武器装备体系结构贡献度评估

罗小明， 何　榕， 朱延雷

(1. 装备学院航天指挥系， 北京 101416； 2. 装备学院研究生管理大队， 北京 101416)



武器装备体系结构贡献度评估

罗小明1， 何榕2， 朱延雷2

(1. 装备学院航天指挥系， 北京 101416； 2. 装备学院研究生管理大队， 北京 101416)

定义了武器装备体系结构及其结构贡献度的基本概念，构建了武器装备体系功能结构和信息结构贡献度评估指标体系，研究了基于复杂网络理论和结构方程模型(Structual Equation Modeling，SEM)的武器装备体系结构贡献度评估方法，并通过某反导预警装备体系结构贡献度分析示例，描述了武器装备体系结构贡献度评估的具体过程和做法。

武器装备体系结构； 体系贡献度； 结构贡献度； 复杂网络； 结构方程模型

武器装备体系结构是构成武器装备体系的各类武器系统及其相互关系。它决定了武器装备体系的形态、属性和功能，也是武器装备体系连通战场信息、保持各组分系统有序运作、发挥整体效能的内在依据。研究武器装备体系结构的建模、特性度量与优化等机理和方法，回答“结构是什么”、“结构贡献度评什么”、“结构贡献度怎么评”等问题，既是武器装备体系建设与科学发展的基础，也是武器装备发展论证、作战试验开展、作战使用保障和实战化训练等迫切需要解决的关键问题。

1　基本概念

1.1武器装备体系结构

基于SCAS(Sensor-Controller-Actuator-Supporter)的柔性建模方法，可将武器装备体系的组分系统分为侦察探测系统(传感器类(Sensor))、指挥控制系统(控制器类(Controller))、火力打击系统(执行器类(Actuator))和综合保障系统(支持器类(Supporter))。其中：侦察探测系统包括预警、侦察、情报和战场监视系统；指挥控制系统包括作战指挥、通信和战场管理系统；火力打击系统包括火力打击平台或主战武器系统；综合保障系统包括作战保障、装备保障和后勤保障系统[1-3]。因此，武器装备体系结构可定义为：用于实现侦察探测、指挥控制、火力打击和综合保障等功能的各类武器装备系统，以及这些武器装备系统之间的数量关系、空间关系、时间关系、信息保障关系和作战协同关系等。笔者将武器装备体系结构划分为功能结构和信息结构2大类。其中：功能结构主要描述武器装备体系的适编性、灵活性、高效性和鲁棒性[4]119-121；信息结构主要描述武器装备体系的信息保障质量、信息保障时效性及作战协同能力。

1.2武器装备体系结构贡献度

武器装备体系结构贡献度可定义为[5]：对己方作战体系结构效能(能力)提升的贡献程度，或对敌方作战体系结构效能(能力)下降的贡献程度。具体表现为体系结构特性或能力(“质”)、体系结构效能(“量”)的变化量(直接贡献度)和变化率(相对贡献度)。

2　功能结构贡献度

武器装备体系功能结构贡献度评估指标体系如图1所示。

图1　武器装备体系功能结构贡献度评估指标体系

2.1任务编成能力

在体系作战或联合作战中，单件武器装备之间、单件武器装备与武器装备系统之间、武器装备系统与系统之间的交链耦合性越来越强，单件武器装备如不能融入作战体系，就无法发挥其作战效能。如：作战中是否需要保障，是否能实施有效保障；装备战斗编组是否能充分发挥综合打击能力，是否能自身防卫或在其他武器防护下提高生存能力和突防能力；人机结合是否合理，战时是否能实现快速修复等。对这种结合的把握，既要考虑该装备自身的战术、技术性能和作战使用性能，又要考虑该装备与其他系统的综合集成度以及与部队行动的协调匹配性，其实质就是任务编成(即适编性)问题。

2.2结构特性能力

灵活性、高效性和鲁棒性是武器装备体系结构应具备的基本特性[4]119-129。灵活性(Flexibility)反映武器装备体系结构适应其作战任务及内、外部环境变化的能力(如配置能力、接入能力、组合能力和调整能力等)，其结构特性主要用聚集系数[4]125和度分布[4]123来衡量。其中：聚集系数反映武器装备体系结构的整体性(集团化)程度；度分布反映武器装备体系中各组分系统的拓扑连接情况。高效性(Efficiency)是对武器装备体系结构运行效率的综合度量，体现体系结构高效性的要素主要包括时效性、协同性、共享性、择优性和均衡性，其结构特性主要用平均路径长度[6]或网络效率来衡量，其中：平均路径长度用来表征武器装备体系的有序运作特性。鲁棒性(Robustness)反映武器装备体系各组分系统及其相互关系在失效或降效等情况下仍保持原有效能的能力(有时也称为健壮性)，可用抗毁度来衡量。抗毁度主要用于描述武器装备体系结构中各组分系统及其相互关系发生失效或遭受攻击的条件下，武器装备体系结构保持连通的能力。聚集系数、度分布、平均路径长度、网络效率和抗毁度等为表征复杂网络结构特性的参数，其定义及计算方法如下[6-7]：

1)聚集系数

(1)

(2)

(3)

式中：N为网络的总节点数。

显然，0≤C≤1。当网络中所有的节点均为孤立节点，即没有任何连接边时，C=0；当网络中任意2个节点都直接相连时，C=1。

2)度分布

(4)

网络中节点入度和出度的分布情况可分别用分布函数P(k)in和P(k)out来表示，分别表示网络中其入度值和出度值刚好等于k的节点在整个网络中所占的比例。

3)平均路径长度

网络G中2个节点vi和vj之间的距离dij定义为连接这2个节点的最短路径上的边数，其倒数1/dij称为节点vi和vj之间的传输效率，记为εij。通常效率用以度量节点之间的信息传递速度，当vi和vj之间没有路径连通时，dij=∞，εij=0。

网络中任意2个节点之间距离的最大值称为网络的直径，记为D，即

(5)

网络G的平均路径长度L定义为任意2个节点之间距离的平均值，即

(6)

一般地，平均路径长度越大，说明该体系层次越多，体系中信息的流动、共享和同步将会越困难和低效。

4)网络效率

网络G的全局效能(网络效率)的计算公式[7]为

(7)

5)抗毁度

一般地，体系结构抗毁度值越大，表明体系的连接程度越好，即鲁棒性越好。记体系结构的抗毁度Inv(G)[4]127为

(8)

式中：ω为该体系结构所包含的连通分支数；Ni为第i个连通分支的节点数；Li为第i个连通分支的平均路径长度。

3　信息结构贡献度

武器装备体系信息结构贡献度评估指标体系如图2所示。

图2　武器装备体系信息结构贡献度评估指标体系

3.1信息保障质量

信息保障质量主要从文字、语音和图像3个方面对信息互联互通能力进行度量[8]99。其中：文字保障质量主要采用带宽、可靠度和速度来描述；语音保障质量主要采用带宽和可靠度来描述；图像保障质量主要采用带宽、可靠度和分辨率来描述。信息保障质量主要采用定性评分法进行评定，一般将信息保障质量分为“很高、较高、中等、较低、很低”5个等级，并分别赋值(0.85，1]、(0.60，0.85]、(0.40，0.60]、(0.15，0.40]、[0，0.15]。

3.2信息保障时效性

时效性是指武器装备体系中各武器装备系统之间进行信息、物质和能量交流的快慢程度。时效性越强，各武器装备系统之间的交互就越顺畅，武器装备体系的作战效能(能力)就越高。信息保障时效性反映信息获取/处理/分发单元、决策控制单元及响应执行单元等信宿单元能否及时获取相关保障信息，其为信息获取(侦察探测)单元、信息处理单元和通信保障单元等信源单元发送信息到信宿单元(指挥控制系统、火力打击系统、综合保障系统)接收到该信息的平均时间间隔[4]189-192。

3.3作战协同能力

作战协同能力主要反映武器装备体系在指挥决策和作战控制等方面的能力或效果，一般可用指挥控制周期(或OODA环时长，OODA指Observe(观察)、Orient(判断)、Decide(决策)、Act(行动)或侦(察)、控(制)、打(击)、评(估)过程)、指挥容量(指挥控制系统能够同时指挥控制的武器系统(平台)或作战部队(作战单元)的最大数量)、武器协同控制能力(包括武器协同类型、数量、时效性和准确性)、作战控制成功率(指挥控制系统对武器系统(平台)或作战部队(作战单元)控制成功的次数与总的控制数之比)等指标来衡量[3]。

3.4信息结构贡献度的SEM建模与评估

3.4.1SEM的基本原理

结构方程模型(Structural Equation Modeling, SEM)又称结构方程建模或结构方程分析。其基本思想是在显变量(Observed Variable)和潜变量(Latent Variable)定性关系模型的基础上，通过利用显变量的观测数据将这种定性关系模型转换为定量关系模型，并对该定量关系模型进行参数检验和拟合程度检验，直到得到满意的SEM[8]131。

3.4.2信息结构贡献度SEM建模

图3　武器装备体系信息结构贡献度评估的SEM

变量潜变量(信息结构能力指标)显变量(信息结构效能指标)外生变量文字保障质量x1信息保障质量ξ1语音保障质量x2图像保障质量x3信息获取时长x4信息保障时效性ξ2信息处理时长x5信息传输时长x6内生变量作战协同能力η1指挥控制周期y1指挥容量y2 武器协同控制数量y3 作战控制成功率y4

模型的测量方程为

(9)

(10)

于是，可得武器装备体系信息结构效能、信息结构能力、信息结构贡献度指标之间的定量关系模型为

(11)

(12)

(13)

由此可见：当获得x1，x2，…，x6和y1，y2，…，y4的测量值时，即可解算出信息结构能力指标ξ1、ξ2和η1，并通过对比分析当x1，x2，…，x6变化时ξ1、ξ2、η1的变化情况，进而分析该武器装备体系相应的信息结构贡献度。

4　示例分析

反导预警装备体系包括由天基情报网、空基/临基情报网及地基情报网组成的侦察探测系统和由通信卫星、通信网及相应的通信交换枢纽等组成的信息传输系统，且通过战略、战役、区域3级指挥机构组成的指挥体系进行统一协调管理，从而构成一体化的多元立体预警体系，其网络结构模型如图4所示[9-10]。

图4　反导预警装备体系结构的复杂网络结构模型

设GA为图4所示的反导预警装备体系，示例GB为无天基情报网支援的反导预警装备体系。表2为2种反导预警装备体系网络结构各参数分析结果。

表2　2种反导预警装备体系结构网络结构参数分析结果

由表2可以看出：与GB相比，GA具有更明显的“扁平化”结构，较小的网络直径和平均路径长度，较高的聚集系数、抗毁度及网络效率，因而GA呈现出更好的灵活性、高效性和鲁棒性。从提升网络效率的角度来看，天基情报网对反导预警装备体系功能结构的相对贡献度为

将信息结构贡献度评估示例SEM输入软件LISREL 8.7，该软件采用极大似然估计法进行参数估计，24个待估参数的估计值及其显著性t检验值如表3所示。表4为SEM的主要拟合指数值。

表3　SEM参数估计值及t检验值

表4　SEM主要拟合指数值

由表3、4可以看出：基于SEM构建的反导预警装备体系信息结构贡献度评估模型及其参数估计值是合理的，可以将估计的参数值作为其结构贡献度评估的参数。利用SEM参数估计值，可得反导预警装备体系信息结构效能、信息结构能力、信息结构贡献度指标之间的定量关系模型为

ξ1=0.439x1+0.422x2+0.457x3-0.188；

(14)

ξ2=-0.388x4-0.407x5-0.439x6+0.296；

(15)

η1=-0.291y1+0.313y2+0.329y3+

0.313y4+0.151。

(16)

表5为2种反导预警装备体系信息结构贡献度评估SEM相应的输入参数，即2种反导预警装备体系结构效能指标测量值。由式(14)-(16)可得相应的评估结果，如表6所示。

由表6可以看出：GA比GB具有更优的信息保障质量、信息保障时效性以及作战协同能力，从提升体系的信息保障质量、信息保障时效性、作战协同能力的角度来看，应该选择具有天基情报网的反导预警装备体系。

表5　2种反导预警装备体系结构效能指标测量值

表6　2种反导预警装备体系的评估结果

5　结论

武器装备体系贡献度是一个新的概念，目前尚处在理论研究和实践探索阶段。“结构决定功能”是系统工程和系统论的基本认识。由于体系的复杂系统特征和结构的灵活、适变和动态特性，使得武器装备体系配置、编配使用、结构优化成为难题，因而亟需探索其结构建模、度量及优化方法。笔者主要研究了武器装备体系结构贡献度的基本概念、评估指标体系以及评估方法等问题，并给出了一个演示示例，以期为武器装备发展论证、体系作战能力建设、作战试验开展、作战使用保障和实战化训练等提供有效的理论基础和技术支撑。

[1]王满玉，蔺美青，高玉良．基于算子的武器装备作战效能评估柔性建模方法与应用[M]．北京：国防工业出版社，2012：3-5.

[2]杨娟，何榕，朱延雷．基于SCAS的防空反导装备体系作战能力指标设计[J]．指挥控制与仿真，2015，37(2)：111-115.

[3]罗小明，何榕，朱延雷．基于SCA和改进ADC的装备作战效能试验方案研究[J]．装备学院学报，2015，26(3)：105-109.

[4]蓝羽石，毛少杰，王珩．指挥信息系统结构理论与优化方法[M]．北京：国防工业出版社，2015.

[5]罗小明，杨娟，何榕．基于任务-能力-结构-演化的武器装备体系贡献度评估与示例分析[J]．装备学院学报， 2016，27(3)：7-13.

[6]孙玺菁，司守奎．复杂网络算法与应用[M]．北京：国防工业出版社，2015：22-28.

[7]阳东升，张维明，张英朝，等．体系工程原理与技术[M]．北京：国防工业出版社，2013：122-133.

[8]罗鹏程，周经伦，金光．武器装备体系作战效能与作战能力评估分析方法[M]．北京：国防工业出版社，2014.

[9]杨娟，朱延雷，何榕．面向装备体系作战效能评估的SEM建模与评估方法[J]．指挥控制与仿真，2016，38(2)：33-36.

[10]李宏权，郑国杰，裴兰珍，等．反导预警作战仿真模型服务体系与方法[M]．北京：国防工业出版社，2015：28-33.

(责任编辑: 王生凤)

Research on Evaluation of Contribution to Weapon Equipment System Architecture

LUO Xiao-ming1, HE Rong2, ZHU Yan-lei2

(1. Department of Space and Command, Equipment Academy, Beijing 101416, China;2. Brigade of Postgraduate Management, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

The paper defines the basic concept of weapon equipment system architecture and its contribution to system architecture. It builds the evaluation index system of contribution to function architecture and information architecture of weapon equipment system. It also has research on the evaluation methods of contribution to weapon equipment system architecture based on complex network theory and Structural Equation Modeling (SEM). Finally, according to the example analysis of anti-missile warning equipment of contribution to system architecture, the paper gives the specific processes and ways of contribution to weapon equipment system architecture evaluation.

weapon equipment system architecture; contribution to system architecture; complex network; Structural Equation Modeling (SEM)

1672-1497(2016)04-0001-06

2016-04-30

军队科研计划项目

罗小明(1966-)，男，教授，博士。

E917

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.04.001