舰船电磁兼容性评估指标体系及评估应用研究

张 勇，刘俊伟，李 超，李建轩

(海军装备研究院，上海200235)

0 引 言

舰船是综合作战能力最强大的水面作战平台，在海军转型建设的推动下，电子信息技术广泛应用于舰船装备之中，舰船上装备了大量雷达、通信、指挥控制等电子信息系统和武器。在未来信息化条件下联合作战中，随着舰船装备信息化程度的不断提高和战场电磁环境的日益严酷，舰船电磁兼容问题将更加突出。

舰船电磁兼容性的评估须由定性阶段走向定量阶段。电磁兼容性评估指标是评价舰船电磁兼容性能的基础，是开展评估工作的主要依据。由于舰船电磁环境的复杂性，在研制过程中提出合理的电磁兼容性评估指标、进行科学的设计、评估和验收，是水面舰船论证、研制中必须解决的重要问题。当前开展舰船电磁兼容性评估指标研究，以满足目前大型舰船研制的迫切需要，保证舰船电磁兼容性工作顺利进行，是非常及时和必要的。

1 国内外电磁兼容性评估指标分析

由国外相关资料可以看出，美国在舰船的发展过程中十分重视发挥指标的作用，指标在美国舰船研制中扮演着举足轻重的作用，美国舰船指标对于我国舰船电磁兼容评估指标研究具有重要的参考价值。

美国的电磁兼容研究起源于电子设备受到射频干扰，为了解决日益严重的电磁兼容问题，从20世纪40年代开始美军颁布了系列电磁兼容性指标要求，包括MIL-STD-461、MIL-STD-464 等军用标准和舰船电子系统电磁兼容手册等，开展舰船装备的电磁兼容性研究和评估。在舰船装备建造过程中美军发布了指令指示和操作手册，为舰船达到电磁兼容性提供技术指导，如:MIL-HDBK-237D。通过对美军电磁兼容标准，指令指示等大量指标文件分析，得出以下结论:美军舰船电磁兼容性评估指标文件内容较全面、完整。作为美国海军各类舰船研制通用技术要求的《舰船通用规范》，其在全文多个章节中提出了电磁兼容性指标，涉及到电磁干扰与控制指标、电磁辐射安全性指标等。作为系统电磁兼容性要求的MIL-STD-464C，是美军系统级顶层的电磁兼容性评估指标文件。MIL-STD-461F 是设备及分系统电磁兼容性评估指标总要求文件。

美军舰船电磁兼容性评估指标文件包括军用标准、军用规范、军用技术手册、指令指示文件等。美军舰船电磁兼容性评估指标内容从范围上讲，包括:电磁兼容性安装质量指标、电磁干扰与控制指标、电磁辐射危害指标等;从装备层次上讲，包括设备级、分系统级和平台总体级;从研制过程讲，包括了武器装备论证、工程研制、生产、检验验收和使用管理的全过程。通过综合分析，美军舰船电磁兼容性评估指标包括安装质量指标、电磁干扰指标、电磁辐射危害指标及电磁环境效应指标4 个方面。

我国军用电磁兼容性工作开展于20世纪80年代初，电磁兼容性指标是参照美军相关指标并结合我军电磁兼容性工作的实践进行制定。目前已制定了一批电磁兼容性军用指标，但这些指标满足设备和分系统等需求比较成熟，但要满足系统级尤其是大型舰船复杂系统还是有较大差距，需要研究制定一批系统级电磁兼容性试验评估方法标准。

2 舰船电磁兼容性评估要求

从海军舰船实现防空作战和反舰作战等作战使命任务出发，作战过程中与电磁兼容性相关的能力体现在警戒探测能力、电子对抗能力、通信能力和武器能力等方面。根据不同的作战任务，4 个方面的能力体现又有不同。从舰船作战使命出发，以作战使用对舰船电磁兼容的需求为牵引，通过舰船论证、设计和检验验收等阶段的电磁兼容性指标要素分析，由作战任务层向技术能力指标要求，再向电磁兼容性能指标分解层次，提出舰船电磁兼容评估要求，确定舰船电磁兼容性评估指标涵盖内容。

通过分析可知，舰船电磁兼容性评估要求主要包括以下内容:

1)保证舰船上电气、电子信息系统和武器装备能兼容工作;

2)保证舰船上武器、燃油的安全;

3)保障舰员的安全，不受电磁辐射危害;

4)舰机适配，安全兼容工作。

3 舰船电磁兼容性评估指标体系

3.1 体系构建方法

通过对目标分解法、多元统计法等体系构建方法的研究和分析，提出评估指标体系综合构建法。通过系统分析确定评估指标体系建立的要求，从全系统全过程通盘控制体系建设的框架、结构和指标要素问题，并应用于电磁兼容性评估指标体系构建中，指标体系综合构建法如下:

1)通过目标分解法，围绕正确反映舰船电磁兼容技术水平和状态的任务出发，按系统工程原理，从顶层出发，逐级分层划类进行分解，理清脉络和相互关系，初拟出电磁兼容性的各基本要素，并进行定性分析，拟定指标体系框架。

2)对指标体系框架中各基本要素进行量化分析，对初拟指标进行进一步的深化和扩展。综合总结我国舰船电磁兼容研制技术和国外舰船研制经验，通过调查研究及广泛收集有关指标，利用比较归纳法进行归类比较，按照电磁兼容性原理提出基本要素对应指标。

3)采用多元统计法中的聚类分析和主成分分析等方法，从基本要素的各种对应指标中确定关键性指标，完成指标体系构建。

3.2 建立评估指标体系

根据评估指标体系建立方法和舰船电磁兼容性要素的分析，舰船电磁兼容性评估指标的分类以电磁兼容性要素本身为依据，结合水面舰船电磁兼容性要求，建立包括五大类19 项指标的水面舰船电磁兼容性评估指标体系(见图1)。

图1 水面舰船电磁兼容性评估指标体系Fig.1 Electromagnetic compatibility evaluating target system of surface naval ships

4 舰船电磁兼容性评估方法

4.1 评估方法

舰船电磁兼容性能如何量化评估是一个复杂的问题，水面舰船电磁兼容性评估体系指标多，影响因素也多，而且这些指标因素之间存在着复杂的相互关系，是多目标决策难题。

国内外目前评估采用的主要方法有专家评定法、线性加权求和法、特尔斐法、层次分析法、模糊综合评价方法或者它们的某种组合等。通过研究分析可知，对于舰船电磁兼容性指标体系这样一个多层次、不对称、多指标、多制约的复杂指标体系而言，绝大多数方法都不太适合，直接解决多目标问题比较困难，单目标问题相对较容易解决。因此，采用把多目标分解成单目标，然后再综合成总目标用系统工程的方法，把舰船电磁兼容性指标归纳为若干评估要素并按层次结构排列对评价指标进行加权评分求出总分是一种基本的方法。

根据国内外多种评估方法，结合舰船电磁兼容的特点，提出一种系统、简洁而且实用的舰船电磁兼容评估方法，即多层次加权求和综合方法。该方法运用定量和定性分析相结合，评估水面舰船电磁兼容性能。

4.2 评估流程

对评估过程来说，首先是引进和确定评估指标，然后用该评估指标对评估对象进行评估，确定其价值，评估的一般流程如图2所示。

图2 评估基本流程Fig.2 Evaluating basic procedure

5 评估应用实例

利用前面分析提出的综合评估法进行某型舰船内部兼容性评估。以“内部电磁兼容性I”为例，运用指标综合法分析“内部电磁兼容性I”指标权重，采用评价一致性方法进行检验，检验评估方法的合理性。

5.1 确定评估指标

依据前面的评估指标体系，构建某型舰船内部兼容性评估指标如图3所示。

图3 内部电磁兼容性评估指标图Fig.3 Evaluating target chart of internal electromagnetic compatibility

5.2 评估矩阵的建立

为评估电磁兼容性能，以图3 为例，选取互调干扰、内部电磁环境、天线要求、分系统和设备电磁干扰、电网特性、电搭接及频谱兼容性7 个指标为评估的依据，并分别用I1，I2，I3，I4，I5，I6及I7来代表。并求出7 种指标对内部电磁兼容性的相对重要性。

通过评定结果如下:互调干扰与内部电磁环境相比后者更重要一些，分数比值为1:6;互调干扰与天线要求相比后者为略重要，分数比值为1:3;互调干扰与分系统和设备电磁干扰相比稍微略重要一些，分数比值为1:2;互调干扰与电网特性相比略重要一些，比值取为3:1;互调干扰与电搭接相比稍微略重要一些，比值取为2:1;互调干扰与频谱兼容性相比，后者较重要一些，分数比值取为3:1。构建判断矩阵如表1所示。

表1 判断矩阵Tab.1 Estimating matrix

5.3 评估矩阵的计算

m 阶方阵的解算步骤如下:

1)先求解矩阵各行的1/7 次方数值wi

w1=(1×1/3×1/3×1/2×2×2×3)1/7=0.943;

w2=(3×1×3×4×6×4×2)1/7=2.910;

w3=(3×1/3×1×2×4×3×1/2)1/7=1.43;

w4=(2×1/4×1/2×1×3×2×1/2)1/7=0.96;

w5=(1/2×1/6×1/4×1/3×1×1/2×1/3)1/7=0.380;

w6=(1/2×1/4×1/3×1/2×2×1×1/4)1/7=0.521;

w7=(1/3×1/2×2×2×3×4×1)1/7=1.345。

2)求上述计算结果之和∑wi

w总=w1+w2+w3+w4+w5+w6+w7=8.489。

3)各参数的重要性(或加权系数)

互调干扰:

内部电磁环境:

天线要求:

分系统和设备电磁干扰:

电网特性:

电搭接:

频谱兼容性:

5.4 一致性检验

由于评估打分的客观性，需对计算结果进行一致性检验，步骤如下:

1)求出原矩阵与重要性分配值的乘积

结果:

X1=0.911;X2=2.55;X3=1.225;X4=0.8;X5=0.29;X6=0.39;X7=1.03。

2)求矩阵的最大特征根kmax

3)决定平均随机一致性指标(RI)。该指标与矩阵阶数，即参数量M 直接有关。由于上述评估方案m=7，所以RI=1.32。

4)求随机一致性CR。如果CR ＜0.1 表示判断矩阵有比较满意的一致性。CR 的计算为:

CR=CI/RI=［(kmax－m)/(m－1)］/RI=0.1。CR 计算结果表明有较好的一致性结果。

通过将底层的各参数权重逐一乘上与其有关的上一层因素的权重，可计算出各参数对再上一层目标的优劣顺序，即权重系数(见表2)。

表2 各指标的权重Tab.2 The weight of targets

5.5 确定指标大小

1)指标值规范化

在舰船电磁兼容性评估中，有定量指标，也有定性指标，应将舰船电磁兼容性指标进行合理的取值。定量指标的值一般由实际测量得到，在难以测量时，也可用仿真和计算来得到。为了能够对评估对象进行多指标的综合评估，要将各种指标值规范化，把不能相加或相乘的指标值转化成可以汇总相加或相乘的综合指标值。定性指标值可以通过专家、相关人员定性评判然后量化的方法获得，定量指标值可以通过实船测量、试验统计、报告分析等方法得到。

2)定性指标值的量化

在舰船电磁兼容性评估指标体系中，有些指标很难直接进行定量描述，可通过“优、良、差”等值进行定性的判断。定性的描述没法利用数学这一定量计算的工具进行处理，因此需要一个定性指标量化的过程。进行辨别时，使用5 ～9 个量化级别。把定性评判的语言值通过一个量化标尺直接映射为定量的值。使用0.1 ～0.9 之间的数作为量化分数，极端值0和1 通常不用。

为了避免仅以隶属度0 或1 来选择某一评判等级，可以利用模糊统计的方法确定定性指标对评判等级的隶属度向量，把归一化的隶属度向量和每一评判等级所对应的量化值进行加权就可以得到定性指标的量化值。基本步骤如下:

1)确定评判等级V={V1，V2，…，Vm};

2)组织多个专家对系统指标进行评判，假设专家对评判等级的评判频数为U={U1，U2，…，Um}，则U 就是系统指标对评判等级V 的隶属度向量。

把每一评判等级的量化值与归一化的隶属度向量进行加权。

5.6 指标值确定

对该船内部兼容性各个评估指标的实际指标进行测量，并代入各个指标大小的计算公式。下面探讨将各个指标进行合理的分值量化，力求准确定量地给出内部电磁环境各指标的分值。并以内部电磁环境中甲板下磁通密度为例来说明，各个指标分值大小的确定方法。

有磁场敏感度要求的设备，其安装位置处的磁通密度应满足下列要求:直流磁场的磁通密度不大于0.5 mT;交流磁场的磁通密度不大于0.1 mT。

直流磁通密度不大于0.5 mT，指标大小取值10;交流磁场的磁通密度不大于0.1 mT，指标大小取值10。大于上述值时指标大小按线性规律计算，计算公式如下:

式中:φZ和φJ分别为直流磁通密度和交流磁通密度指标大小;φi为实测直流磁通密度或交流磁通密度大小;φ标为标准规定的直流或交流磁通密度值，对于直流磁通密度为0.5 mT，交流磁通密度为0.1 mT。

5.7 评估结果

依据提出的方法，将指标大小与相应的权重进行计算，得到该船内部兼容性评估结果十分制得分为:

φ=9×0.111+7×0.342+10×0.168+6×0.113+7×0.044+10×0.061+5×0.158=7.46。

依据评估方法计算结果表明该船内部电磁兼容性良好。

6 结 语

在研究国外水面舰船电磁兼容性相关评估指标的基础上，吸取国内舰船电磁兼容技术研究成果及型号工程研制的经验，针对我国水面舰船电磁兼容的特点，确定评估指标体系建立原则及方法。在层次分析法、目标分解法的基础上，提出了指标体系综合构建法，并应用于水面舰船电磁兼容性评估指标体系构建，首次提出包含五大类19 项指标的水面舰船电磁兼容性评估指标体系，并结合电磁兼容性发展现状，运用比较分析法开展对指标的分析，对指标进行分析确定，并对体系进行优化。结合多种评估方法的特点和适用范围分析，进行水面舰船电磁兼容性评估方法的研究，提出并运用多层次加权求和综合方法对水面舰船电磁兼容性进行计算和一致性验证，对水面舰船的电磁兼容性状态进行量化评估，为准确掌握水面舰船电磁兼容性状态提供技术支持。

［1］MIL- STD-464C，Electromagnetic environmental effects requirements for systems［S］.

［2］MIL-HDBK-237D，Electromagnetic environmental effects and spectrum supportability guidance for the acquisition process［S］.

［3］GJB1389A-2005，系统电磁兼容性要求(Electromagnetic compatibility requirements for systems)［S］.

［4］张勇，汤仕平，龚亚樵.舰船电磁兼容性标准体系的构建［J］.舰船科学技术，2011，33(3):95-97.

ZHANG Yong，TANG Shi-ping，GONG Ya-jiao，Research on designing sustem of EMC standard for naval ship［J］.Ship Science and Technology，2011，33(3):95-97.

［5］NAVSEA instruction 2450.2 OPR 06K2 Electromagnetic Compatibility［S］.

［6］张勇，施佳林.美国海军舰船电磁兼容性标准分析及其启示［J］.论证与研究，2011(6):50-52.