基于体系工程的军事模拟训练中心效费分析研究∗
2021-04-06
（海军工程大学 武汉 430033）
1 引言
随着科学技术的飞速发展，战争形态日益体系化、信息化，推动武器装备朝着复杂化、大型化、信息化的方向发展。但同时武器装备的造价不断提高，操作难度不断增加，用实装来训练士兵消耗巨大且形成战斗力的时间更长。因此，世界各国都开始大力发展军用军事模拟训练器械。据预测，北美地区军用模拟仿真市场在2019年～2025年之间将达到606亿美元，亚太地区预计为426亿美元。中国在2018年模拟仿真产业规模达到了3000多亿元。
军事模拟训练不仅仅可以用于士兵军事技能训练，在军事领域的各个方面都能有所应用，因此建设军事模拟训练体系工程的需求日益迫切。体系工程源于系统工程，但高于系统工程，是实现系统最优化的科学，重在项目的规划和实施，追求不同系统网络集成的最优化，集成这些系统以满足某一项目（即体系问题）的目标，具有能力集成、需求复杂、学科交叉、系统交互与平衡工程的特点［1］。
军事模拟训练体系工程由军事训练系统、武器试验系统、定期考核系统、军地技术融合系统、军事模拟训练五个系统构成，如图1所示。其中，军事模拟训练中心是军事模拟训练体系工程的核心系统，通过与其他四个系统的集成与平衡，形成了从论证试验到武器升级、从掌握各型装备操作技能到模拟体系作战、从军用到民用、从民用到军用的四维一体的立体训练模拟体系，能够满足体系作战指挥模拟、复杂装备操作培训、武器研发测试等多目标的需要。
图1 军事模拟训练体系构成
2 效费分析研究现状
本文主要探究的是基于体系工程的军事模拟训练中心的效费分析和综合评价。在军事模拟训练效能评估方面，孙青虎［2］从军事效益和经济与社会收益两个监督建立评价指标，运用综合评价方法对模拟训练中心建设的管理效能进行了评估。曾洪祥［3］通过构建系统对抗和战术场景下的效能评估目标，运用解析法、仿真法和实物外场实验等方法对雷达电子战仿真模拟进行了效能评估。高彬［4］提出将在电子对抗模拟系统中加入作战效能模块从定量和定性两个方面对整个模拟电子战效果进行评估。赵军仓［5］应用WSEIAC武器系统效能评估原理，对仿真作战环境中无人攻击雷达的作战效果进行了评估。林圣琳［6］提出了一种基于复杂昂贵仿真的体系效能优化算法，并利用某防控体系模拟系统验证了算法的有效性与可行性。
在费用分析方面，美国国防部最早于20世纪60年代提出了全寿命周期费用概念。目前，在全寿命周期费用估算方法上，国内外学者进行了大量研究。如，Kleyner提出了参数法［7］，Verlinden研究利用人工神经网对费用进行估算研究［8］，陆中等研究了基于着色Petri网法的费用估算方法［9］。
在效费分析上，目前使用较为广泛的三个准则是最小费用准则、最大效能准则和费效比准则。张坚毅［10］分析了飞行模拟器的效能和和费用影响因素，并在其基础上分别探究了运用关联矩阵法和比例法对其进行效费分析。范扬洲［11］提出了二重效费分析模型，即在分析独立的效能后再结合费用分析进行效费分析。王剑［12］利用可拓学理论模型对大型复杂航空飞行器的效费权衡进行了研究。
本文基于以上研究，探讨运用可拓学理论对基于体系工程的军事模拟训练中心进行效费分析和综合评价。在效费分析实例分析中，结合军事模拟训练中心效能和费用影响因素的特点，构建了基于改进ADC方法的效能影响因素指标体系和全寿命周期费用影响因素指标体系，通过实证对构建模型的可行性和有效性进行了检验。
3 效费分析可拓模型的构建
3.1 可拓学理论的概念
效费分析是对系统费用和效能的综合研究，是系统费用与效能的权衡，追求装备效能最大化和最小化是一个相对矛盾、相互对立的多目标决策问题［13］。可拓学作为一种解决矛盾的有效方法，可以被用以研究军事模拟训练中心的效费权衡问题。
可拓学理论最早由中国学者蔡文提出，它以形式化的模型，探讨事物拓展的可能性以及开拓创新的规律和方法，并用于解决矛盾问题［14］。可拓学主要包括基元理论、可拓集和可拓逻辑三部分内容。基元作为可拓学的逻辑细胞，是指物元、事元和关系元的集合，通过基元可以从物、事、关系三维角度形式化描述各种复杂问题，并建立相应的可拓模型。可拓集是在基元的基础上对各种复杂问题进行定性与定量相结合的分析，通过建立关联函数定量研究复杂问题量变和质变的范围，并得到相应的稳定域和可拓域。可拓逻辑结合了辩证逻辑和形式逻辑，是可以用计算机表达的基元和可拓集外拓的变换关系。
基于可拓学理论的军事模拟训练中心效费权衡正是将效能和费用影响因素作为基元，通过分析效能和费用之间关系不断外拓更佳方案的过程。
3.2 效费物元可拓模型的构建
步骤1建立高阶物元模型
式中，P是指军事模拟训练中心方案；E是指效能；E(P)为效能度量值；C为全寿命周期费用；C(P)为费用度量值。
步骤2建立低阶物元模型
式中，Ph为对应的第h个方案；X为效费分析影响因素；X(Ph)为效费分析影响因素量值。Ei，Cj（i，j=1，2且i+j=n）分别代表效能影响因素指标和费用影响因素指标；Ei(Ph)，Cj(Ph)分别代表效能指标和费用指标量值。
步骤3确定低阶物元模型经典域和节域
对效费的影响因素指标划分评价等级，并规定相应取值范围，得到经典域Q3：
式中，Ot为设定的相应的评价等级；Y(Ot)代表各个等级对应指标的取值范围；
根据各个影响因素指标在所有等级内的量值值域，得到基元模型的节域Q4：
式中，Z(Ph)为各方案对应效费分析影响因素指标的规定量值范围。
步骤4利用熵权法确定各指标权重
1）对各指标进行归一化处理，得到无量纲值。
式中，y为处理后的无量纲值，x为某具体指标评价分值，θ为量值平均数；σ为量值标准差。
2）构造决策矩阵Ruv=Rn×h，h为方案数量，（i+j）为指标数量。
3）计算各个指标的熵值
4）计算各指标熵权权重
根据式（5）～（8）得到各个指标的熵权权重q=（q1，q2…qn）。
步骤5计算每个方案关于各等级的关联度
计算评价指标X(Ph)所对应的值与
得到h个方案中每个方案关于各个等级的综合关联度Mt(Ph)=(tx1，tx2...txn)。
Max(tx1，tx2...txn)对应的评价等级即为该方案的评价等级。
通过比较各方案的等级确定效费最优的方案，并对效能和费用影响因素中权重值最大相对应的指标进行调整以优化方案。
4 实例分析
4.1 建立军事模拟训练中心效能影响因素指标体系
军事模拟训练中心是军事模拟训练体系工程的核心单元，其效能影响因素不仅包括自身系统的功能实现还包括对军事模拟训练体系工程的贡献程度。考虑到基于体系工程的军事模拟训练中心的特点，因此改进ADC模型建立的效能影响因素指标。在原有可用性、可信性和能力的基础上加入兼容性和开放性两项指标。如图2所示。
图2 军事模拟训练中心效能影响因素指标体系
兼容性是指硬件之间、软件之间或是软硬件组合系统之间的相互协调工作的程度；开放性是指包括软件系统、硬件模块、分析数据等所有组成部分的开放程度。
4.2 建立军事模拟训练中心费用影响因素指标体系
为计算军事模拟训练中心全寿命周期费用，按照全寿命周期费用计算公式对军事模拟训练中心的不同寿命阶段进行分解。
并通过分析各阶段费用的构成构建影响因素指标体系。如图3所示。
图3 军事模拟训练中心全寿命周期费用影响因素指标体系
依照相关数据和资料，确定方案P1、P2和P3，并得到效能和费用影响因素指标的量值如表1所示。
表1 效能和费用影响因素指标量值
4.3 根据效能和费用影响因素指标体系确定物元模型的经典域Q3和节域Q4
根据式（5）～（8）得各指标熵权权重q=（0.1357，0.1336，0.1381，0.1313，0.1313，0.0637，0.099，0.1144，0.0519）。
根据式（9）得到三个方案关于好、较好、一般、差四个等级对应的的关联度：
由此可知，三个方案评价等级依次为一般，好和较好，因此方案二为效费比最优方案。同时根据各指标熵权重系数，可知在效能层面着重提高能力和可用性、在费用层面着重降低使用保障和建设费用可以更有效的优化方案。
5 结语
本文针对基于体系工程的军事模拟训练中的特点，在文献研究和专家调研的基础上提出了军事模拟训练中心的效能和费用影响因素指标体系，并通过运用可拓学理论建立了效费分析物元模型，最后通过算例验证了模型的适用性。上述指标体系和模型对科学建设军事模拟训练中心、有效评价模拟训练中心综合实力、完善模拟训练体系工程有一定的借鉴意义和应用价值。
