程莉莉 羅 威 胡芷毅 趙開敏 張 毅

艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)戰(zhàn)備狀態(tài)評價方法研究?

程莉莉1羅 威2胡芷毅3趙開敏2張 毅3

（1.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心 武漢 430060）（2.中國艦船研究設(shè)計中心 武漢 430064）（3.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 武漢 430072）

如何評價艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)的戰(zhàn)備狀態(tài)一直是艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)研究領(lǐng)域中一個挑戰(zhàn)性的課題，因為艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的分布式系統(tǒng)，其系統(tǒng)、分系統(tǒng)和設(shè)備的戰(zhàn)備狀態(tài)不僅取決于設(shè)備本身的戰(zhàn)備狀態(tài)，也取決于與其相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)的戰(zhàn)備狀況。論文在對艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)做出一定合理假設(shè)的前提條件下，對作戰(zhàn)系統(tǒng)的組成關(guān)系進(jìn)行分析，并給出戰(zhàn)備狀態(tài)的定量計算方法。研究結(jié)果對設(shè)計和實現(xiàn)作戰(zhàn)系統(tǒng)的戰(zhàn)備完好性測試系統(tǒng)和改進(jìn)作戰(zhàn)系統(tǒng)的設(shè)計具有指導(dǎo)性的意義。

作戰(zhàn)系統(tǒng)；戰(zhàn)備狀態(tài)；戰(zhàn)備完好性；依賴集

AbstractEvaluation of the operational state of ship-borne combat systems is really a challenging issue，due to the inter-de?pendent relationship among devices or sub-systems of the whole combat systems.In this paper，the operational states of ship-borne combat systems are modeled and analyzed based on some reasonable assumptions，followed by detailed quantitative computing meth?ods.Our research fruits pave the way for designing and implementing the operational readiness testing systems and improving the overall design of ship-borne combat systems.

Key Wordscombat system，combat states，combat readiness，dependency set

Class NumberTP302

1 引言

作戰(zhàn)系統(tǒng)就是軍用平臺上用于執(zhí)行警戒、跟蹤、通訊、導(dǎo)航、目標(biāo)識別、數(shù)據(jù)處理、威脅估計及指揮控制武器完成對敵作戰(zhàn)等功能的各要素及人員的綜合體［1～4］。衡量艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)能力指標(biāo)有很多種，如可靠性、可用性、可維修性、戰(zhàn)備完好性、戰(zhàn)備狀態(tài)等。如何評價艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)的戰(zhàn)備狀態(tài)一直是一個具有挑戰(zhàn)性的課題，因為艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的分布式系統(tǒng)，其系統(tǒng)、分系統(tǒng)和設(shè)備的戰(zhàn)備狀態(tài)不僅取決于設(shè)備本身的戰(zhàn)備狀態(tài)，也取決于與其相關(guān)系統(tǒng)（設(shè)備）的戰(zhàn)備狀況［5～6］。

在現(xiàn)有文獻(xiàn)方法中，郭萬梅等人對艦載雷達(dá)技術(shù)提供了評估方案［7］，文獻(xiàn)［8］分析了艦載雷達(dá)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，文獻(xiàn)［9］分析了艦載電子設(shè)備的可靠性，文獻(xiàn)［10］提供了一種艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的解決方案，文獻(xiàn)［11］提供了一種艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)控制的解決方案，文獻(xiàn)［12］提供了一種簡單的分布式艦載系統(tǒng)模型，文獻(xiàn)［13］驗證了傳統(tǒng)艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)的可靠性。

本文對艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)做出一定合理假設(shè)，并在此基礎(chǔ)上對作戰(zhàn)系統(tǒng)的組成關(guān)系進(jìn)行分析，提出一種度量艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)戰(zhàn)備狀態(tài)的指標(biāo)—戰(zhàn)備可用性CU（Combat Usability）來定量描述當(dāng)前作戰(zhàn)系統(tǒng)的設(shè)備、分系統(tǒng)和系統(tǒng)的戰(zhàn)備狀態(tài)。CU的值在［0，1］之間，CU=0表示該系統(tǒng)或者設(shè)備完全失效；當(dāng)CU=1表示設(shè)備和系統(tǒng)可以完全正常使用。最后，給出作戰(zhàn)系統(tǒng)的戰(zhàn)備可用性的具體計算方法。本研究結(jié)果對設(shè)計和實現(xiàn)作戰(zhàn)系統(tǒng)的戰(zhàn)備完好性測試系統(tǒng)和改進(jìn)作戰(zhàn)系統(tǒng)的設(shè)計具有指導(dǎo)性的意義［14～15］。

2 艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)戰(zhàn)備狀態(tài)分析

2.1 作戰(zhàn)系統(tǒng)層次性關(guān)系分析

艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)從邏輯層次關(guān)系上可分為三層（如圖1所示）：作戰(zhàn)分系統(tǒng)層（包括反潛戰(zhàn)分系統(tǒng)、對空戰(zhàn)分系統(tǒng)、對海戰(zhàn)分系統(tǒng)等）、作戰(zhàn)單元層（如對空戰(zhàn)分系統(tǒng)包括艦空導(dǎo)彈單元、副炮單元和主炮單元組成）和作戰(zhàn)設(shè)備層（如主炮單元又有火炮火控設(shè)備、火炮用雷達(dá)和發(fā)射裝置）。

圖1 作戰(zhàn)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)劃分

站在作戰(zhàn)單元內(nèi)部的角度來看，其戰(zhàn)備可用性取決于該作戰(zhàn)單元包含的所有設(shè)備的戰(zhàn)備可用性。從作戰(zhàn)單元與其它單元的相互關(guān)系看，作戰(zhàn)單元為完成某項功能，需要與多個其它的作戰(zhàn)單元和設(shè)備相互通信配合。例如，完成艦空導(dǎo)彈發(fā)射的任務(wù)，不僅需要艦空導(dǎo)彈系統(tǒng)能正常工作，還需要雷達(dá)傳感器、指控系統(tǒng)、時統(tǒng)、綜合導(dǎo)航系統(tǒng)等的支持。如果艦空導(dǎo)彈單元能正常工作，但某些傳感器失效，則艦空導(dǎo)彈單元無法從這些失效的傳感器中獲得有效的信息，會導(dǎo)致系統(tǒng)降功能使用。

站在作戰(zhàn)系統(tǒng)的頂層角度來看，若能計算得到一個作戰(zhàn)單元的戰(zhàn)備可用性后，就能得到作戰(zhàn)分系統(tǒng)乃至整個作戰(zhàn)系統(tǒng)的戰(zhàn)備狀態(tài)。

2.2 戰(zhàn)備可用性的分析和計算

結(jié)合上述分析可以看出，分析和計算作戰(zhàn)單元的戰(zhàn)備可用性是評價整個作戰(zhàn)系統(tǒng)戰(zhàn)備可用性的核心。為了計算一個作戰(zhàn)單元的戰(zhàn)備可用性，需要知道兩點：1）作戰(zhàn)單元與其相關(guān)系統(tǒng)、設(shè)備的依賴關(guān)系；2）作戰(zhàn)單元自身的戰(zhàn)備可用性和與其相關(guān)依賴系統(tǒng)、設(shè)備的可用性。為了簡化問題而又不失一般性，做出兩點假設(shè)：

1）每一個作戰(zhàn)單元和與其依賴的系統(tǒng)、設(shè)備的戰(zhàn)備可用性已知，由各分系統(tǒng)提供。

2）作戰(zhàn)單元相互之間的依賴關(guān)系和影響是線性并且是有限的（例如，主炮單元對時統(tǒng)的依賴，若時統(tǒng)的戰(zhàn)備可用性為0.5，主炮單元的戰(zhàn)備可用性下降0.2，若時統(tǒng)完全故障，主炮單元的戰(zhàn)備可用性下降0.4）。

為了方便描述，給出若干定義，并用這些定義對系統(tǒng)戰(zhàn)備狀態(tài)進(jìn)行分析。首先定一個集合Ω，Ω描述了作戰(zhàn)系統(tǒng)內(nèi)的所有戰(zhàn)備單元的集合。

定義1 某作戰(zhàn)單元Di的固有狀態(tài)Inherent?Status(Di)描述了作戰(zhàn)單元由于自己的原因（而非受到其它設(shè)備或系統(tǒng)的影響）表現(xiàn)出的戰(zhàn)備狀態(tài)，包括正常NORMAL，降功能使用DEGRADED，或者完全故障FAILURE。InherentStatus(Di)∈

｛NORMAL，DEGRADED，F(xiàn)AILURE｝ （1）

進(jìn)一步定量描述一個作戰(zhàn)單元的戰(zhàn)備可用性，描述了該作戰(zhàn)單元自身的狀態(tài)對作戰(zhàn)單元戰(zhàn)備狀態(tài)產(chǎn)生的影響。

定義2 作戰(zhàn)單元的固有戰(zhàn)備可用性InherentCombatUsability(Di)描述了該作戰(zhàn)單元的當(dāng)前可用性度量（即不受其它設(shè)備、系統(tǒng)的狀態(tài)影響）：

下面給出了一個實例。

例1：指控系統(tǒng)在正常狀態(tài)下的戰(zhàn)備可用性為1，在數(shù)據(jù)庫機(jī)柜故障的情況下可用性為0.8，而在戰(zhàn)術(shù)處理機(jī)故障時的可用度只有0.5。

定義3 某作戰(zhàn)單元Di的表現(xiàn)狀態(tài)Status(Di)描述為作戰(zhàn)單元Di由于自己的原因以及其它所依賴的設(shè)備狀態(tài)而導(dǎo)致Di出現(xiàn)的狀態(tài)。同樣包括三種狀態(tài)：NORMAL，DEGRADED，F(xiàn)AILURE。

定義4 定義一個作戰(zhàn)單元的表現(xiàn)戰(zhàn)備可用性CombatUsability(Di)描述了該作戰(zhàn)單元表現(xiàn)出來的可用性度量：

根據(jù)上述定義，很顯然有：

例2：在某艦作戰(zhàn)系統(tǒng)中，艦艦導(dǎo)彈需要接收雷達(dá)A，雷達(dá)B等雷達(dá)系統(tǒng)的航跡信息，因此，即使艦艦導(dǎo)彈的固有戰(zhàn)備可用性為1，但由于艦艦導(dǎo)彈接收不到任何雷達(dá)的航跡信息，因此艦艦導(dǎo)彈的表現(xiàn)戰(zhàn)備可用性也小于1。

在下文中，我們提到的戰(zhàn)備可用性，若無特別說明，都是指的表現(xiàn)戰(zhàn)備可用性。

定義5 某作戰(zhàn)單元Di硬依賴集HardDepen?dency(Di)。如果HardDependency(Di)的任何一個作戰(zhàn)單元故障，都將會導(dǎo)致作戰(zhàn)單元Di完全故障，形式化描述為備故障，都將會導(dǎo)致作戰(zhàn)單元Di降功能使用，形式化描述為

例4：在某艦作戰(zhàn)系統(tǒng)中，艦空導(dǎo)彈軟依賴于雷達(dá)A、導(dǎo)航系統(tǒng)、時統(tǒng)系統(tǒng)和指控系統(tǒng)，也即Soft?Dependency（艦空導(dǎo)彈）=｛雷達(dá)A，指控，時統(tǒng)，導(dǎo)航｝

定義7 某作戰(zhàn)單元Di的全依賴集Dependen?cy(Di)為SoftDependency(Di)和HardDependency的合集合形式化描述為

定義8 某作戰(zhàn)單元D的對作戰(zhàn)單元E的依賴度DependencyFactor（D，E）表示為：若作戰(zhàn)單元E故障或降功能使用，作戰(zhàn)單元D的戰(zhàn)備可用度下降的比例。形式化描述為

例3：在某艦作戰(zhàn)系統(tǒng)中，艦空導(dǎo)彈強(qiáng)依賴于雷達(dá)A（其它的雷達(dá)探測距離、精度、數(shù)據(jù)率都不能滿足以上要求而且艦空導(dǎo)彈需要雷達(dá)A對目標(biāo)進(jìn)行精跟），即若雷達(dá)A故障，艦空導(dǎo)彈統(tǒng)將完全無法正常工作，即

HardDependency(Di)（艦空導(dǎo)彈）=｛雷達(dá)A｝

這里 CombatUsability（D）B表示E出現(xiàn)故障之前，CombatUsability（D）E表示E出現(xiàn)故障之后。

特別的，當(dāng)D＝E時，表示作戰(zhàn)單元D對自身的依賴度。DependencyFactor（D，E）表示為設(shè)備D的固有可用度對自身表現(xiàn)可用度的貢獻(xiàn)比例。

例5：在某艦作戰(zhàn)系統(tǒng)中，艦空導(dǎo)彈軟依賴于雷達(dá)A、導(dǎo)航系統(tǒng)、時統(tǒng)系統(tǒng)和指控系統(tǒng)。艦空導(dǎo)彈對時統(tǒng)的依賴度DependencyFactor（D，E）（艦空導(dǎo)彈，時統(tǒng)）=0.5，即若時統(tǒng)出現(xiàn)故障，其可用度變?yōu)?.5，則艦空導(dǎo)彈的可用度降低0.25；若時統(tǒng)完全故障完全不可用，則艦空導(dǎo)彈的可用度降低0.5。

根據(jù)上述定義，可以很容易得出某設(shè)備的戰(zhàn)備狀態(tài)計算公式。

定理1 作戰(zhàn)單元Di的表現(xiàn)狀態(tài)Status(Di)根據(jù)其固有狀態(tài)和它的依賴集合狀態(tài)所決定，即：

定義6 某作戰(zhàn)單元Di軟依賴集SoftDepen?dency(Di)：如果SoftDependency(Di)的任何一個設(shè)Status(Di)

同道，根據(jù)定義8可以計算出某作戰(zhàn)單元的戰(zhàn)備可用性的定量計算公式：

定理2 作戰(zhàn)單元Di的戰(zhàn)備可用性CombatUs?ability(Di)可由下述公式計算：

例6：下面以某艦上的艦艦導(dǎo)彈系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。艦艦導(dǎo)彈需要依賴于述系統(tǒng)或設(shè)備：指控系統(tǒng)、時統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、雷達(dá)A、雷達(dá)B、雷達(dá)C、通信通道A、通信通道B。

艦艦導(dǎo)彈導(dǎo)彈系統(tǒng)對各個分設(shè)備系統(tǒng)的依賴度DependencyFactor(Di，Ei)分別如下：

DependencyFactor（艦艦導(dǎo)彈，指控）=0.2，

DependencyFactor（艦艦導(dǎo)彈，時統(tǒng)）=0.1，

DependencyFactor（艦艦導(dǎo)彈，導(dǎo)航系統(tǒng)）=0.2，

DependencyFactor（艦艦導(dǎo)彈，雷達(dá)A）=0.1，

DependencyFactor（艦艦導(dǎo)彈，雷達(dá)B）=0.1，

DependencyFactor（艦艦導(dǎo)彈，雷達(dá)C）=0.1，

DependencyFactor（艦艦導(dǎo)彈，通信通道A）=0.05，

DependencyFactor（艦艦導(dǎo)彈，通信通道B）=0.05。

艦艦導(dǎo)彈對自身的依賴度DependencyFactor（艦艦導(dǎo)彈，艦艦導(dǎo)彈）=0.2。

假設(shè)各個設(shè)備、系統(tǒng)的戰(zhàn)備可用性或表現(xiàn)可用性如下：

InherentCombatUsability（艦艦導(dǎo)彈）=1，

CombatUsability（指控）=0.9，

CombatUsability（時統(tǒng)）=1，

CombatUsability（導(dǎo)航系統(tǒng)）=1，

CombatUsability（雷達(dá)A）=0.9，

CombatUsability（雷達(dá)B）=0.8，

CombatUsability（雷達(dá)C）=0.5，

CombatUsability（通信通道A）=1，

CombatUsability（通信通道B）=0.7。

根據(jù)式（9）可以計算得到艦艦導(dǎo)彈系統(tǒng)戰(zhàn)備可用性為

從上面的定義和計算公式可以看出。為了提高某一個作戰(zhàn)單元的戰(zhàn)備可用性，不僅戰(zhàn)備單元自己設(shè)備的可用性，也要盡量提高與其相依賴設(shè)備和系統(tǒng)的可用性。盡量減少或消滅戰(zhàn)備單元的硬依賴集，減少軟依賴集設(shè)備的戰(zhàn)備可用性。在我們設(shè)計作戰(zhàn)系統(tǒng)的時候，也應(yīng)將上述原則作為設(shè)計的指導(dǎo)性原則。

2.3 戰(zhàn)備可用性的關(guān)聯(lián)影響

得到戰(zhàn)備可用性的具體計算值后，另一個需解決的問題是：當(dāng)一個設(shè)備或者作戰(zhàn)單元的戰(zhàn)備狀態(tài)發(fā)生變化時，會影響哪些其它的設(shè)備或者作戰(zhàn)單元。給出影響集的定義，描述當(dāng)一個作戰(zhàn)單元的戰(zhàn)備狀態(tài)發(fā)生變化時，有那些其它的作戰(zhàn)單元會收到影響。

定義9 某作戰(zhàn)單元D的影響集EffectingSet（D）定義當(dāng)作戰(zhàn)單元D的作戰(zhàn)狀態(tài)發(fā)生變化時，那些其它作戰(zhàn)單元會收到影響，形式化描述為

這里給出影響集的計算方法：假設(shè)作戰(zhàn)單元R的戰(zhàn)備可用性發(fā)生變化。會影響其它作戰(zhàn)單元的集合EffectingSet（R）為ω。ω的計算方式如下：

根據(jù)上述計算方法，可以計算某個作戰(zhàn)單元的戰(zhàn)備可用性發(fā)生變化后的影響其它系統(tǒng)的集合。因此，在實際系統(tǒng)的運行中，當(dāng)一個作戰(zhàn)單元的戰(zhàn)備狀態(tài)發(fā)生變化后，應(yīng)該立即計算和更新其它受影響的戰(zhàn)備單元的戰(zhàn)備可用性。需要注意的是，生成的EffectingSet（R）是一個偏序集合的關(guān)系（partial order），需要重新進(jìn)行拓?fù)渑判蚝?，按照生成的拓?fù)漤樞蛴嬎銘?zhàn)備可用性。

3 結(jié)語

艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的分布式系統(tǒng)，其系統(tǒng)、分系統(tǒng)和設(shè)備的戰(zhàn)備狀態(tài)不僅取決于設(shè)備本身的戰(zhàn)備狀態(tài)，也取決于與其相關(guān)系統(tǒng)（設(shè)備）的戰(zhàn)備狀況。如何對艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)的戰(zhàn)備狀態(tài)進(jìn)行定性和定量的評價和分析是作戰(zhàn)系統(tǒng)研制領(lǐng)域的難點。

本文的主要貢獻(xiàn)在于：1）在對艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)各設(shè)備、作戰(zhàn)單元、系統(tǒng)做出一定合理假設(shè)的前提條件下，對作戰(zhàn)系統(tǒng)的戰(zhàn)備狀態(tài)進(jìn)行定性和定量的分析，并給出戰(zhàn)備狀態(tài)的定量計算方法；2）根據(jù)作戰(zhàn)系統(tǒng)相互依賴的偏序關(guān)系，提出當(dāng)某一個作戰(zhàn)單元的戰(zhàn)備狀態(tài)發(fā)生變化后，其它系統(tǒng)的戰(zhàn)備狀態(tài)計算方法。本文的研究結(jié)果對設(shè)計和實現(xiàn)作戰(zhàn)系統(tǒng)的戰(zhàn)備完好性測試系統(tǒng)和改進(jìn)作戰(zhàn)系統(tǒng)的設(shè)計具有指導(dǎo)性的意義。

由于本文提出的作戰(zhàn)系統(tǒng)相互的關(guān)聯(lián)方式是一個簡單的線性關(guān)系，而實際作戰(zhàn)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系可能更加復(fù)雜。因此，我們下一步的工作是繼續(xù)研究作戰(zhàn)系統(tǒng)的實際關(guān)聯(lián)關(guān)系。

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Research on Evaluation of the Ship-borne Combat System Operational States

CHENG Lili1LUO W ei2HU Zhiyi3ZHAO Kaim in2ZHANG Yi3
（1.Patent Examination Cooperation Hubei Center of the Patent Office SIPO，Wuhan 430060）（2.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064）（3.Electronic Information School，Wuhan University，Wuhan 430072）

TP302

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.09.021

2017年3月4日，

2017年4月18日

程莉莉，女，博士，助理研究員，研究方向：電子信息系統(tǒng)，無損檢測。羅威，男，博士，高級工程師，研究方向：艦船電子信息系統(tǒng)。胡芷毅，男，碩士，研究方向：大數(shù)據(jù)分析。趙開敏，男，碩士，研究方向：艦船電子信息系統(tǒng)。張毅，男，碩士，研究方向：大數(shù)據(jù)分析。