǎo)彈分別從5個(gè)不同角度的線路進(jìn)行攻擊，每條線路同時(shí)發(fā)射2枚導(dǎo)彈；4）紅方某型雷達(dá)已經(jīng)具備完成典型任務(wù)的最小裝備數(shù)量規(guī)模要求；5）將該型雷達(dá)加入紅方要地防控體系；6）進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析紅方要地防空體系對(duì)藍(lán)方巡航導(dǎo)彈的攔截率。

根據(jù)想定按如下步驟進(jìn)行操作：

1）搭建實(shí)驗(yàn)背景體系。按照實(shí)驗(yàn)想定構(gòu)建被試裝備體系和仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

2）進(jìn)行被試裝備接入前的體系效能仿真實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行體系效能仿真實(shí)驗(yàn)，評(píng)估不含被試裝備的體系作戰(zhàn)效能，實(shí)驗(yàn)重復(fù)n（=100）次。

3）接入被試裝備。將被試裝備-某型雷達(dá)Radar的仿真模型接入被試裝備體系，組成新的裝備體系。

4）進(jìn)行被試裝備接入后的體系效能仿真實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行體系效能仿真實(shí)驗(yàn)，評(píng)估包含被試裝備的體系作戰(zhàn)效能，實(shí)驗(yàn)重復(fù)n（=100）次。

5）收集分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。收集分析仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。假設(shè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

在不包含某型雷達(dá)時(shí)，紅方要地防空體系對(duì)藍(lán)方巡航導(dǎo)彈的平均攔截率為62%；在包含某型雷達(dá)時(shí)，紅方要地防空體系對(duì)藍(lán)方巡航導(dǎo)彈的平均攔截率為81%。

6）計(jì)算體系貢獻(xiàn)率。根據(jù)式（1）計(jì)算某型雷達(dá)的體系貢獻(xiàn)率。

即某型雷達(dá)Radar對(duì)紅方要地防控體系的貢獻(xiàn)率為30.65%。

3.2 基于成熟度試驗(yàn)方法的應(yīng)用示例

通過(guò)集成成熟度試驗(yàn)和單裝（或單系統(tǒng)）作戰(zhàn)效能試驗(yàn)，獲取裝備體系的各構(gòu)成裝備之間的集成關(guān)系和作戰(zhàn)效能如表3所示。

分析表3，可以得出 h1=h2=h3=h6=h7=7，h4=5，h5=6。

根據(jù)式（2）計(jì)算各體系構(gòu)成裝備（系統(tǒng)）的體系貢獻(xiàn)率。

同理可得，

表3 某裝備體系構(gòu)成裝備（系統(tǒng)）的集成關(guān)系表

各體系構(gòu)成裝備（系統(tǒng)）的體系貢獻(xiàn)率之間的對(duì)比關(guān)系如圖1所示?？芍b備（系統(tǒng)）E4的體系貢獻(xiàn)率最高，E5的體系貢獻(xiàn)率最低。

圖1 體系構(gòu)成裝備（系統(tǒng)）體系貢獻(xiàn)率條狀圖

4 兩種方法的對(duì)比分析

3.1和3.2節(jié)分別對(duì)第2節(jié)和第3節(jié)提出的兩種體系貢獻(xiàn)率試驗(yàn)方法（記為方法1和方法2）進(jìn)行了演示驗(yàn)證，下面簡(jiǎn)單對(duì)比一下兩種方法。

1）從體系貢獻(xiàn)率的定義上來(lái)說(shuō)，方法1所采用的定義更傾向于某單裝的加入給體系作戰(zhàn)效能帶來(lái)的提升程度（當(dāng)然，也可能由于加入的裝備和其他裝備集成程度不高引起體系作戰(zhàn)效能下降）；方法2所采用的定義更多的強(qiáng)調(diào)的是某單裝對(duì)體系作戰(zhàn)效能的貢獻(xiàn)程度，換句話說(shuō)，所有體系構(gòu)成裝備的體系貢獻(xiàn)率之和為1。兩種定義都可以用來(lái)描述體系貢獻(xiàn)率，但是換一個(gè)思路，兩種定義綜合使用可以更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)體系貢獻(xiàn)率的分析。一方面可以通過(guò)方法1計(jì)算裝備的加入對(duì)體系作戰(zhàn)效能帶來(lái)的提升（或下降）程度；另一方面可以通過(guò)方法2計(jì)算加入裝備后體系構(gòu)成裝備的貢獻(xiàn)程度的重新分配。

2）從試驗(yàn)方法上，方法1的示例采用的是仿真實(shí)驗(yàn)的方法（原始數(shù)據(jù)依然要通過(guò)實(shí)裝試驗(yàn)獲?。?，因?yàn)橹虚g需要重復(fù)實(shí)驗(yàn)的次數(shù)比較多；方法2的示例采用的是實(shí)裝試驗(yàn)的方法，因?yàn)槟Ｐ椭械年P(guān)鍵數(shù)據(jù)是裝備集成成熟度，該數(shù)據(jù)可以通過(guò)試驗(yàn)獲?。煌瑫r(shí)方法2還可以采用一體化平行試驗(yàn)的方法來(lái)獲取模型中的另一個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)-單裝作戰(zhàn)效能。

3）從試驗(yàn)的成本上，方法1所需經(jīng)費(fèi)和時(shí)間成本較低，計(jì)算成本較高；方法2所需的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)成本較高，計(jì)算成本較低。

4）從試驗(yàn)結(jié)果的可信度上，方法1主要采用仿真的手段，可信度低于實(shí)裝試驗(yàn)時(shí)的可信度；方法2采用實(shí)裝試驗(yàn)或一體化試驗(yàn)的方法，可信度較高，但是為了進(jìn)一步提高試驗(yàn)結(jié)果的可信度，進(jìn)行多次試驗(yàn)所需的代價(jià)非常大。

綜上所述，兩種方法都有其合理性，在使用過(guò)程中各有優(yōu)劣，具體選取時(shí)應(yīng)考慮經(jīng)費(fèi)、時(shí)間、計(jì)算等方面的成本和可信度的要求，也可以兩種方法的計(jì)算并行開(kāi)展，互為補(bǔ)充和參考。

5 結(jié)論

本文主要對(duì)體系貢獻(xiàn)率評(píng)估這一新領(lǐng)域進(jìn)行了有益的探索：首先分析了基于體系作戰(zhàn)效能試驗(yàn)的體系貢獻(xiàn)率評(píng)估方法；其次建立了基于集成成熟度試驗(yàn)的體系貢獻(xiàn)率評(píng)估方法；然后分別通過(guò)示例分析對(duì)所提出的方法進(jìn)行了演示驗(yàn)證；最后對(duì)兩種方法進(jìn)行了比較。通過(guò)研究可以看出，體系貢獻(xiàn)率評(píng)估研究的前景廣闊，意義重大，下一步可以從其他角度探索體系貢獻(xiàn)率試驗(yàn)的新定義及其試驗(yàn)評(píng)估的新方法。