抗毁性评估指标体系构建方法与有效性分析

黄通，高钦和，李向阳，王冬，刘志浩

(火箭军工程大学 导弹工程学院，陕西 西安 710025)

随着军事科技的快速发展,武器装备在战场环境中的对抗烈度逐渐增加,被敌方侦察发现并遭受打击的概率增大,生存并保持作战功能成为了衡量武器装备作战能力的重要基础[1]。抗毁性即是表征武器装备抵抗毁伤破坏、保持运行功能的能力[2],评估武器装备在战场环境中的功能保持效果如何,成为了实战化应用的关键问题。评估问题可以分为试验评估[3-4]和模型评估[5],其中,模型评估由于过程简单,对评估场地和经费等要求不高,在评估问题研究中广泛应用。

评估指标体系的构建作为模型评估的基础,是评估方法和评估等级划分应用的最基本的元素,从根本上决定了模型评估的可信与否。但是,目前的武器装备的相关评估研究并未对评估指标体系的构建进行较为深入的分析,而主要是采用基于专家知识经验的德尔菲法(Delphi Method,DM),构建起模型评估的指标体系[6-7],德尔菲法虽然能够较为便捷地构建反映研究对象评估特征的指标体系,但受专家认知和经验的影响较大,主观性较强,逻辑性较弱,从根本上影响了评估结果的可信度。同时,不同研究方向的专家对同一研究对象的认知角度不同,形成的评估指标体系也存在较大差异。

评估指标体系是表征评估对象特性及其相互联系的多个指标所构成的有机整体,基本是以层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)为基础,对评估对象进行层层剖析,建立具有关联性的评估对象特性反映整体[8]。尽管现阶段关于武器装备生存能力评估指标体系的构建方法较为单一,但在其他评估问题中,存在有多种类型的评估指标体系构建方法。故障树分析法(Fault Tree Analysis,FTA)通过自上而下的演绎失效过程,采用布林逻辑组合低阶事件,分析评估对象的失效原因和影响因素,从而构建起评估对象的指标体系[9],目前FTA法已在航空航天[10]、兵器[11]等领域广泛应用。质量功能展开法(Quality Function Deployment,QFD)是一种基于需求的层次映射分析方法,该种方法是将对象的评估需求映射到QFD规定的质量屋(House of Quality)内,通过矩阵图表的形式描述评估对象与影响因素之间的关联关系,构建起具有逻辑特点的评估指标体系[12]。压力-状态-响应模型(Pressure-State-Response,PSR)是应用于环境评估领域指标体系构建最典型的模型框架,PSR模型基于压力对状态的影响产生状态的响应这一思维逻辑,将评估指标体系分解为压力指标、状态指标和响应指标[13],该模型从系统层面对评估对象进行逻辑分解,具有较好的系统性和逻辑关联性,目前已应用在生物环境[14]、建筑[15]等领域的评估指标体系构建中。结构-过程-结果模型(Structure-Process-Outcome,SPO)与PSR模型类似,但SPO模型是从结构、过程和结果三个维度构建评估指标体系[16],SPO模型主要在医学评估领域应用[17]。此外还有应用于教育评价领域的CIPP评价模式[18],CIPP评价模式是从背景(Context)、输入(Input)、过程(Process)和结果(Product)四个维度形成评估的一级指标,从而逐层构建起评估指标体系。

基于上述,笔者从武器装备对抗的本质出发,通过基于敌我对抗逻辑的抗毁性演化过程,对抗毁性的影响因素和逻辑关联进行分析。以发射平台抗毁性评估为研究对象,并分别从FTA、QFD、PSR、SPO和CIPP法对发射平台抗毁性评估指标体系开展研究,提出基于自信息量和层次聚类的指标体系有效性和适用性分析方法,用以探究评估指标体系构建方法的优劣差异与适用性。

1 抗毁性的演化过程与影响因素

1.1 基本假设

为探究基于对抗逻辑的武器装备抗毁性演化过程,设有武器装备W进入作战域Q中,对W和Q构成的战场对抗环境作出如下假设:作战域Q中的对抗双方不再加入新型超高性能的武器装备,保持评估环境的稳定性;待评估的武器装备W不再进行总体结构和功能改造,保持评估对象的稳定性;忽略极端特殊的毁伤工况影响,保持评估过程的稳定性。

1.2 逻辑演化过程

基于敌我对抗逻辑建立武器装备W进入作战域Q的逻辑演化过程如图1所示。

由图1可知,武器装备W进入作战域Q后,与敌方主要进行5次对抗:

1)W是否会被敌方的侦察探测设备发现,反映的是W的隐蔽性,只有被敌方侦察发现,才存在后续被打击毁伤的可能。

2)W是否被敌方评判为可以攻击,反映的是W的军事价值,只有W的自身军事价值属性达到一定限度,才会被敌方毁伤威胁所打击。

3)敌方毁伤威胁对W进行追踪或覆盖打击,W的结构防护抵抗毁伤变形,W是否被毁伤结构。

4)W被毁伤的结构是否影响到W的运行功能,结构毁伤不一定会影响到武器装备的运行功能。

5)W功能受损后,是否可以进行保障抢修,使其在规定的时间内重新恢复功能使用,反映的是W的维修保障性。

显然,从对抗逻辑的角度来看,武器装备W抗毁性评估的研究范畴包括了从“是否被判别攻击”到“是否被毁伤功能”的逻辑演化过程,则抗毁性评估指标体系即是研究武器装备自身价值、结构和功能属性对抵抗毁伤破坏的影响因素。

2 抗毁性评估指标体系构建方法

2.1 故障树分析法(FTA)

FTA在现阶段易损性和生存能力评估中又被称为毁伤树分析法,是根据关键部件与各系统之间的功能和结构关系,建立评估的毁伤树模型,进而确定评估指标体系。基于FTA法建立发射平台毁伤树模型如图2所示。

由图2可知,基于FTA法构建的发射平台抗毁性评估指标体系,主要是采用对发射平台“系统-子系统-部件”的分解方法,将发射平台总体的抗毁分解到各部件的结构抗力(结构强度、抗热强度、电磁兼容强度)上,逻辑和客观性较好,构建的指标体系主体以发射平台各部件的结构属性为主,目前被广泛应用于易损性评估中。

2.2 质量功能展开法(QFD)

QFD是一种以需求为驱动,将需求转化为产品各项技术要素的方法。基于QFD法,采用“作战需求-功能特点-技术特性-基础特征”的模式展开,建立发射平台抗毁性质量屋结构如图3所示。

由图3可知,基于QFD法构建的发射平台抗毁性评估指标体系,通过对作战任务需求的逐层分析,将作战任务对抗毁性的需求映射到武器装备基础的特性要求上,构建的指标体系包括:战场军事价值、最大机动速度、极限越野等级、各部件的结构抗力和各功能的失效容限。该方法构建的指标体系较为系统和全面,但构建逻辑受系统认知的影响较大,主观性较强。

2.3 压力-状态-响应模型法(PSR)

PSR模型法是从压力、状态和响应三个方面,以“激励-响应”关联为基础,通过分析系统内在因果联系,明确影响系统的指标因素,目前主要应用于评价生态环境状况。笔者基于PSR模型法,以环境评估中压力、状态和响应三个准则层,对抗毁性进行类比,建立发射平台抗毁性评估指标体系的PSR框架如表1所示。可知,基于PSR模型法构建的发射平台抗毁性评估指标体系,采用“激励-结构-响应”的分析方法,构建评估指标体系的逻辑分析关系,构建的指标体系较为系统和全面,构建方法逻辑性较好。

表1 抗毁性评估PSR模型框架

2.4 结构-过程-结果模型法(SPO)

SPO模型法是对评估对象运行的过程中包含的要素以及特征进行分析,研究各要素构成以及要素之间的交互关系,目前主要应用于评价医疗质量状况。笔者基于SPO模型法,以发射平台抗毁性响应过程为路径,分别从结构、过程和结果三个维度构建准则层,建立发射平台抗毁性评估指标体系的SPO模型框架如表2所示。可知,基于SPO模型法构建的发射平台抗毁性评估指标体系,与PSR模型法相似,构建方法的逻辑性较好。但由于抗毁性的分析结果O属于评估结果,因此在结果O的准则下无法构建指标,对抗毁性评估的适应性相对较差。

表2 发射平台抗毁性评估SPO模型框架

2.5 CIPP评价模型

CIPP评价模型法根本要义在于通过动态化评价方式对评价内容进行整体衡量,目前主要应用于评价教育质量状况。基于CIPP法,以发射平台抗毁性逻辑对抗过程为路径,分别从背景评价、输入评价、过程评价和结果评价四个维度构建准则层,建立发射平台抗毁性评估指标体系的CIPP框架如表3所示。由表3可知,基于CIPP法构建的发射平台抗毁性评估指标体系,从抗毁性所处的战场环境进行分析,建立了包括敌我对抗和战场因素在内的综合影响系统,该方法构建的评估指标体系系统全面,而且逻辑性较好。

表3 发射平台抗毁性评估CIPP模型框架

3 讨论与分析

为检验所构建的评估指标体系的有效性,分别从指标体系的完整性和逻辑关联性两个方面分析,讨论指标体系构建方法的优劣差异和适用性。

3.1 基于自信息量的指标体系完整性分析

指标体系作为反映评估对象特征的统一整体,体系中的每个指标都包含一定的反映评估对象特征的信息量。笔者根据复杂网络理论中的节点效率和自信息量模型,对抗毁性评估指标体系中的各指标信息量进行计算。基于第1节作战域内抗毁性的逻辑演化过程,以抗毁性影响因素为节点,以影响因素之间的逻辑演化为边,由于抗毁性的逻辑演化过程具有方向性,构建发射平台抗毁性影响因素有向网络拓扑模型如图4所示。

设该网络G=(V,E),其中V={v1,v2,...,vn}表示G中节点的集合,E={(vi,vj)|vi,vj∈V}表示G中边的集合。记An×n=(aij)n×n为对应的邻接矩阵,有aij=1,否则aij=0。

网络中的节点效率能够反映出该节点在网络信息传输过程中的作用,节点效率越大,该节点在网络中的地位越重要,同时给边带来的不确定性就越小。设网络中两个节点i和j之间的路径距离为dij,有:

dij(l)=(1-δij-dij(l-1)-dij(l-2)-…-
dij(1))U(aij(l)),

(1)

式中,U为单位指示函数。当i=j时,δij=1;否则δij=0。

则节点i的节点效率ηi为

(2)

定义节点i的自信息量Ii为

Ii=-lnηi.

(3)

计算得到发射平台抗毁性各影响因素所包含的自信息量,如表4所示。

表4 影响因素的自信息量

由表4可知,在全作战域中,发射平台抗毁性影响因素中包含信息量最大的是功能失效容限,信息量达到2.197 2,包含信息量最小的是战场环境因素,信息量为0.604 6。其中,与发射平台自身相关的影响因素所包含的信息量总值为8.038 7,占全作战域总信息量的66.03%,说明发射平台在全作战域中,虽然受到战场环境和敌方打击等因素的影响,但自身属性仍然占主导地位。

定义发射平台抗毁性评估指标体系中,各指标所包含的信息量Ik占全作战域总信息量IQ之比的总和,为评估指标体系在全作战域评估时的完整性εQ,即

(4)

定义发射平台抗毁性评估指标体系中,各指标所包含的信息量Ik占发射平台自身属性总信息量IW之比的总和,为评估指标体系在发射平台自身属性评估时的完整性εW,即

(5)

计算不同构建方法的发射平台抗毁性评估指标体系完整性结果如图5所示。

由图5可知,在全作战域下进行抗毁性评估时,CIPP评价模型法构建的指标体系完整性最高,达到1;在发射平台自身属性的抗毁性评估时,QFD、PSR和CIPP模型法均达到完整性为1;SPO法构建的指标体系完整性次之,这是由于未考虑毁伤激励维度的指标;FTA法在两种状况下的指标体系完整性均为最低,分别为0.147 2和0.222 9,这是因为FTA法是基于发射平台系统功能-部件分解的,指标体系主要反映了各部件的结构强度。

3.2 基于层次聚类的指标体系逻辑关联性分析

为了探究不同评估指标体系构建方法的逻辑关联性,分析指标体系与不同构建方法准则层的隶属关系,笔者基于层次聚类法,并采用与指标分解步骤相反的凝聚式层次聚集快速GN(Girvan Newman)算法,对图4所示的抗毁性影响因素网络模型进行分析,GN算法如图6所示。

按照图4所示的抗毁性影响因素有向网络模型中的节点编号,计算得网络G的层次聚类树图如图7所示。

由图7可知,抗毁性影响因素有向网络模型中的节点层次聚类为3个社区,分别为红社区0、1和2;蓝社区3和4;绿社区5、6、7、8和9。这说明按照发射平台抗毁性影响因素的逻辑关联属性,抗毁性影响因素可以分为三类。其中,由发射平台自身属性决定的影响因素为红社区1;蓝社区3;绿社区6、7和9。将上述逻辑关联分类与不同指标体系构建方法的准则分类相比,得到如表5所示的聚类对比关系。

表5 不同指标体系构建方法的聚类对比

由表5可知,基于PSR模型法,按照压力-状态-响应准则构建的评估指标体系,与按照发射平台抗毁性影响因素的逻辑关联属性进行的分类相似性相对较高。即说明基于PSR模型法的评估指标体系构建方法,逻辑关联性相对较强,更适合应用于抗毁性评估。

3.3 评估指标体系构建方法对比

通过对不同评估指标体系构建方法在完整性和逻辑关联性两个方面的讨论分析,可以得到不同构建方法的优劣对比,如表6所示。

表6 不同构建方法的优劣对比

由表6可知:

1)基于QFD、PSR和CIPP模型法构建的抗毁性评估指标体系,与基于对抗逻辑建立的抗毁性影响因素相同,在发射平台自身属性的抗毁性评估时指标体系所包含的信息完整性为1。这既说明了QFD、PSR和CIPP模型法具有完整的指标体系构建效果,也通过不同的方法反映了所构建的指标体系具有较好的一致性。

2)基于PSR模型法构建的抗毁性评估指标体系,与按照发射平台抗毁性影响因素的逻辑关联属性进行的层次聚类的结果相同,在发射平台自身属性的抗毁性评估时采用PSR模型法具有较好的逻辑性,这说明了PSR模型法能够有效减弱指标体系构建时主观性的影响。

3)相对于其他指标构建方法,基于PSR模型法的评估指标体系构建方法在完整性和逻辑关联性上均具有较好的效果,适合应用于抗毁性评估指标体系的构建。

4 结论

笔者针对现阶段评估指标体系构建中存在的主观性较强、逻辑关联性较弱、系统认知差异较大等问题,以发射平台抗毁性评估为对象,分别从影响因素分析、不同指标体系构建方法探究和指标体系构建方法有效性分析3个方面进行研究,得出以下结论:

1)基于敌我对抗逻辑建立的武器装备抗毁性演化过程,明确了抗毁性评估的研究范畴是从“是否被判别攻击”到“是否被毁伤功能”的过程,该方法能够较为客观、系统和逻辑化的反映出武器装备抗毁性的影响因素,减弱评估的主观性,增强逻辑性,减少系统认知差异。

2)通过基于FTA法、QFD法、PSR模型法、SPO模型法和CIPP评价模型法5类常用评估指标体系构建方法的研究,发现抗毁性评估指标体系主要由“战场军事价值”“各部件结构抗力”“各功能失效容限”和“战术机动性”组成,不同指标体系构建方法反映了这一指标体系的一致性。

3)通过基于自信息量和层次聚类分别从完整性和逻辑关联性,对不同方法构建的指标体系的有效性进行分析,发现基于PSR模型法的评估指标体系构建方法,完整性为1,且层次聚类与抗毁性的演化过程在逻辑关联性上相似性较高,适合应用于抗毁性评估指标体系的构建。