美军面向联合环境的能力试验方法研究_石治国.pdf
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1、试验与测试测控技术2023 年第 42 卷第 7 期收稿日期:2021 01 23基金项目:辽宁省教育厅青年科技人才“育苗”项目(LJ2019QL011)引用格式:石治国,韩波,林木,等 美军面向联合环境的能力试验方法研究 J 测控技术,2023,42(7):47 55SHI Z G,HAN B,LIN M,et al US Military Capability Test Method for Joint Environment J Measurement Control Technolo-gy,2023,42(7):47 55美军面向联合环境的能力试验方法研究石治国1,韩波2,林木2,高爱
2、国1(1 中国人民解放军 91351 部队,辽宁 葫芦岛125106;2 中国人民解放军 92941 部队,辽宁 葫芦岛125000)摘要:针对体系化装备试验需求,简述了美军能力试验方法的模型化驱动过程,分析了能力试验方法的指标体系、评估元模型和“能力走廊”概念,介绍了能力试验方法中对试验空间的探索性分析方法和相关技术,指出了能力试验方法在指标评估中的思路和方法,提出了能力试验方法在系统工程理论方面对我军体系贡献率研究的启示。关键词:美军;能力试验方法;装备;联合环境;联合任务效能中图分类号:TJ06文献标志码:A文章编号:1000 8829(2023)07 0047 09doi:10 197
3、08/j ckjs 2023 07 008US Military Capability Test Method for Joint EnvironmentSHI Zhiguo1,HAN Bo2,LIN Mu2,GAO Aiguo1(1 Unit 91351 of the PLA,Huludao 125106,China;2 Unit 92941 of the PLA,Huludao 125100,China)Abstract:According to the requirements of systematic equipment test,the modeling driving proce
4、ss of US mili-tary capability test method is briefly described The index system,evaluation meta model and the concept of“capability corridor”of capability test method are analyzed,the exploratory analysis method and related tech-nology of test space in capability test method are introduced,and the i
5、deas and methods of capability test meth-od in index evaluation are pointed out At last,the enlightenment of capability test method in system engineer-ing theory for our military system contribution rate research is put forwardKey words:US military;capability test method;equipment;joint environment;
6、joint mission effectiveness由于我军开展装备试验鉴定的时间较短,缺乏系统、全面的试验鉴定理论支撑,因此需要进一步探索如何高效开展一体化联合试验鉴定。美军在装备试验鉴定方面经过多年的研究和实践,取得了许多经验。随着作战样式逐渐向网络化和体系化转变,美军认为,其传统试验鉴定过多关注系统级和体系级产品性能层面的评估,而新的试验鉴定模式应更加关注如何在能力层面发现和解决作战体系存在的问题。由于这种采办策略重点放在能力生成上,因此被称为基于能力的采办(Capability-Based Acquisition,CBA),其试验基本思想是面向联合环境的试验(Test in a Jo
7、int Environment,TIJE)1 2。联合环境是指在不同体系结构、不同类型的异构试验环境资源之间互联互操作构建的联合试验环境。美国国防部基于该思想建立了对应联合环境试验的需求生成机制 联合能力集成与开发系统(Joint Capability Integration and Development System,JCIDS)、体系结构建模规范 国防部体系结构框架(DoD Architecture Framework,DoDAF)和 研 究 机构 联合 试 验 与 鉴 定(Joint Test Evaluation,JTE)项目办公室,美国国防部基于上述机制保证武器装备在试验周期中能够
8、进行高效的联合能力试验和评估3 6。联合环境下武器装备性能的评估与联合使命环境(Joint Mission Environment,JME)相关,联合使命环境74是指通过不同使命、任务功能构建的联合环境。而传统试验鉴定领域中并没有一个合适的理论体系来解决它们之间定义和集成的问题。因此,美国国防部授权JTEM(Joint Test Evaluation Methodology)项目组开发了一种新的模型化方法。此前,美军国防采办政策中已经有一个称为“V 模型”的系统工程方法7,描述了组件、分系统与系统层面的试验方法和规程,用于规范研制试验评估到作战试验评估阶段的采办过程,但“V模型”无法解决能力层
9、面的评估问题,这促使美国国防部开始对已有的研究成果进行整合和创新,并根据实践经验提出了能力试验方法(Capability Test Meth-odology,CTM),该方法适用于联合环境。本文在研究美军 CTM 基本方法和应用的基础上,从模型化描述、评估指标体系与能力走廊、试验空间与MTM 探索性分析方法、能力试验评估方法等方面对CTM 进行综述,最后分析该方法对我军装备试验与鉴定的借鉴意义。1CTM 的模型化描述作为美军面向联合环境试验的指导性方法,CTM包含一整套用以解决能力评估的理论、方法、程序、规程和试验手段8 10。在 CTM 出台以前,美国国防部已经有很多标准和机制用来指导联合环
10、境试验,包括国防部分析议程(Analytic Agenda,AA)、JCIDS、DoDAF和国 防 采 办 系 统(Defense Acquisition System)等。JTEM 在开发 CTM 时采用本体方法建立了一套术语集,对相关的概念进行了统一的规范。这套术语集主要包括 3 个模型11 12:能力评估元模型(Capability Evaluation Meta-model,CEM),用于为 CTM 的评估和操作提供评估指标框架;流程模型,用于提供各个操作之间的流程关系;联合使命环境基础模型。作为 CTM 方法和流程的基础,CEM 从认识论的角度对 CTM 进行了详细的建模,CEM 核
11、心模型如图 1所示,其包括一系列概念和它们之间的关系和规则13。CEM 整合了 DoD 能力、体系、分析基线、能力差和评价指标等概念,为评估“能力”对体系使命效能(Joint Mission effectiveness,JMe)的贡献率提供兼容平台。CEM(又称为“星模型”)与流程模型的输出紧密关联,并形成了一个循环结构,如图 2 所示。该结构描述了 CEM 与流程和若干子流程之间的关系。图 1CEM 核心模型“星模型”的开发和集成联合能力轴如图 3 所示14,该轴按照以下 3 个步骤进行。需求分析。从使命预期效果和关键任务两方面发现能力问题。功能分析和分配。从使命级和任务级层次出发,映射到联
12、合能力域(Joint Capability Area,JCA)。综合设计。在体系层面上进行逻辑设计使得CTM 可以在装备和非装备两方面考察体系能力问题。“星模型”的 2 6 轴,表示系统集成与校核活动,具体如图 4 所示。与“V 模型”相比,CTM 的试验活动更加强调在能力生成过程中建立一个不断校正、改进试验评估活动的循环。该循环有以下好处:84测控技术 2023 年第 42 卷第 7 期图 2CTM 的“星模型”不但关注能力域问题,而且对试验活动本身进行限制,这使得试验能够及时纠正和调整,从而适应特殊的任务需求。发现体系缺陷后,对体系进行调整和改进,为能力生成提供稳定保证。2评估指标体系与能
13、力走廊2 1评估指标体系美军传统的研制试验鉴定是在系统性能层面进行的,侧重于评估单个系统的效能、适用性和生存能力。但是对于由多个系统组成的体系,其整体的能力和性能不能再简单地分解为部分之和。按照分类,体系评估的内容包含了装备和非装备两方面,非装备方面是体系评估区别于传统试验评估最明显的特征,包括条令、组织、训练、装备、领导力、人员和设施(DOTMLPF)。这些新内容的加入大幅增加了试验鉴定的复杂性,因此,CTM 采用了新的评估指标体系,这个评估指标体系在兼容传统试验鉴定的基础上,还将关键联合问题(CJI)、使命预期效果和联合任务整合到一起13。简单地说,CTM 的评估指标体系按照 3 个层次进
14、行衡量,可以描述为以下多元组:Measure=MOE,MOP,MOSA 即指标层主要分为使命效能指标、任务性能指标和体系属性指标。使命效能指标 MOE(Measure of Effec-tiveness)用来评估系统行为、能力、作战环境的变化对使命终态达到、使命目标实现、使命预期结果创建的影响;任务性能指标 MOP(Measure of Performance)用来评估一项任务是否能够完成,例如近空火力支援、联合火力打击任务等;体系属性指标 MOSA(Measure ofSystem/SoS Attribute)是最底层的指标,包括一系列装备和非装备的性能属性。在 CTM 中,能力的评估是在一
15、个特定的想定和环境下进行的,即认为能力是在联合使命环境以及规定的标准和条件下,通过一定的方图 3“星模型”与“V 模型”在需求生成方面对比94美军面向联合环境的能力试验方法研究图 4“星模型”与“V 模型”在试验活动方面对比式和方法完成一组任务,最终达到使命预期效果的程度。系统和体系本身被看作实现任务集的手段之一,最终目的是实现使命预期效果,因此,系统或体系的不同配置和不同运用方式成为试验变量之一,这与关注系统级、体系级产品自身性能的研制试验评估、作战试验评估有明显区别。2 2关键能力问题和关键作战问题为了确保需求部门提出的能力需求可精准地在试验中得以复现,分析人员需要在设计试验之前明确关键能
16、力问题(Critical Capobility Issues,CCI)和关键作战问题(Critical Operational Issues,COI)。关键能力问题用来定义、组织、构建基于能力思想的多维方案空间和多维响应空间。关键能力问题中的主要元素包括要执行的任务、使命预期效果、体系组成、条件(包含威胁和环境因素),其典型表述形式为评估在指定的条件 A 下使用体系配置 Y 执行任务 X以达到使命预期效果 Z 的能力。例如:评估在全面军事行动下,当前/未来指挥控制系统执行战场空间消解任务,以达到联合作战区域内敌方威胁被摧毁或失效的能力。关键作战问题用来定义系统功能的实现与风险,与关键能力问题不
17、同的是,关键作战问题是一个成败型的评价标准,它的失败意味着系统没有满足用户的需求。关键作战问题一般以问题的形式表述,例如:网络化支援装备是否能与现有综合火力体系兼容?在作战环境下系统是否安全运行?某系统的飞行轨迹在线修正能力如何?2 3能力走廊及其矩阵为了规范试验指标的设计过程,CTM 使用了一种称为“能力走廊”的方法9,它将试验评估和联合作战想定(Joint Operational Context for Test,JOC-T)中所有关键因素结合起来,通过多个矩阵描述它们之间的关系。按照不同用途,能力走廊的矩阵可分为能力追溯矩阵和指标追溯矩阵。能力追溯矩阵描述关键能力问题、关键作战问题到使命
18、预期效果、任务和体系元素的映射关系。根据任务需要,能力追溯矩阵灵活可调,示例如图 5 所示。图 5 将关键能力问题映射到 DOTMLPF 条件、任务环境和体系配置的组合中。指标追溯矩阵描述关键能力问题、关键作战问题或者使命预期效果、任务和系统/体系元素到评估指标的映射关系,示例如图 6 所示。图 6 中将关键能力问题映射到使命效能指标、任务性能指标和体系指标中。3试验空间与 MTM 探索性分析方法通过试验指标体系设计,CTM 给出了联合使命效能与其他试验变量之间的关系9,可表示为JMe=f(SoS,JME,JM)即联合使命效能是我方体系 SoS、联合使命环境 JME 和规定的联合使命 JM 的
19、函数。将 SoS、JME 和 JM 作为坐标轴,可以把试验变量看作是在三维空间上的样本空间,称为试验空间。在具体的实例中,每一个坐标轴又可能包含更多的维度,这使得试验空间变得非常复杂。为了在如此复杂的试验空间中展开试验,CTM 采05测控技术 2023 年第 42 卷第 7 期图 5能力追溯矩阵图 6指标追溯矩阵用的策略是通过被称为 MTM 的探索性分析方法对试验空间进行筛选,如图 7 所示。MTM 探索性分析的第1 步是设计一个试验评估策略来生成一个试验空间,并根据试验空间定义的试验因素和试验指标,建立试验需求。第 2 步是将试验空间改进为总体试验空间的子集,可以通过建模仿真技术来确定关键的
20、试验区域。最终的试验是在一个 LVC(Living-Virtual-Constructive,真实虚拟构造)的分布式环境上进行的15 17,通过分析试验结果来判断试验是否满足需求,通过不断重复,完成联合能力的评估。在试验空间的探索性分析中,有很多经典的试验设计方法可以使用,包括正交设计、空间填充设计 18 等,对试验空间进行探索的一般流程如图 8 所示。在这方面已经有很多成功的案例 19 23,例如美国海军研究生院在涉及多达120 个因素的试验中使用了“中央复合设计”23 24,Team6 使用基于Agent 的仿真工具 MANA 对一个“火力支援”任务的试验空间进行了探索性分析 25 31。
21、4能力试验评估方法CTM 试验结果的评估包括数据分析和 SoS/JMe评估 2 条线程,试验结果分析与评估流程如图 9 所示。通过分析试验定性和定量数据,以研究系统/体系在使命环境下对使命效能的贡献是否具有统计意义,并研究在试验期间发生了哪些重要的结果或重要的趋势。SoS/JMe 评估包括探索性分析、综合评估,识别重大发现等步骤。评估过程通常使用的技术包括响应曲面法、分类和回归树、轮廓和交互图、多目标检测响应函数的决策分析等。15美军面向联合环境的能力试验方法研究图 7MTM 探索性分析方法图 8对试验空间的探索性分析过程25测控技术 2023 年第 42 卷第 7 期图 9试验结果分析与评估
22、流程5实例分析下面以一个优化联合空地系统(Joint Air GroundSystem,JAGS)摧毁敌方威胁能力的例子进行说明,JAGS 是一套包含了各种作战实体及其指挥、控制、通信等系统的联合体,该系统使用战术空域集成系统(Tactical Airspace Integration System,TAIS)作为其空域协调和管理的手段。试验包含 2 个变量因素,一个是使用 2 个不同版本的 TAIS 代表当前/未来的系统方案,反映装备层面要素;另一个是使用 2 种不同的指控流程(传统的和简化的)代表非装备层面要素影响。2个因素的组合构成了一个被试“体系”和 4 种不同配置方案,通过执行 4
23、次试验对结果进行分析和评估。5 1试验数据分析流程(1)使命效能指标分析。对于使命效能指标 MOE1“敌方威胁目标失效率”,在 4 种不同的体系配置下各进行了 4 次试验,统计敌方威胁目标失效率,结果如表 1 所示,需关注这 4种不同体系配置是否对使命效能指标 MOE1具有明显影响。表 1敌方威胁目标失效率试验序号运行 1运行 2运行 3运行 4平均185%60%90%80%78 8%290%85%85%80%85 0%389%70%80%80%80 0%470%75%90%85%80 0%这是一个多样本非参数检验问题,使用 Kruskal-Wallis 的 H 统计量进行检验,针对假设 H0
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