海战场环境下舰艇作战能力评估＊

（1.海军工程大学 武汉 430033）（2.海军兵种指挥学院 广州 510430）

1 引言

舰艇的作战能力（combat capability）定义为“考虑舰艇武器装备、操作人员以及舰艇战斗实践诸多因素，计算舰艇防空、对海和反潜等能力所得到的量化标准”。作战能力包含两部分内容：静态作战能力和动态作战能力。静态作战能力是舰艇装备在设计制造过程中确定的工作能力，具有固定性和静止性，是在设定“典型战术态势”和“人员和装备因素”条件的前提下得到的。而动态作战能力是在舰艇服役期间，尤其是在战斗过程中所能发挥的实际作战能力，它是静态作战能力在实际战术态势、装备维护、人员训练等一系列因素作用下加权处理的结果［1～2］。静态作战能力是武器装备的理想作战能力，而在实际使用中，研究海战场环境下舰艇的动态作战能力更具备实用参考价值。

静态作战能力建立在装备正常工作的固定状态，但舰艇出海执行任务时，装备的工作状态是动态改变的。装备的工作状态会在正常工作、降功能降指标工作、故障和维修等状态间发生转换。海战场环境下，舰艇仅具备舰员级维修能力，对于出现故障的装备只能采取战场抢修，例如切换、旁路拆除、备件更换、拆次保重、同型异型拆换、替代和原件修复等。相应的，装备运用也存在带伤使用、降额使用、改变操作方式和冒险使用等几种方式［3］。这些装备实际使用状态必然会影响装备的作战效能。影响动态作战能力的众多因素中，装备的工作状态和使用是非常重要的一个。

本文从使用者的角度出发，分析了水面舰艇在海战场环境中舰船装备处在不同工作状态的性能情况，给出了舰艇动态作战能力的仿真和评估方法。

2 装备状态对作战能力影响的评估模型

我们通过ADC模型来评估舰艇动态作战能力，观察装备工作状态对作战能力的影响［4～5］。将ADC 模型进行改进，用于计算装备工作状态影响下的武器系统作战效能：

其中E为系统效能，用行向量E＝［e1，e2，…，em］表示，ei是系统完成第i项任务的效能指标；A为系统可用度，是系统在开始执行任务时所处状态的量度向量。A＝［a1，a2，…，an］为n维可用度向量，aj是开始执行任务时刻系统处于状态j概率。

用ADC模型分析实际作战情况，需要先确定系统的初始状态。系统初始状态是由执行任务之前或执行任务过程中发生的事件所形成的系统状态。首先要辨别与描述在开始执行任务时或在执行任务过程中系统可能呈现的各种不同状态，然后将可用度矩阵A和状态转移矩阵D同系统的可能状态联系起来，并通过效能把系统的可能状态与执行任务的效果相联系［6～8］。

这里所要建立的ADC 效能模型应是一个基于过程的动态效能模型。根据任务剖面，选定各个任务阶段所需要的关键设备和其它可能使用的设备，列出这些设备使用时的具体效能指标，建立相关的设备使用表。根据系统所处的可用度和当前所担负的任务使命，选择相应的装备和战术动作，确定相应的武器通道组织。

系统状态是各子系统的工作保障状态、维修状态、故障状态、等待备件状态等的集合。可用度与武器系统的可依赖性、维修性、维修管理水平以及器材供应水平等因素有关［9～10］。将武器系统状态分为正常、降功能降指标使用、修理过程中的无法使用和无法修理四种状态。这种装备状态分类是符合实际装备使用情况的。表1所示某型舰艇的9种装备，6年间发生故障共392次。其中功能完全丧失的共151 次，占38.52%；功能部分丧失的共189 次，占48.21%；性能指标下降的共37次，占9.44%；对执行任务影响不大的共15次，占3.83%。影响装备执行任务的故障次数为340次，占总故障次数的86.73%。

表1 舰艇装备故障对作战任务影响

引入判断因子k，故障率λ1、λ2、λ3和修复率μ1、μ2，则ADC 模型可改写为

当系统降功能使用时，不考虑维修情况，则此时d21取为零，同时降功能的故障若不能及时处理，可能会导致故障的进一步恶化，因此这里考虑相关因子k1和k2二者均大于1。这里还需要考虑维修时间受到限制情况对系统状态的影响。维修策略限定了确定设备只能在确定的阶段才能对它进行修理。不同的战时态势下，系统允许的停机时间是有差别的。允许停机时间是系统或设备为了维修能够停机而不会导致任务失败。对于任务关键系统来说在作战周期内，允许停机时间为零。当处理故障时间大于允许停机时间，则可认为当前出现的故障是无法修复的。T为间隔时间，可取为平均修理时间的最小值。

3 装备状态对作战效能影响的仿真模型

装备工作状态对作战效能的影响，通过图1可以反映出来。武器通道是指控系统从发现跟踪目标，对目标进行处理，由人工或系统进行决策，最后形成指挥武器系统的信息通道。通常武器通道可分为主通道、备用通道、应急通道几种。主通道是系统所有设备正常时，保精度保质量的作战通道；备用通道是部分设备战损或故障，降低一些精度或牺牲部分功能但仍能使用武器的通道；应急通道是当设备战损或故障比较严重、情况比较危急，来不及启用正常通道而使用武器的一种应急措施。由于通道中设备的精度和使用条件的不同，通道的质量也不相同。装备工作状态可以通过改变系统通道组织来作用作战能力。

指挥员需要判断装备是否允许投入使用。若装备出现严重故障，导致无法使用，则需要考虑是否维修。装备仍然可以使用，但技战术性能出现下降或降功能，此时需要判断是进行维修还是在降低技术战术性能的条件下继续使用。由于投入装备的性能不同，会对舰艇战术性能产生影响。装备工作状态对舰艇战术行动的另一个影响反映在指挥员需要判断是否对出现故障的装备进行维修，会影响状态转移矩阵D。

图1 装备状态对系统作战能力影响模型图

判断装备目前状态决定是否使用。若装备出现严重故障，导致无法使用，则需要考虑是否维修。装备仍然可以使用，但技战术性能出现下降或降功能，此时需要判断是进行维修还是在降低技术战术性能的条件下继续使用。这里也体现了装备工作状态对舰艇战术技术性能的影响情况。模型中，使用者需要对相关系统给出状态判断。若出现故障，导致无法工作或降指标降功能使用的情况，确定是否使用该系统，作为舰艇战术行动选择的依据。

根据建立的装备战术技术性能变化和故障维修情况对战术行动影响的模型，可以通过仿真实例观察到装备工作状态对战术性能的具体影响情况。

4 仿真实例

导弹艇功能单一，武器通道组织相对较少。用其作为具体分析对象，研究装备工作状态对舰艇作战能力的影响较为适宜。导弹艇的作战能力主要表现为对海作战能力，主要由舰载导弹完成。这里分析装备工作状态对舰舰导弹命中概率的影响。

武器装备系统状态情况会影响武器系统性能、武器通道的组织和火控系统的运行方式，进而影响导弹的对海攻击能力（主要是舰载导弹的毁伤效率）。常用通道组织为：数据链接收到引导平台送来的目标信息后发送给战术指挥台，战术指挥台进行目标的航迹处理、威胁判断后，将目标指示信息再传送给导弹指挥仪中的指挥仪显控台，指挥仪显控台根据导弹类型，解算导弹的射击诸元，进行导弹分配和数据装定，实施导弹发射。

装备的RMS参数决定了装备出现故障和修复情况。当出现数据链故障无法传送引导平台发送的信息，但战术指挥台能正常工作情况时，引导平台的信息可以通过引导报发送给导弹快艇。当出现战术控制台不能正常工作情况时，可以通过超视距目标指示副站，对数据链送来的目标进行航迹处理、威胁判断。为保证导弹火控系统在各种情况下对目标的攻击力，导弹指挥仪还设置了两种备用装定工作方式：当外部信息源故障时，可通过键盘在导弹控制台上进行人工装定，完成解算和发射功能；当导弹控制台内的主计算机模块或显示器故障时，由导弹控制台上人工装定，完成发射功能。

表2 引导平台情况下的通道组织

装备工作状态对引导平台情况下导弹超视距射击的通道组织影响，存在表2所示的六种系统状态。仿真10000次，不同通道组织的仿真数据和战术性能（导弹覆盖概率和突防概率）见表2。仿真10000次，任务失败次数为116次。数据链出现故障次数为1005次，其中得到修复次数为485次。战术指挥台故障次数为977次，其中得到修复的次数为385次。超视距副站故障次数为945次，其中得到修复次数为429次。导弹指挥仪降功能使用，采用人工装定的情况为124次。导弹指挥仪故障导致任务失败的次数为71次。可以从表2中观察相关设备RMS影响通道组织，进而影响作战效能的情况，是可靠性就是战斗力的直观注解。

5 结语

从作战效能方面入手，重新分析工作状态对舰艇作战能力的影响是有现实意义的。本文分析装备工作状态对武器系统作战效能的影响，可以为装备的作战使用、作战方案的制定和优选、模拟训练提供更为准确的定量评判依据。

［1］D.G.Linton，S.Khajanoori，Y.Yi，G.Hebert.A Fast Algorithm for Repair-Depot Reliability Evaluation［J］.IEEE Transaction on Reliability，1996，45（3）：429-432.

［2］武昌，赵海波.空军通信导航装备维修保障系统效能评估初探［C］.全军武器装备维修保障技术研讨会论文集，2002，10：299-304.

［3］U.Dinesh Kumar，J.Knezevic.Availability based spare optimization using renewal process［J］.Reliability Engineering and System Safety，1998，59：217-223.

［4］邢昌风，李敏勇，吴玲.舰载武器系统效能分析［M］.北京：国防工业出版社，2007：77-107.

［5］彭文华，卫平凡，刘国光.基于效能的舰炮武器系统RMS指标设计方法研究［J］.舰船电子工程，2010，30（1）：172-174.

［6］程文鑫，陈立强，龚沈光.基于蒙特卡洛的舰船装备战备完好性仿真［J］.兵工学报，2006，27（6）：1090-1094.

［7］肖慧鑫，王静滨.基于RMS特性的武器装备的系统效能评估模型［J］.指挥指控与仿真，2006，28（4）：56-58.

［8］李光辉，杨忠生，范迎九.可靠性建模技术［M］.北京：海潮出版社，2003：13-15.

［9］林武强，马绍力，郑凌宇.对舰船可用度指标的探讨［J］.舰船工程，2003，25（5）：67-71.

［10］孟庆玉.舰艇武器装备可靠性工程基础［M］.北京：兵器工业出版社，1993：3-5.

［11］肖尚勤，郭正松.基于支持向量机的船舶结构可靠性分析［J］.计算机与数字工程，2010，38（10）.

［12］张磊，周继锋，张强.系统软件可靠性验证测试方法研究［J］.计算机与数字工程，2010，38（6）.