康洪晶 伍 潔 程海軍 胡 博

(1.海軍工程大學訓練部 武漢 430033)(2.海軍工程大學管理工程系 武漢 430033)(3.93682部隊 北京 101300)

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艦艇武器系統(tǒng)效能評估現(xiàn)狀及發(fā)展研究*

康洪晶1伍 潔2程海軍1胡 博3

(1.海軍工程大學訓練部 武漢 430033)(2.海軍工程大學管理工程系 武漢 430033)(3.93682部隊 北京 101300)

隨著艦載武器種類和戰(zhàn)場環(huán)境的不斷變化,客觀、快捷、有效的效能評估方法的發(fā)展已迫在眉睫。論文對效能的基本概念、效能評估的意義與主要評估方法做了全面的綜述,指出了當前綜合效能評估技術研究中存在的以及在實際評估中應考慮的問題,對艦載武器系統(tǒng)綜合效能技術未來發(fā)展趨勢進行了探討。

艦載武器系統(tǒng); 效能評估; 研究現(xiàn)狀; 發(fā)展趨勢; 體系框架

Class Number TP391

1 引言

武器系統(tǒng)效能是指武器在攻防對抗的戰(zhàn)場環(huán)境下完成規(guī)定任務的能力,是研制和使用武器系統(tǒng)所追求的目標,是評價系統(tǒng)優(yōu)劣最重要的指標[1]。隨著武器種類不斷增加,戰(zhàn)場環(huán)境日新月異,僅憑軍事專家的經(jīng)驗和直覺對武器系統(tǒng)進行效能評估已無法適應現(xiàn)代化戰(zhàn)爭,客觀、快捷、有效的評估方法成為發(fā)展的必然需要。

武器系統(tǒng)效能分析必須要以武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)要求為前提,選擇合理的評價指標來評價武器系統(tǒng)[2]。武器系統(tǒng)需要用許多不同的指標來描述,而早期性能評價多采用單個指標評判武器的優(yōu)劣。但只有全面地考慮影響武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的各種因素,才有可能合理地比較武器系統(tǒng)的好壞。如某個武器系統(tǒng)的每個戰(zhàn)術技術指標都優(yōu)于另一個武器系統(tǒng),則顯然可以很明確地評定出哪個武器系統(tǒng)好。實際中往往是某些指標優(yōu)于、另一些指標又不如另一個系統(tǒng),這樣就不能簡單地區(qū)分出武器系統(tǒng)的好壞。

武器系統(tǒng)各個戰(zhàn)術技術指標代表了武器系統(tǒng)完成某一項功能的程度。武器系統(tǒng)效能分析工作,則是將大量單項的戰(zhàn)術技術指標綜合成能代表武器完成某一方面作戰(zhàn)任務能力的綜合性能指標,然后將這些綜合性能指標再合成武器系統(tǒng)的效能值。通過比較武器系統(tǒng)的系統(tǒng)效能值,即可判斷武器系統(tǒng)的優(yōu)劣。由上述分析可知,武器系統(tǒng)效能分析是在一些確定的約束條件下將所要求的武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能和與技術現(xiàn)狀有關的因素抽象成數(shù)學模型[3],利用這個數(shù)學模型來定量分析、評價武器系統(tǒng)。

武器系統(tǒng)的效能是研制、使用該武器所追求的總目標,是規(guī)劃、研制、配置和部署武器系統(tǒng)的基本依據(jù),是評價武器系統(tǒng)優(yōu)劣最重要的綜合性指標,是武器裝備作戰(zhàn)對抗的動力和判斷勝負的主要依據(jù)[4]。通過武器系統(tǒng)的效能分析,可以解決大量工程技術、戰(zhàn)術運用和武器裝備對抗等問題。

自20世紀60年代后期,瑞士、美、俄、英、法、意等國均開展了這方面的研究并裝備使用,可由于艦載和導彈本身功能的局限性,并沒有獲得預期的效果[5]。因此,在研制和發(fā)展中如何評價艦載武器系統(tǒng)的效能,找到一種有效評價該預期的效果、有效評價該系統(tǒng)優(yōu)劣的方法,更好地達到預期效果,非常必要。而艦載武器系統(tǒng)作為現(xiàn)代軍事體系不可缺少的環(huán)節(jié),目前在研制和發(fā)展的過程中尚未形成一種比較系統(tǒng)和有效評價其優(yōu)劣的方法[6]。由于艦載武器系統(tǒng)的綜合效能評估具有很大難度,而且受到保密和競爭機制的制約,使得國內(nèi)外關于這方面的研究成果還不是很多,也沒有形成一個比較系統(tǒng)的理論體系。因此,本文對現(xiàn)有的艦載武器系統(tǒng)的效能評估技術進行分析和評價,并提出一些可能的研究方向。

2 效能的定義及分類

效能是一個內(nèi)涵、外延十分豐富,運用范圍極廣的概念,可以從不同角度、不同側(cè)重點來描述,通常是指完成指定任務的能力。

效能的一般定義:效能是一個系統(tǒng)滿足一組特定任務要求程度的能力;或者說是系統(tǒng)在規(guī)定條件下達到規(guī)定使用目標的能力[7]?！耙?guī)定的條件”指的是環(huán)境條件、時間、人員、使用方法等因素;“規(guī)定使用目標”指的是所要達到的目的;“能力”則是指達到目標的定量或定性程度。

1) 效能的概率定義:系統(tǒng)在規(guī)定的工作條件下和規(guī)定的時間內(nèi),能夠滿足作戰(zhàn)要求的概率[8]。

2) 系統(tǒng)效能。系統(tǒng)效能是指裝備系統(tǒng)在一定條件下,滿足一組特定任務要求的可能程度。它是對武器裝備系統(tǒng)效能的綜合評價,又稱為綜合效能。系統(tǒng)效能是在型號論證時主要考慮的參數(shù)。

美國工業(yè)界武器裝備系統(tǒng)效能咨詢委員會認為系統(tǒng)效能是衡量一個系統(tǒng)滿足一組特定任務要求的程度的量度,是系統(tǒng)的可用性、可信賴性和能力的函數(shù)。該委員會不僅對武器裝備的系統(tǒng)效能作了較為科學的定義,而且還給出了評估計算系統(tǒng)效能的基本模型框架,即系統(tǒng)效能由系統(tǒng)的可用性、可信賴性和能力三個方面共同構成。

3) 作戰(zhàn)效能。作戰(zhàn)效能有時稱為兵力效能,指在規(guī)定的作戰(zhàn)環(huán)境條件下,運用武器裝備系統(tǒng)及其相應的兵力執(zhí)行規(guī)定的作戰(zhàn)任務時,所能達到的預期目標的程度。這里,執(zhí)行作戰(zhàn)任務應覆蓋武器裝備系統(tǒng)在實際作戰(zhàn)中可能承擔的各種主要作戰(zhàn)任務,且涉及整個作戰(zhàn)過程。因此作戰(zhàn)效能是任何武器裝備系統(tǒng)的最終效能和根本質(zhì)量特征。

從上述定義對比武器系統(tǒng),可以得知武器系統(tǒng)的效能應屬于系統(tǒng)效能,評估其效能可以對系統(tǒng)建設工程及使用決策起到作用。

3 國內(nèi)外效能評估研究的現(xiàn)狀分析

3.1 效能評估模型研究現(xiàn)狀

對系統(tǒng)效能的研究,美國起步較早,上世紀六七十年代末美國陸、海、空三軍針對其各自研究領域,用略有不同的詞句對武器的效能進行定義,并給出了數(shù)學模型[9]。

1) 美國航空無線電公司(ARINC)給出:

SE=PRO·PMR·PDA

式中:PRO為戰(zhàn)備狀態(tài)概率,即系統(tǒng)正在良好工作或一旦需要即可投入使用的概率。PMR為任務可靠概率,即系統(tǒng)在任務要求的一段時間內(nèi),持續(xù)良好工作的概率。PDA為設計恰當性(良好性)概率,即系統(tǒng)在給定設計限度內(nèi),成功地完成規(guī)定任務的概率。

2) 美國工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會(WSEIAC)給出:

SE=A·D·C

式中:A為可用性,即系統(tǒng)在任一隨機時刻即可投入使用或正常工作的概率。D為任務可信度,即系統(tǒng)在初始條件給定下,在執(zhí)行作戰(zhàn)任務過程中,處于正常工作或完成規(guī)定功能的概率。C為能力,即在任務期間狀態(tài)給定情況下,系統(tǒng)完成規(guī)定作戰(zhàn)任務的概率。

3) 美國海軍(AN)給出:

SE=P*A*U

式中:P為系統(tǒng)性能指數(shù),即假設系統(tǒng)100%利用條件下,表示系統(tǒng)能力的數(shù)值指數(shù)。A為系統(tǒng)可用性指數(shù),即系統(tǒng)作好戰(zhàn)斗準備,并能圓滿完成其規(guī)定功能的程度的數(shù)值指數(shù)。U為系統(tǒng)適用性指數(shù),即在執(zhí)行作戰(zhàn)任務中,系統(tǒng)性能能力適用程度的數(shù)值指數(shù)。

上述三個系統(tǒng)效能定義模型,雖然表達式不同,但實質(zhì)上都反映了系統(tǒng)效能三個本質(zhì)要素:隨時投入使用的能力;執(zhí)行任務期間,能正常工作的能力;戰(zhàn)術、技術性能的綜合能力。

上世紀70年代,美國ASC公司提出了對非線性制導系統(tǒng)導引精度進行分析的協(xié)方差分析描述函數(shù)技術(CADET)[10,12]。此方法結合了描述函數(shù)理論和協(xié)方差分析理論,在假設系統(tǒng)的隨機狀態(tài)變量為正態(tài)分布的基礎上,通過計算給出每一時刻彈道的均值和方差。這種方法計算精度高、耗時少,是單發(fā)武器射擊效能分析的一種很好的方法。之后,美國的雷神公司提出了一種比CADET方法更優(yōu)越的方法—統(tǒng)計線性化伴隨法,簡稱為SLAM方法,它是CADET方法與伴隨技術型結合的產(chǎn)物,優(yōu)點是能同時給出各個隨機干擾對目標終端時刻脫靶量的影響程度[13]。

早在上世紀60年代初,前蘇聯(lián)專家就將Erlang公式用于武器系統(tǒng)的效能計算上,同時給出了考慮火力殺傷區(qū)縱深情況武器系統(tǒng)能夠?qū)δ繕诉M行射擊時的概率為

式中βt是火力單元的平均射擊時間與目標飛躍火力殺傷區(qū)時間的比值;a為目標到達強度與射擊強度的比值;n是火力單元的數(shù)量。由此公式可以計算出許多感興趣的指標。

一戰(zhàn)初期,英國人F.W.Lanchester[14]建立了描述作戰(zhàn)動態(tài)過程的微分方程,提供了用解析計算求解武器系統(tǒng)整體作戰(zhàn)效能的方法,該方法迅速得到了從事運籌學研究的專家的認可。

德國的伊勞爾在70年代提出描述殲擊機武器系統(tǒng)的效能公式:

=P·[(Wa3·B4)/VW]

國內(nèi)關于武器效能評估方面起步較晚,但發(fā)展較為迅速。有人提出過抗擊效率比、彈效、彈耗比、戰(zhàn)損率等一系列評定某種特定兵器的參數(shù)指標,這些都是某一方面的單一指標,并未給出代表武器系統(tǒng)效能的綜合指標。張進樂[15]提出過以下綜合指標,來描述殲擊機武器系統(tǒng)的效能:

式中c為殲擊機作戰(zhàn)效能;B為作戰(zhàn)性能衡量因子。此公式經(jīng)有關單位試算,可信度較高,但由于是靜態(tài)的,尚待補充和完善。

還有很多研究人員在美國的ADC模型的基礎上,提出了一系列的擴展模型,進一步完善了ADC模型的含義[16～18]。隨著神經(jīng)網(wǎng)絡與模糊集理論的發(fā)展和完善,有人將其應用于武器系統(tǒng)效能評估中,取得了較好的仿真結果[19～24]。

3.2 效能評估方法研究現(xiàn)狀

1) 作戰(zhàn)模擬法。作戰(zhàn)模擬法又稱為作戰(zhàn)仿真法,實質(zhì)是以計算機模擬模型來進行作戰(zhàn)仿真實驗,由實驗得到的關于作戰(zhàn)進程和結果的數(shù)據(jù),可直接或經(jīng)過統(tǒng)計處理后給出效能指標評估值[25～26]。

[27]研究了團級防空系統(tǒng)C3I效能仿真,仿真了對敵機攻擊流的處理能力,最終歸結為效能的計算。參考文獻[28]提出了防空導彈效能仿真思路,文獻[29]提供了效能-費用仿真的思路,參考文獻[30]提供了效能-費用仿真的思路。

作戰(zhàn)模擬法考慮了對抗條件下,以具體作戰(zhàn)環(huán)境和一定兵力編成為背景來評價,能夠?qū)崿F(xiàn)戰(zhàn)斗過程的演示,比較形象,但需要大量可靠的基礎數(shù)據(jù)和原始資料作依托。

2) 統(tǒng)計實驗法。所謂統(tǒng)計實驗法是在規(guī)定的現(xiàn)場中或精確模擬的環(huán)境中,對具有隨機因素影響的系統(tǒng)進行統(tǒng)計分析的方法,通過實驗獲得大量統(tǒng)計資料以評估效能指標。應用前提是,對研究對象盡可能建立確定性數(shù)學模型,對統(tǒng)計數(shù)據(jù)的隨機特性可以清楚地用模型表示并相應地加以利用。統(tǒng)計實驗法不但能得到效能指標的評估值,還能顯示武器系統(tǒng)性能、作戰(zhàn)規(guī)則等影響因素對效能指標的影響,從而為改進武器系統(tǒng)性能和作戰(zhàn)規(guī)律提供了定量分析基礎,其結果比較準確。

采用統(tǒng)計實驗法的基本前提是:必須能構造出符合具體武器系統(tǒng)作戰(zhàn)使用過程中物理和事理特征且具有高分辨力的數(shù)學模型。除此之外,還需要有大量的武器裝備作實驗的物質(zhì)基礎,這在武器研制前無法實施,而且耗費太大,需要時間長[31～33]。

3) 專家評分法。這種方法注重發(fā)揮專家知識在效能評估中的作用,其一般過程是選取最能反映系統(tǒng)效能的特征指標,由一組專家打分,最后通過對專家意見的處理,得到武器系統(tǒng)效能。這種方法在評定難以定量計算的指標時比較有效,難點之一是如何選取專家,其次是選取評價的參數(shù)。

專家評分法的缺點是主觀因素過多,專家評估時有很大的傾向性。且評估結果只能給出相對比較,不能準確給出系統(tǒng)效能的差別程度[34]。

4) 指數(shù)法。指數(shù)法源于經(jīng)濟活動,曾作為“中國、美國國防系統(tǒng)分析方法學術研討會”研討的重要內(nèi)容之一,它提出了一個統(tǒng)一的度量標準,建立在軍事專家們的豐富經(jīng)驗之上,在量化方面有所改進。指數(shù)法具有結構簡單、使用方便的特點,適于宏觀分析和快速評估,而且效能建立在武器系統(tǒng)自身的戰(zhàn)術技術性能指標的基礎上,避開了大量不確定因素的影響,從而增強了評估的確切性,對一些系數(shù)確定也采用了層次分析法等專家評估法[35]。具體方法如下。

指數(shù)法在評估地空導彈武器系統(tǒng)效能時的應用。針對地空導彈武器系統(tǒng)的特點,效能評估的指標體系主要因素為目標特性、射擊能力、抗干擾能力、可使用性和快速機動性能力等。評估模型:

E=(Tc·Cm·Aj·Ak)0.3+Mc0.5

式中Tc為目標特性因子效能衡量指標;Cm為射擊能力因子效能衡量指標;Aj為抗干擾因子效能衡量指標;Ak為可使用性因子效能衡量指標;Mc為機動因子效能衡量指標。其中各項因子的效能與武器系統(tǒng)的特征性能有關。

指數(shù)法建立的飛機效能指數(shù)模型:

E=a1C+a2K1D

式中E為總作戰(zhàn)能力指數(shù);C為空戰(zhàn)能力指數(shù);D為對地攻擊能力[36]。

指數(shù)方法雖然在一定程度上可以評估武器系統(tǒng)的效能,但由于指數(shù)方法在描述模型是過于簡單粗糙,因而在使用上受到一定的限制。

5) 解析法。解析法是根據(jù)描述效能指標與給定條件之間的函數(shù)關系的解析表達式計算指標,可根據(jù)數(shù)學方法求解建立的效能方程。解析法的優(yōu)點是公式透明性好,易于了解,計算簡單[37]。

前面多次提到的WSEIAC模型就屬于解析法,此模型在評價系統(tǒng)效能中得到了廣泛的應用,在實踐中得到了推廣,針對不同情況提出了很多修正模型。

(1)ARC模型。在某些特殊情況下,WSEIAC模型蛻化成三個量的乘積:

E=A·R·C

式中A為系統(tǒng)在使用前處于規(guī)定戰(zhàn)斗準備狀態(tài)且可靠工作的概率;R為使用中系統(tǒng)可靠工作的概率;C為武器系統(tǒng)在使用可靠條件下完成戰(zhàn)斗任務的概率[38～39]。文獻[40]在評定雷達效能中采用了此模型。

(2)QADC模型。由于WSEIAC模型未考慮敵方的對抗,而敵方的對抗對武器系統(tǒng)效能有很重要影響,故改進如下:

E=A·D·C

Q被定義為“武器系統(tǒng)在未被敵方火力擊毀的條件下實施發(fā)射的概率”。

Q=PA+(1-PA)(1-PvRv)

式中:PA為我方武器系統(tǒng)先于敵方發(fā)射的概率;Rv為敵方武器系統(tǒng)發(fā)射可靠、飛行可靠的概率;Pv為敵方武器系統(tǒng)條件殺傷概率[41]。

(3)KADC模型。任何硬件都需要人去操縱,人的素質(zhì)和訓練水平的差異對武器效能的發(fā)揮有著明顯的影響。考慮到這些實際存在問題,美國海軍研究效能模型時修正如下:

可用性:AP=K1A

可信度:DP=K2D

能力:CP=K3C

式中:K1、K2、K3分別表示操作人員掌握硬件的能力、素質(zhì)和水平系數(shù),其數(shù)值小于1,可根據(jù)統(tǒng)計或經(jīng)驗規(guī)定[42]。

無論WSEIAC模型還是其推廣模型,能力矩陣(向量)C是系統(tǒng)性能的集中體現(xiàn),也是求解效能的關鍵所在[43]。

6) DEA法。DEA(Data Envelopment Analysis)法是由A.Charnes和W.WCooper等提出的一種評價方法。它應用數(shù)學規(guī)劃模型計算比較決策單元之間的相對效率,對評價對象做出評價[44]。該方法的一個主要特點是以方案的各輸入輸出指標的權重為變量,避免了事先確定各指標在優(yōu)先意義下的權重,使之受不確定主觀因素的影響較小。DEA法在效能分析中主要作用是用于方案有效性評估。

7) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)法。一般的效能評估方法在信息含糊、不完整、存在矛盾等復雜環(huán)境中往往難以適應,而ANN能跨越這一障礙,其非線性處理能力突破了基于線性處理的現(xiàn)有效能評估方法的局限,網(wǎng)絡所具有的自學能力使得傳統(tǒng)上最困難的知識獲取工作轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡的變結構調(diào)整過程[45]。用ANN評估效能代表了效能評估智能化發(fā)展方向[46]。

3.3 效能評估方法選擇

上述幾種效能評估方法,各有優(yōu)劣和使用范圍。解析法比較適用于不考慮對抗條件下的武器系統(tǒng)效能評估;統(tǒng)計實驗法特別適合于進行武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的預測評估;指數(shù)法比較適合于對武器系統(tǒng)的多種能力進行全面綜合評估;層次分析法和模糊數(shù)學法則比較適用于解決系統(tǒng)性能分析中遇到的半結構問題和模糊信息問題的評估。

至于選用哪種方法來進行評估,主要取決于研究對象的性能參數(shù)特性、給定條件、評估目的和精度要求等。解析法具有公式透明性好、易于了解、計算較簡單且能夠進行變量間關系的分析、便于應用等優(yōu)點,而統(tǒng)計實驗法對于武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的評估則具有不可替代的作用,因此,應盡可能選用解析法和統(tǒng)計實驗法。但該武器系統(tǒng)又是大型復雜的武器系統(tǒng),只采用解析法或統(tǒng)計實驗法,不能全面解決系統(tǒng)的評估問題,所以混合使用其他方法,以達到取長補短的效果。

4 結語

艦載武器系統(tǒng)作為現(xiàn)代軍事體系裝備發(fā)展的重要武器之一,其效能評估是非常重要的問題。對其進行效能分析和評估,將會對系統(tǒng)的研制決策提供總體性參考,為系統(tǒng)各部分的戰(zhàn)術性能指標提供某些必要的限制和最低標準,這對于裝備體系的發(fā)展來說,具有很好的借鑒意義。

由于艦載武器系統(tǒng)自身結構的多層次性、所處環(huán)境復雜等實際條件限制,對其進行效能評估時要根據(jù)不同型號的實際情況,選擇合適的指標體系建立合理準確的評估模型,是系統(tǒng)綜合效能評估技術未來發(fā)展的關鍵。

本文對現(xiàn)有的效能評估技術進行分析并指出不足之處,提出了未來系統(tǒng)綜合效能評估技術的發(fā)展方向,希望能對這方面的研究起到促進作用。

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Status and Development of Warship Weapon System Effectiveness Evaluation

KANG Hongjing1WU Jie2CHENG Haijun1HU Bo3

(1.Administrative Office of Training,Naval University of Engineering,Wuhan 430033)(2.Department of Management Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033)(3.No.93682 Troops of PLA,Beijing 101300)

With the ever-changing shipboard weapon types and the battlefield environment,development of objective,efficient and effective performance evaluation method is imminent.In this paper,a comprehensive overview of performance of the basic concept,significance and main assessment methods to assess the effectiveness are ellaborated.The current comprehensive study effectiveness evaluation and problems which evaluation should be considered are pointed out in the actual performance.Finally,the effectiveness of shipboard weapon system integrated technology future trends is discussed.

shipboard weapon system,effectiveness evaluation,research status,trends,framework

2014年8月15日,

2014年9月25日

康洪晶,男,碩士,研究方向:計算機應用及虛擬仿真。伍潔,女,講師,研究方向:項目管理。程海軍,男,講師,研究方向:計算機應用。胡博,女,助理會計師,研究方向:財務軟件。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2015.02.001