PCA和熵權TOPSIS法綜合評估新型信息化裝備保障能力

邱雄飛，張樺，高翠娟，趙潤澤

(1.陸軍工程大學 石家莊校區，河北 石家莊 050003；2.陸裝駐石家莊第三軍代室，河北 石家莊 050051)

裝備保障能力是指裝備保障機構組織實施裝 備保障的能力,包括裝備調配保障能力、裝備技術 保障能力、裝備經費保障能力等[1],關乎部隊整體作戰能力,裝備保障能力好壞直接影響戰場局勢的走勢甚至戰爭的勝負,是部隊戰斗力生成的重要支撐。但是隨著我軍作戰任務以及信息技術的發展,裝備保障正發生一些新的改變,各類綜合電子信息系統、精確制導彈藥、信息化作戰平臺以及單兵數字化裝備等新型信息化裝備不斷配發部隊[2]。與傳統信息化裝備相比,基于新型信息化裝備的現代作戰裝備保障中,更多地呈現出指揮協調、信息支撐、精確保障和體系保障等新特點。如何適應愈加復雜的現代戰場條件,提高我軍新型信息化裝備保障能力,是當前以及未來一段時期需要重點解決的難題。

當前對裝備保障能力的評估成果有很多,比如宋星等[3]將ADC法和模糊綜合評判法相結合重新構建合成旅裝備保障評估模型,以保障系統的可信度、可用度和能力的乘積作為結果評估裝備保障能力,有很好的適用性;帥勇等[4]系統介紹了裝備保障能力評估方法選擇,為后來的裝備保障研究提供了很多思路;趙師等[5]從系統作戰出發,分析BP神經網絡特點,構建基于德爾菲法和BP神經網絡的評估模型,有效減少收斂速度慢的問題;張耀龍等[6]從層次分析法和模糊評判入手,從客觀賦權和主觀打分系統分析合成旅裝備保障能力,增強了可靠性;李海君等[7-8]分別從主成分分析(principal component analysis,PCA)和組合賦權改進TOPSIS法評估區域裝備保障能力,采用不同方法從不同側重角度進行評估;徐其等[9]分析實戰化條件裝備保障特點,建立改進TOPSIS方法的評估模型,更加具有可信度;朱東濟等[10]在指出AHP、灰色關聯和TOPSIS法各自的利弊之后,將三者結合,創新提出基于三者相結合的裝備評估模型。以上評估模型中,ADC法在可用度和可信度的適用性上存在一定的局限,BP神經網絡評估模型存在數據隨機性不足、收斂速度慢等問題,模糊綜合評判又存在評估指標體系的模糊性和不確定性,TOPSIS法在確定權重方面又存在一定瑕疵,需要配合其他方法綜合評判。以上每一種評估方法在裝備保障評估時都有自己的利弊,單純用一種評估方法不能很好地做到全面評估。為此,筆者在相關研究的基礎上,通過構建新型信息化裝備保障能力評估指標體系,利用PCA與熵權TOPSIS系統全面評估其保障能力,能更加直觀、有效地幫助決策者做出最優選擇,從而更好地發揮新型信息化裝備保障能力,這對我軍信息化裝備建設發展有一定的參考意義。

1 影響因素分析

與傳統信息化裝備相比,高新技術條件下的新型信息化裝備具有精密度更高、系統性更強、技術愈加復雜等特點,這樣直接產生其保障能力評估難度大、適應周期長、維修成本高、保障任務繁重等問題?；谝陨显?系統分析新型信息化裝備保障能力影響因素,是科學客觀評估其保障能力的有效前提。新型信息化裝備保障是一項系統工程,其中的各個影響因素不是單獨存在的。從系統層面分析,各因素之間通過相互關聯、相互制約、相互影響從而構成其保障能力的有機整體。結合新型信息化裝備保障特點,可將影響因素分為指揮協調能力、維修處理能力、供應保障能力以及信息支撐能力四大類,具體如圖1所示。

1)指揮協調能力指的是能夠綜合分析戰場態勢,確定保障計劃,合理編配新型信息化裝備保障力量。主要包括支援籌措能力、體系建設能力、力量運用能力以及要素生成能力。

2)維修處理能力指的是在新型信息化裝備發生故障時能夠快速恢復其裝備技戰術狀態的能力。主要包括野戰搶修能力、快速檢查能力、技術管理能力以及維護保養能力。

3)供應保障能力指的是能夠快速為前線任務部隊提供可靠支撐保障的能力。主要包括物資輸送能力、野戰器材庫開設能力、野戰彈藥庫開設能力以及布局規劃能力。

4)信息支撐能力是指在信息化條件下通過多種渠道對裝備保障數據實時接受、分析、處理、傳送等能力。主要有信息采集能力、信息分析能力、信息處理能力以及信息傳送能力。

2 構建評估指標體系

通過歸納總結以往的構建指標體系經驗基礎上,得出建立新型信息化裝備保障能力評估指標體系不僅要遵循科學性、全面性、獨立性等原則,還要遵循以下原則。

2.1 構建原則

1)戰建一致。新型信息化裝備的使用就是為了提高部隊戰斗力的生成。在構建評估指標體系時,首先要瞄準戰斗力生成,將戰斗與建設統一起來。

2)可比性。構建指標體系的目的就是通過指標因素之間進行相互比較得出評估結果,只有可比性的指標因素才有構建的意義,才能評估出保障能力,因此所構建的新型信息化裝備保障能力評估指標體系都應該是可以比較的。

3)層次性。在建立指標體系的過程中,應該從上而下將其分解為幾個簡單的子系統,突出指標因素之間的層次性。這樣可以降低評估的復雜程度,也便于整體把握評估結果。

4)可操作性。在選取評估指標體系時,也要選取那些利于計算、收集、分析和處理的數據。選取可操作性數據的目的是為了能夠從數據中分析得到有效信息,從而采取針對性措施解決問題。

2.2 構建內容

通過研究文獻、部隊調研、訪問專家等方式,在全面掌握新型信息化裝備保障能力含義的基礎上,將得到的指標體系要素進行系統分析、科學把握,不斷優化篩選最為合理的新型信息化裝備保障能力評估指標體系。整體構建流程如圖2所示。

根據構建指標體系原則和流程,在綜合各類文獻資料和新型信息化裝備保障自身特性的基礎上,構建新型信息化裝備保障能力評估指標體系,具體如圖3所示。

3 模型建立

3.1 主成分分析法

主成分分析法(PCA)是一種利用降維的思想,把多元素簡化為主要元素,把多維空間轉為低維空間的多元統計方法[11]。核心思想就是在眾多指標中挑選出影響程度最深的主要成分,抓住主要矛盾,同時簡化數據,避免各個指標因素間的相互影響。在分析過程中,計算兩兩指標之間的相關性系數以及指標的特征值和貢獻率,刪除相關系數性較大以及貢獻率較小的指標因素,使建立的指標因素盡可能相互獨立[12]。通過將m維特征映射到n維特征上(n

1)指標標準化處理。因本文研究選取的指標都為高優指標(指標值越高越好),不用進行同趨勢化,只需將指標標準化處理。

2)確定主成分成分和權重。將標準化的數據輸入到SPSS軟件中,利用SPSS軟件進行主成分分析得到特征根和累積貢獻率,通常提取特征根λi≥1,累積貢獻率≥85%的成分作為主成分。

3)構造線性組合函數。根據SPSS軟件求解得到的旋轉成分矩陣表構造如下線性組合函數,

F=L11C11+L12C12+…+L43C43+L44C44,

(1)

式中,L11,L12,…,L43,L44為旋轉成分矩陣值。根據得到的結果重新總結主成分表達式進行綜合評估[13]。

3.2 熵權TOPSIS法

熵權TOPSIS法是一種應用于多決策分析的方法[14]。核心思想就是求出目標問題的正理想解和負理想解,然后在可行方案中找到一個最優方案,使其距正理想解的距離最近,而距離負理想解的距離最遠[15]。大體步驟如下:

1)無量綱化處理。將得到的主成分進行歸一化處理,消除量綱帶來的影響。

(2)

(3)

3)求出各可行方案的相對接近程度Ci:

(4)

由式(4)可見,若Ci越大,則愈靠近正理想解;若Ci越小,則愈靠近負理想解[16]。按照Ci數值大小可對各可行方案進行排序。

模型建立流程如圖4所示。

4 計算分析

筆者以10個地區的新型信息化裝備保障能力為研究對象,如表1所示,數據來源是根據裝備保障演練實際結合得來,并經過脫密處理的計算數據,并非原始真實數據,僅用于驗證該方法的適用性和可行性。由于主成分分析先將數據標準化處理,在這里可以不計量綱。將表1數據輸入到SPSS軟件中進行主成分分析,得到結果如表2～4所示。

表1 各指標初始數據

表2 各指標標準化數據

由表3可以得出,成分1～6的特征值都大于1,且這6個主成分的累積貢獻率已經超過85%,通過降維得到的這6個主成分能夠代表16個新型信息化裝備保障能力指標的大部分信息,故選取6個主成分較為合適。構造線性組合函數如下:

表3 總方差解釋

F1=-0.221C11+0.177C12+0.025C13+…-
0.039C43-0.045C44,
F2=-0.103C11+0.073C12+0.206C13+…-
0.004C43+0.263C44,

同理可得F3,F4,F5,F6,綜合可得

F=(0.251/0.89)F1+(0.203/0.89)F2+…+
(0.082/0.89)F6。

基于表4,對6個主成分進行加權求和,利用熵權TOPSIS法求出正理想解距離D+、負理想解距離D-以及相對接近程度C,如表5所示。由排序結果可以看出,地區3和地區8新型信息化裝備保障能力較好,地區5和地區7保障能力較差,需要決策者借鑒較好地區經驗,在各項指標上向較差地區加大投入力度,以加強這些地區的新型信息化裝備保障能力。

表4 旋轉成分矩陣

表5 最終評估結果

為了更加直觀對比評估結果,將表1原始數據利用TOPSIS方法進行計算得到對比結果,如圖5所示。根據表5和圖5可知,本文方法評估結果與實際情況一致,實際情況是指已由專家評判法得出的評估結果,而TOPSIS方法得到評估結果中地區2和地區10與實際結果不一致?？梢?由PCA和熵權TOPSIS法評估更加符合實際情況,從而驗證了該方法的可行性和有效性。

5 結束語

在借鑒以往經驗的基礎上,結合多種途徑以及新型信息化裝備保障特點,構建了新型信息化裝備保障能力評估指標體系,然后結合主成分分析法和熵權TOPSIS法建立模型,減少了決策者主觀因素帶來的影響。通過實例計算分析,較好地評估了模型的合理性和適用性。筆者旨在驗證方法的可行性和有效性,對于得到的評估結果,筆者并未深入研究,相關業界學者可進行下一步研究分析,從整體上把握和了解制約新型信息化裝備保障能力的因素,從而對困擾形成新型信息化裝備保障能力的難題提供一個可靠的解決途徑。此外,新型信息化裝備保障能力涉及的指標因素并不是一成不變的,應伴隨戰場任務變化、保障需求、保障技術的發展作出相應的調整,才能更好地為決策者開展新型信息化裝備保障建設提供理論支撐和方法指導。