基于层次分析法的开辟通路破障方案选择评估

Selecting and Evaluating the Schemes for Breaking the Barrier of Opening Access Based on Analytic Hierarchy Process

摘要: 针对开辟通路行动中破障方案的选择问题，利用层次分析法构建方案选择指标评估体系，计算各影响因素的权重及各方案的加权评分。通过对数据的采集和分析，得出各影响因素的重要性，并对“无人装备破障”这一方案的优、劣势进行判断和分析，展望了无人装备在开辟通路行动中的运用前景。该体系为反击作战中开辟通路行动的方案选择提供了量化的依据。

Abstract: For the problem of choosing the solution to break the barrier in the operation open access, the AHP is used to construct a solution selection index evaluation system, and the weights of the influencing factors and the weighted scores of each solution are calculated. Through the collection and analysis of data, the importance of each influencing factor is derived, and the advantages and disadvantages of the “unmanned equipment to break through barriers” option are judged and analyzed, and the prospects for the use of unmanned equipment in the operation of opening up roads are envisioned. The system provides a quantitative basis for the selection of the route opening program in border counterattack operations.

1. 引言

作为反击作战的关键环节，近年来，西部战区各单位都在加强对开辟通路战法的研究。其中，破障方案的选择是一项核心内容。基于特殊地理位置，西南边陲的作战环境具有海拔高、温度低、冻土层坚硬等特点。而模拟蓝军经多年建设，已构建完成以雷场、铁丝网、桩砦、三角锥、阻绝墙、防坦克壕为主体，地堡、碉堡、掩体、交通壕等相互配合的障碍体系，障碍与火力点交错配置，是我实施反击作战的“拦路虎”。因此，快速、有效的开辟通路的战役战术目的，对破障方案提出了很高的要求。

关于破障方案的选择，国内外专家学者已经做了很多研究。早在诺曼底登陆中，盟军就运用了空、海军力量，保障破障部队作业[1]。原济南军区某部探索现代战场破障新法，综合运用装甲兵、炮兵、工程兵及工程机械，极大地提高了破障效率[2]。杨浩锋通过对美军2015条令战略的研究，认为美军在破障行动中能够得到远程火力、装甲车辆、步兵重火器及空中优势力量的支援[3]。英国国防科学和技术实验室(Dstl)开展探雷无人机技术研究，以加强对武装部队人员的保护。该无人机采用最新的传感技术，可以帮助部队在不危及生命的情况下探测和摧毁地雷和爆炸物，可以大大降低地面地雷的威胁和效用，从而改变地面战争的方式[4]。陆军某合成营在2023年的一次演习中，摒弃“惯性思维”，在开辟轻型装备通路时，直接用火力打出一条单车通行的缺口，全程始终“无停顿冲锋”[5]。而在2023年6月陆军某合成旅组织的实兵演习中，以无人机、排爆机器人为代表的无人装备与传统装备一起出现在开辟通路的战场上，创新了破障方法和手段，成为破障行动的新兴力量。

本文利用层次分析法(AHP)对破障方案进行分析评估，以期从定量角度分析主要因素对方案选择的影响，并对比现有主要破障方案的优劣，为破障行动决策提供参考。

2. 研究方法

在对某个方案进行分析与研究时，往往会受一些难以量化的因素的影响。为了把这些定性的因素转化为定量的数据，文中采用层次分析法(AHP) [6]-[11]来评价不同破障方案的优劣。其基本流程如图1 [12]所示：

Figure 1. Main steps of AHP method

图1. AHP方法主要步骤

在AHP评价体系中，首先应完成阶层关系图的建立，尔后使用专家打分的方法形成各层级之间的比较矩阵。本文采用1~9标度法说明各因素间的重要性关系，对于判断矩阵A中的元素a_ij可以按表1 [13]方法确定。

Table 1. Pairwise judegement scale

表1. 两两判断标度

判断标度	含义
1	表示xi和xj同样重要
3	表示xi相对xj稍微重要
5 7	表示xi相对xj重要 表示xi相对xj重要得多
9 2、4、6、8	表示xi相对xj绝对重要 介于上述两个相邻判断标度之间的重要程度
倒数	xi相对xj的重要程度为aij，则xj相对xi的重要程度为1/aij

得到判断标度后，应计算相应指标的权重。计算权重的方法主要包括和法、方根法、特征向量法等。本文使用方根法计算指标权重：

第一步：首先将判断矩阵A中的各行元素相乘，尔后求其1/n次方根，即，

${{\omega }^{\prime }}_i={\left({\displaystyle {\prod }_{j=1}^n{a}_{ij}}\right)}^{1/n},i=1,2,\cdots ,n$ (1)

第二步：对矩阵进行归一化处理，即

${\omega }_i=\frac{{{\omega }^{\prime }}_i}{{\displaystyle {\sum }_{j=1}^n{{\omega }^{\prime }}_j}}$ (2)

在求出判断矩阵的权重后，要对权重的一致性进行检验。一致性检验用一致性指标C.I. (consistency index)表示：

$CI=\frac{{\lambda }_{\max }-n}{n-1}$ (3)

其中${\lambda }_{\max }$ 为矩阵A的最大特征值；n为A的维数。当采用方根法求得权重向量时，${\lambda }_{\max }$ 可使用下式[14]确定：

${\lambda }_{\max }=\frac{1}{n}{\displaystyle {\sum }_{i=1}^n\frac{{\left(Aw\right)}_i}{{\omega }_i}}$ (4)

求得CI后，再计算矩阵A的随机一致性指标CR (consistency ratio)：

$CR=\frac{CI}{RI}$ (5)

式中RI为平均随机一致性指标标准值。当$n=1,2,\cdots ,9$ 时，RI的值可通过表2 [15]查询。

Table 2. Average random consistency ındex

表2. 平均随机一致性指标

阶数	3	4	5	6	7	8	9
RI	0.58	0.90	1.12	1.24	1.32	1.41	1.45

当求得的CR < 0.1，则认为判断矩阵在所有层次上达到了满意的一致性。

3. 数据处理

3.1. 构建问题模型，列出影响因素

目前我军采用的敌前沿前破障的传统方法主要有航空火力破障、直(间)瞄火力破障、机械破障、人工破障，而新兴方法主要是无人装备破障。关于5种方案的说明见表3。

Table 3. Explanation of barrier breaking scheme

表3. 破障方案说明

方案	说明
航空火力破障	以各型飞机、直升机为载体，通过航空火箭弹的直接打击作用，克服障碍
直(间)瞄火力破障	以40 mm火箭筒、120 mm无后坐力炮、122 mm火箭炮等为载体，通过各型炮弹的毁伤效能，克服障碍
机械破障	以工程机械、路面车、机械化桥等装备为载体，采用推、挖、装等工程作业方式，克服障碍
人工破障	以工兵为主体力量，配以步兵、防化兵等，通过炸药的爆破作用，克服障碍
无人装备破障	以遥控机械、无人机、机器人为载体，通过工程作业或爆破方式，克服障碍

特别说明的是，这里的“无人装备”，特指“人在回路”无人装备。“人在回路”是指人是智能系统的一部分。它强调在智能自主系统内，人拥有决断和监督权限[16]。在军事应用领域，这是一条核心原则。

在充分征询专家意见及一线指战员的群体决策过程后，定出对于破障方案选择的评估目标的六个子目标，分别是：客观条件、敌障碍配系、方案作战效能、方案机动性、方案防护性、方案可操作性。其中，各子目标又具体包含多个属性。每个子目标的具体内容及各属性的层级关系如表4所示。

Table 4. Evaluation index system for selection of barrier breaking scheme

表4. 破障方案选择评估指标体系

序号	目标	子目标	属性	备选方案
1	方案选择A	客观条件B1	气候条件C1	航空火力破障a 直(间)瞄火力破障b 机械破障c 人工破障d 无人装备破障e
2			温度C2
3			土壤地质环境C3
4		敌障碍配系B2	敌障碍数量C4
5			敌障碍种类C5
6			敌警戒火力C6
7		作战效能B3	障碍通过率C7
8			破障精确性C8
9			通路宽度C9
10			破障速度C10
11			通路数量C11
12		机动性B4	进出战场能力C12
13			障碍场中机动能力C13
14		防护性B5	防侦察监视能力C14
15			防空中打击能力C15
16			防化学袭击能力C16
17			电磁防护能力C17
18		方案可操作性B6	联合指挥难度C18
19			方案费效比C19
20			对纵深作战的影响C20

3.2. 建立比较矩阵，计算权重并验证一致性

确立了阶层关系图后，利用Delphi法(Delphi method)，由专家学者对此方案选择问题提出专业意见，分别建立目标与子目标、子目标与属性、属性与方案的两两成对比的相对比较矩阵，计算各矩阵的权重及一致性指标C.I.及C.R.，对各矩阵进行一致性验证。在比较时，一方面要计算各属性间的权重，另一方面要计算各属性下5个方案的权重，自上而下逐层计算各层指标相对总指标的合成权重[6]，最后进行排序。

在构建比较矩阵时，特邀请西部战区某集团军作保科参谋1名、工兵旅参谋长1名、爆破连工程师1名、合成旅工兵营营长2名进行专家打分，并对5名专家的打分进行综合、平均，尔后得到两两比较矩阵。因篇幅有限，选取三个比较矩阵进行说明。

目标与子目标比较矩阵如表5所示。

Table 5. Comparison matrix of target and subtarget

表5. 目标与子目标比较矩阵

A	B1	B2	B3	B4	B5	B6
B1	1	1/5	1/7	1/3	1/3	1/6
B2	5	1	1/5	3	3	1/3
B3	7	5	1	5	5	3
B4	3	1/3	1/5	1	1	1/3
B5	3	1/3	1/5	1	1	1/3
B6	6	3	1/3	3	3	1

由式(1)和(2)可求得其权重向量为

$W_A={\left[0.0338,0.1427,0.4413,0.0757,0.0757,0.2310\right]}^{\text{T}}$

其中C.I. = 0.0653，C.R. = 0.0526 < 0.1，其所求权重满足一致性。

子目标与属性比较矩阵共6个。以客观条件B₁与所属3个属性(C₁、C₂、C₃)为例，其比较矩阵如表6所示。

Table 6. Comparison matrix of target and attribute (B₁)

表6. 子目标与属性比较矩阵(B₁)

B1	C1	C2	C3
C1	1	3	2
C2	1/3	1	1/2
C3	1/2	2	1

同理可求得其权重向量为$W_{B_1}={\left[0.5396,0.1634,0.2970\right]}^{\text{T}}$ ，其中C.I. = 0.0046，C.R. = 0.0079 < 0.1，其所求权重满足一致性。

在建立属性与备选方案的比较矩阵时，要先对各方案相对于各属性的赋值进行说明，使专家的打分能够如实反映各方案对属性的符合程度。各属性的说明如表7所示。

Table 7. Attribute explanation

表7. 各属性说明

序号	属性	说明(该值越大，则方案)
C1	气候条件	受气候的影响越小
C2	温度	受温度的影响越小
C3	土壤地质环境	受地质条件的影响越小
C4	敌障碍数量	受敌障碍数量的影响越小
C5	敌障碍种类	受敌障碍种类的影响越小
C6	敌警戒火力	受敌火力的影响越小
C7	障碍通过率	障碍通过率越高
C8	破障精确性	破障精确性越高
C9	通路宽度	通路宽度更能满足要求
C10	破障速度	破障速度更快
C11	通道数量	通道数量越能满足要求
C12	进出战场能力	进出战场能力越强
C13	障碍场中机动能力	障碍场中机动能力越强
C14	防侦察监视能力	防侦察监视能力越强
C15	防空中打击能力	防空中打击能力越强
C16	防化学袭击能力	防化学袭击能力越强
C17	电磁防护能力	电磁防护能力越强
C18	联合指挥难度	联合指挥难度越小
C19	方案费效比	费效比越小
C20	对纵深作战的影响	对纵深作战的影响越小

通过对各属性进行正向化处理，可以看出，各备选方案的优劣与总评分的大小相关。分值越大，该方案总体更优。

属性与备选方案的比较属性共20个。以属性C₁与各方案的比较矩阵为例，如表8所示。

Table 8. Comparison matrix of attribute and scheme (C₁)

表8. 属性与方案比较矩阵(C₁)

C1	a	b	c	d	e
a	1	1/3	1/5	1/7	1/7
b	3	1	1/3	1/5	1/5
c	5	3	1	1/3	1/3
d	7	5	3	1	2
e	7	5	3	1/2	1

按上述赋值与计算方法，依次求得各属性对子目标以及各方案对属性的权重，如表9、表10所示。

Table 9. Total weight of attributes

表9. 属性总权重

属性	A						C对A的权重
	B1	B2	B3	B4	B5	B6
	0.0338	0.1427	0.4413	0.0757	0.0757	0.2310
C1	0.5396						0.0182
C2	0.1634						0.0055
C3	0.2970						0.0100
C4		0.0810					0.0116
C5		0.1884					0.0269
C6		0.7306					0.1043
C7			0.3489				0.1540
C8			0.2800				0.1236
C9			0.2248				0.0992
C10			0.0620				0.0274
C11			0.0843				0.0372
C12				0.2500			0.0189
C13				0.7500			0.0568
C14					0.4866		0.0368
C15					0.2538		0.0192
C16					0.1232		0.0093
C17					0.1364		0.0103
C18						0.6000	0.1386
C19						0.2000	0.0462
C20						0.2000	0.0462

Table 10. Scheme’s weight on attributes

表10. 方案对属性的权重

	a	b	c	d	e
C1	0.0380	0.0748	0.1577	0.4149	0.3145
C2	0.1128	0.2715	0.2715	0.0727	0.2715
C3	0.4966	0.1100	0.1193	0.2172	0.0569
C4	0.0542	0.1477	0.3430	0.3430	0.1120
C5	0.0592	0.1372	0.3454	0.3454	0.1127
C6	0.2837	0.4403	0.1490	0.0547	0.0722
C7	0.0660	0.0660	0.3421	0.3421	0.1840
C8	0.0664	0.0503	0.3321	0.3321	0.2191
C9	0.0613	0.0613	0.3370	0.3370	0.2033
C10	0.4380	0.3319	0.1225	0.0713	0.0363
C11	0.0525	0.1551	0.0891	0.3517	0.3517
C12	0.5036	0.2905	0.0599	0.1148	0.0313
C13	0.3638	0.3638	0.0753	0.1588	0.0383
C14	0.2693	0.4233	0.0555	0.0953	0.1567
C15	0.4253	0.1836	0.0528	0.0908	0.2474
C16	0.4042	0.1299	0.0837	0.0411	0.3412
C17	0.0675	0.2938	0.2938	0.2938	0.0512
C18	0.0383	0.0753	0.1588	0.3638	0.3638
C19	0.0525	0.1202	0.2534	0.0499	0.5240
C20	0.0383	0.0753	0.1588	0.3638	0.3638

需要注意的是，在计算权重过程中，如出现不满足一致性的情况，应对评比矩阵进行修正和调整[17]。这里主要采用更换以某个元素为主所作的整行成对比较判断值，尔后再进行一致性检验。

3.3. 计算各方案对目标的总权重

将a、b、c、d、e 5个方案的评分矩阵${\omega }_{B_1},{\omega }_{B_2},\cdots ,{\omega }_{B_6}$ ，分别与权重矩阵$W_{B_1},W_{B_2},\cdots ,W_{B_6}$ 进行内积，即可得出a、b、c、d、e 5个方案分别在子目标的加权评分。最后，考虑6个子目标对总目标的权重矩阵$W_A={\left[0.0338,0.1427,0.4413,0.0757,0.0757,0.2310\right]}^{\text{T}}$ ，将6个子目标的加权评分再进行汇总，即可求出a、b、c、d、e 5种方案的总评分，如表11所示。

Table 11. Program overall rating ranking

表11. 方案总评分排名

方案	d	c	e	b	a
最终权重	0.2639	0.2232	0.2186	0.1632	0.1460
名次	1	2	3	4	5

4. 数据分析

4.1. 属性权重排名

各属性相对目标的总权重及排名如表12所示。通过对属性排名的分析，可以看出，对方案选择影响最大的属性集中在方案的作战效能上，即开辟通路的质量。其中障碍通过率、联合指挥难度、破障精确度三项属性的权重最高，这也与联合作战的原则和要求是一致的。

Table 12. Attribute weight ranking

表12. 各属性权重排名

属性	C7	C18	C8	C6	C9	C13	C20
权重	0.1540	0.1386	0.1236	0.1043	0.0992	0.0568	0.0462
排名	1	2	3	4	5	6	7
属性	C19	C11	C14	C10	C5	C15	C12
权重	0.0462	0.0372	0.0368	0.0274	0.0269	0.0192	0.0189
排名	8	9	10	11	12	13	14
属性	C1	C4	C17	C3	C16	C2
权重	0.0182	0.0116	0.0103	0.0100	0.0093	0.0055
排名	15	16	17	18	19	20

4.2. 方案总评分排名

对方案的总评分进行排名，如表11。可以看出，在信息化作战的背景下，人工破障和机械破障依然是开辟通路的首选方案，这符合当前反击作战的战术选择。但无人装备破障已经超过传统的火力打击方案，成为第三种重要的备选。随着科学技术的进一步发展和应用，可以预见，无人机、机器人等无人装备必将取代传统的机械作业方法，与人工作业相互弥补、相互配合，成为开辟通路的主要战法。

4.3. 人工破障方案的优劣

对人工破障方案的总权重表进行分析，可以得出人工破障在开辟通路行动中的优势和劣势，如表13所示。

Table 13. Advantages and disadvantages of artificial to break obstacles

表13. 人工破障的优劣

优势	C1	C18	C20	C11	C5	C4
	0.4149	0.3638	0.3638	0.3517	0.3454	0.3430
劣势	C16	C19	C6	C10	C2	C15
	0.0411	0.0499	0.0547	0.0713	0.0727	0.0908

对此表进行分析，不难看出，人工破障方案的最大优势在于其对联合指挥及敌障碍体系的适应能力。也就是说，人工破障的战场适应能力最强。不管战场发生什么变化，人工破障方案都可以做出适度而恰当的反应。比如，当敌人的障碍体系发生变化，或我方需开辟通路的数量突然增多时，人工方案都可以迅速采取有效措施，以最小的改变取得最大的成果。这种适应战场的主观能动性的能力，恰恰是其他四种方案所不具备的。

当然也应该看到，敌近远程火力、空中打击、化学袭击等都可以对人工破障造成致命影响，其最大劣势就是以官兵的生命为代价，费效比极高。从近年来的实兵演习及兵棋推演来看，开辟通路行动中，我工兵是敌主要打击对象。这往往造成工兵损伤严重，既增加了减员，也影响了后续任务的展开。因此，探索和运用人工与无人装备相结合的破障方案，是未来战争的必然。

4.4. 无人装备破障的优劣

对无人装备破障方案的总权重表进行分析，可以得出无人装备在开辟通路行动中的优势和劣势，如表14所示。

可以看出，在费效比指标上，无人装备具有无可比拟的优势，这得益于其对作业人员的保护，最大限度减少了分队指战员在开辟通路过程中的战斗减员；其次，在指挥难度、后续作战、防化学袭击和气候适应性方面，无人装备也表现突出；当然，在机动性、破障速度和电磁防护方面，该方案还有很多不足。同时，考虑到无人机、机器人等载具的载重量和抓取能力有限，现阶段还不具备将无人装备大规模投入到破障行动中的条件。这就要求我们把握好无人装备的使用时机和方式，使其与人工作业相配合，以达到最大的作战效能。这也将是下一步开辟通路战法研究的方向和重点。

Table 14. Advantages and disadvantages of unmanned equipment to break obstacles

表14. 无人装备破障的优劣

优势	C19	C18	C20	C11	C16	C1
	0.5240	0.3638	0.3638	0.3517	0.3412	0.3145
劣势	C12	C10	C13	C17	C3	C6
	0.0313	0.0363	0.0383	0.0512	0.0569	0.0722

5. 结论

本文建立了以破障方法为目标层，以客观条件、敌障碍配系、作战效能、机动性、防护性和可操作性为子目标层，以气候条件、温度等20个指标为属性的层级架构，通过层次分析法对各属性的权重及各方案的加权评分进行计算，得出了现阶段开辟通路的主要战法依然是人工破障法和机械作业法的客观结论。同时，通过对方案总权重的研究，客观分析了人工破障与无人装备破障的优势和劣势。在改善使用时机和方式的基础上，可以预见，无人装备破障必将取代传统的开辟通路方法，成为一种新兴的、主流的、具有极高破障效能的技术手段。