数据驱动建模与优化技术在装备计划管理中的应用
文/李一1冯楠2谭顺成3
摘 要
本文介绍了基于数据驱动建模与优化技术的装备计划管理分析模型应用方案，并分析了数据驱动的自动建模与优化技术内涵，研究了其基本原理和相关技术的比对分析。分析了装备计划管理需求，提出了基于数据开展规划计划评价模型，规划计划执行情况分析模型和装备建设综合效益评估模型。
【关键词】 数据驱动 建模优化 装备计划管理 模型应用
数据驱动的自动建模与优化技术主要针对大数据环境下复杂巨系统中问题建模困难、传统解析方法难以适用的装备计划管理工作建模场景，充分利用大数据的数据资源丰富的优势，采用机器学习和深度神经网络方法基于历史数据生成高质量的模拟器以代替传统解析目标函数。并将组合后的模拟器采用智能计算和随机优化的方法在参数空间寻找近优方案。该方法克服了优化问题、特别是高维度多目标优化问题中普遍存在的维度灾难和优化目标函数难以确定的难题，融合了原始数据与机器学习所产生的知识，是解决复杂优化的前沿方案。
1 基本原理
如图1所示，本技术先用真实优化问题（Exact function evaluation）产生的数据建立个模型，这个模型称为代理模型（Surrogate），以前也叫代理模型辅助的进化优化算法（Surrogate-Assisted Evolutionary Algorithm，SAEA）。一般来说，机器学习的那些建模方法都可以拿来训练代理模型，如高斯过程，神经网络，SVM，RBF 还有各种集成模型。代理模型的目的就是逼近真实问题。在优化过程中，这个代理模型和真实问题相互合作评估个体，这个相互合作就是所谓的代理模型管理（Surrogate Management）。代理模型和真实优化问题相互合作有两个方面的原因，一方面是代理模型由真实问题的数据训练得到，和真实问题有着相似性，用代理模型代替优化问题对解进行评估，预选出真实问题的比较好的解，以减少真实问题的评估次数。另一方面是代理模型和真实问题存在偏差，用真实问题对解进行评估以防止代理模型误导解偏离真实问题，将真实问题评估的解加入训练数据集修正代理模型。
图1：数据驱动的自动建模与优化技术原理视图
图2：PDCA需求分析循环模型
2 相关技术的对比分析
数据驱动的自动建模与优化技术只需计算目标函数的值即可，对优化问题本身的性质要求是非常低的，不会像数学优化算法往往依赖于一大堆的条件，例如是否为凸优化，目标函数是否可微，目标函数导数是否利普希茨连续 （Lipschitz continuity） 等等。同时，基于机器学习模型产生的知识，可以极大的降低问题的维度，在一定程度上减少了对原始目标函数的评价次数。辅助以大数据和深度学习技术，大大降低了分析装备问题的建模难度，使得装备分析人员得以从构建目标函数的解析形式的繁复工作中解放出来。也在一定程度上降低了分析装备管理工作问题、建立装备业务模型的专业门槛，使普通装备业务人员也能参与到装备问题建模优化中来，贡献每一位装备人的智慧。
3 装备计划管理需求分析
如图2所示，计划管理分析模型将使用PDCA循环模型，依据全过程的计划管控体系，采用业务分析调查法、业务流程图分析法、指标判别法、管理评分法等定性和定量分析方法，实施动态高效的计划体系。
图3：基于层次分析法的装备规划计划评价视图
（1）从编制计划和事前的风险识别预警开始，形成风险预警预案，并贯彻实施；具体而言，规划计划管理分析围绕装备建设规划、装备建设计划、装备中长期建设计划等内容进行。
（2）从事中的操作流程控制和关键指标的实时监控预警，同时制定风险的防范与控制对策并切实有效的实施。具体而言，包括以下三方面：基于数据开展规划计划评价模型研究、规划计划执行情况分析模型、装备建设综合效益评估模型等。
（3）依据历史数据，进行数据挖掘，构建模型进行预警，同时也依靠审计监察和内控评价进行预警，最终形成一个有效的PDCA循环体系。通过对规划计划相关数据进行深入分析，形成对规划计划的事前评价、规划计划的执行情况进行跟踪分析，对计划项目建设后的综合效益进行总结评估。
4 基于数据开展规划计划评价模型
4.1 模型概述及目的
本模型方法主要用于规划、年度计划制定后的投资效益评价分析。在每个规划、项目立项批复的当期计划年，对包含在规划或者规划调整方案中的项目，采用基于能力的规划方法、基于能力集成的计划方法进行分析。
4.2 模型输入
规划计划中的项目，所映射的各种能力需求组合的能力增长时点满足（延迟）度；
列入规划计划的各作战方向对应的能力需求组合；
124篇校园足球研究的论文中有课题基金项目支撑的论文80篇（见表3），占论文总数的64.52%，其中国家社会科学基金项目28项（占22.58%），省、部级课题基金项目29项（占23.39%），市、厅级课题基金项目14项（占11.29%），基金项目数量逐年增加．从校园足球研究的基金项目情况看出，政府部门对校园足球发展的重视程度及学科研究发展的导向.
列入规划计划的各典型作战样式对应的能力需求组合；
民办高校学生思想活跃、个性鲜明、具有较强实践能力，接受和学习新鲜事物能力比较强，但缺乏良好的学习习惯，自主学习能力较差，而且部分学生经济条件较好，依赖性强，抗挫折能力比较差[5]。
列入规划计划的演习、训练对应的能力需求组合；
能力优先等级；
规划计划的能力冗余、重叠需求；
目标系统支持基于层次分析法（AHP）的规划计划评价模型。具体而言，在AHP模型中，准则层采用的指标包括：技术可行性、费用指标、执行风险、贸易风险、资源可获得性。子准则层的指标可落实到装备建设过程中的所有阶段性特征。
4.3 模型输出
功能满足性；
一本书，集中运用了近100种介质、30余种设备、10余种工艺、6种装订方式进行制作，其复杂程度可见一斑——这本书就是《能印》。
本研究体外实验结果表明，SVPr对GM诱导HEK293细胞损伤具有保护作用，使HEK293细胞存活率显著升高，内源性抗氧化酶活性升高，LDH释放量和MDA含量下降。
图4：基于鱼骨模型的规划计划执行情况分析视图
列入规划计划的战略构想所对应的能力需求组合；
计划时间、计划费用、计划需求、技术指标；
规划计划中的项目，所映射的各种能力需求组合的覆盖度；
技术战术指标。
4.4 模型算法
装备规划计划的评价涉及装备的多个指标的系统性评估，具有多指标特征、非结构化、不同时期的特征偏好差异大等特点。从系统工程学的模型评估方法的角度分析，装备规划计划的评价比较适合于层次分析法来做系统评估。如图3所示。
层次分析法（AHP）的基本思路与人对一个复杂的决策问题的思维、判断过程大体上是一样的。层次分析法不仅适用于存在不确定性和主观信息的情况，还允许以合乎逻辑的方式运用经验、洞察力和直觉。
规划计划执行情况分析模型，是具有明显的时间序列属性，适合于典型的时间序列分析，可采用的模型包括：鱼骨分析方法、实时甘特图。下图以鱼骨分析方法为例说明。
建立层次结构模型。在深入分析实际问题的基础上，将有关的各个因素按照不同属性自上而下地分解成若干层次，同一层的诸因素从属于上一层的因素或对上层因素有影响，同时又支配下一层的因素或受到下层因素的作用。最上层为目标层，通常只有1个因素，最下层通常为方案或对象层，中间可以有一个或几个层次，通常为准则或指标层。当准则过多时(譬如多于9个)应进一步分解出子准则层。
按照乡村司法理论，在乡村法治中承担一定司法功能的组织大体可纳入乡村司法的范畴，其中大致可分为基层法官的司法和乡村干部的司法[32]。乡土正义的供给体系主要是指，能够为村民主张乡土利益促进纠纷解决的社会控制层级系统，大体包含内生自发型、内生体制型和基层官僚型三种类型，分别对应的纠纷解决主体是民间权威、村干部和国家机关[13]。
构造成对比较阵。从层次结构模型的第2层开始，对于从属于(或影响)上一层每个因素的同一层诸因素，用成对比较法和1-9比较尺度构造成对比较阵，直到最下层。
计算权向量并做一致性检验。对于每一个成对比较阵计算最大特征根及对应特征向量，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检验。若检验通过，特征向量(归一化后)即为权向量：若不通过，需重新构造成对比较阵。
计算组合权向量并做组合一致性检验。计算最下层对目标的组合权向量，并根据公式做组合一致性检验，若检验通过，则可按照组合权向量表示的结果进行决策，否则需要重新考虑模型或重新构造那些一致性比率较大的成对比较阵。
规划计划的总体投资总额及年度投资额；
血清CysC与RBP4联合检测对糖尿病早期肾损害的诊断价值较高，任意一个阳性可以避免漏诊，双阳性可以避免误诊，联合诊断效用高于单独诊断。
5 规划计划执行情况分析模型
对规划计划执行情况进行分析，跟踪项目在QCD方面的表现，如项目的进度达成情况、经费的使用及变化情况、需求实现及变化，确定项目是否按预先计划正常进行，是否出现‘指标一降再降、需求一变再变、经费一调再调’的情况。
5.1 模型输入
作为英语教师在上课的时候如果还是用母语，也就是汉语给学生讲课，既影响学生听力能力的锻炼，也影响英语听力氛围的营造。因此，教师要在课堂教学中尽量用英语和学生沟通，从课前的复习到提问、到课中的提醒、点拨还有作业的布置等，让每个环节都成为学生练习听力的途径，给学生创造浓厚的英语听力氛围，帮助学生提高学习的热情，不断提高学生的听力能力。
5.2 模型输出
进度达成情况、费用使用情况、项目质量评价
5.3 模型算法
针对55份不合格样本,分析导致其细菌超标的原因:清洗问题占56.36%;个人使用问题占23.64%;管理问题占20.00%,详见表2。
对高校突发事件的理解，如果从突发事件的角度展开分析，可以理解为“突然发生的严重事件，对社会或者学校造成较大的不良影响，需要采取一系列的应急措施加以防范”。至于对高校突发事件的具体判定，每个人在认识上可能存在差异，但是其中大多数人认为：这类型事件主要指的是在高校内部突然发生、同时给学校生活造成严重威胁和损失的重大事件，通常会给学校带来较大的不良影响。
鱼骨图(Fishbone analysis method)是一种发现问题“根本原因”的方法，它也可以称之为“因果图”。如图4所示。
6 装备建设综合效益评估模型
从项目建成表现与计划目标进行综合对比分析，评价项目在效益方面的表现，如项目的用途满足度、可靠性分析、可维护性分析、可维修性分析如维修难度、维修周期等。
6.1 模型输入
规划计划需求、项目实绩。
6.2 模型输出
集成度评估、覆盖度评估、时效性评估、成本分析（根据状态）。
6.3 模型算法
装备建设综合效益评估同样属于多目标属性的系统工程管理，适合于层次分析方法。
在具体分析过程中，准则层的数据指标包括：装备的经济性分析、技术可达性性、技术革新的促进作用、装备的可靠可用性、作业执行的技术接受便捷性。子准则层的数据指标就比较广泛了，与装备的规划、采购、实施、使用、维护与报废等关联。
7 结束语
本文针对大数据环境下复杂巨系统中问题建模困难、传统解析方法难以适用的装备计划管理工作建模场景问题，利用数据驱动的自动建模与优化技术，进行了装备计划管理需求分析，基于数据开展规划计划评价模型、规划计划执行情况分析模型和装备建设综合效益评估模型，通过系统应用表明，该方法对解决装备系统计划管理具有明显的效益提升。
参考文献
[1]林小村，马玉林，翁小云.数据中心建设与运行管理[M].北京:科学出版社，2010:221-237.
[2]米海波，王怀民，尹刚等.一种面向虚拟化数据中心资源按需重配置方法[J].软件学报，2011.22(09):2193-2205.
[3]赵菲.浅议指挥信息系统数据的异地容灾备份[J].海军军事学术，2011(02):11-12.
[4]董太安.面向海量信息存储的数字图书馆整体模型构建[J].情报科学，2011，29(06):902-905.
[5]张立新，赵东伟，章涛.军事数据工程建设问题研究[J].自动化指挥与计算机，2011(03):47.
[6]林平，刘永辉，陈大勇.军事数据工程基本问题分析[J].军事运筹与系统工程，2012(03):16.
●国家自然科学基金资助项目成果，项目编号，61671462。
作者简介
李一（1980-），男，辽宁省锦州市人。学士。高工。主要从事装备数据工程技术总体研究。
来到遥远的新疆，刘宇星不期望浪费在新疆的时光。在工作期间，刘宇星除了完成分管的各项任务之外，还利用网络、历史藏书从各个层面去理解兵团精神的真正涵义，甚至不惜在出差往返路过的各个城市去淘关于新疆和兵团相关的各类期刊书籍。“援疆生活，让我领略到不同民族的文化，不同地域的风情，让我学会用不同的视角看待问题、思考问题。政治上收获了成熟、工作上收获了干练、思想上我得到了升华、阅历上更加丰富。”谈起援疆感受，刘宇星的脸上情不自禁的写满了自信和深情。
作者单位
1.中国人民解放军92493部队13分队 辽宁省葫芦岛市 125000
2.中国人民解放军92941部队41分队 辽宁省葫芦岛市 125000
3 海军航空大学信息融合研究所 山东省烟台市 264000
标签：数据驱动论文; 建模优化论文; 装备计划管理论文; 模型应用论文; 中国人民解放军92493部队13分队论文; 中国人民解放军92941部队41分队论文; 海军航空大学信息融合研究所论文;