仿真试验在水下武器装备试验与评价中的研究分析＊

顾 颉 孟 晶

（91388部队93分队 湛江 524022)

1 引言

试验与评价［1］是水下武器装备采办全寿命周期中的重要环节，可以使生产方和军方全面系统地判定武器装备的性能和战技指标，降低了采办方的决策风险，为完善系统提供了充分的数据支持。仿真试验由于具有可重复使用、费效比高和试验风险小等优点，已成为武器装备试验与评价的重要组成部分，并已经在导弹、电子对抗和核武器等试验领域取得了很大成就。

由于水下环境的复杂性，造成了水下武器装备仿真试验发展相对滞后，目前仍然采用以实航试验为主的试验鉴定模式。随着水下武器装备的不断发展，武器系统复杂程度越来越高，水下武器装备试验与评价必将采用融合不同类型试验、不同阶段试验的综合试验评价模式，作为其中重要的一环，如何发挥仿真试验在水下武器装备试验与评价中的作用，是一个亟待研究的问题。

本文从不同角度和实际需求出发，探讨了仿真试验在水下武器装备试验与评价中的国外发展现状和综合应用。

2 国外仿真试验技术的发展现状

美国历来非常重视仿真试验技术的发展，不惜重金建立各种仿真系统。这些仿真系统在武器系统研制、试验鉴定过程中发挥了重要作用，产生了巨大的军事、经济效益。美国对多型主要水面舰艇分别建立了作战系统陆上试验站，开发了各种雷达模拟器、声纳模拟器、舰艇运动参数模拟器、导弹模拟器和火炮模拟器等。1994年，美国的水中兵器鉴定装置在海军水下作战中心投入使用，该耐压容器可容纳鱼雷、水雷等水中兵器和航行器，利用被测试产品自身的动力进行可靠而真实的陆上试验，有效弥补海上实航试验和传统的硬件在回路模拟之间的欠缺。试验过程中战术环境主要是用仿真的方法产生的。美国MK466型鱼雷改装项目和潜艇鱼雷防卫计划等试验项目都在海军水下战中心使用该设备。MK54鱼雷在靶场实弹发射和海上试验前，在模拟环境中进行广泛测试，使得海上试验的数量比MK50鱼雷减少了三分之二以上。

北约各国仿效美国的做法，纷纷建立仿真中心。英国建立的ODIN（水下战仿真环境)系统，可用于水下战装备发展的决策、鱼雷与干扰器间的对抗研究、鱼雷与干扰器的设计与评估、新型鱼雷和干扰器发展评估、威胁评估及战术使用等诸多水下战武器装备试验验证和作战使用等方面。英国还研制了几型主要舰艇作战系统和武器系统的仿真设备，它们都在试验和训练中起到了积极作用。意大利海军进行A244/S空投反潜鱼雷批检试验时，首先进行靶场仿真验收试验，再从中抽取部分进行外场验收试验。仿真试验可大幅度减少实航次数，节约经费，缩短研制周期。据不完全统计，采用仿真技术可减少实航试验次数30%～60%，节省10%～40%的研制与鉴定经费，缩短30～40%的研制及鉴定周期。

总体说来，仿真试验在国外水下武器装备系统研制和试验鉴定过程中主要具备以下作用：

1)针对特定的水下武器装备研制了大量的模拟设备，并针对水下武器装备的战术使用背景，利用仿真手段产生了大量与实航试验相一致的仿真环境，并在研制和试验鉴定阶段中发挥了巨大的作用。

2)在试验鉴定环节，采用了“仿真试验－实航试验－综合评价”的综合试验评价模式，应用小子样方法，综合运用了仿真试验信息，优化了试验设计，缩短了研制与鉴定周期，大大减低了试验成本。

3)应用仿真试验手段，开展了水下武器装备发展决策、作战效能评估和战术使用研究等方面的研究。仿真试验在水下武器装备正式投入作战使用、形成战斗力的过程中发挥了重要的作用。

3 仿真试验在水下武器装备试验与评价中的综合应用

3.1 基于仿真试验的数据融合处理在水下武器装备试验与评价中的应用

试验前往往存在大量的历史信息，其中包括大量的仿真数据，它们都是对现场试验很好的补充。在实际试验与评价中，应充分地利用各种定量或定性的验前信息，合理使用Bayes方法［2］，以弥补现场试验数据的不足，以达到对水下武器装备战技指标综合评价的目的。然而在验前信息的使用中，不可信的或错误的验前信息却往往起到了相反的作用，使得评价结果缺乏可信性，增加了生产方和军方的风险。因此，在综合使用仿真试验数据和外场试验数据对水下武器装备性能和战技指标进行综合评价前，应将仿真试验数据与外场试验结果比对，进行相容性检验、可信度计算和融合处理，进而建立指标参数的验前分布，这也是应用Bayes小子样统计理论的关键问题之一。

1)仿真试验子样和现场子样间的相容性检验

考虑到水下武器装备现场试验子样数极少，因此在运用仿真信息时，应根据实际情况优选小子样相容性检验方法，利用现场小子样对仿真结果进行相容性检验，以此来评判仿真系统的可信性，从而更好地利用仿真先验信息对试验结果做出综合评价。

相容性检验就是检验两母体是否有显著差异，当差异不显著时，则可认为两个母体为同一母体，因此可以利用先验信息；否则，先验信息不可用。对于先验信息的可信性检验可以分为两种情况：一种是当总体的分布函数形式已知，则可以使用参数方法进行检验；另一种是当总体的分布函数形式未知时，则可以用非参数方法进行检验。由于在水下武器装备现场试验数据分布函数形式往往难以给定，因此仿真试验子样和现场子样的相容性检验属于非参数检验。非参数检验方法较多，如Kolmogorov－Smirnov检验、Pearson x2检验、Wilcoxon秩和检验［3～4］等。前两者通常应用大样本条件，考虑到现场试验的子样数较少，比较可行的是Wilcoxon秩和检验方法。Wilcoxon秩和检验方法的主要思想是首先对两类数据进行排序，然后计算小子样的秩和来构造统计量，最后通过在一定置信度条件下检验该统计量来判断两者是否来自于同一总体。由于该方法对样本的要求不高，因而有着广泛的应用前景。

2)通过仿真信息和现场信息的融合处理，实现对水下武器装备战技指标的综合评价

保证仿真数据可用的前提下，还需要对仿真信息的置信度进行一定的评判，即对仿真数据以及其他先验信息进行归纳、分类、可信性计算以及与现场数据的融合处理。

每个信息源验前分布的确定是Bayes信息融合的一个关键性问题。目前，验前分布的确定方法有多种，主要包括直方图法、定分度法、变分度法、点估计法、矩估计法［5］和最大熵法［6］等。水下武器装备在全寿命周期内的各个阶段的先验数据具有不同的数据形式，必须根据试验数据的自身特点，选择适合的共轭验前分布族，然后根据不同的数据源确定具有相同分布形式、不同分布参数的验前分布。在将仿真数据等多种先验信息与现场数据的融合中，应将不同验前信息折合到统一的分布形式，主要步骤为

步骤1：根据现场数据，通过ML－Ⅱ先验法［5］确定不同先验信息的权重，即验前信息的可信度；

步骤2：通过上式解算出的权重，将不同形式的数据源折合到融合后的验前分布；

步骤3：利用现场数据，使用Bayes公式计算出验后分布。

通过上述步骤，可完成各种外源信息和现场信息的融合，实现对水下武器装备性能和战技指标的综合评价。

3.2 仿真试验在试验设计优化和现场试验中的应用

试验设计是武器装备试验与鉴定任务的总体技术设计，为了使水下武器装备的战技指标得到充分检验，必须在实航试验前制定详细周密的综合试验计划，包括：试验脚本制定和试验事件的时间安排；确定试验目标，提出分析基本要素和效能度量；判定控制和测量用的变量；拟定数据采集、仪器仪表和数据分析计划。试验设计的主要任务是设计一个良好的试验，制定一个可以实施的、能够获取足够必要数据的试验方案，同时对试验实施保障提出具体要求，关键问题是试验方案的优化。

然而，试验设计是一个复杂的军事实践活动，涉及试验内容、试验项目、战术要求、试验环境条件、试验设备和试验人员等诸多因素，而且每个因素都有不同的水平，因而需要考虑各种因素及其不同水平对试验结果的影响以及各种可能的限制条件。仿真试验由于具备周期短、可重复性强、费效比高等优点，试验策划人员可在试验前利用仿真试验仔细观察试验系统对各种参数和环境变量的敏感度，以便确定关键变量和变化范围，通过预计各种假设和约束的影响，根据作战使用和技术要求，通过正交设计、均匀设计［7］等试验设计方法与结果分析，来评价各候选的效能量度并帮助试验策划，把大量的定量和定性的信息与试验管理、作战经验和统计学知识联系起来综合研究，不断反复修改优化，完成试验设计工作。

在现场试验进行的动态过程中，当参试装设备当时的性能状态、参试人员操纵水平及海洋环境条件等诸多随机因素限制试验的样本数时，试验指挥策划者必须对试验全过程进行严密的监视和部署。为了确保在满足数据采集量和试验安全的同时达成试验目标，试验指挥策划者必须能够对试验计划和脚本做出及时的修改来达成目标。此时，仿真试验可重构外场试验下的复杂边界条件，反复复现试验现场，通过发现试验过程中的漏洞来调整试验计划，从而可起到辅助决策的作用。

3.3 仿真试验在水下武器装备作战效能评估中的应用

作战效能评估是在水下武器装备性能及战技指标等定量指标考核的基础上，对近似实战条件下水下武器装备作战效能的综合评估，以检验其实际作战能力是否满足研制总要求，是试验的重要内容之一。目前在水下武器装备试验中，在对水声对抗系统及其器材的对抗效果、鱼雷的毁伤能力和平台的作战能力等效果指标进行考核时，由于目前的研制任务书中并没有提出定量的指标，因此，实际的做法是设计几个典型的试验航路进行验证，在试验结果报告中只能是定性描述。

作战效果评估往往需要动用大量的兵力兵器，收集大量的试验样本，试验成本高昂，而且来自外场的试验数据很多不适合直接确定武器系统在预定作战环境中的作战效能。由于外场试验样本量不足和逼真威胁环境的缺乏，在预测武器装备作战效能时不能够建立其统计显著性，更无法直接得出战技指标和作战效能之间的函数关系。仿真试验通过对影响其作战效能的多种因素和威胁环境进行精确建模，通过真实数据对模型进行实时更新，可支持将试验结果从单一的系统性能和战技指标考核外推到武器系统、平台的作战效能评估。

应用仿真试验进行水下武器装备作战效能评估，其主要思路为

1)通过对水下武器装备作战使命的解剖，建立其完整的作战效能指标体系，根据武器装备规定任务的自身特点，确定武器装备的作战效能。

2)根据实际情况，选择合适的数理统计方法和系统工程方法，建立各种战术技术性能、可靠性和维修性等指标与作战效能之间的评估模型。用于研究武器装备作战效能评估的方法较多，例如经典的WSEIAC方法和近年提出的层次分析法、聚类分析法、判别分析法、模糊分析法和灰色模糊分析法等。由于水下武器装备战术性能指标和可靠性、维修性指标多达数十项，而且通过仿真试验、实航试验能够获取一定的统计数据，因而比较适合应用WSEIAC方法来研究建立水下武器装备作战效能评估模型。

3)通过建立的作战效能评估模型，来对仿真试验系统进行整体设计，并详细制定仿真试验所需的参数集和数据采集方式方法。通过大量仿真试验，来逆推所建立的作战效能评估模型，使其具备一定的可信性和外推能力。

4 结语

本文详细阐述了水下武器装备试验与评价的国外发展趋势，并针对仿真试验在水下武器装备试验鉴定中的角色和地位，深入分析了仿真试验在综合试验评价、试验设计优化和作战效能评估中的综合应用，对于如何更好发挥仿真试验在水下武器装备试验与评价中的作用，具有一定的理论价值和参考意义。

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