基于Fuzzy-AHP的GUCS體系融合度評估

亓鵬程，郭齊勝，董志明，李 亮

(陸軍裝甲兵學院，北京100072)

1 引言

隨著信息通信技術與智能控制技術的飛速發展和現代軍事變革的不斷深化，信息化、無人化、智能化作戰已成為現代戰爭的重要發展方向。無人裝備作為重要的新質戰斗力生成點正越來越多的應用于軍事實踐，成為現代戰場上一支不可忽視的軍事力量。地面無人作戰系統作為陸軍無人裝備的典型代表，是指由地面無人平臺、任務載荷、通信系統、指控終端等部分組成，可自主或通過作戰人員遠程遙控方式執行戰場偵察、火力打擊、作戰保障等作戰任務的裝備系統[1]。地面無人作戰系統作為一類新型無人裝備，在裝備發展規劃與論證過程中一個重要方面就是對其體系融合度進行評估。

體系融合度是我軍在裝備試驗鑒定領域提出的一個新課題，主要是指裝備與特定作戰體系內其它裝備之間互操作、協同作戰能力，即裝備融入體系的能力[2]。目前，學術界對體系融合度概念內涵、評估指標體系、評估方法模型等方面研究還不深入，針對地面無人作戰系統體系融合度的相關研究尚處于起步階段。隨著各類型地面無人作戰系統不斷列裝定型并裝配部隊，亟需開展地面無人作戰系統體系融合度評估理論與方法的研究。通過對體系融合度的考核評估，可以從裝備體系全局的角度定量分析地面無人作戰系統這一新型裝備能否與現有裝備體系有效融合、融合程度如何，直觀反映地面無人作戰系統在體系融合方面的特性，找出制約地面無人作戰系統融入現有裝備體系的短板弱項，從而進一步優化裝備體系結構，實現裝備體系化發展，為裝備發展規劃與論證提供決策支撐。

本文主要針對地面無人作戰系統體系融合度評估問題，分析了地面無人作戰系統作戰使命任務，從體系接入度、體系適配性、編成適用性三個方面出發構建了地面無人作戰系統體系融合度評估指標體系。針對地面無人作戰系統體系融合度評估指標數量多、定性指標與定量指標結合的特點，構建了基于模糊層次分析方法(Fuzzy-AHP)[3]～[5]的評估模型，實現了對地面無人作戰系統體系融合度的評估。

2 評估指標體系構建

2.1 總體思路

體系融合度是裝備作戰試驗的重要考核內容，屬于體系適用性的范疇[6]。裝備的體系融合度的高低與裝備體系作戰效能緊密相關，裝備體系融合度越高，即被試裝備與裝備體系的融合能力和匹配程度越高，越有利于體系作戰效能發揮。構建體系融合度指標，要緊密結合裝備作戰運用實際，準確反映裝備實戰特性。從確定作戰試驗目標出發，分析地面無人作戰系統作戰使命任務，研究提出關鍵適用性問題，而后將關鍵適用性問題解析為若干適用性問題，由適用性問題映射到適用性指標集，進而找出與所需適用性指標相關聯的底層數據元，以此建立體系融合度評估指標體系，總體思路如圖1所示。

圖1 指標體系構建總體思路

2.2 構建流程

按照2.1節中指標體系構建思路，按以下步驟構建地面無人作戰系統體系融合度評估指標體系。

1)確定作戰試驗目標

確定作戰試驗目標是構建武器裝備評估指標體系的基礎和前提[7]。要區分性能試驗、作戰效能試驗和適用性試驗，有針對性的構建指標體系。體系融合度評估屬于體系適用性的考核內容，與效能類指標不同，適用性指標往往包含較多定性指標。在構建時，要從體系融合度的內涵出發，聚焦裝備作戰運用實際，深入挖掘被試裝備與作戰體系之間的相互作用機理，力求全面反映裝備體系特征。

2)作戰使命任務分析

地面無人作戰系統是信息化戰爭條件下重要的新質戰斗力量，是網絡信息體系聯合作戰的重要裝備，其作戰使命是根據作戰任務需要，與有人作戰力量融合編組，通過減少己方人員傷亡、降低人員戰場負荷、提升戰場保障能力、增大有效作戰范圍等途徑實現體系作戰效能的提高。在作戰中主要執行情報偵察、火力打擊、機動突擊、排爆除障等任務。

3)提出關鍵適用性問題

所謂關鍵適用性問題是指與裝備系統作戰、訓練、維護、保障等方面緊密相關的重要問題，關注的是裝備作戰運用的適用性特性。關鍵適用性問題的提出目的是將試驗評估需求轉化為具體明確的問題，一方面便于評估人員理解，另一方面又能較為準確的反映裝備實戰特性同時降低試驗的復雜度。以地面無人作戰系統體系融合度評估為例，提出關鍵適用性問題如下：“在作戰運用中，地面無人作戰系統體系接入度如何？體系適配性如何？編成適用性如何？”

4)解析關鍵適用性問題

關鍵適用性問題往往相對比較宏觀，難以通過試驗測得的指標直接回答。需要將關鍵適用性問題進一步解析成若干適用性問題，對應建立若干適用性指標集，以此回答關鍵適用性問題。例如，可以將關鍵適用性問題“地面無人作戰系統體系接入度如何？”解析為2個適用性問題：“地面無人作戰系統信息融合度如何？信息通連性如何？”

5)構建適用性指標集

對應各個關鍵適用性問題及解析出的子問題，初步映射為適用性指標集。例如，3個關鍵適用性問題對應映射為3個一級指標集：體系接入度、體系適配性、編成適用性；其中，體系接入度所對應的2個適用性問題又可映射為2個二級指標集：信息融合度、信息通連性。

6)確定底層評估指標

底層指標是指能夠通過試驗數據或專家打分、問卷調查等方式直接獲取的數據元，若干數據元組合起來構成底層評估指標集合，包括定性指標與定量指標兩類。例如，信息融合度可分解為態勢信息兼容度、指控信息兼容度、組網節點覆蓋率3個底層指標。

2.3 指標體系

按照上述步驟，構建地面無人作戰系統體系融合度評估指標體系如表1所列。

表1 地面無人作戰系統體系融合度評估指標體系

3 基于Fuzzy-AHP的評估方法

地面無人作戰系統體系融合度指標體系具有層次結構明顯，指標數量眾多，定性指標與定量指標相結合等特點，其評估過程是定量計算與定性分析相結合的多指標綜合決策過程，針對這一特點，本文采用了基于模糊層次分析法(Fuzzy-AHP，Fuzzy analysis hierarchy process)的綜合評估方法實現了地面無人作戰系統體系融合度評估。模糊層次分析法將層次分析法與模糊綜合評判法相結合，把定性分析轉化為定量運算，能夠科學有效的提高評估結果的準確性，其評估模型如圖2所示，具體步驟可分為4步：建立評價因素集及評語集、確定各級指標權重、確定模糊評判矩陣、多級模糊綜合計算。

圖2 基于Fuzzy-AHP的體系融合度評估模型

3.1 建立評價因素集及評語集

1)評價因素集

對多級遞階層次結構模型逐層建立評估因素集合，設指標I下級包含n個評價因素，記作評價因素集I=(A1，A2，…An)，其中每個評價因素Ai(i=1，2，…n)又包含不同多個評價因素，記作Ai=(Bi1，Bi2，…Bij)。以此類推，建立所有評價因素集合。

2)評語集

評語集是由評估組成員依據評估對象特點建立的不同評估等級的集合?？蓪⒃u語集表示為V=(V1，V2，…Vm)，評語集中的每個元素代表一個評價等級，按照由高到低的順序排列。具體評價等級可根據實際情況設定，例如，按照五級評定法構建評語集V={優秀(V1)，良好(V2)，一般(V3)，較差(V4)，很差(V5)}。

3.2 確定各級指標權重

評估指標體系確定后，需要對各個層級指標分別賦予相應的權重，以體現各個指標在評估指標體系中的地位作用和重要程度。指標權重確定是否科學合理，直接影響評估結果的科學性。本文通過AHP法確定指標權重，具體方法可參考文獻[9]，在此不再贅述。

3.3 確定模糊評判矩陣

在地面無人作戰系統體系融合度評估指標體系中既包含定性指標又包含定量指標，在確定隸屬度時要區分定性指標和定量指標。

(1)

(2)

對于定量指標，例如組網節點覆蓋率、遙控指令連通成功率、人工干預次數占比等，這些定量指標數據是通過裝備作戰試驗實際測得或作戰仿真獲取，屬性更加客觀，但實際上這些指標的量綱不同、類型不同，有的要求數值越大越好，如遙控指令連通成功率；有的要求數值越小越好，如人工干預次數占比；有的則是要求數值在某個區間最好。這些指標數值互相之間不具備可比性，在評估時需要將定量指標數據進行無量綱歸一化處理，通?？梢圆捎秒`屬度函數確定其隸屬度。但在解決裝備實際問題過程中，往往難以在有限的試驗次數條件下找到能夠較好的擬合指標數值分布特點的隸屬度函數。為此，本文提出了一種基于評語等級區間量化的定量指標隸屬度確定方法。具體方法為：

Step1：對所有的定量指標，根據評語集所劃分等級，咨詢專家確定每個指標對應的各個等級的取值范圍，進行區間量化；

Step2：根據定量指標的實際試驗測量或仿真數值，判斷其對應評語集等級；

Step3：指標實際數值落在哪個等級區間范圍內，則對應該等級的隸屬度為“1”，其余等級隸屬度為“0”，確定定量指標隸屬度向量。

定性指標和定量指標的隸屬度向量都確定以后，按照所在評價因素集組合，即可建立底層評價因素集到評語集V=(V1，V2，…Vm)的模糊判斷矩陣。

3.4 多級模糊綜合計算

地面無人作戰系統體系融合度評估是一個典型的多級模糊綜合評價模型。對于層級較多的結構應用模糊綜合評價時，要從最底層開始，逐層向上進行模糊綜合計算，直至得到最終評價結果。下面以表1所給出的三級遞階層次結構為例說明。

1)一級模糊評價

設底層評價因素集Bij的模糊判斷矩陣為Rij，權重向量為Wij。記其模糊評價結果為Bij，則有

Bij=Wij°Rij

(3)

其中，i表示底層評價因素集Bij的類別，j表示該底層評價因素集中包含指標的個數，符號“°”為模糊合成算子，通常有四種模糊合成算子：M(∧，∨)算子，M(·，∨)算子，M(∧，⊕)算子，M(·，⊕)算子。根據體系融合度評估的特點，同時兼顧各指標因素的影響，此處采用第四種加權平均型M(·，⊕)算子[10]。

2)二級模糊評價

二級模糊評價是對評價因素集Ai進行的評價，設對應每個評價因素集Ai權重向量為Wi，模糊判斷矩陣為Ri，則有

Ai=Wi°Ri

(4)

其中，Ri是由一級模糊評價結果Bij按照評價因素集類別組成的模糊判斷矩陣，即

(5)

3)三級模糊評價

三級模糊評價是對目標層I進行的評價，設目標層I下各指標對應的權重向量為W，模糊判斷矩陣為R，則有

I=W°R

(6)

其中，R是由二級模糊評價結果Ai組成的模糊判斷矩陣，即

(7)

經三級模糊綜合計算求得I后，根據最大隸屬度原則，即可得出最終評估結果。

4 評估應用示例

根據前面建立的基于Fuzzy-AHP的評估模型，對某地面無人作戰系統體系融合度進行具體評估。

4.1 指標數據仿真獲取

指標體系和評估模型建立后，還需要獲取底層評估指標數據，作為評估模型的基本輸入。定性指標數據主要通過咨詢專家打分、問卷調查等途徑獲取。對于定量指標，依托“裝甲兵作戰實驗系統”進行仿真獲取相關數據，作為確定定量指標隸屬度的基本依據。根據對抗紅藍雙方裝備體系基本情況構建仿真模型，開展作戰仿真，利用仿真軟件收集原始實驗數據，統計分析相同條件下大量實驗的規律，確定各指標數值。例如組網節點覆蓋率、遙控指令連通成功率、戰場態勢信息回傳成功率等指標可通過多次實驗獲得較為穩定數值，作為評估模型的基本輸入。

4.2 建立評價因素集和評語集

依據前文建立的地面無人作戰系統體系融合度評估指標體系(見表1)，建立三級評價因素集：

第一層評價因素集：I={A1，A2，A3}；

第二層評價因素集：A1={B11，B12}，A2={B21，B22，B23，B24，B25}，A3={B31，B32}；

第三層評價因素集：B11={C111，C112，C113}，B12={C121，C122，C123}，B21={C211，C212，C213}，B22={C221，C222，C223}，B23={C231，C232，C233}，B24={C241，C242，C243}，B25={C251，C252，C253，C254}，B31={C311，C312，C313}，B32={C321，C322，C323}。

依據體系融合度評估的需要，確定評語集V={優秀，良好，一般，較差，很差}。

4.3 計算各級指標權重

基于AHP法確定各層級指標權重值如表2所示。

表2 體系融合度各評價指標權重

4.4 確定模糊判斷矩陣

按照3.3節中方法，分別對定性指標和定量指標的隸屬度向量進行確定，以評估指標指標信息融合度B11為例，其包含“態勢信息兼容度C111、指控信息兼容度C112、組網節點覆蓋率C113”3個底層指標，既有定性指標也有定量指標，下面分別確定其隸屬度。

對于定性指標，邀請10位領域專家組成評估小組，對各個底層評估指標按照給定評語集進行評價，計算出各個指標隸屬度。專家評價結果如表3所示，由式(1)和式(2)即可求得“態勢信息兼容度C111”的隸屬度向量r111=(0.2 0.5 0.2 0.1 0)，“指控信息兼容度C112”的隸屬度向量r112=(0.3 0.3 0.2 0.1 0.1)。

表3 定性指標C111、C112專家評價結果

對定量指標，根據專家意見對“組網節點覆蓋率C113”按照評語集各等級劃分評價區間如表4所列，通過仿真得到指標取值C113=0.83，則對應“良好”等級隸屬度為“1”，確定隸屬度向量為r113=(0 1 0 0 0)。

表4 定量指標C113評價等級區間劃分

將定性與定量指標對應的隸屬度向量組合，即可得到信息融合度B11的模糊判斷矩陣為

以此類推，確定所有定性指標與定量指標的隸屬度，得到各評價因素集的模糊判斷矩陣。

4.5 多級模糊綜合計算

按照3.4節中方法逐級進行模糊綜合計算，可求得各評估因素集對應的評價結果，最終得出體系融合度評估結果

I=[0.147 0.557 0.2193 0.0701 0.0095]

4.6 評估結果分析

對照評語集V={優秀，良好，一般，較差，很差}，在5個評價等級中，地面無人作戰系統體系融合度對“優秀”等級的隸屬度為0.147，對“良好”等級的隸屬度為0.557，對“一般”等級的隸屬度為0.2193，對“較差”等級的隸屬度為0.0701，對“很差”等級的隸屬度為0.0095，評估結果如圖3所示。根據最大隸屬度原則，該地面無人作戰系統體系融合度評估結果為“良好”。

圖3 評估結果

5 結束語

論文分析了地面無人作戰系統的作戰使命任務，從體系接入度、體系適配性、編成適用性3個一級指標出發，構建了地面無人作戰系統體系融合度評估指標體系，基于模糊層次分析法實現了對地面無人作戰系統體系融合度的評估。該方法較好的適用于體系融合度評估指標層級多、數量多、定性指標與定量指標相結合的特點，評估結果可為地面無人作戰系統的試驗鑒定提供參考。