多层次多维度网络化航天装备效能评估方法研究

彭妮娜，殷建丰，王 倩，皇 威

(北京空间飞行器总体设计部，北京100094)

1 前言

航天装备种类多，涉及专业技术领域广，作战运用模式各异，随着我军信息化的快速发展，种类多样的航天装备在信息系统的牵引下逐步融合为装备集群、体系，对其作战效能、作战适应性、体系适用性、体系融合度等进行评估成为热点研究课题，建立能够被高度认同的评估指标体系和可靠可信的评估算法模型是本文的关键点和难点。本文提出了多层次多维度网络化评估指标体系构建技术，构建了一套多层次多维度的评估指标体系框架。提出了层次分析法和网络分析法相结合开展多方案多目标大样本的比对分析，通过探索性分析进行关键指标分析，不断优化评估指标体系和评估算法模型。并在此基础上形成了航天装备体系效能评估系统，有效支持航天装备效能评估分析应用。

2 多层次多维度网络化评估指标体系框架构建

1)网络化评估指标体系

航天装备体系是典型的网络化体系，具有显著的体系复杂性特点，如整体涌现性、适应性、进化性、不确定性等。体系能力是体系整体涌现的结果，是体系在演化过程中发生“相变”产生的新性质，因此既不能按照还原论方法将组分系统能力进行叠加组合，也不能简单地由统计规律获得。网络化体系效能评估应当转变传统基于还原论和决定论的思维模式，抛弃体系效能指标相互独立的假设，抛弃体系能力可分解的假设，由“指标树”转变为“指标网”，由“简单和”转变为“涌现和”。

体系效能的各项指标之间实质上是相互关联的网状结构而非树状关系，各指标之间存在复杂的关联关系而非彼此独立，某些指标的提高可能引起其他相关指标下降，这正体现了体系的“非还原”性质。应当正视体系效能指标间的复杂关联关系，建立网状指标体系，研究基于网状指标体系的效能评估方法。

寻找能够直接刻画体系整体涌现性的效能指标。体系层面的效能指标必须反映体系的宏观性质。一方面，体系效能指标值可以采用合适的方法对体系进行“测量”得到，而不是由局部指标聚合获得；另一方面，体系效能指标本身也不再进行指标综合。

探索体系效能“微观-宏观”之间的联系。体系具有其组分及其组分之和所没有的新能力。这种能力虽然在离散的组分系统累加中无法获得，但各类组分系统之间的“微观-宏观”联系，隐含着体系能力涌现的内部机制。体系效能评估就是要探寻组分系统之间的相互作用关系与体系整体性效果之间的关联关系，进而揭示体系效能涌现性的生成机理。从指标角度看，就是要探寻组分系统的效能指标以及刻画网络化效应的指标与体系层面效能指标之间的关联关系。

2)层次化评估指标体系

航天装备效能指在规定条件下达到规定使用目标的能力，可以分为作战行动的效能和武器系统效能，武器系统效能又可分为单项效能、系统效能和作战效能。本文构建了基础指标层、系统作战效能层、任务使命效能层、方案效能层、综合效能层5个层次评估指标体系，各层次的定义如下：

①基础指标层：是评估指标体系中的底层指标，是系统作战效能、任务使命效能、方案效能和综合效能评估的基础和起点，主要是通过大样本仿真数据结算获得；

②系统作战效能层：指运用装备系统时，就单一使用目标而言，所需达到的程度是对组成体系的各系统单元在体系环境中功能的发挥情况进行度量，包括导航、通信中继、卫星侦察、测绘卫星、气象卫星、海洋卫星、应急发射、地面测控等装备的作战能力；

③任务使命效能层：指在规定条件下，运用天基系统执行规定的作战任务所能达到预期目标的程度。是将装备集群置于联合作战对抗环境下，通过任务行动来评估装备系统的效能，包括航天侦察、通信中继、导航定位授时、军事测绘、气象海洋观测、航天发射与传输、航天测控与指挥等典型作战任务使命效能；

④方案效能层：基于对作战方案、模拟训练方案、试验鉴定方案等的仿真推演，开展对方案本身的可行性、合理性进行评估，包括作战方案的质量，模拟训练方案覆盖度、难度、真实度以及便捷度，试验鉴定方案作战试验要素覆盖度和方案可执行性等；

⑤综合效能层：对系统作战效能、任务使命层效能、方案效能进行综合分析和统计，得到整体效能，如装备体系作战效能、装备体系集群作战效能、体系贡献率等综合性指标。

图1 航天装备效能评估指标体系构建方法

3 基于探索性分析的航天装备评估方法

基于已构建的多层次多维度网络化效能评估指标体系，通过大样本仿真试验来评估分析关键指标，不断优化评估指标体系和评估方法，逐渐完善形成科学、合理、完备的指标体系和评估模型。在评估任务中，涉及专业技术领域广，作战运用模式各异，装备体系复杂等特点，为保障生成的仿真试验样本满足评估任务要求，本文采用基于评估要求的大样本仿真试验生成技术，该技术利用探索性分析法对需求空间即评估要求空间、想定空间、能力空间、结果空间、分析建模五个方面进行探索性分析建模，对评估的未知、不确定性因素进行探索分析，对这些因素进行变量聚合，对聚合后的变量进行全局灵敏度分析或方差分析，对参数的灵敏度进行排序，全面获取不确定因素对研究目标的影响，并生成多想定大样本仿真试验。该方法的优点是考察大量不确定条件下各种想定的不同结果，更强调宏观和全局视角，理解和发现复杂现象背后数据变量之间的影响关系，如下图所示。

图2 基于评估要求的航天装备效能探索性评估分析技术流程

应用流程描述如下：

1)确定评估任务的目标和需求，根据评估要求确定评估指标体系和关键影响因素；本文中依据已构建的一体化多层次评估指标体系形成了标准仿真想定库和关键因素以及关系模板库，能够根据用户设置的评估要求和评估指标体系自动匹配标准仿真想定和关键影响因素模板。

2)以关键因素为基础生成因素空间，增进对问题的全局理解；

3)利用多种知识来源，结合问题分析树，对因素进行变量聚合，列出所感兴趣的需重点考虑的不确定性因素；

4)结合分析模型，对这些聚合后的变量进行全局灵敏度分析或方差分析，对参数的灵敏度进行排序，全面获取不确定因素对研究目标的影响；

5)在综合考虑因素敏感度和分析计算能力的前提下选取部分重要参数进行探索，根据不同问题使用不同探索性分析方法，即参数探索、概率探索、混合探索等，研究这些不确定性因素在模型中的表现形式和对分析结果的影响。

6)对探索性试验数据进行分析，通过评估指标结果以及综合评估结果等分析不确定性因素对评估结果的影响，最终为评估指标体系的优化、关键影响因素的选择、多方案的比对提供定量化的决策依据。

4 航天装备体系效能评估系统架构组成

根据上述多层次多维度网络化航天装备效能评估指标体系框架和评估方法进行航天装备体系效能评估系统设计，系统基于统一的开放式微服务云架构，以仿真推演数据为主，其他多源数据为辅，进行分系统总体设计，如图3所示。

图3 航天装备体系效能评估系统总体设计

数据层：为评估分析数据资源提供统一的存储和管理，包括仿真数据、试验数据、历史数据等。

评估资源：为通用软件平台提供一系列可用的资源，包括评估指标资源、评估模型资源、评估算子资源；同时，对分系统的运行数据进行统一的管理，包括评估方案、评估任务、分析计算数据、预处理模板、报告模板、图表样式模板、评估结果数据等；

通用软件平台：为分系统提供核心功能模块，包括评估资源管理、评估方案设计、评估计算管理、评估结果展示生成等；

定制业务服务：面向用户具体应用业务，包括作战研究、模拟训练、装备规划以及试验鉴定，为评估用户及仿真系统提供的各类应用服务。

系统组成如图4所示，包括评估通用软件平台和评估资源库。

图4 系统组成

5 航天装备体系效能评估系统应用流程

系统应用流程如图5所示。

图5 系统应用流程示意

具体过程描述为：

1)自动评估运行方式

①评估用户预先对评估模型、数据源、处理流程等要素进行定制，发布至共享资源池中，供组装推演仿真分系统选择定制；

②选择评估要求，包括评估资源选择信息和评估数据源筛选条件，向评估软件下达评估指令；

③评估软件自动完成指定评估资源的加载，其评估计算功能后台运行，按照数据解析协议，从数据共享池读取仿真数据，对评估工程进行实例化配置，前端界面主要显示评估任务信息和评估计算结果；

④执行评估计算任务，生成评估结果，并依据用户定制的展现形式进行输出。

2)在线评估运行方式

①开展方案仿真推演前，在配置评估资源的基础上，设定需要进行实时评估的分项指标，定对所使用的仿真成果数据源进行定制；

②评估软件接收组装推演分系统评估指令，按照实时评估要求对评估工程进行设置，进行实时接收仿真推演成果的准备；

③仿真过程中，按照仿真数据接口和交互协议，在线实时接收推送的仿真数据，与加载的评估资源进行匹配关联，实时进行评估分析和数据展示。

3)交互评估运行方式

①评估用户构建的评估工程、评估模型和指标体系等资源，依据评估需要进行配置；

②检索和加载仿真成果数据，映射至评估数据源，并可对评估标准、输出显示方式等进行设置；

③执行评估计算，生成评估成果。

4)大样本评估运行方式

①用户对大样本仿真试验结果进行分析比较的条件进行设置，如多方案优化比较、多试验因子分析等，在评估计算之前或之后设置均可；

②按照各试验样本对分析条件进行归类整理，并按照分析条件对评估数据进行分组统计；

③实施对比分析计算，按照用户定制的形式输出分析结果。

图6 评估系统界面示意

图7 结果显示界面示意

6 结论

本文给出了多层次多维度网络化航天装备效能评估方法，针对不同评估需求给出网络化评估指标体系和层次化评估指标体系的构建框架，基于探索性分析指导模式，采用层次分析和网络分析相结的方法开展多方案多目标大样本的比对分析，不断优化评估指标体系和评估算法模型。本文的研究工作有效指导航天装备效能评估系统建设，并应用于航天装备基础能力指标、系统作战效能、任务使命效能、方案效能、综合效能评估，对装备规划论证、在轨应用、模拟训练、试验鉴定研究提供定量化参考依据。