基于云模型的单兵战斗携行具性能评估.pdf

警用装备基于云模型的单兵战斗携行具性能评估母望彭维仕乔玲龙武警工程大学摘要：为了准确评估单兵战斗携行具性能，首先从实际运用角度，分析影响其性能的主要因素，构建单兵战斗携行具指标体系。而后基于改进AHP法，简化判断矩阵构造过程，简便准确的得到各指标权重。最后，利用云模型建立单兵战斗携行具性能评估模型，以云模型雾化特征对指标有效性进行检验，通过指标云模型加权得到综合评估云模型，最终以云图对比确定评估结果。实例验证表明，运用云模型评估的方法有效、可行。关键词：云模型单兵战斗携行具性能评估题，从装具整体运用角度出发，利用云模型实现定性定量之引言间转换的特性，以逆向云算法得到指标值云模型，结合指标单兵战斗携行具是单个士兵（特警）在作战、训练、权重，确定综合云模型，通过比较综合云图与评语集云图的执勤时随身附着，支持人员携带警械、武器、弹药及作战必距离，确定装具性能评估结果。运用云模型评估，基于数据需品的专用装具。当前，单兵战斗携行具大多采取模块化信息，可有效解决评估中指标值主观且指标数据量大无法评设计，集防护性、便携性、战术性于一体，对单兵（单警）价的问题，提高了评估的准确性。战斗力的提高作用重大，是执行任务时不可或缺的装备。针一、单兵战斗携行具性能评估指标体系对目前单兵战斗携行具品类繁多、样式各异，使用需求日益增长的实际，研究如何科学评估其性能，对装具正确选择、设计改进、有效运用具有重要意义。对单兵战斗携行具的研究，文献 2 和 3 基于使用需求，论证了“战术背心”的功能和结构性能；文献 4 对防弹装备的防护技术及发展趋势进行了研究；文献 5 和 6 对单兵装备的人装功效进行了研究。上述研究主要从装备的设计、功能、适应性等方面展开，具有借鉴意义，但针对单兵战斗携行具整体性能评估的研究还比较少。结合本文研究问单兵战斗携行具性能是其在遂行作战、训练、执勤等任务中，辅助单兵（单警）完成任务的能力。单兵战斗携行具性能评估是指利用云模型建模对其性能进行判断的过程及结果。在评估中，指标体系的确定会影响效能评估结果的合理性。单兵战斗携行具作为单兵（单警）常用装备，其指标的确立应以作战要求为依据，以单兵（单警）需求为导向，按照最简性、可测性、客观性、完备性、独立性的原则建立。对单兵战斗携行具性能进行分析，功能性、战术PoliceTechnology2023年第4期8 9警用装备性、人体工效为主要影响因素，其中：功能性受模块化、防护性、扩展性、耐磨性等指标影响，战术性受携行能力、快拆能力、伪装性、任务适应性、装备匹配性等指标影响，人体工效受动作适应性、调节便捷性、舒适性、重量、身体贴合性、美观性、负荷分配能力等指标影响。通过实地调研与专家会议，对各指标进行筛选，将反映信息重叠的指标与对评价结果影响弱的指标剔除，结合层次分析法，确立评估指标体系，如图1所示。单兵战斗携行具性能U功能性U战术性U，快拆能力业扩携行能力防模块化(一)功能性功能性U,是指单兵战斗携行具具备的一系列功能，包括模块化Ui、防护性U,和扩展性U13。部队作战任务多样，面临环境复杂，要求携行具要具备多样功能。模块化，指携行具的设计方式，可根据使用者岗位、作战任务、作战环境的不同，灵活更换外挂模块，实现功能的变化，更好的契合使用需求；防护性，指携行具通过内置防弹插板，具备防弹、防刺、防破片伤害的能力。具备防护功能，可减少使用者穿戴层次，有利于战前快速准备，同时，也可通过加装不同模块，实现防护等级、防护面积的改变；扩展性，指携行具通过加装不同功能模块实现多种功能的能力。丰富的扩展性，能使携行具具备漂浮、救护、供水等多种功能，以适应更多使用场景。(二)战术性战术性U,是指单兵战斗携行具在作战中实现战术意图的能力，包括携行能力U21、快拆能力U2、伪装性U23。携行能力，指携行具可携带弹药、作战用品的数量。作战中，单兵携带作战用品的多少，关系着作战的持久性，并且要求携带的各种装备不会相互碰撞，防止发出声响，暴露位置；快拆能力，指携行具快速解脱的能力。作战中，使用者可能会面临快速追逃或自身受伤需要救治的情况，此时，就需要携行具能够快速解脱，迅速与使用者分离，便于后续的行动和救治；伪装性，指携行具通过外观采用不同颜色组成的不规则图案作为保护色，降低与使用者着装颜色或作战环境背景颜色的差异，从而达到一定伪装效果的能力。好的伪装性能降低使用者在作战中被发现的概率，是隐蔽自己、消灭敌人的需要。（三）人体工效人体工效U,是指单兵战斗携行具与使用者的适配性，能直接反映携行具“好用不好用”，包括动作适应性Ul、调节便捷性U2、舒适性U、重量U34。动作适应性，指携行具对使用者动作的影响程度。携行具动作适应性差，会造成使用者军事动作变形，影响任务完成。例如，携行具前部弹匣袋设计不合理，会使使用者卧姿射击时腹部顶起、肩部上抬，影响射击动作；调节便捷性，指使用者能根据自己身体人体工效U,条件或使用习惯的不同，方便快捷的调整携行具大小和挂件位置，使携行具穿戴更“合体”，使用更“顺手”；舒适性动作造应性调节便捷性伪护展性性U12U图1单兵战斗携行具性能评估指标体系舒重装适性性量UUU是使用者的直观感受，受携行具透气性、柔软程度、重量分配等因素影响，决定着携行具是否适合长时间穿戴；重量，UU指携行具自重。在使用者负重能力一定的情况下，装具自重影响使用者机动能力、身体敏捷性及携装能力。二、确定单兵战斗携行具指标权重确定指标权重的方法有很多，为系统、简洁、方便的获得指标权重，本文采用层次分析法。层次分析法（A n a l y t i c H i e r r a r c h y Pr o c e s s，A H P）是美国运筹学专家T.L.Saaty教授于2 0 世纪7 0 年代创立的一种定性与定量分析相结合的多准则决策分析方法（MCDA）。其原理为：以指标两两相对重要性构造判断矩阵，则判断矩阵的（最大特征值）对应的（特征向量）为指标权重，而后，检验判断矩阵的一致性以确定权重的合理性。当指标较多时，构造判断矩阵难度大，且易产生逻辑矛盾。为避免这一情况，将确定权重过程进行简化，其原理如图2 所示。第一个指标构造一致性利对重要性比较判断矩陈：米用1 9 标度；以一鼓性条件法将第一个折标计算矩降内其他与其他指标进行元素值比较机据莉断矩胖元素妇一化为正互反矩陈特第一个指标相：妇一化后矩陈性构选刻断矩重对童要性向量为每列元素相同利断矩库第二行降，北矩阵为一元素致性矩降，启续不进行一效性检验图2 确定指标权重原理图（一）构造单兵战斗携行具指标权重判断矩阵通过专家使用19 标度法比较，得到指标相对重要性向量T,=(aiaiz,L,a)，其中a,表示a,对于a的相对重要性，根据一致性条件得出：荆断延降知一化片暂标权重确定：矩降内每一列矩胖任一列元素为各指标叔“和法”验证90警察技术2 0 2 3 年第4 期重心位置，是论域中最能代表定性概念的数值；En是定性(5)v3，v 4，v 5)=好，较好，一般，较差，差)，且指标取值范W-(W,W,W.)aji(i,j=1,2,n)aj=a.Xay(i,j=1,2,n)根据判断矩阵为正互反矩阵的特性，构造判断矩阵A如下：aiai2ana2a22a2nA=：aij：ana2:am式中，,的值可由T,根据一致性条件计算得出，判断矩阵A符合一致性条件。（二）对判断矩阵每列归一化（1）将矩阵A每列求和：（2）对矩阵A归一化：ala12ail=1SS,a22A*=S,S,aalS,（三）指标权重的确定归一化后，矩阵A*的每一列元素都一样，则指标权重为：ai1,a21W=ai=1=wi,W,w,（四）“和法”验证为确定方法的正确性，运用“和法”对指标权重进行计算。步骤1：对判断矩阵A每一列归一化，由上文可知，归一化后的矩阵为A*。步骤2：归一化后的矩阵按行相加步骤3：对向量W-(W,W,W)归一化，则指标权重为：WW,=(I=1,2,n)=1(9)(1)当w=W时，说明上述方法正确。(2)三、基于云模型的单兵战斗携行具性能评估云模型由李毅德院士于19 9 5年提出，是用语言值表示(3)某个定性概念与其定量表示的不确定性转换的模型 11。设X是一个用精确数值量表示的论域，T是X上对应的定性概念，对于任意一个论域中的元素x，都存在一个有稳定倾向的随机数E0,1，称为x对T的隶属度，隶属度在论域上的分布称为云。云的数字特征可用Ex（期望）、En（熵）、He（超焰）三个数值表示，它把模糊性与随机性完全集合到一起，构成了定性和定量相互的映射。其中，Ex是云的(i,j=1,2,n)(4)a12anaain=1Sa22a21Sailamanai1aj概念随机性的度量，反映云的离散程度，是论域上可被定性概念接受的范围；He是En的离散程度，反映了的模糊性和随机性。运用云模型评估时步骤如下 12-19 ：=1（一）确定单兵战斗携行具评语集及评语云模型a2n根据实际情况将指标评语分为5个等级：V=v1，V2,ai2i-1a2ai2ain-1a.l围为 0,1。为便于计算，将系统总体效能评语采用相同划分。运用基于黄金分割的模型驱动法 14 ，在 0,1 的论域中对评语集V进行划分，可得各评语对应的云模型为：（1,0.10 3 1,0.013)，(0.6 9 1,0.0 6 4,0.0 0 8)，(0.5,0.0 3 9,0.0 0 5)，(0.3 0 9,0.0 6 4,0.008)，(0,0.10 3 1,0.0 13)。如图3 所示。差(6)求属度（二）求单兵战斗携行具各指标的云模型表示(7)1.获得指标层指标数值在构建的指标体系中，指标层定量指标为ui2、u a、Ug，定性指标为u、U u s、U、U a s、U s i、U a 2、U s。对于定量(8)指标可通过仿真获得其不同状态下的数值，对定性指标可通过专家打分、调查问卷等方法获得其指标值。较差图3 指标评语集云模型一般A评价值较好好Police Technology2023年第4 期 9 1警用装备2.逆向云求指标层各指标云模型数字特征将每个指标的数值作为该指标的云滴，利用逆向云发生器 15求出云的数字特征。算法如下：步骤1：计算期望数字特征的过程称为信息集结。由下层指标云数字特征获得上层指标云数字特征的计算公式为1：(Ex=2(Exw)Ex=mW=(0.286,0.143,0.571)(10)j=1步骤2：计算样本方差S2=-m-14j=1步骤3：计算云的炳和超炳He:=/S?-En?式中，=1,2,n，表示指标个数，j=1,2,m，表示同一指标的不同数值。（三）指标云模型有效性检验以仿真或专家打分确定云滴，并逆向云得到指标云数字特征后，应对指标云数字特征进行检验，以确定仿真或专家打分所得数据的有效性。根据云模型定义，He是En不确定性的度量，当He为O时，云模型等同于正态曲线，当He逐渐增大时，云滴在期望曲线y=exp-(x-Ex)/(2En)两边散布，并逐渐使云图不再明显，这个过程称之为雾化。设有云模型 C(0.2,0.03,0)，C,(0.5,0.0 3,0.0 1)，C,(0.8,0.0 3,0.0 2),随着He的增大，云图雾化过程如图4 所示。0.80.60.40.28.1由正态云雾化性质可知，当HeEn/3时，9 9.7%的云滴落在曲线 y/=exp-(x-Ex)(2(En-3He)与 y,=exp-(r-Ex)/(2(En-3He)所为区域之间，当HeEn/3时，云图开始雾化，En/3为正态云模型雾化点 7。因此，对指标云模型数字特征进行检验，当HeEn/3时，指标云图符合正态云分布，可认为指标数值可靠；当HeEn/3时，指标云图不符合正态云分布，应重新确定指标值。（四）信息集结根据各指标云数字特征及指标权重获得上一层指标云En=(He.w.)(xj-Ex,)2(11)(12)(13)0.20.3 0.4He=0He=En/3图4 云图雾化过程(14)式中，(Ex,En,He-为同一准则对应下的各指标云数字特征，w为各指标对应权重。由此可得目标层与准则层指标云数字特征。以目标层云数字特征生成综合评估云云图，而后将其置于评语云云图内，以云图之间的距离确定评估结果，距离综合评估云图最近的云图所对应的评语即为评估结果。四、实例验证（一）某型单兵战斗携行具指标权重计算以某型单兵战斗携行具为例，组织专家使用1 9 标度方法，将各指标集中第一个指标与其他指标进行重要性比较，可得:T=(1,2,1/2)，T,=(1,1,4),T,=(1,4,3)，T,=(1,3,2,3)。由式（1）和式（2）可得判断矩阵：121/2A=1/211/4A,=114L2411/4 1/41143A=1/413/41/3 4/3 1 根据判断矩阵，由式可得：0.50.61141323A;=1/31 2/311/23/213/21/312/310.70.8He=2En/30.9W,=(0.444,0.444,0.111)W,=(0.632,0.158,0.211)W,=(0.461,0.154,0.231,0.154)根据式（7）（9）对以上结果进行验证，结果一致，说明本文方法正确、可行。（二）某型单兵战斗携行具指标云模型计算为便于数据处理，本文采用专家打分法确定各指标数值。设有10 位专家P(P,P,Pio)，对各指标进行打分，将打分结果相对于理想值归一化后详见表1。根据表1各指标数值，对式（10）（13）计算过程运用matlab编程，可得各指标云数字特征，详见表2。92警察技术2 0 2 3 年第4 期表1评价指标值数值UUUU.UUU.UUU4P0.750.85 0.810.820.770.870.720.770.810.88P0.760.830.82 0.78 0.75 0.900.74 0.75 0.790.92P30.810.880.90 0.830.690.890.800.810.830.91P40.820.830.83 0.83 0.68 0.92 0.750.760.850.89P0.770.870.810.790.710.920.75 0.82 0.860.91P0.79 0.850.830.810.710.880.780.790.820.90P0.700.900.87 0.75 0.80 0.820.680.650.900.95Ps0.850.780.920.850.630.780.650.850.750.85P0.880.750.850.880.780.710.820.68 0.780.80Plo0.720.900.78 0.75 0.820.850.760.720.850.78表2#指标云模型数字特征数值UU2UUU2UU.UUU.4Ex0.7850|0.8440|0En0.05640.04660.04310.04160.05640.06420.04760.06020.04260.0519He0.0016|0.0152|0.00510.0058|0.0018|0.01940.0201|0.0177|9（三）指标云模型有效性检验运用上文的方法对各指标云模型有效性进行检验。经计算得知，指标U，不符合HeEnB规则，说明专家在对该指标打分时存在较大差异，使评价云失去价值。将问题反馈至专家，重新对该指标进行打分，最终得到指标U，的云数字特征为U,(0.7230,0.0412,0.0068)。（四）信息集结求上层指标云数字特征根据表2（U，使用更正后的数值），结合指标权重，由式（14）可得准则层、目标层云数字特征，如表3 所示。表3 目标层、准则层云数字特征数值UEx0.792En0.047He0.009根据综合评估云数字特征生成云图，与评语云云图对比，如图5所示。综合评估云介于语言值为“较好”的评价云与语言值为“好”的评价云之间，且更靠近前者，因此，此型单兵战斗携行具性能评估结果为“较好”。这与装具在实际使用中的评价基本一致，说明基于云模型相似度的评估方法正确、可行。分析评估结果可知：此型单兵战斗携行具在模块化、快拆能力、动作适应性、调节便捷性这4 项的指标云模型期望值小于目标云期望值，下一步，可通过改善以上4 种指标的性能来提高战斗携行具整体性能。0.9综合云0.80.70.40.30.20.1五、结语本文引入云模型对单兵战斗携行具性能进行评估，有效解决了定性描述难以准确评估的问题。在建立指标体系时，分析使用场景、实际运用，从任务需求出发，建立指标体系，使评估更贴近实际。在计算指标权重时，利用一致性条件构建判断矩阵，简化了计算权重的流程，弱化了指标权重的主观性。在评估时，以云模型雾化特征对指标云模型进行检验，确定指标数据的有效性，并以云图对比直观得到评估结果，提高操作简便性与结果的可信性。最后，通过实例0.8420g0.80900.72900.85420.745000.76000.82400.87900.01000.0144UU0.8160.8060.0500.0490.0070.008教好0.10.2验证，证明了方法的可行性、正确性。通过研究，丰富了利用云模型评估的方法，为发现此类装备的不足提供理论依据，为其设计改进、采购运用提供科学指导。参考文献1中国军事后勤百科全书编审委员会，中国军事后勤百科全书：军需勤务卷 M.金盾出版社,2 0 0 2.张波，模块化多功能武警单兵战术背心革新.警察技术，2005(05):52-54.3 Gutierrez J T.The Modular Tactical Vest:Acase Study in Successand Failure,2009.刘春美,马琼，石凌飞.警用防弹装备防护技术分析及发展趋势预测。警察技术，2 0 2 0(0 3):4 8-53.5 Mitchell KB.Range of Motion and Reaches of Warfighters inUBody ArmorC.Proceedings_of the HumanFactors andErgonomics Society Annual Meeting,2012;56(1):1837-1841.0.7766 McNamara JA,Choi H,Brown SAT,et al.Evaluating the Effects0.046of Clothing and Individual Equipment onMarksmanship0.011Performance Using a Novel Five Target MethodologyC.Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society AnnualMeeting,2016;60(1):2043-2047.郭齐胜.装备效能评估概论 M.国防工业出版社，2 0 0 5.8张杰,唐宏,苏凯.效能评估方法研究 M国防工业出版社，2009.9韦灼彬,熊先巍.装备保障效能评估与建模 M国防工业出版社,2 0 2 0.10廖红强，邱勇，杨侠,等.对应用层次分析法确定权重系数的探讨机械工程师，2 0 12,0 0 0(0 0 6):2 2-2 5.11JLiDY,MengH,ShiXM.Afiliate Cloud and Afiliate cloudgeneratorll.Computer Research and Development,1995.6:1520.12李奎,张低，吴娟，等，基于云模型的装备试验数据质量评价方法，火力与指挥控制，2 0 2 2,4 7(0 9):17 4-17 9.13戈洪宇，李皆乔，刘益东，等.某型车载炮作战试验维修保障效好能评估。兵器装备工程学报，2 0 2 1,4 2(0 2):12 2-12 6.14徐选华，吴慧迪，基于改进云模型的语言偏好信息多属性大群体决策方法管理工程学报，2 0 18,3 2(0 1):117-12 5.15朱贵华，孙续文基于ANP-云模型的舰艇演训活动安全风险评估.指挥控制与仿真，2 0 2 2,4 4(0 4):7 8-8 3.16李琳琳,路云飞,张壮,等基于云模型的指挥控制系统效能评估系统工程与电子技术，2 0 18,4 0(4):8.17刘禹,李德毅.正态云模型雾化性质统计分析.北京航空航天大学学报，2 0 10(11):5.0.31.4图5综合评估云图0.50.60.80.918刘常昱，冯芒，戴晓军，等基于云X信息的逆向云新算法系统仿真学报,2 0 0 4,16(0 11):2 4 17-2 4 2 0.PoliceTechnology2023年第4 期9 3