多層次多維度網(wǎng)絡(luò)化航天裝備效能評估方法研究

彭妮娜，殷建豐，王 倩，皇 威

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京100094)

1 前言

航天裝備種類多，涉及專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域廣，作戰(zhàn)運(yùn)用模式各異，隨著我軍信息化的快速發(fā)展，種類多樣的航天裝備在信息系統(tǒng)的牽引下逐步融合為裝備集群、體系，對其作戰(zhàn)效能、作戰(zhàn)適應(yīng)性、體系適用性、體系融合度等進(jìn)行評估成為熱點(diǎn)研究課題，建立能夠被高度認(rèn)同的評估指標(biāo)體系和可靠可信的評估算法模型是本文的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。本文提出了多層次多維度網(wǎng)絡(luò)化評估指標(biāo)體系構(gòu)建技術(shù)，構(gòu)建了一套多層次多維度的評估指標(biāo)體系框架。提出了層次分析法和網(wǎng)絡(luò)分析法相結(jié)合開展多方案多目標(biāo)大樣本的比對分析，通過探索性分析進(jìn)行關(guān)鍵指標(biāo)分析，不斷優(yōu)化評估指標(biāo)體系和評估算法模型。并在此基礎(chǔ)上形成了航天裝備體系效能評估系統(tǒng)，有效支持航天裝備效能評估分析應(yīng)用。

2 多層次多維度網(wǎng)絡(luò)化評估指標(biāo)體系框架構(gòu)建

1)網(wǎng)絡(luò)化評估指標(biāo)體系

航天裝備體系是典型的網(wǎng)絡(luò)化體系，具有顯著的體系復(fù)雜性特點(diǎn)，如整體涌現(xiàn)性、適應(yīng)性、進(jìn)化性、不確定性等。體系能力是體系整體涌現(xiàn)的結(jié)果，是體系在演化過程中發(fā)生“相變”產(chǎn)生的新性質(zhì)，因此既不能按照還原論方法將組分系統(tǒng)能力進(jìn)行疊加組合，也不能簡單地由統(tǒng)計規(guī)律獲得。網(wǎng)絡(luò)化體系效能評估應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)基于還原論和決定論的思維模式，拋棄體系效能指標(biāo)相互獨(dú)立的假設(shè)，拋棄體系能力可分解的假設(shè)，由“指標(biāo)樹”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸笜?biāo)網(wǎng)”，由“簡單和”轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝楷F(xiàn)和”。

體系效能的各項指標(biāo)之間實(shí)質(zhì)上是相互關(guān)聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而非樹狀關(guān)系，各指標(biāo)之間存在復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系而非彼此獨(dú)立，某些指標(biāo)的提高可能引起其他相關(guān)指標(biāo)下降，這正體現(xiàn)了體系的“非還原”性質(zhì)。應(yīng)當(dāng)正視體系效能指標(biāo)間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立網(wǎng)狀指標(biāo)體系，研究基于網(wǎng)狀指標(biāo)體系的效能評估方法。

尋找能夠直接刻畫體系整體涌現(xiàn)性的效能指標(biāo)。體系層面的效能指標(biāo)必須反映體系的宏觀性質(zhì)。一方面，體系效能指標(biāo)值可以采用合適的方法對體系進(jìn)行“測量”得到，而不是由局部指標(biāo)聚合獲得；另一方面，體系效能指標(biāo)本身也不再進(jìn)行指標(biāo)綜合。

探索體系效能“微觀-宏觀”之間的聯(lián)系。體系具有其組分及其組分之和所沒有的新能力。這種能力雖然在離散的組分系統(tǒng)累加中無法獲得，但各類組分系統(tǒng)之間的“微觀-宏觀”聯(lián)系，隱含著體系能力涌現(xiàn)的內(nèi)部機(jī)制。體系效能評估就是要探尋組分系統(tǒng)之間的相互作用關(guān)系與體系整體性效果之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)而揭示體系效能涌現(xiàn)性的生成機(jī)理。從指標(biāo)角度看，就是要探尋組分系統(tǒng)的效能指標(biāo)以及刻畫網(wǎng)絡(luò)化效應(yīng)的指標(biāo)與體系層面效能指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2)層次化評估指標(biāo)體系

航天裝備效能指在規(guī)定條件下達(dá)到規(guī)定使用目標(biāo)的能力，可以分為作戰(zhàn)行動的效能和武器系統(tǒng)效能，武器系統(tǒng)效能又可分為單項效能、系統(tǒng)效能和作戰(zhàn)效能。本文構(gòu)建了基礎(chǔ)指標(biāo)層、系統(tǒng)作戰(zhàn)效能層、任務(wù)使命效能層、方案效能層、綜合效能層5個層次評估指標(biāo)體系，各層次的定義如下：

①基礎(chǔ)指標(biāo)層：是評估指標(biāo)體系中的底層指標(biāo)，是系統(tǒng)作戰(zhàn)效能、任務(wù)使命效能、方案效能和綜合效能評估的基礎(chǔ)和起點(diǎn)，主要是通過大樣本仿真數(shù)據(jù)結(jié)算獲得；

②系統(tǒng)作戰(zhàn)效能層：指運(yùn)用裝備系統(tǒng)時，就單一使用目標(biāo)而言，所需達(dá)到的程度是對組成體系的各系統(tǒng)單元在體系環(huán)境中功能的發(fā)揮情況進(jìn)行度量，包括導(dǎo)航、通信中繼、衛(wèi)星偵察、測繪衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星、應(yīng)急發(fā)射、地面測控等裝備的作戰(zhàn)能力；

③任務(wù)使命效能層：指在規(guī)定條件下，運(yùn)用天基系統(tǒng)執(zhí)行規(guī)定的作戰(zhàn)任務(wù)所能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的程度。是將裝備集群置于聯(lián)合作戰(zhàn)對抗環(huán)境下，通過任務(wù)行動來評估裝備系統(tǒng)的效能，包括航天偵察、通信中繼、導(dǎo)航定位授時、軍事測繪、氣象海洋觀測、航天發(fā)射與傳輸、航天測控與指揮等典型作戰(zhàn)任務(wù)使命效能；

④方案效能層：基于對作戰(zhàn)方案、模擬訓(xùn)練方案、試驗(yàn)鑒定方案等的仿真推演，開展對方案本身的可行性、合理性進(jìn)行評估，包括作戰(zhàn)方案的質(zhì)量，模擬訓(xùn)練方案覆蓋度、難度、真實(shí)度以及便捷度，試驗(yàn)鑒定方案作戰(zhàn)試驗(yàn)要素覆蓋度和方案可執(zhí)行性等；

⑤綜合效能層：對系統(tǒng)作戰(zhàn)效能、任務(wù)使命層效能、方案效能進(jìn)行綜合分析和統(tǒng)計，得到整體效能，如裝備體系作戰(zhàn)效能、裝備體系集群作戰(zhàn)效能、體系貢獻(xiàn)率等綜合性指標(biāo)。

圖1 航天裝備效能評估指標(biāo)體系構(gòu)建方法

3 基于探索性分析的航天裝備評估方法

基于已構(gòu)建的多層次多維度網(wǎng)絡(luò)化效能評估指標(biāo)體系，通過大樣本仿真試驗(yàn)來評估分析關(guān)鍵指標(biāo)，不斷優(yōu)化評估指標(biāo)體系和評估方法，逐漸完善形成科學(xué)、合理、完備的指標(biāo)體系和評估模型。在評估任務(wù)中，涉及專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域廣，作戰(zhàn)運(yùn)用模式各異，裝備體系復(fù)雜等特點(diǎn)，為保障生成的仿真試驗(yàn)樣本滿足評估任務(wù)要求，本文采用基于評估要求的大樣本仿真試驗(yàn)生成技術(shù)，該技術(shù)利用探索性分析法對需求空間即評估要求空間、想定空間、能力空間、結(jié)果空間、分析建模五個方面進(jìn)行探索性分析建模，對評估的未知、不確定性因素進(jìn)行探索分析，對這些因素進(jìn)行變量聚合，對聚合后的變量進(jìn)行全局靈敏度分析或方差分析，對參數(shù)的靈敏度進(jìn)行排序，全面獲取不確定因素對研究目標(biāo)的影響，并生成多想定大樣本仿真試驗(yàn)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是考察大量不確定條件下各種想定的不同結(jié)果，更強(qiáng)調(diào)宏觀和全局視角，理解和發(fā)現(xiàn)復(fù)雜現(xiàn)象背后數(shù)據(jù)變量之間的影響關(guān)系，如下圖所示。

圖2 基于評估要求的航天裝備效能探索性評估分析技術(shù)流程

應(yīng)用流程描述如下：

1)確定評估任務(wù)的目標(biāo)和需求，根據(jù)評估要求確定評估指標(biāo)體系和關(guān)鍵影響因素；本文中依據(jù)已構(gòu)建的一體化多層次評估指標(biāo)體系形成了標(biāo)準(zhǔn)仿真想定庫和關(guān)鍵因素以及關(guān)系模板庫，能夠根據(jù)用戶設(shè)置的評估要求和評估指標(biāo)體系自動匹配標(biāo)準(zhǔn)仿真想定和關(guān)鍵影響因素模板。

2)以關(guān)鍵因素為基礎(chǔ)生成因素空間，增進(jìn)對問題的全局理解；

3)利用多種知識來源，結(jié)合問題分析樹，對因素進(jìn)行變量聚合，列出所感興趣的需重點(diǎn)考慮的不確定性因素；

4)結(jié)合分析模型，對這些聚合后的變量進(jìn)行全局靈敏度分析或方差分析，對參數(shù)的靈敏度進(jìn)行排序，全面獲取不確定因素對研究目標(biāo)的影響；

5)在綜合考慮因素敏感度和分析計算能力的前提下選取部分重要參數(shù)進(jìn)行探索，根據(jù)不同問題使用不同探索性分析方法，即參數(shù)探索、概率探索、混合探索等，研究這些不確定性因素在模型中的表現(xiàn)形式和對分析結(jié)果的影響。

6)對探索性試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過評估指標(biāo)結(jié)果以及綜合評估結(jié)果等分析不確定性因素對評估結(jié)果的影響，最終為評估指標(biāo)體系的優(yōu)化、關(guān)鍵影響因素的選擇、多方案的比對提供定量化的決策依據(jù)。

4 航天裝備體系效能評估系統(tǒng)架構(gòu)組成

根據(jù)上述多層次多維度網(wǎng)絡(luò)化航天裝備效能評估指標(biāo)體系框架和評估方法進(jìn)行航天裝備體系效能評估系統(tǒng)設(shè)計，系統(tǒng)基于統(tǒng)一的開放式微服務(wù)云架構(gòu)，以仿真推演數(shù)據(jù)為主，其他多源數(shù)據(jù)為輔，進(jìn)行分系統(tǒng)總體設(shè)計，如圖3所示。

圖3 航天裝備體系效能評估系統(tǒng)總體設(shè)計

數(shù)據(jù)層：為評估分析數(shù)據(jù)資源提供統(tǒng)一的存儲和管理，包括仿真數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等。

評估資源：為通用軟件平臺提供一系列可用的資源，包括評估指標(biāo)資源、評估模型資源、評估算子資源；同時，對分系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理，包括評估方案、評估任務(wù)、分析計算數(shù)據(jù)、預(yù)處理模板、報告模板、圖表樣式模板、評估結(jié)果數(shù)據(jù)等；

通用軟件平臺：為分系統(tǒng)提供核心功能模塊，包括評估資源管理、評估方案設(shè)計、評估計算管理、評估結(jié)果展示生成等；

定制業(yè)務(wù)服務(wù)：面向用戶具體應(yīng)用業(yè)務(wù)，包括作戰(zhàn)研究、模擬訓(xùn)練、裝備規(guī)劃以及試驗(yàn)鑒定，為評估用戶及仿真系統(tǒng)提供的各類應(yīng)用服務(wù)。

系統(tǒng)組成如圖4所示，包括評估通用軟件平臺和評估資源庫。

圖4 系統(tǒng)組成

5 航天裝備體系效能評估系統(tǒng)應(yīng)用流程

系統(tǒng)應(yīng)用流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)應(yīng)用流程示意

具體過程描述為：

1)自動評估運(yùn)行方式

①評估用戶預(yù)先對評估模型、數(shù)據(jù)源、處理流程等要素進(jìn)行定制，發(fā)布至共享資源池中，供組裝推演仿真分系統(tǒng)選擇定制；

②選擇評估要求，包括評估資源選擇信息和評估數(shù)據(jù)源篩選條件，向評估軟件下達(dá)評估指令；

③評估軟件自動完成指定評估資源的加載，其評估計算功能后臺運(yùn)行，按照數(shù)據(jù)解析協(xié)議，從數(shù)據(jù)共享池讀取仿真數(shù)據(jù)，對評估工程進(jìn)行實(shí)例化配置，前端界面主要顯示評估任務(wù)信息和評估計算結(jié)果；

④執(zhí)行評估計算任務(wù)，生成評估結(jié)果，并依據(jù)用戶定制的展現(xiàn)形式進(jìn)行輸出。

2)在線評估運(yùn)行方式

①開展方案仿真推演前，在配置評估資源的基礎(chǔ)上，設(shè)定需要進(jìn)行實(shí)時評估的分項指標(biāo)，定對所使用的仿真成果數(shù)據(jù)源進(jìn)行定制；

②評估軟件接收組裝推演分系統(tǒng)評估指令，按照實(shí)時評估要求對評估工程進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)行實(shí)時接收仿真推演成果的準(zhǔn)備；

③仿真過程中，按照仿真數(shù)據(jù)接口和交互協(xié)議，在線實(shí)時接收推送的仿真數(shù)據(jù)，與加載的評估資源進(jìn)行匹配關(guān)聯(lián)，實(shí)時進(jìn)行評估分析和數(shù)據(jù)展示。

3)交互評估運(yùn)行方式

①評估用戶構(gòu)建的評估工程、評估模型和指標(biāo)體系等資源，依據(jù)評估需要進(jìn)行配置；

②檢索和加載仿真成果數(shù)據(jù)，映射至評估數(shù)據(jù)源，并可對評估標(biāo)準(zhǔn)、輸出顯示方式等進(jìn)行設(shè)置；

③執(zhí)行評估計算，生成評估成果。

4)大樣本評估運(yùn)行方式

①用戶對大樣本仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較的條件進(jìn)行設(shè)置，如多方案優(yōu)化比較、多試驗(yàn)因子分析等，在評估計算之前或之后設(shè)置均可；

②按照各試驗(yàn)樣本對分析條件進(jìn)行歸類整理，并按照分析條件對評估數(shù)據(jù)進(jìn)行分組統(tǒng)計；

③實(shí)施對比分析計算，按照用戶定制的形式輸出分析結(jié)果。

圖6 評估系統(tǒng)界面示意

圖7 結(jié)果顯示界面示意

6 結(jié)論

本文給出了多層次多維度網(wǎng)絡(luò)化航天裝備效能評估方法，針對不同評估需求給出網(wǎng)絡(luò)化評估指標(biāo)體系和層次化評估指標(biāo)體系的構(gòu)建框架，基于探索性分析指導(dǎo)模式，采用層次分析和網(wǎng)絡(luò)分析相結(jié)的方法開展多方案多目標(biāo)大樣本的比對分析，不斷優(yōu)化評估指標(biāo)體系和評估算法模型。本文的研究工作有效指導(dǎo)航天裝備效能評估系統(tǒng)建設(shè)，并應(yīng)用于航天裝備基礎(chǔ)能力指標(biāo)、系統(tǒng)作戰(zhàn)效能、任務(wù)使命效能、方案效能、綜合效能評估，對裝備規(guī)劃論證、在軌應(yīng)用、模擬訓(xùn)練、試驗(yàn)鑒定研究提供定量化參考依據(jù)。