水面艦艇作戰試驗評估指標體系構建方法研究 *

徐強,金振中,楊繼坤

(1.中國人民解放軍92493部隊,遼寧 葫蘆島 125000；2.海軍航空大學 岸防兵學院,山東 煙臺 264001)

0 引言

水面艦艇作戰試驗評估指標體系構建是試驗方案設計、試驗組織實施、試驗結果評定的前提條件[1]，是聯系水面艦艇綜合評估方法的重要依據，構建科學可行、內容完整的作戰試驗鑒定指標體系對于縮短裝備研制進程，實現裝備科學采辦決策，加速裝備戰斗力的快速形成，具有重要作用[2-3]。當前水面艦艇作戰試驗評估指標體系構建方法不科學、構建步驟不清晰，難以全面評估艦艇真實作戰能力[4]。本文設計了作戰試驗評估指標體系構建的總體思路及步驟，提出作戰試驗問題的多種解析方法，構建以作戰效能、作戰適用性、體系適用性、在役適用性為基本框架的指標體系，最后提出基于ISM(Interpretive Structural Model)方法對指標體系進行優化處理，最終形成結構清晰、內容科學的評估指標體系。

1 評估指標體系構建基本方法

1.1 總體思路

水面艦艇作戰試驗評估指標體系構建借鑒一體化設計和工程化編制方法，遵循“面向需求基于使命的指標體系”的構建思路，以軍事需求為牽引，緊貼裝備作戰使命，首先從艦艇軍事需求與使命任務2個方面確定作戰試驗目標，提出包含艦艇戰術技術指標特性、作戰任務要求及關鍵作戰問題的作戰試驗問題；然后運用映射分解法、質量功能展開法、樹狀分析法等解析方法對作戰試驗問題進行解析，初步確定評估指標體系；最后針對初步解析得到的指標體系層次不清晰、各指標之間關系不獨立等問題，采用ISM法進行結構優化，按要求對指標體系進一步分解優化，并根據分解結果反復迭代，得到最終評估指標體系。指標體系構建總體思路如圖1所示。

圖1 面向需求基于使命的水面艦艇作戰試驗評估指標體系構建總體思路Fig.1 General idea of building operational test of warships based on demand and mission

1.2 評估指標體系構建步驟

(1) 確定作戰試驗目標

確定艦艇裝備作戰試驗目標是建立評估指標體系的前提和基礎，其內容主要包含2個方面：①軍事需求分析，②使命任務分析。其中軍事需求分析主要是圍繞艦艇裝備是否能夠滿足部隊作戰使用需要，能否提高部隊戰斗力，講清裝備應“打什么仗”的問題；使命任務分析是指艦艇能否完成特定戰斗條件下的作戰任務，能否按要求完成作戰使命任務也是艦艇作戰試驗考核的最終目標。

(2) 提出作戰試驗問題

艦艇軍事需求與使命任務往往比較抽象與模糊，作戰試驗問題就是將艦艇軍事需求與使命任務轉化為具體的試驗問題及指標數據要求，便于參試人員理解與生成評估指標體系。對于艦艇軍事需求，一般包含多種作戰形式，不同的作戰形式可以用關鍵戰技指標等性能參數來描述。對于艦艇使命任務，通常描述艦艇在單艦或編隊條件下執行的作戰樣式、具體承擔的任務及主要作戰對手。由于執行不同的作戰任務所對應的任務剖面不同，對艦艇作戰能力要求也不同，因此需要針對特定或多元的作戰任務進一步分析，通常以水面艦艇關鍵作戰問題形式描述作戰試驗問題。

(3) 解析作戰試驗問題

水面艦艇作戰試驗問題通常由對應評估指標體系來表現，通過對作戰試驗問題的解析，可初步得出評估指標體系內容。由于作戰試驗問題出發點和要求不同，應針對性采用不同方法進行解析，本文采用3種方法分別將水面艦艇戰術技術特性、任務要求、關鍵作戰問題轉化為評估指標體系。

1) 基于能力映射分解法

如表1所示，通過設計水面艦艇裝備特性映射表格，找到艦艇戰術性能指標與評估指標體系各基本要素的一一對應關系，具體分為以下3個步驟。

表1 某型水面艦艇裝備特性映射表Table 1 Warships characteristic mapping table

第1步，根據水面艦艇研制總要求規定，將關鍵戰技指標項目及指標值列入裝備特性映射表格列中，按照系統能力或功能構成，提出由作戰效能、作戰適用性、體系適用性、在役適用性等構成的評估指標體系，并列入艦艇特性映射表格的行中。

第2步，找出艦艇裝備特性映射表格行(能力項)與列(指標項)之間的關系，若某一戰技指標與某一效能或適用性指標有關聯，則在對應表格交叉位置處打“√”，這樣建立兩者之間的層層映射關系，實現性能指標到能力的層層分解。

第3步，根據水面艦艇能力項與指標項之間的層層映射關系，從而實現指標進行劃分歸類，形成最終評估指標體系。

基于映射分解的指標體系構建，通過設計艦艇裝備特性映射表格，可清晰展現出艦艇能力項與指標項一一映射關系，實現將水面艦艇作戰技術特性參數轉化為用戶關心的作戰效能指標、作戰適用性指標。

2) 基于質量功能展開法

基于質量功能展開法(quality function development,QFD)主要用于將某型水面艦艇多元任務要求及特定任務要求進行解析，把作戰部隊對裝備的需求進行多層次的分析演繹，轉化為艦艇設計要求、武器系統特性、裝備研制的質量工具，用來指導裝備的可行性設計和質量保證[5-6]。QFD的基本原理是以質量屋(house of quality,HOQ)的形式，量化分析裝備用戶需求與裝備質量特性的關系度，最大程度的滿足裝備作戰要求，演繹分解生成裝備作戰試驗評估指標集。其基本流程如圖2所示。

圖2 基于QFD的作戰試驗評估指標體系構建流程Fig.2 Establishment process of operational test evaluation index system based on QFD

具體過程包括3步：

第1步按照艦艇作戰任務清單內容，對作戰任務剖面進行解析，通常一項作戰任務可解析成多項作戰任務階段，每個階段可分解對應多個作戰行動，形成作戰任務到作戰行動的映射分解，同時按照重要度對作戰任務和作戰行動進行排序。

第2步對艦艇作戰行動進行分解，針對艦艇不同作戰行動對作戰能力的需求，形成艦艇作戰行動到艦艇作戰能力的映射分解，同時按照重要度對作戰行動和作戰能力進行排序。

第3步基于艦艇作戰能力進行評估指標分解，一直分解到底層指標，完成作戰能力到評估指標的映射分解，由于一種作戰能力可對應多個評估指標，應將評估指標按照重要度進行排序及取舍。

3) 基于樹狀分析法

樹狀分析法用于對艦艇關鍵作戰問題進行分解轉化形成評估指標體系。樹狀分析法來源自還原理論[7]，是利用分解、分析、還原的方法將復雜系統整體逐級分解為多屬性、相互獨立的組成部分，用部分來描述整體，可從抽象的高層系統逐層還原到底層清晰具體的細節問題。

樹狀分析法將艦艇關鍵作戰問題按照作戰效能指標、作戰適用性指標、體系適用性指標、在役適用性指標作為1級指標內容，并從上至下分解形成性能指標、適用性指標等構成的2級指標及其所需數據元的3級樹狀層次結構，如圖3所示。每項1級作戰效能指標或適用性指標可分解為多個2級性能或適用性指標，這些2級指標又由多個3級數據元指標支撐聯系，數據元是在艦艇作戰試驗中測量獲取的具體指標數據，可以描述整個水面艦艇能力特性。

圖3 基于樹狀分析的評估指標體系構建結構圖Fig.3 Evaluation index system construction structure based on tree analysis

2 基于ISM的評估指標體系優化方法

解釋結構模型(ISM)是系統工程的一種分析方法，主要研究復雜系統之間離散、無序要素之間結構關聯關系，通過繪制圖形和構建矩陣等手段表述系統間已知的零亂關系，并利用矩陣分析推導出結論，最終將關系復雜、結構不清晰的系統要素分解成多級遞階結構模型[8-11]。

ISM方法的基本步驟是：首先根據系統間各要素關系分析構建鄰接矩陣，將鄰接矩陣通過矩陣運算得到可達矩陣，然后將可達矩陣進行級間分解，生成系統遞階有向圖，最后建立系統結構模型，將復雜系統分解形成邏輯清晰的遞階結構。

本文結合某型水面艦艇作戰試驗，說明如何運用ISM法對評估指標體系進行優化。

2.1 指標要素分析

水面艦艇是構成復雜的武器裝備系統，開展作戰試驗的目標：①綜合考核其在標準條件下的綜合作戰能力，即作戰效能；②考核其在服役壽命周期內發揮裝備固有能力的可用性，摸清裝備在作戰過程中能力發揮的影響條件，針對適用性進行評價。因此，設立作戰效能、作戰適用性、體系適用性、在役適用性4個1級評估指標。基于前文多種評估指標體系構建思路并根據某型水面艦艇使命任務和作戰保障條件，將1級指標分解分析如下：

(1) 作戰效能。某型水面艦艇單艦執行任務時，需具備高效完成任務并充分保存自己的能力；在參加艦艇編隊協同作戰時，作為體系協同背景下的1個作戰單元，需要在充分發揮自身作戰能力的基礎上，具備與其他裝備協同發揮聯合作戰能力，因此作戰效能分解為火力打擊能力、指揮控制能力、信息感知能力和信息攻防能力等2級指標。

(2) 作戰適用性。主要考核在規定的使用條件下，裝備適應實際自然和作戰威脅條件并能有效、可靠、安全使用的程度指標。因此分解為作戰環境適用性、作戰使用適用性和作戰保障適用性等2級指標。

(3) 體系適用性。主要考核水面艦艇能否有效融入作戰體系，充分發揮自身能力并支撐其他裝備能力發揮和實現體系能力的指標，因此可分解為體系融合度和體系貢獻率等2級指標。

(4) 在役適用性。主要考核水面艦艇列裝部隊后，在部隊實際編配和任務使用中，保持其性能及工作狀態并有效、持續發揮作戰效能的指標，因此可分解為部隊編制適用性和編配使用經濟性等2級指標。

為便于后續作戰試驗評估，需對以上2級指標進行逐級細化與再分解，得出相應具體評估指標。本文重點對作戰效能指標下的火力打擊能力S1為例，提出以下指標：對空中目標打擊能力S2、打擊范圍S3、多目標連續攔截能力S4、打擊效果S5、對海面目標打擊能力S6、同時打擊目標批數S7、對潛艇目標打擊能力S8。將上述缺乏層次的單個指標可通過建立比較三角矩陣進行比較分析，構建比較三角矩陣能夠大大降低單指標之間兩兩比較的工作量，例如有n個指標進行比較分析，則需要比較n2次，利用三角矩陣則只需(n2-n)/2次，評估指標主要有如下4種關系：

(1)Si×Sj，表示Si與Sj互有關系；

(2)Si?Sj，表示Si與Sj互無關系；

(3)Si∪Sj，表示Sj取決于Si，但Si不取決于Sj；

(4)Si∩Sj，表示Si取決于Sj，但Sj不取決于Si。

對上述S1～S8單指標要素建立三角矩陣，上方評估指標為Si，下方評估指標為Sj，按照評估指標4種關系規定，結果如圖4所示。

圖4 某型水面艦艇火力打擊能力評估指標比較三角矩陣Fig.4 Comparative trigonometry matrix of warships operation capacity evaluation index

2.2 計算可達矩陣

根據比較三角矩陣中各單評估指標要素之間的關系構建鄰接矩陣。定義當矩陣中行向Si與列向Sj關系為(1)，(3)時，則鄰接矩陣元素aij值為1；當矩陣中行向Si與列向Sj關系為(2)，(4)時，則鄰接矩陣元素aij值為0。即：

根據圖4各指標關系，鄰接矩陣A表示為

鄰接矩陣描述了評估指標間的直接關系，屬于布爾矩陣，矩陣中各元素只能為0或者1，且鄰接矩陣的運算為邏輯和與乘運算，即：

0+0=0，0+1=1，1+1=1，
1×0=0，0×1=0，1×1=1.

計算可達矩陣目的是為了確定指標體系中單評估指標的復雜關系，判斷2個要素間是否存在連接路徑，可達矩陣可通過鄰接矩陣做布爾運算得出，求解方法如下：

若系統A滿足條件(A+I)k-1≠(A+I)k=(A+I)k+1=M，

則稱矩陣M為系統A的可達矩陣。

將鄰接矩陣A結果代入上式，求得可達矩陣為

2.3 生成遞階有向圖

通過鄰接矩陣構建計算出的可達矩陣規律性不強，無法找出各評估指標的層次關系，需要對鄰接矩陣進行分解處理。

定義以下類集合：

(1) 可達集合R(Si)：可達矩陣元素aij所在的第i行中，對aij=1的所有列值j構成的集合。代表Si可到達的要素。

(2) 先行集合Q(Sj)：可達矩陣元素aij所在的第j列中，對aij=1的所有行值i構成的集合。代表可到達Sj的要素。

(3) 共同集合C=R(Si)∩Q(Sj)：表示可達集合與先行集合的交集。

將可達矩陣M的可達集合R(Si)、先行集合Q(Sj)及共同集C=R(Si)∩Q(Sj)填入表2中。

表2 矩陣M的可達集合、先行集合及其交集列表Table 2 Reachable set，antecedent set and their intersection list

對表2中矩陣M的可達集合R(Si)與先行集合Q(Sj)分析可知，S3，S4，S5，S7除了自身，無其他要素可以達到，且S3可達到S1,S2,S6,S8；S4可達到S1,S2；S5可到達S1,S2,S6,S1；S7可到達S1,S6,S8。因此，評估指標S3,S4,S5,S7為整個評估指標體系最底層。

為進一步梳理剩余評估指標之間的關系，需對系統進行自上而下層級分解，最頂層為總評估指標，依次往下逐級為上級的子指標，基本做法為：找到系統要素集合的最高級要素后，并將其從系統中剔除，得到剩余要素集合，再剔除剩余要素集合中的最高級要素，以此類推，一直找出系統最底層要素集合。對于最高級要素滿足條件R(Si)∩Q(Sj)=R(Si)，即最高級要素的可達集與共同集是相同的，這是因為對于多級結構系統，最高級要素沒有其他要素可以到達，只能到達其本身或者與其同級的強連接要素，同理最高級要素的共同集中也只包含其本身或與其同級的強連接要素。

表2中i=1滿足條件R(Si)∩Q(Sj)=R(Si)，表明S1為系統最頂層，即評估指標體系1級指標。將i=1從表2中剔除，得到表3。

表3 抽出i=1的結果Table 3 Result excluded i=1

從表3中又可看出，i=2，i=6，i=8滿足條件，表示S2，S6，S8為S1的下級指標，即評估指標體系2級指標。再次剔除i=2，i=6，i=8后剩余i=3，i=4，i=5，i=7即前文所述系統最底層指標。

綜上，某型水面艦艇火力打擊能力S1為1級評估指標，對空中目標打擊能力S2、對海面目標打擊能力S6、對潛艇目標打擊能力S8為2級評估指標，打擊范圍S3、多目標連續攔截能力S4、打擊效果S5、同時打擊目標批數S7為3級指標，得到指標體系遞階有向圖,如圖5所示。

圖5 指標體系遞階有向圖Fig.5 Index hierarchical directed graph

2.4 完善指標體系

基于ISM構建的某型水面艦艇火力打擊能力指標體系遞階有向圖為網狀結構，不利于后續評估，需要進行簡化處理，消除下級單一指標同時對上級多個指標有影響的問題，建立一對一的關系。方法是利用復制-分配的原則，將同時對應多個上級指標的下級指標進行復制，并將復制結果列入對應上級指標下，使得每個下級指標均對應一個上級指標，轉化后的指標模型,如圖6所示。

圖6 樹狀指標體系結構圖Fig.6 Tree index architecture

轉換后的樹狀指標體系結構圖中打擊范圍、打擊效果、同時打擊目標批數等3級指標出現多次，應根據艦艇作戰試驗具體內容進行細化及區分。例如對空中目標打擊能力指標而言，打擊范圍應區分對飛機目標及對導彈目標，且對導彈目標攔截范圍還需細分為中高空導彈目標、掠海亞聲速導彈目標及掠海超音速導彈目標等不同高度、速度的參數特性；打擊效果應區分艦空武器系統殺傷概率和近程反導艦炮武器系統全航路累積毀傷概率，其中艦空武器系統殺傷概率應根據導彈型號進行再區分，如某型水面艦艇配裝艦空導彈武器系統，應考核單發導彈對飛機目標及對反艦導彈目標殺傷概率，配裝艦空導彈武器系統，考核單發及雙發的殺傷概率。完善后的某型水面艦艇火力打擊能力評估指標體系，如圖7所示。

圖7 某型水面艦艇火力打擊能力評估指標體系Fig.7 Evaluation index of warships operational capacity

3 結束語

作戰試驗評估指標體系構建是否科學合理，直接影響裝備作戰試驗鑒定結論，本文設計了水面艦艇作戰試驗評估指標體系的構建思路及方法，并以某型水面艦艇為例，利用ISM方法對指標體系進行優化，解決了各級指標關系不清、結構復雜、含義相近的問題，可為后續水面艦艇作戰試驗評估奠定基礎。