航母航空保障效能評估綜述

韓 維， 李正陽， 蘇析超， 柳文林， 劉 潔

(海軍航空大學， 煙臺 264001)

作為現代海戰場環境的“海上霸主”，航空母艦編隊戰斗群打破了傳統海戰的二維約束，具備同時對陸、對海、對空以及水下多維度攻防一體作戰的能力，作為大國彰顯軍事實力的利器，在各國軍事戰略發展中占據著舉足輕重的作用。艦載機作為航母編隊戰斗力體現的關鍵角色，其出動回收效能直接影響航母的綜合作戰能力。由于航母甲板空間有限，資源設備約束復雜，電磁及自然環境復雜多變，如何在復雜作業工況下提高艦載機的保障效能直接關系到艦載機機群出動水平以及航母編隊的綜合作戰水平，也是各國未來航母信息化指揮與保障鏈條的關鍵。

當前，由于中國航母起步較晚，艦載機保障指揮仍處于基于人工經驗決策階段，針對艦載機航空保障相關領域的研究仍處于探索階段，基于效能的保障任務方案制定和保障系統設計仍需完善。航空保障作業作為航母艦載機恢復完好狀態以及保持戰斗力生成的重要基礎，其保障效能逐漸成為當前航空裝備領域衡量保障能力的核心指標。

效能是反映滿足艦載機保障需求的度量。隨著科學技術水平的提高以及信息化作戰理念的廣泛發展，裝備保障的流程工序愈加復雜，技術規范也在不斷更新完善。國外方面，美軍針對保障領域的研究較早，最早可追溯于美國國防部于1964年頒布的《系統和設備的綜合后勤保障研制》[1]。隨后，美軍又提出了“綜合保障”(integrated logistics support)和“基于性能的保障”(performance based logistics, PBL)等概念[2]，表明美軍逐步形成基于效能的保障體系建設。歐洲航天與防務工業協會(ASD)先后頒布了《后勤保障分析》(MIL-STD1388-1A)和《綜合后勤保障》(DEF-STAN-00-60)[3]。由于當時制定倉促并未在國際社會得到廣泛應用。為進一步滿足軍工部門的需求，ASD聯合美國航空工業協會(AIA)于2010年頒布《后勤保障分析(LSA)國際程序規范》(S3000L)[4]，作為當前軍事裝備領域比較公認的通用性保障技術規范得到廣泛推廣。2016年，美國國防部發布最新版《基于性能的保障指南》，進一步補充完善了美軍保障規范，推動PBL實施進入更加系統化規范化的階段。

中國關于裝備保障領域的探索追溯于20世紀70年代末成立的“反坦克研究小組”[5]，首次將裝備保障效能分析納入軍事決策中。20世紀80年代中國針對裝備可靠性效能分析發布GJB 1364—92[6]，為中國效能分析確立基本框架。1992年7月原國防科工委發布國軍標《裝備費用效能分析》[7]。隨后，1999年頒布了綜合保障指導性標準規范，這是首次針對儀表著陸系統(ILS)頒布的標準。中國頒發的《裝備綜合保障通用要求》(GJB 3872—1999)對綜合保障進行了明確定義：在裝備的整個壽命周期內，在保障性要求和保障性設計原則下，通過協調優化保障資源，面向裝備保障組織相關管理活動和技術應用。錢學森在軍事運籌研究20周年大會上提出，加強裝備保障能力評估可有效促進中國裝備的現代化建設[5]。21世紀以來中國相繼頒布裝備保障相關的技術規范以及法規標準，逐步形成了較為健全的裝備保障體系并拓展到軍事航空領域。《中國人民解放軍后勤裝備條例》中明確規定：保障效能分析是后勤裝備研究及立項論證的重要環節[8]。借助裝備保障規范的不斷完善，保障評估與決策研究實現了由定性化向定量化方向發展。基于上述相關標準規范，中外相關研究機構及學者對航空裝備效能決策與評估的不斷探索，為后續基于系統化的體系方法進行效能評估奠定了基礎，同時也為中國航空裝備領域的保障體系建設開拓了新思路。針對航空保障效能評估方法進行梳理分析，同時針對未來研究方向提出可行性建議。

1 航空保障效能評估基本思路

1.1 航空保障效能評估指標的分類

效能是系統完成一組特定任務要求或者達到既定目標能力的度量[9]，本質上是指在特定的條件下達到或者可能達到預期目標的程度。效能在不同的領域被賦予不同的具體內涵。航空保障效能評估是以多環節、多層級融合的保障流程為核心，以涉及各環節的人員、裝備、環境和保障手段為評估要素的多維綜合能力度量，通過采取多元評價方法使保障系統的設計和保障任務方案的決策更具有權威性、完備性和廣泛性。

根據航母艦載機保障任務流程，具體可劃分為艦載機出庫入庫、維修保障、甲板轉運、艦面機務勤務保障、武器轉運保障以及出動離場等多作業流程。航母艦載機保障任務流程如圖1所示。

圖1 艦載機保障任務流程Fig.1 Processing of carrier aircraft support mission

現階段，根據評估對象的不同，航空保障體系效能可劃分為系統級效能和方案級效能。系統級效能又稱為能力效能，作為一種靜態效能，研究的評估對象是不因客觀條件而轉移的本身所具有的屬性。美國工業界武器系統效能咨詢委員會(WSEIAC)給出具體定義為：系統效能是作為系統的適用性、可行性和能力的函數，用于衡量系統滿足一組特定目標函數的能力的度量[10]。美國海軍給出定義為：系統在規定條件或者規定時間下完成作戰任務的概率。美國麻省理工學院信息與決策系統實驗室的Bouthonnier等提出系統效能是系統表現值與預估目標值的吻合程度[11]。美國佐治亞理工學院的空天系統實驗室(ASDL)將系統效能從單系統概念轉向多系統領域方向發展，并得到了廣泛推廣。在艦載機保障領域，根據航母艦載機保障任務流程，可將航空保障系統劃分為指揮控制保障系統、起飛保障系統、轉運保障系統、攔阻著艦系統、艦面保障系統、維修保障系統等子系統。艦載機保障系統中的各個子系統之間并非獨立存在，不同子系統之間存在耦合影響，航母航空保障系統網絡化結構圖如圖2所示。

圖2 航母航空保障系統網絡化結構Fig.2 Network structure of carrier aircraft support system

方案級效能又稱為任務效能，廣義上指的是在規定的保障環境下，按照預定方案和任務規劃達到既定目標的程度。美軍通過方案級效能實現了從基于威脅到基于能力的轉換，并將任務效能定義為滿足目標完成能力的動態度量[12]。在航空保障領域，方案級效能主要圍繞艦載機出動任務、機務勤務保障任務、機庫維修作業任務、出入庫及甲板轉運任務等方面展開研究。作為一種動態效能，由于方案級效能具有保障任務和保障進程的不確定性，通常以時間效率、資源使用、任務風險等子指標作為度量指標。方案級效能值不僅可以對不同方案的效能優劣進行定量對比，而且可以將效能結果反饋給決策者進而優化任務方案。

1.2 航母航空保障效能評估基本流程

航空保障效能評估是一個涉及多領域、跨學科、深層次融合的綜合性問題，指標體系作為效能評估的基礎，由于不同指標間的屬性差異，需要從艦載機航空保障的實際出發，對效能指標進行篩選、分析和決策，從而形成體現航空領域特點的結構化體系。構建指標體系時首先確立效能評估的需求和目的，從頂層設計出發將評估需求具象化為評估目標集。評估目標集的選取不僅需體現效能評估的綜合價值，而且使指標體系的構建具有方向性。構建指標體系的過程就是將評估目標集映射為評估指標權重集的過程，再通過選取適當的評估方法或數學算法，形成對指標集的綜合評價。效能評估的基本流程如圖3所示。

圖3 航空保障效能評估基本流程Fig.3 Processing of carrier aircraft support effectiveness evaluation

2 航空保障效能評估方法與現狀

伴隨著效能研究的深入拓展，針對航空裝備保障領域的探索取得了長足的發展，根據航空保障效能評估方法和性質的差異，主要可以分為以下四類。

2.1 為多屬性評估法

多屬性評估法，如：層次分析法(AHP和ANP)、德菲爾法(Delphi)、模糊綜合評判法、序關系法、物元可拓法等。作為傳統的軍事運籌學評估方法，該類方法的特點是需要借助專家經驗，并將專家的主觀經驗轉化為數值化權重或通過專家經驗進行閾值劃分，將用于定性評估的指標集轉化為定量評估，通過主客觀數據加權得到評價值。該方法有效融合了領域內權威專家的相關經驗，在參考數據樣本較少或者部分數據缺失的情況下，為決策者提供具有信服力的評價信息。針對指標集結構復雜的評估模型，采用數學分析無法反映指標間的內嵌關系，且采集樣本的工作量會呈現指數型增長，以AHP、ANP為典型的多屬性評估方法通過規范化指標體系，清晰地體現指標關聯并進行綜合評價。

由于前期中國航母艦載機保障領域可收集數據樣本和可參考方案相對匱乏，因此前期的研究多基于多屬性評估展開。楊王鋒[13]、蘇暢等[14]采用層次分析法針對航空保障系統效能進行總體建模，以系統級效能的多級子目標構建指標體系并確定指標權重。Wei等[15]、蒙存占等[16]采用模糊綜合評價的方法針對裝備保障系統級效能進行評價。米豐佩[17]通過引入變權理論和貼近度函數，進而構建了改進的物元可拓模型，基于航空維修實測數據展開仿真分析，并驗證了模型的可行性。顧實等[18]采用改進的物元可拓模型對航母艦載機起降效能進行綜合評價，解決了艦載機起降效能指標不相容的問題。對航空維修安全質量評估；錢彥嶺等[19]采用層次化平衡計分卡法構建了輸入-過程-輸出和環境架構的維修系統指標體系；陳農田[20]針對飛行安全問題，基于序關系法構建面向飛行安全風險分析的指標體系；Rahul等[21]提出了一種基于AHP的PMIE裝備保障效能評估框架研究。多屬性評價方法的缺點是：由于參考了專家的主觀經驗，導致權重分配、閾值劃分或評價結果的精確性降低，且評估結果受不同專家意見的差異而導致魯棒性較差。

2.2 數據解析法

數據解析法，如：聚類分析法、主成分分析法、熵權法、支持向量機法、貝葉斯網絡法、人工神經網絡、粗糙集理論、灰色關聯度分析、ADC法等。此類方法的特點是：利用統計學或者相關數學方法，把握評估目標的本質特征進行分析論證。針對已經獲取的大量的樣本數據信息進行歸并提煉，將重復性信息或者關聯度較大的信息進行合并，形成獨立性信息，在信息損失量不大的情況下減少評估工作量；針對由于人們認識局限性而產生的不確定性信息，運用相關數學理論進行分析，將“部分信息已知，部分信息未知”的貧信息進行生成、開發，形成對評價指標的確切描述，將抽象化的信息表現映射為具象化的數據表達。

文獻[22]通過建立解析度量模型針對航空保障體系進行分析。郭天虎等[23]基于經典粗糙集理論設計了面向后勤保障的效能指標評估體系。曹彪等[24]將航空保障的流程劃分為準備、操作和保障三個階段，采用熵權法對某基地航空保障能力進行效能評估。祝華遠等[25]基于系統效能ADC(attack damage carry)模型，結合某型飛機保障效能指標因素進行效能評估。李濤等[26]基于HFACS-ME框架，采用灰色關聯分析法針對航空維修差錯模式進行研究。黃秋水等[27]考慮到模糊隨機因素和人為因素的影響，通過灰色關聯度模型對航空裝備維修進行綜合評價。尹富[28]將灰色關聯分析理論應用到航空保障維修系統效能評估。于豐喜等[29]基于云模型理論，針對系統級保障效能，將模糊性問題轉換為隸屬度關系進而構建評估模型。涂剛等[30]提出改進的粒子群優化算法(PSO-ELM)針對軍用飛機保障系統進行評估并驗證了方法的可行性。胡新江等[31]建立了基于改進支持向量機的航空保障效能評估模型,通過仿真案例驗證了方法的有效性。艾寶利等[32]在考慮數據可信度影響下，針對多源數據效能評估問題,采用改進的貝葉斯方法，提出了一種基于Vague集的裝備保障系統效能評估模型。

數據解析法的缺點是：需要對大樣本信息進行統計，數據處理規模龐大使計算效率降低；由于對已知信息進行了約簡或對未知信息進行了開發，導致評估結果敏感度升高。

2.3 建模仿真法

建模仿真法，如：蒙特卡洛法、系統動力學法、馬爾科夫模型法、TACWAR模型法、ATCAL模型法、PETRI網法等。此類方法的特點是根據不同評估目標的約束特性進行建模，通過原始數據或者試驗數據進行統計分析，以仿真為基礎對復雜對象進行效能評估，可以更加準確地體現評估目標的動態性與完整性，更加合理地反映出評估與仿真的邏輯關系。

文獻[33-35]通過構建離散仿真事件模型面向保障效能進行分析。周揚等[36]綜合考慮軍用飛機持續任務能力與戰備完好率構建指標體系，參考美軍LCOM后勤保障復合模型，采用仿真的方法進行效能評估。王少華等[37]、Eduardo等[38]針對裝備保障維修過程，基于蒙特卡洛仿真方法設計了以裝備性為考慮因素的效能評估方法。高龍等[39]通過分析保障體系的網絡化特性，考慮到任務需求對體系演化的影響度，采用改進的復雜網絡理論模型進行仿真評估。魏海龍等[40]在模型系統工程理論(MBSE)的基礎上，通過引入系統建模實現基于模型驅動的保障效能評估。

國外方面，通過建模仿真法逐步形成了體系化、平臺化的保障系統，美國國防部開發了LCOM裝備保障仿真系統[41]，通過分析資源約束進而實現對基地級裝備維修保障方案的效能評估與分析仿真。隨后美軍面向聯合作戰的軍事能力需求出發，設計了聯合能力集成與開發系統JCIDS[42]。瑞典系統與后勤工程公司(SYSTECON)開發了OPUS10系統后勤保障和備件優化工具[43]，該平臺以保障系統總體目標為關鍵參數，針對保障方案、維修策略等問題進行研究與決策。隨后開發了SIMLOX系統，通過模擬仿真保障方案實現了對保障資源設備的系統性綜合評估。中國方面，李康等[44]借鑒SIMLOX系統平臺的基礎上，針對航空四站裝備保障效能設計了仿真評估模型框架。夏旻等[45]從保障資源建模等角度出發，采用動態蒙特卡洛模型，參考OPUS10系統提出了裝備保障平臺初構。周巖等[46]基于ILSLab-Sims仿真平臺，運用離散事件建模方法，構建了面向飛機維修保障的效能評估模型，并以某新研飛機為仿真案例對模型有效性進行驗證。

相對于其他方法，建模仿真法更加貼合實際統計規律，但是由于構建約束復雜，狀態轉移量較多，數據統計量較大，使效能評估的計算效率下降；由于考慮的模型約束存在差異，易受限于不同模型導致評估可信度下降。

2.4 組合評價法

組合評價不僅僅指針對定權和評價的兩個局部環節采用兩種及兩種以上的評估方法進行融合，而且包括基于集成的多種評估方法對評估的各個環節進行“再造”[47]。由于上述方法是從不同的邏輯角度面向評估目標進行效能評估，且單一評估方法均有特定的適用范圍和應用背景，因此難免存在局限性。通過采取兩種或多種評估方法進行組合評價，在保留方法優越性的同時針對方法缺陷進行互補，進而提高評估結果的可信度。張洋銘等[48]采用主成分分析、熵、灰色、模糊、理想解、可拓等綜合評價方法分別對航空四站的保障人力資源、保障設施設備、保障指揮體系進行效能評估，通過一致性檢驗后的評估結果進行權重融合形成綜合效能值。Lin等[49]針對航空保障效能評估，采用數據包絡分析法和主成分分析法構建評估模型，并驗證了模型的有效性。郭玉明等[50]、Giuseppe等[51]采用AHP和模糊綜合評價法融合的多級模糊評判法，構建面向飛機保障效能的評估模型。任佳成等[52]基于層次分析法和灰色聚類的方法，針對裝備保障效能進行實例分析, 從軍事指標、保障指標、經濟指標出發針對保障效能進行綜合評估。胡濤等[53]通過分析飛行任務目標，建立了基于直覺模糊熵和灰色聚類分析的飛行保障效能評估模型，面向飛機后勤保障能力、裝備技術保障能力、戰勤保障能力進行效能評估。陸營波等[54]采用元模型技術，提出了一種基于數據驅動的遺傳算法改進的GA-BP神經網絡效能評估模型。石黎明等[55]采用基于熵權的TOPSIS法，針對某艦載飛行團的艦載機搶修方案進行保障效能評估。夏國清等[56-57]采用主成分約簡和突變級數結合的方法，以“尼米茲級”航母高強度演習為仿真背景，面向艦載機出動能力進行綜合評價。雖然組合評價法對單一方法的缺陷進行了改進，但是由于可供組合的單一方法眾多，且組合的方式同樣存在多樣性，人為的組合選擇使得評估結果具有一定程度的主觀性。

結合上述文獻分析，四種方法的優缺點及適用情況如表1所示。

表1 四種方法特點Table 1 Characteristics of the four methods

3 存在的問題及未來發展趨勢

3.1 當前研究存在的主要問題

航母航空保障效能評估為決策者提供了科學的論證評估手段，極大提高了指揮決策效率。當前，航空保障效能評估仍然存在以下幾點不足。

(1)艦載機保障覆蓋范圍尚不完善。當前學術研究多針對于航空保障的子系統級效能進行評估(如調運系統[58]、訓練保障系統[59]、起降系統[18，60])，缺乏對系統級效能以及方案級效能的整體性、綜合性研究。由于艦載機航空保障是涉及多流程、多層次的復雜系統，子系統與子系統之間存在耦合影響，因此需要從頂層設計，針對航空保障整體的系統級、方案級效能進行評估。

(2)指標體系的構建無法清晰體現決策目標。當前，航空保障領域的指標體系尚處于逐步完善階段，尚未形成規范化、統一化的保障效能指標體系。指標體系構建的恰當與否直接反映了評價者對評估目標的認識程度。既不能刻意追求評價指標體系的全面性而忽略了評估的主要目標，也不能在缺乏理論指導和論證研究的基礎上虛構指標，造成評估目標與指標體系的脫節。

(3)評估方法的選擇缺乏足夠的依據。當前航空保障評估手段呈現多樣性和新穎性，雖然針對特定的應用環境對方法進行了融合和改進，但是容易造成過分追求方法的創新性而忽略實際的評估過程的科學性。方法的選取需要以指標體系為基礎，以評估目標為導向，綜合考慮適用性、實用性、合理性的前提下對評估方法做出正確的判斷。

3.2 未來發展趨勢

針對當前中外航空保障效能評估研究現狀以及存在的不足之處，結合中外研究熱點問題，瞄準未來作戰保障使用需求，基于中國航母航空保障現狀對航空保障效能評估未來發展趨勢加以預測。

(1)更加注重智能化。隨著人工智能的廣泛發展和信息化決策水平的不斷提高，云計算、大數據處理等技術逐漸成熟，需要在效能評估領域做好接口設計，將創新性的智能評估算法中融入效能評估體系的同時，把效能評估的結果反饋到保障系統和流程的迭代優化中，進而推動保障體系的智能化發展，這對未來保障領域科學化決策與實施具有重要的意義。

(2)更加貼近實戰化。實踐是檢驗真理的唯一標準，當前文獻所提出的方法多停留在理論研究階段，未來應主動把握戰場條件下航空保障環境的實時性、動態性，及時更新保障資源仿真約束條件及效能評估方法，并在方法論證成熟階段進行適時推廣，并從航空保障的實踐應用中找到評估方法的不足以及局限性，根據部隊實際情況加以修正完善，創新效能評估研究論證，推動理論與實踐協同發展。

(3)更加注重系統化。一是建立規范化、系統化的航空保障效能指標體系，針對航空保障系統級、方案級效能進行頂層分析，在聽取專家意見和參考相關文獻解讀的基礎上不斷進行設計論證，形成體系結構合理、指標要素全面的指標評價體系。二是形成專家數據庫，針對主觀權重判定過程中的定性分析結果(如特征值法中重要度判別數據)進行規范匯總，構建知識儲備庫，避免在同樣的評估體系中因聘請專家反復評價而造成人力物力的損耗。三是形成系統化的保障效能建模仿真平臺，借鑒國外現有的仿真評估系統和國內論證的航空保障仿真系統框架，運用諸如OpenGL、HLA、VR等可視化、系統化的建模仿真技術，開發適合航空保障領域的建模仿真評估軟件，形成基于系統化的保障性評估設計，從而有力推動航母航空保障體系的建設與發展。