屈也頻，金惠明，何肇雄

海軍研究院，上海 200436

航母艦載機(jī)體系建設(shè)是一個(gè)典型的、復(fù)雜的巨系統(tǒng)建設(shè)，其發(fā)展論證研究涉及航母艦載機(jī)的作戰(zhàn)需求、能力要求、艦機(jī)適配性[1]和經(jīng)濟(jì)性等多重因素的權(quán)衡。特別是艦機(jī)適配性約束貫穿于艦載機(jī)裝備論證的全過程，具有鮮明的海軍航空裝備特色。近年來，隨著航空武器裝備論證內(nèi)涵外延的豐富與擴(kuò)展，其論證范疇、論證領(lǐng)域、論證方法和論證要求都發(fā)生了變化[2]。采用在陸基飛機(jī)上增加艦載使用要求的傳統(tǒng)型號(hào)綜合論證方法，已不能全面準(zhǔn)確地反映艦載機(jī)的特殊性要求。如何創(chuàng)新論證理論與方法，從頂層上明確艦載機(jī)與母艦總體、作戰(zhàn)系統(tǒng)和航空保障系統(tǒng)的適配要求，規(guī)范各型艦載機(jī)的保障資源，構(gòu)建合理的艦載機(jī)裝備體系和科學(xué)完整的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)，是航母艦載機(jī)論證需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

隨著體系作戰(zhàn)成為現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)的基本形態(tài)，裝備使用和研制部門越來越重視裝備體系論證，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究工作。文獻(xiàn)[3]提出要通過裝備體系論證牽引裝備型號(hào)發(fā)展，并指出前者決定并約束后者。文獻(xiàn)[4]運(yùn)用基于能力的需求開發(fā)方法[5]，完成了美國空軍遠(yuǎn)程作戰(zhàn)裝備體系論證。文獻(xiàn)[6-8]分別提出運(yùn)用綜合集成、動(dòng)/靜態(tài)評(píng)估相結(jié)合、質(zhì)量功能展開(Quality Function Deployment，QFD)與系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)建模語言(Systems Modeling Language，SysML)等方法，圍繞陸軍坦克/裝甲、海軍艦船等裝備開展了案例應(yīng)用研究。但不同裝備論證有自身的個(gè)性特點(diǎn)[2]，上述研究成果可以為航母艦載機(jī)體系論證提供部分借鑒，但難以直接運(yùn)用于艦載機(jī)體系特征明顯、艦載使用強(qiáng)約束和一體化保障要求高的論證研究對(duì)象，難以有效解決航母艦載機(jī)裝備論證實(shí)際工作中面臨的問題。

1 航母艦載機(jī)論證特點(diǎn)

1.1 具有強(qiáng)烈的體系論證特征

航母艦載機(jī)裝備體系作為航母編隊(duì)的重要組成部分，是海上編隊(duì)履行使命任務(wù)，遂行?？兆鲬?zhàn)行動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。艦載機(jī)通常遠(yuǎn)離本土陸地、隨航母編隊(duì)前出遂行作戰(zhàn)任務(wù)，在裝備種類結(jié)構(gòu)上要求自成體系，包含艦載戰(zhàn)斗機(jī)、電子戰(zhàn)飛機(jī)、伙伴加油機(jī)、預(yù)警機(jī)、反潛機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、教練機(jī)等，以及不同用途的艦載直升機(jī)[9]；在裝備比例結(jié)構(gòu)上要確保滿足作戰(zhàn)與訓(xùn)練需要；在裝備規(guī)模數(shù)量上要與母艦“部署周期”相適應(yīng)，確保航母艦載機(jī)戰(zhàn)斗力的實(shí)現(xiàn)。

航母艦載機(jī)論證是涉及多種型號(hào)裝備在“人/機(jī)/艦/場(chǎng)”(飛行員-艦載機(jī)-母艦-訓(xùn)練場(chǎng))大環(huán)路中協(xié)調(diào)建設(shè)的復(fù)雜巨系統(tǒng)，具有鮮明的整體性、聚合性、涌現(xiàn)性、互補(bǔ)性、配套性、演化性和目的性[10-13]。如何從航母編隊(duì)體系作戰(zhàn)角度構(gòu)建艦載機(jī)體系結(jié)構(gòu)，提出種類齊備、功能齊全、性能協(xié)調(diào)、艦機(jī)適配的艦載機(jī)典型配置方案，是艦載機(jī)裝備論證首先要解決的難題。因此，必須以系統(tǒng)工程的研究思路和方法，綜合運(yùn)用基于動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的需求生成與分析[13-14]、以數(shù)據(jù)為中心[15]的體系結(jié)構(gòu)建模與分析、基于價(jià)值的作戰(zhàn)能力分析與評(píng)估[16]、基于可執(zhí)行模型[13,17]驅(qū)動(dòng)的體系設(shè)計(jì)與優(yōu)化以及基于跨“人/機(jī)/艦/場(chǎng)”等學(xué)科專業(yè)的綜合集成研討等現(xiàn)代系統(tǒng)思想、方法和工具，落實(shí)“需求牽引、能力驅(qū)動(dòng)、體系主導(dǎo)”的發(fā)展理念，將“作戰(zhàn)概念可視化、作戰(zhàn)需求條目化、作戰(zhàn)能力具體化、性能指標(biāo)定量化”，確保論證研究結(jié)果協(xié)調(diào)化、聯(lián)動(dòng)化，且客觀性和邏輯性強(qiáng)。

科學(xué)描述艦載機(jī)裝備體系的任務(wù)特點(diǎn)、功能需求、互聯(lián)關(guān)系和整體作戰(zhàn)效果，才能充分體現(xiàn)艦載機(jī)體系特征，以及與編隊(duì)其他兵力之間的關(guān)系。特別是由于艦載機(jī)受客觀條件限制，總體規(guī)模偏小，前出航母編隊(duì)遠(yuǎn)海作戰(zhàn)，缺少陸地雷達(dá)網(wǎng)、通信網(wǎng)、氣象[18]網(wǎng)和火力網(wǎng)等支撐，且平戰(zhàn)交融、與對(duì)手行動(dòng)交錯(cuò)。如何在斷網(wǎng)、殘網(wǎng)、缺網(wǎng)的情況下，實(shí)現(xiàn)機(jī)群之間的信息融合和協(xié)同精確打擊，對(duì)艦載機(jī)獨(dú)立遂行作戰(zhàn)任務(wù)和多任務(wù)能力的論證提出了更高要求。

1.2 艦載使用的強(qiáng)約束特征明顯

艦載機(jī)駐艦使用條件苛刻，要求艦載機(jī)具有良好的艦機(jī)適配性。例如，受航母飛行甲板長(zhǎng)度/寬度的限制和為適應(yīng)彈射/攔阻起降方式[19-20]，艦載戰(zhàn)斗機(jī)等固定翼飛機(jī)應(yīng)具有良好的小速度起降特性和大迎角操穩(wěn)特性，機(jī)體結(jié)構(gòu)和機(jī)載系統(tǒng)/設(shè)備應(yīng)有承受更高縱向過載的能力；在航母縱搖、橫搖和升沉運(yùn)動(dòng)過程中著艦[21-22]，起落架應(yīng)能承受高強(qiáng)度沖擊要求；機(jī)體尺寸要求更加緊湊、機(jī)翼可折疊，以便于調(diào)運(yùn)和機(jī)庫停放[23]，等等。同時(shí)，艦載機(jī)應(yīng)具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。包括在“高溫、高濕、高鹽霧”海洋環(huán)境下的機(jī)體腐蝕防護(hù)與控制要求更高；機(jī)載電子設(shè)備應(yīng)能承受艦面雷達(dá)等電子設(shè)備的高場(chǎng)強(qiáng)電磁輻射，電磁兼容性要求更高。以上這些是艦載機(jī)顯著區(qū)別于陸基航空裝備的最主要技術(shù)特征，必須在裝備論證階段系統(tǒng)地提出要求，從裝備設(shè)計(jì)的源頭和在生產(chǎn)的全過程中，全面貫徹艦機(jī)適配性要求。

1.3 多機(jī)種保障一體化論證要求高

艦載機(jī)的機(jī)型種類多、保障工作復(fù)雜、保障工作強(qiáng)度大，受艦上空間限制，隨艦技術(shù)人員少，保障設(shè)備、工具和備品、備件儲(chǔ)備量相當(dāng)有限[24]，一旦發(fā)生故障無法出動(dòng)，則直接影響作戰(zhàn)能力。為此，要求艦載機(jī)裝備可靠性更高、故障自診斷能力更強(qiáng)，維護(hù)更加簡(jiǎn)單便捷。艦載機(jī)多機(jī)種一體化保障要求論證，一方面涉及單一機(jī)種保障特性，確保其具有高可靠性、維修性和保障性水平；另一方面涉及兼顧不同種類機(jī)型和整個(gè)機(jī)群的保障體系要求論證，必須從頂層設(shè)計(jì)的角度，提出保障要素、功能與信息一體化要求。因此，需針對(duì)各型艦載機(jī)的保障特點(diǎn)，通過維修與保障資源的頂層規(guī)劃，貫徹一體化通用設(shè)計(jì)要求，有效控制艦上配套保障資源規(guī)模，使裝備論證全過程始終處于一體化要求的強(qiáng)約束之中。

2 航母艦載機(jī)裝備體系構(gòu)建方法

按照“作戰(zhàn)需求—能力要求—裝備體系—裝備型號(hào)—關(guān)鍵技術(shù)”迭代遞進(jìn)式論證研究流程，重點(diǎn)針對(duì)艦載機(jī)裝備的強(qiáng)體系特征，在裝備體系論證環(huán)節(jié)中創(chuàng)新論證方法，實(shí)現(xiàn)科學(xué)論證，牽引航母艦載機(jī)裝備發(fā)展。

2.1 建立任務(wù)需求與裝備需求之間的關(guān)系

裝備體系建設(shè)，是按照軍事需求和使命任務(wù)，明確體系作戰(zhàn)能力，提出各個(gè)型號(hào)裝備的比例和總體規(guī)模數(shù)量，建立體系內(nèi)裝備的組合方式與耦合形式，并據(jù)此開展研制、采購、生產(chǎn)和使用維護(hù)，以及其他全壽命周期內(nèi)工作的建設(shè)活動(dòng)。

航母艦載機(jī)發(fā)展涉及到航母艦載機(jī)作戰(zhàn)需求、能力要求、艦機(jī)適配性和經(jīng)濟(jì)性等多重因素約束，論證的基本目標(biāo)是通過分析艦載機(jī)裝備體系的使命任務(wù)、作戰(zhàn)運(yùn)用和相關(guān)資源保障需求，識(shí)別出各型艦載機(jī)的能力需求，梳理能力生成的邏輯關(guān)系和信息接口。

為建立任務(wù)需求與裝備需求之間的聯(lián)系，許多研究學(xué)者經(jīng)常采用“映射”概念[25-27]來描述，但艦載機(jī)通常都具有多任務(wù)能力，各型機(jī)除擔(dān)負(fù)其主要使命任務(wù)外，往往還兼顧其他任務(wù)。因此，在實(shí)際上，艦載機(jī)任務(wù)需求與裝備需求之間并不構(gòu)成嚴(yán)格數(shù)學(xué)意義上的“一對(duì)一”和“多對(duì)一”的“映射”關(guān)系，但兩者之間可以用“關(guān)系矩陣”來描述。

設(shè)任務(wù)需求為向量U=[u1,u2,…,un]，裝備需求為向量V=[v1,v2,…,vm]。向量中元素分別對(duì)應(yīng)于n項(xiàng)任務(wù)需求和m類艦載機(jī)裝備，則通過能力目錄f可以建立U和V的關(guān)系，記為U→V。其關(guān)系矩陣R∈f(U×V)，且

式中:rij為第i類裝備與第j項(xiàng)任務(wù)的相關(guān)程度。

從世界海軍強(qiáng)國軍事實(shí)踐看，通常航母編隊(duì)賦予艦載航空兵的使命任務(wù)是奪取局部空域的制空權(quán)、制海權(quán)和制信息權(quán)，實(shí)施“由海制陸”的軍事打擊和其他非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事運(yùn)用等。顯然，明確且清晰的任務(wù)需求是裝備體系研究的前提，為開展裝備資源配置論證提供輸入。

通過運(yùn)用目標(biāo)價(jià)值評(píng)估方法，分析未來作戰(zhàn)環(huán)境、威脅對(duì)象和作戰(zhàn)對(duì)手，結(jié)合作戰(zhàn)概念設(shè)計(jì)，梳理作戰(zhàn)任務(wù)需求形成任務(wù)清單；利用SA(System Architect)[28]體系結(jié)構(gòu)建模工具開發(fā)基于DoDAF2.0體系結(jié)構(gòu)框架[29]的能力/作戰(zhàn)/系統(tǒng)等視圖模型；利用DOORS[30]等需求管理工具捕獲任務(wù)需求和能力要求，明確艦載機(jī)體系作戰(zhàn)能力目錄；利用SA for DOORS Interface插件[31]建立起任務(wù)需求與裝備資源的連接關(guān)系，初步構(gòu)建航母艦載機(jī)裝備體系結(jié)構(gòu)。

2.2 分析裝備需求對(duì)任務(wù)需求的相關(guān)程度

在圖1中，以能力目錄為紐帶，建立起航母艦載機(jī)的使命任務(wù)與裝備資源的關(guān)聯(lián)關(guān)系。由于裝備需求對(duì)任務(wù)需求的相關(guān)程度存在個(gè)體認(rèn)知差異，且這種相關(guān)性難以精確量化，也就是說兩者之間存在模糊性。為此，引入模糊集理論[32]，通過專家群決策和層次分析法(AHP)，處理得到[0, 1]區(qū)間數(shù)，作為某項(xiàng)任務(wù)需求與某種裝備資源相關(guān)程度的隸屬度，從而得到模糊矩陣[33]R。

圖1 使命任務(wù)與裝備資源的關(guān)系圖Fig.1 Relationship between missions and equipment

經(jīng)加權(quán)平均M(·,+)模糊變換可以得到裝備資源V=[v1,v2,…,vm]的綜合評(píng)價(jià)向量B，即

B=A°R=[b1,b2,…,bm]

式中:“°”為模糊矩陣合成運(yùn)算算子。

至此，可以得到各型艦載機(jī)裝備對(duì)履行航母編隊(duì)賦予艦載機(jī)使命任務(wù)的相關(guān)程度，完成裝備資源對(duì)任務(wù)需求的重要度或敏感度分析。

2.3 迭代優(yōu)化形成艦載機(jī)裝備體系

裝備資源對(duì)任務(wù)需求的相關(guān)程度，體現(xiàn)了各型艦載機(jī)裝備對(duì)完成使命任務(wù)的重要度。通過對(duì)其進(jìn)行從大到小的排序，可得到在客觀條件限制下考慮各型艦載機(jī)配置數(shù)量的優(yōu)先次序。

以圖1典型航母艦載機(jī)體系論證為例，按照航母賦予艦載機(jī)的使命任務(wù)獲得模糊關(guān)系矩陣R=(rij)5×7，以及任務(wù)需求U=[u1,u2,…,u5]的權(quán)重向量A。假設(shè)經(jīng)加權(quán)平均模糊變換計(jì)算后，得到裝備資源V=[v1,v2,…,v7]的綜合評(píng)價(jià)向量為

B=[0.22,0.25,0.20,0.12,0.08,0.09,0.04]

由此可獲得裝備配置的優(yōu)先排序?yàn)?/p>

v2>v1>v3>v4>v6>v5>v7

裝備配置的優(yōu)先級(jí)是研究艦載機(jī)裝備體系的最根本依據(jù)。通過先后次序分配有限資源，可優(yōu)先保障對(duì)任務(wù)需求影響大的艦載機(jī)裝備(如艦載戰(zhàn)斗機(jī)、預(yù)警機(jī)等)的數(shù)量需求，避免多個(gè)決策變量相互耦合難以求解、重點(diǎn)裝備數(shù)量需求難以滿足、體系效應(yīng)難以發(fā)揮等問題。

在具體開展艦載機(jī)配置數(shù)量需求分析中，首先，以裝備配置優(yōu)先級(jí)為頂層約束，根據(jù)航母編隊(duì)及其艦載機(jī)作戰(zhàn)使用方式[34-35]，按波次連續(xù)出動(dòng)，計(jì)算每個(gè)波次編隊(duì)的基本數(shù)量，以及持續(xù)出動(dòng)模式和高強(qiáng)度出動(dòng)模式下的飛行架次需求。

然后，根據(jù)艦載機(jī)出動(dòng)強(qiáng)度、母艦保障能力和裝備完好率等因素，計(jì)算得到不同戰(zhàn)術(shù)使用方式下各型艦載機(jī)的最低配置數(shù)量需求。具體算法模型因涉及具體戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用，不在此處詳述。

最后，根據(jù)航母甲板和機(jī)庫空間尺寸約束，運(yùn)用計(jì)算機(jī)推演方法開展多方案艦上布列仿真，形成多套備選配置方案。在此基礎(chǔ)上，開展作戰(zhàn)效能與作戰(zhàn)能力評(píng)估。經(jīng)過多輪迭代優(yōu)化，最終可獲得航母編隊(duì)不同作戰(zhàn)任務(wù)條件下各型艦載機(jī)配置方案。典型的優(yōu)選流程如圖2所示。

圖2 艦載機(jī)備選配置方案優(yōu)選流程Fig.2 Optimization process of carrier-based aircraft alternative configuration

總之，艦載機(jī)體系的規(guī)模和比例結(jié)構(gòu)研究是一個(gè)“任務(wù)需求—裝備需求—出動(dòng)保障能力—母艦搭載能力”的反復(fù)優(yōu)化迭代過程，最終通過作戰(zhàn)過程推演和效能評(píng)估來檢驗(yàn)是否滿足航母編隊(duì)作戰(zhàn)需求。

3 母艦約束下的艦載機(jī)指標(biāo)論證方法

如前所述，與陸基航空裝備相比，艦載機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)具有艦載強(qiáng)約束和多機(jī)種一體化保障要求，需系統(tǒng)梳理與艦載使用有關(guān)的指標(biāo)，構(gòu)建完備的指標(biāo)體系，并對(duì)艦機(jī)適配性要求等指標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)論證。

3.1 建立基于作業(yè)流程仿真的艦載機(jī)指標(biāo)體系

戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)是開展型號(hào)研制設(shè)計(jì)的輸入，也是設(shè)計(jì)定型驗(yàn)收考核的基本依據(jù)，必須遵循先進(jìn)性、完備性、準(zhǔn)確性、合理性和可達(dá)性原則[36]。航母艦載機(jī)是從母艦起飛作戰(zhàn)并駐艦保障的裝備，首先必須擁有能在海洋上空作戰(zhàn)使用的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能，這是一般航空裝備論證中的共性要求。但艦載機(jī)因?yàn)槠鸾?、使用和保障環(huán)境條件更加苛刻，其戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)必須充分考慮與母艦的艦機(jī)適配性、艦上使用環(huán)境適應(yīng)性、艦面綜合保障能力、艦上起降等艦載使用要求，將具有艦載機(jī)特色的要求在飛機(jī)平臺(tái)、發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載系統(tǒng)和武器、“五性”及綜合保障要求中進(jìn)行全面融合，形成各型艦載機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)體系。

3.1.1 基于作業(yè)流程模型驅(qū)動(dòng)的過程仿真

由于在確定艦載機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)時(shí)受艦載使用的強(qiáng)約束，涉及到艦載機(jī)使命任務(wù)、航母總體技術(shù)狀態(tài)、作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)和航空保障等多種因素影響，與母艦和編隊(duì)兵力關(guān)聯(lián)耦合復(fù)雜。傳統(tǒng)的裝備相似類比法難以全面系統(tǒng)地建立艦載機(jī)特色的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)體系。因此，按照艦載機(jī)駐艦保障、起降和海上作戰(zhàn)使用的要求，開展作戰(zhàn)指揮控制、甲板/機(jī)庫布列、儀表/目視著艦引導(dǎo)、系留/轉(zhuǎn)運(yùn)、艦面保障資源使用全過程的仿真，結(jié)合各個(gè)使用環(huán)節(jié)辨識(shí)梳理戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)要求，確保艦載機(jī)與母艦具有良好適配性，構(gòu)建科學(xué)的航母艦載機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)體系。

以艦載戰(zhàn)斗機(jī)為例，針對(duì)“艦上起降、艦面指揮引導(dǎo)、艦上綜合保障”等特點(diǎn)，通過基于作戰(zhàn)流程模型驅(qū)動(dòng)的過程仿真，模擬艦載戰(zhàn)斗機(jī)在母艦上作戰(zhàn)使用的全過程(見圖3)，辨識(shí)在各作戰(zhàn)任務(wù)/活動(dòng)/操作中航母編隊(duì)體系作戰(zhàn)、艦機(jī)適配性、環(huán)境適應(yīng)性等論證約束要素，形成具有海軍航空裝備特色的論證流程和論證方法。

圖3 面向指標(biāo)生成的艦載機(jī)作業(yè)流程仿真Fig.3 Simulation of carrier-based aircraft operation process oriented towards index generation

3.1.2 艦載強(qiáng)約束下的艦載機(jī)指標(biāo)架構(gòu)論證

針對(duì)不同類型艦載機(jī)的使命任務(wù)，運(yùn)用艦載機(jī)作業(yè)流程過程仿真手段，結(jié)合專家研討分析，初步構(gòu)建艦載機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)體系。主要內(nèi)容包括：

1) 根據(jù)海上作戰(zhàn)使用要求，提出飛行性能、飛行品質(zhì)、機(jī)載系統(tǒng)、機(jī)載武器等作戰(zhàn)使用性能要求。

2) 根據(jù)艦上滑躍/彈射起飛、攔阻著艦特點(diǎn)，提出機(jī)體傳力結(jié)構(gòu)與起落架的強(qiáng)度與剛度、機(jī)體壽命、小速度大迎角操穩(wěn)性、發(fā)動(dòng)機(jī)油門響應(yīng)特性。

3) 針對(duì)艦載機(jī)著艦復(fù)飛概率高、遠(yuǎn)離陸地使用的特點(diǎn)，提出伙伴加/受油指標(biāo)要求。

4) 針對(duì)母艦甲板狹小空間保障和調(diào)運(yùn)需求，提出艦上“貯存、轉(zhuǎn)運(yùn)、起降、引導(dǎo)、維修、補(bǔ)給、保障”使用要求，在兼顧各型艦載機(jī)保障的約束下，構(gòu)建一體化綜合保障指標(biāo)要求。

5) 針對(duì)海洋惡劣環(huán)境和艦面復(fù)雜電磁環(huán)境特點(diǎn)，提出可靠性、維修性、測(cè)試性、保障性和安全性，以及電磁兼容性指標(biāo)要求，等等。

初步建立艦載機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)體系后，根據(jù)艦載使用的各種約束進(jìn)行指標(biāo)迭代尋優(yōu)，其數(shù)學(xué)模型為

式中：X為艦載機(jī)的指標(biāo)參數(shù)；E(X)為艦載機(jī)的作戰(zhàn)效能；C(X)為艦載機(jī)的采購成本；M為艦載機(jī)的使命任務(wù)，是指標(biāo)論證的頂層輸入；T為經(jīng)費(fèi)約束；Rs和Ra分別為母艦和艦載機(jī)的約束。

典型的艦載戰(zhàn)斗機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)總體架構(gòu)如圖4所示。

圖4 典型的艦載戰(zhàn)斗機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)架構(gòu)Fig.4 Framework of tactical & technical indexes for typical carrier-based aircraft

3.2 艦機(jī)適配性要求論證

艦機(jī)適配性是指艦載機(jī)利用母艦特性、設(shè)施和裝備進(jìn)行艦上使用和活動(dòng)的能力，主要包括艦載機(jī)在母艦上滑躍/彈射起飛、攔阻著艦、甲板操作、艦面維修等方面的要求。這是艦載機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)中最具特色的部分，是其區(qū)別于陸基飛機(jī)的最主要表征，具有以下鮮明特征：

1) 內(nèi)容范圍的廣泛性。幾乎包括母艦和艦載機(jī)上的所有構(gòu)成元素。

2) 技術(shù)要求的兼容性。所有構(gòu)成元素既要滿足艦機(jī)適配性，又要同時(shí)滿足各自的性能指標(biāo)，增加了論證研究的復(fù)雜難度。

3) 接口標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是艦機(jī)適配性技術(shù)體系的基礎(chǔ)，一旦確定標(biāo)準(zhǔn)的體制和接口規(guī)范，必須保持其相對(duì)穩(wěn)定性。

4) 規(guī)定要求的繼承性。艦機(jī)適配性要求的建立是一個(gè)反復(fù)推演、增量完善的過程，構(gòu)成要素必須具有良好的繼承性。

2011年美軍在國防部《聯(lián)合軍種規(guī)范指南》JSSG-2011航空器/艦船綜合集成(Air Vehicle/ Ship Integration)分冊(cè)中，明確了由于使用艦載機(jī)而影響母艦設(shè)計(jì)的一系列獨(dú)特要求，包括：航空甲板，飛機(jī)起飛、回收和控制，飛機(jī)保障、維修、存放、保養(yǎng)，光學(xué)和電子輔助著艦，任務(wù)規(guī)劃和氣象保障，以及飛機(jī)彈藥、外掛物的存放、搬運(yùn)和掛載等內(nèi)容。JSSG(Joint Service Specification Guide)[37]是美國國防部就依照采辦和標(biāo)準(zhǔn)化管理改革的需要，用于代替所有的航空系統(tǒng)和航空產(chǎn)品MIL填空規(guī)范和AFGS(Air Force Guide Specification)文件。其附錄中的條款均與正文的條款相對(duì)應(yīng)，并包含填寫內(nèi)容的理由和必要性、選用條件或限制條件，以及填寫的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及選取原則等3個(gè)方面內(nèi)容，是以往在項(xiàng)目研制和生產(chǎn)中成功經(jīng)驗(yàn)與失敗教訓(xùn)的總結(jié)[38]。因此，可借鑒JSSG-2011規(guī)范內(nèi)容，充實(shí)和完善艦機(jī)適配性要求。

圖5給出了基于艦載機(jī)作業(yè)流程仿真結(jié)果和優(yōu)化后的典型艦機(jī)適配性指標(biāo)體系(節(jié)選)。

圖5 艦機(jī)適配性要求指標(biāo)體系(節(jié)選)Fig.5 Excerpts of carrier suitability index system

4 論證支持系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用舉例

航母艦載機(jī)論證是一項(xiàng)涉及面廣、綜合性強(qiáng)的工作，貫穿于艦載機(jī)體系的全系統(tǒng)、全壽命管理過程。其工作的復(fù)雜性、艱巨性和漸進(jìn)性，決定了必須將專家群體智慧、各種算法模型和數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，把各種學(xué)科理論與人的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)結(jié)合起來，發(fā)揮整體優(yōu)勢(shì)去解決?；谇笆龅睦碚摲椒八惴Ｐ?，將商業(yè)成熟軟件與自主開發(fā)的軟件工具綜合集成，構(gòu)建了論證支持系統(tǒng)，并舉簡(jiǎn)單案例說明應(yīng)用過程。

4.1 面向?qū)＜胰簺Q策的論證支持系統(tǒng)

航母艦載機(jī)體系及指標(biāo)論證支持系統(tǒng)從功能上分為體系規(guī)模結(jié)構(gòu)生成、戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)生成、體系作戰(zhàn)效能評(píng)估三大部分。其中：

1) 體系規(guī)模結(jié)構(gòu)生成部分主要完成需求獲取/描述/分析/管理、體系結(jié)構(gòu)建模設(shè)計(jì)，以及規(guī)模結(jié)構(gòu)計(jì)算與優(yōu)化等工作。

2) 戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)生成部分主要完成作業(yè)流程仿真、指標(biāo)體系綜合研討與生成、參數(shù)化建模以及多學(xué)科分析與優(yōu)化等工作。

3) 體系作戰(zhàn)效能評(píng)估主要完成典型作戰(zhàn)想定編輯與試驗(yàn)設(shè)計(jì)、作戰(zhàn)仿真推演、作戰(zhàn)效能與作戰(zhàn)能力評(píng)估等工作。

在論證支持系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)上，針對(duì)航母艦載機(jī)體系復(fù)雜的特點(diǎn)，采用基于Web的B/S架構(gòu)、面向服務(wù)的分層軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)資源層、抽象資源層、系統(tǒng)服務(wù)層和用戶支持層等。這種分層結(jié)構(gòu)軟件應(yīng)用系統(tǒng)是當(dāng)前大型軟件系統(tǒng)開發(fā)的先進(jìn)模式。層與層之間的接口遵循統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)上層應(yīng)用服務(wù)請(qǐng)求，調(diào)度下層服務(wù)及其相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)資源，實(shí)現(xiàn)以事件為驅(qū)動(dòng)的工作流和數(shù)據(jù)流運(yùn)行。層內(nèi)采用模塊化設(shè)計(jì)，盡量減少模塊之間的耦合，有效地提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。由于采用分層結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)清晰，為應(yīng)用系統(tǒng)融入了極大的開放性、可擴(kuò)展性、可靠性和可維護(hù)性。

整個(gè)論證支持系統(tǒng)基于Web技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，可提高系統(tǒng)的易用性、可擴(kuò)展性和可重用性，有效減少開發(fā)成本和時(shí)間，同時(shí)更好地滿足面向指標(biāo)體系論證的綜合研討需求。

系統(tǒng)的層次化體系結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 面向?qū)＜胰簺Q策的論證支持系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)Fig.6 Hierarchical structure of demonstration support system oriented towards expert group decision making

航母艦載機(jī)體系及指標(biāo)論證支持系統(tǒng)的特點(diǎn)是引入專家群決策，結(jié)合建模分析、知識(shí)與推理、系統(tǒng)仿真等定量分析方法，構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的、人機(jī)結(jié)合的智能系統(tǒng)和問題求解系統(tǒng)。在系統(tǒng)的幫助下，聚集跨領(lǐng)域的專家群體與研討用戶，以定性與定量相結(jié)合的方式，通過“人機(jī)分工、人機(jī)結(jié)合、人機(jī)協(xié)作”，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問題的求解過程。

需要指出的是，論證支持系統(tǒng)是輔助系統(tǒng)分析和論證人員開展裝備發(fā)展研究的手段和工具，使論證群體的思維活動(dòng)條理化、一體化、可視化和可追溯。在當(dāng)前技術(shù)水平條件下，許多復(fù)雜問題還離不開人的智慧。因此，在論證過程中，一要堅(jiān)持定性研究與定量計(jì)算相結(jié)合；二要堅(jiān)持科學(xué)理論與經(jīng)驗(yàn)知識(shí)相結(jié)合；三要堅(jiān)持體系頂層設(shè)計(jì)與裝備個(gè)體研究相結(jié)合。

4.2 應(yīng)用舉例

首先，將航母編隊(duì)使命任務(wù)頂層需求文檔導(dǎo)入需求管理工具DOORS。在此基礎(chǔ)上，基于DoDAF2.0體系架構(gòu)，運(yùn)用基于動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的需求生成與分析方法和以數(shù)據(jù)為中心的體系結(jié)構(gòu)建模與分析方法，以及作戰(zhàn)想定生成工具和SA體系結(jié)構(gòu)建模工具等軟件，分析裝備能力需求，完成航母艦載機(jī)多視圖體系結(jié)構(gòu)模型開發(fā)。

利用SA for DOORS Interface插件和DOORS管理功能，將作戰(zhàn)需求與作戰(zhàn)能力逐層分解，形成能力目錄，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)能力需求描述的條目化、結(jié)構(gòu)化、層次化、指標(biāo)化，確保作戰(zhàn)能力的完備性和作戰(zhàn)需求一致性。

在專家研討基礎(chǔ)上，運(yùn)用基于模糊關(guān)系變換的價(jià)值分析方法，以及Expert Choice[39]等決策支持工具，建立艦載機(jī)裝備需求與任務(wù)需求之間的關(guān)系，將任務(wù)需求量化為裝備需求。在SA中完成系統(tǒng)接口描述模型構(gòu)建，形成由艦載戰(zhàn)斗機(jī)、預(yù)警機(jī)、電子戰(zhàn)飛機(jī)、反潛機(jī)、加油機(jī)、搜救機(jī)和運(yùn)輸機(jī)等典型艦載機(jī)裝備體系。

利用規(guī)模結(jié)構(gòu)生成工具測(cè)算規(guī)模數(shù)量需求，根據(jù)約束模式生成多個(gè)可能的配置方案。運(yùn)用艦載機(jī)布列與調(diào)運(yùn)分析工具擬制布列草案?；谧鲬?zhàn)想定生成工具得到的典型作戰(zhàn)想定，開展作戰(zhàn)過程推演，評(píng)估作戰(zhàn)效能，優(yōu)化艦載機(jī)比例數(shù)量配置方案。

在完成體系論證后，運(yùn)用SA Simulator[40]與TAU[41]等工具軟件，開展基于作業(yè)流程可執(zhí)行性模型驅(qū)動(dòng)的艦載機(jī)作戰(zhàn)使用過程仿真，完成動(dòng)態(tài)時(shí)序邏輯驗(yàn)證。基于艦載機(jī)艦上作戰(zhàn)使用流程，運(yùn)用戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)生成工具和LINGO[42]等建模優(yōu)化工具，梳理主要接口關(guān)系和技術(shù)指標(biāo)要求。在專家研討的基礎(chǔ)上，完成各型艦載機(jī)主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)的生成與評(píng)估優(yōu)化。

最后，根據(jù)典型作戰(zhàn)想定下的作戰(zhàn)方案，通過基于CGF的作戰(zhàn)仿真軟件，對(duì)航母艦載機(jī)體系完成特定作戰(zhàn)任務(wù)的作戰(zhàn)過程進(jìn)行仿真。運(yùn)用作戰(zhàn)效能評(píng)估軟件評(píng)估分析艦載機(jī)相關(guān)作戰(zhàn)能力和作戰(zhàn)效能，評(píng)價(jià)其對(duì)頂層作戰(zhàn)需求的滿足程度。運(yùn)用關(guān)鍵因素敏感性分析工具，分析影響艦載機(jī)體系作戰(zhàn)能力和作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵因素，并經(jīng)多輪迭代優(yōu)化，形成戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)與要求。

圖7給出了艦載機(jī)裝備體系與指標(biāo)計(jì)算機(jī)輔助論證的典型流程。

圖7 艦載機(jī)裝備體系與指標(biāo)論證典型流程Fig.7 Typical process for carrier-based aircraft equipment system-of-systems and index demonstration

5 結(jié) 論

按照理論、方法和應(yīng)用3個(gè)層次，分析了航母艦載機(jī)論證的特點(diǎn)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)；重點(diǎn)針對(duì)體系和指標(biāo)的論證，提出了基于模糊關(guān)系變換理論的體系論證方法和母艦約束條件下基于艦載機(jī)作業(yè)流程仿真的指標(biāo)分析方法；介紹了面向?qū)＜胰簺Q策的論證支持系統(tǒng)建設(shè)方案，以及航母艦載機(jī)體系與指標(biāo)論證的典型工作過程。研究成果為航母艦載機(jī)體系及裝備發(fā)展的科學(xué)論證提供了新思路、新方法和新手段。

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