舰艇武器系统效能评估现状及发展研究*

康洪晶 伍 洁 程海军 胡 博

(1.海军工程大学训练部 武汉 430033)(2.海军工程大学管理工程系 武汉 430033)(3.93682部队 北京 101300)



舰艇武器系统效能评估现状及发展研究*

康洪晶1伍 洁2程海军1胡 博3

(1.海军工程大学训练部 武汉 430033)(2.海军工程大学管理工程系 武汉 430033)(3.93682部队 北京 101300)

随着舰载武器种类和战场环境的不断变化,客观、快捷、有效的效能评估方法的发展已迫在眉睫。论文对效能的基本概念、效能评估的意义与主要评估方法做了全面的综述,指出了当前综合效能评估技术研究中存在的以及在实际评估中应考虑的问题,对舰载武器系统综合效能技术未来发展趋势进行了探讨。

舰载武器系统; 效能评估; 研究现状; 发展趋势; 体系框架

Class Number TP391

1 引言

武器系统效能是指武器在攻防对抗的战场环境下完成规定任务的能力,是研制和使用武器系统所追求的目标,是评价系统优劣最重要的指标[1]。随着武器种类不断增加,战场环境日新月异,仅凭军事专家的经验和直觉对武器系统进行效能评估已无法适应现代化战争,客观、快捷、有效的评估方法成为发展的必然需要。

武器系统效能分析必须要以武器系统的作战要求为前提,选择合理的评价指标来评价武器系统[2]。武器系统需要用许多不同的指标来描述,而早期性能评价多采用单个指标评判武器的优劣。但只有全面地考虑影响武器系统作战能力的各种因素,才有可能合理地比较武器系统的好坏。如某个武器系统的每个战术技术指标都优于另一个武器系统,则显然可以很明确地评定出哪个武器系统好。实际中往往是某些指标优于、另一些指标又不如另一个系统,这样就不能简单地区分出武器系统的好坏。

武器系统各个战术技术指标代表了武器系统完成某一项功能的程度。武器系统效能分析工作,则是将大量单项的战术技术指标综合成能代表武器完成某一方面作战任务能力的综合性能指标,然后将这些综合性能指标再合成武器系统的效能值。通过比较武器系统的系统效能值,即可判断武器系统的优劣。由上述分析可知,武器系统效能分析是在一些确定的约束条件下将所要求的武器系统的作战性能和与技术现状有关的因素抽象成数学模型[3],利用这个数学模型来定量分析、评价武器系统。

武器系统的效能是研制、使用该武器所追求的总目标,是规划、研制、配置和部署武器系统的基本依据,是评价武器系统优劣最重要的综合性指标,是武器装备作战对抗的动力和判断胜负的主要依据[4]。通过武器系统的效能分析,可以解决大量工程技术、战术运用和武器装备对抗等问题。

自20世纪60年代后期,瑞士、美、俄、英、法、意等国均开展了这方面的研究并装备使用,可由于舰载和导弹本身功能的局限性,并没有获得预期的效果[5]。因此,在研制和发展中如何评价舰载武器系统的效能,找到一种有效评价该预期的效果、有效评价该系统优劣的方法,更好地达到预期效果,非常必要。而舰载武器系统作为现代军事体系不可缺少的环节,目前在研制和发展的过程中尚未形成一种比较系统和有效评价其优劣的方法[6]。由于舰载武器系统的综合效能评估具有很大难度,而且受到保密和竞争机制的制约,使得国内外关于这方面的研究成果还不是很多,也没有形成一个比较系统的理论体系。因此,本文对现有的舰载武器系统的效能评估技术进行分析和评价,并提出一些可能的研究方向。

2 效能的定义及分类

效能是一个内涵、外延十分丰富,运用范围极广的概念,可以从不同角度、不同侧重点来描述,通常是指完成指定任务的能力。

效能的一般定义:效能是一个系统满足一组特定任务要求程度的能力;或者说是系统在规定条件下达到规定使用目标的能力[7]。“规定的条件”指的是环境条件、时间、人员、使用方法等因素;“规定使用目标”指的是所要达到的目的;“能力”则是指达到目标的定量或定性程度。

1) 效能的概率定义:系统在规定的工作条件下和规定的时间内,能够满足作战要求的概率[8]。

2) 系统效能。系统效能是指装备系统在一定条件下,满足一组特定任务要求的可能程度。它是对武器装备系统效能的综合评价,又称为综合效能。系统效能是在型号论证时主要考虑的参数。

美国工业界武器装备系统效能咨询委员会认为系统效能是衡量一个系统满足一组特定任务要求的程度的量度,是系统的可用性、可信赖性和能力的函数。该委员会不仅对武器装备的系统效能作了较为科学的定义,而且还给出了评估计算系统效能的基本模型框架,即系统效能由系统的可用性、可信赖性和能力三个方面共同构成。

3) 作战效能。作战效能有时称为兵力效能,指在规定的作战环境条件下,运用武器装备系统及其相应的兵力执行规定的作战任务时,所能达到的预期目标的程度。这里,执行作战任务应覆盖武器装备系统在实际作战中可能承担的各种主要作战任务,且涉及整个作战过程。因此作战效能是任何武器装备系统的最终效能和根本质量特征。

从上述定义对比武器系统,可以得知武器系统的效能应属于系统效能,评估其效能可以对系统建设工程及使用决策起到作用。

3 国内外效能评估研究的现状分析

3.1 效能评估模型研究现状

对系统效能的研究,美国起步较早,上世纪六七十年代末美国陆、海、空三军针对其各自研究领域,用略有不同的词句对武器的效能进行定义,并给出了数学模型[9]。

1) 美国航空无线电公司(ARINC)给出:

SE=PRO·PMR·PDA

式中:PRO为战备状态概率,即系统正在良好工作或一旦需要即可投入使用的概率。PMR为任务可靠概率,即系统在任务要求的一段时间内,持续良好工作的概率。PDA为设计恰当性(良好性)概率,即系统在给定设计限度内,成功地完成规定任务的概率。

2) 美国工业界武器系统效能咨询委员会(WSEIAC)给出:

SE=A·D·C

式中:A为可用性,即系统在任一随机时刻即可投入使用或正常工作的概率。D为任务可信度,即系统在初始条件给定下,在执行作战任务过程中,处于正常工作或完成规定功能的概率。C为能力,即在任务期间状态给定情况下,系统完成规定作战任务的概率。

3) 美国海军(AN)给出:

SE=P*A*U

式中:P为系统性能指数,即假设系统100%利用条件下,表示系统能力的数值指数。A为系统可用性指数,即系统作好战斗准备,并能圆满完成其规定功能的程度的数值指数。U为系统适用性指数,即在执行作战任务中,系统性能能力适用程度的数值指数。

上述三个系统效能定义模型,虽然表达式不同,但实质上都反映了系统效能三个本质要素:随时投入使用的能力;执行任务期间,能正常工作的能力;战术、技术性能的综合能力。

上世纪70年代,美国ASC公司提出了对非线性制导系统导引精度进行分析的协方差分析描述函数技术(CADET)[10,12]。此方法结合了描述函数理论和协方差分析理论,在假设系统的随机状态变量为正态分布的基础上,通过计算给出每一时刻弹道的均值和方差。这种方法计算精度高、耗时少,是单发武器射击效能分析的一种很好的方法。之后,美国的雷神公司提出了一种比CADET方法更优越的方法—统计线性化伴随法,简称为SLAM方法,它是CADET方法与伴随技术型结合的产物,优点是能同时给出各个随机干扰对目标终端时刻脱靶量的影响程度[13]。

早在上世纪60年代初,前苏联专家就将Erlang公式用于武器系统的效能计算上,同时给出了考虑火力杀伤区纵深情况武器系统能够对目标进行射击时的概率为

式中βt是火力单元的平均射击时间与目标飞跃火力杀伤区时间的比值;a为目标到达强度与射击强度的比值;n是火力单元的数量。由此公式可以计算出许多感兴趣的指标。

一战初期,英国人F.W.Lanchester[14]建立了描述作战动态过程的微分方程,提供了用解析计算求解武器系统整体作战效能的方法,该方法迅速得到了从事运筹学研究的专家的认可。

德国的伊劳尔在70年代提出描述歼击机武器系统的效能公式:

=P·[(Wa3·B4)/VW]

国内关于武器效能评估方面起步较晚,但发展较为迅速。有人提出过抗击效率比、弹效、弹耗比、战损率等一系列评定某种特定兵器的参数指标,这些都是某一方面的单一指标,并未给出代表武器系统效能的综合指标。张进乐[15]提出过以下综合指标,来描述歼击机武器系统的效能:

式中c为歼击机作战效能;B为作战性能衡量因子。此公式经有关单位试算,可信度较高,但由于是静态的,尚待补充和完善。

还有很多研究人员在美国的ADC模型的基础上,提出了一系列的扩展模型,进一步完善了ADC模型的含义[16～18]。随着神经网络与模糊集理论的发展和完善,有人将其应用于武器系统效能评估中,取得了较好的仿真结果[19～24]。

3.2 效能评估方法研究现状

1) 作战模拟法。作战模拟法又称为作战仿真法,实质是以计算机模拟模型来进行作战仿真实验,由实验得到的关于作战进程和结果的数据,可直接或经过统计处理后给出效能指标评估值[25～26]。

[27]研究了团级防空系统C3I效能仿真,仿真了对敌机攻击流的处理能力,最终归结为效能的计算。参考文献[28]提出了防空导弹效能仿真思路,文献[29]提供了效能-费用仿真的思路,参考文献[30]提供了效能-费用仿真的思路。

作战模拟法考虑了对抗条件下,以具体作战环境和一定兵力编成为背景来评价,能够实现战斗过程的演示,比较形象,但需要大量可靠的基础数据和原始资料作依托。

2) 统计实验法。所谓统计实验法是在规定的现场中或精确模拟的环境中,对具有随机因素影响的系统进行统计分析的方法,通过实验获得大量统计资料以评估效能指标。应用前提是,对研究对象尽可能建立确定性数学模型,对统计数据的随机特性可以清楚地用模型表示并相应地加以利用。统计实验法不但能得到效能指标的评估值,还能显示武器系统性能、作战规则等影响因素对效能指标的影响,从而为改进武器系统性能和作战规律提供了定量分析基础,其结果比较准确。

采用统计实验法的基本前提是:必须能构造出符合具体武器系统作战使用过程中物理和事理特征且具有高分辨力的数学模型。除此之外,还需要有大量的武器装备作实验的物质基础,这在武器研制前无法实施,而且耗费太大,需要时间长[31～33]。

3) 专家评分法。这种方法注重发挥专家知识在效能评估中的作用,其一般过程是选取最能反映系统效能的特征指标,由一组专家打分,最后通过对专家意见的处理,得到武器系统效能。这种方法在评定难以定量计算的指标时比较有效,难点之一是如何选取专家,其次是选取评价的参数。

专家评分法的缺点是主观因素过多,专家评估时有很大的倾向性。且评估结果只能给出相对比较,不能准确给出系统效能的差别程度[34]。

4) 指数法。指数法源于经济活动,曾作为“中国、美国国防系统分析方法学术研讨会”研讨的重要内容之一,它提出了一个统一的度量标准,建立在军事专家们的丰富经验之上,在量化方面有所改进。指数法具有结构简单、使用方便的特点,适于宏观分析和快速评估,而且效能建立在武器系统自身的战术技术性能指标的基础上,避开了大量不确定因素的影响,从而增强了评估的确切性,对一些系数确定也采用了层次分析法等专家评估法[35]。具体方法如下。

指数法在评估地空导弹武器系统效能时的应用。针对地空导弹武器系统的特点,效能评估的指标体系主要因素为目标特性、射击能力、抗干扰能力、可使用性和快速机动性能力等。评估模型:

E=(Tc·Cm·Aj·Ak)0.3+Mc0.5

式中Tc为目标特性因子效能衡量指标;Cm为射击能力因子效能衡量指标;Aj为抗干扰因子效能衡量指标;Ak为可使用性因子效能衡量指标;Mc为机动因子效能衡量指标。其中各项因子的效能与武器系统的特征性能有关。

指数法建立的飞机效能指数模型:

E=a1C+a2K1D

式中E为总作战能力指数;C为空战能力指数;D为对地攻击能力[36]。

指数方法虽然在一定程度上可以评估武器系统的效能,但由于指数方法在描述模型是过于简单粗糙,因而在使用上受到一定的限制。

5) 解析法。解析法是根据描述效能指标与给定条件之间的函数关系的解析表达式计算指标,可根据数学方法求解建立的效能方程。解析法的优点是公式透明性好,易于了解,计算简单[37]。

前面多次提到的WSEIAC模型就属于解析法,此模型在评价系统效能中得到了广泛的应用,在实践中得到了推广,针对不同情况提出了很多修正模型。

(1)ARC模型。在某些特殊情况下,WSEIAC模型蜕化成三个量的乘积:

E=A·R·C

式中A为系统在使用前处于规定战斗准备状态且可靠工作的概率;R为使用中系统可靠工作的概率;C为武器系统在使用可靠条件下完成战斗任务的概率[38～39]。文献[40]在评定雷达效能中采用了此模型。

(2)QADC模型。由于WSEIAC模型未考虑敌方的对抗,而敌方的对抗对武器系统效能有很重要影响,故改进如下:

E=A·D·C

Q被定义为“武器系统在未被敌方火力击毁的条件下实施发射的概率”。

Q=PA+(1-PA)(1-PvRv)

式中:PA为我方武器系统先于敌方发射的概率;Rv为敌方武器系统发射可靠、飞行可靠的概率;Pv为敌方武器系统条件杀伤概率[41]。

(3)KADC模型。任何硬件都需要人去操纵,人的素质和训练水平的差异对武器效能的发挥有着明显的影响。考虑到这些实际存在问题,美国海军研究效能模型时修正如下:

可用性:AP=K1A

可信度:DP=K2D

能力:CP=K3C

式中:K1、K2、K3分别表示操作人员掌握硬件的能力、素质和水平系数,其数值小于1,可根据统计或经验规定[42]。

无论WSEIAC模型还是其推广模型,能力矩阵(向量)C是系统性能的集中体现,也是求解效能的关键所在[43]。

6) DEA法。DEA(Data Envelopment Analysis)法是由A.Charnes和W.WCooper等提出的一种评价方法。它应用数学规划模型计算比较决策单元之间的相对效率,对评价对象做出评价[44]。该方法的一个主要特点是以方案的各输入输出指标的权重为变量,避免了事先确定各指标在优先意义下的权重,使之受不确定主观因素的影响较小。DEA法在效能分析中主要作用是用于方案有效性评估。

7) 人工神经网络(ANN)法。一般的效能评估方法在信息含糊、不完整、存在矛盾等复杂环境中往往难以适应,而ANN能跨越这一障碍,其非线性处理能力突破了基于线性处理的现有效能评估方法的局限,网络所具有的自学能力使得传统上最困难的知识获取工作转变为网络的变结构调整过程[45]。用ANN评估效能代表了效能评估智能化发展方向[46]。

3.3 效能评估方法选择

上述几种效能评估方法,各有优劣和使用范围。解析法比较适用于不考虑对抗条件下的武器系统效能评估;统计实验法特别适合于进行武器系统作战效能的预测评估;指数法比较适合于对武器系统的多种能力进行全面综合评估;层次分析法和模糊数学法则比较适用于解决系统性能分析中遇到的半结构问题和模糊信息问题的评估。

至于选用哪种方法来进行评估,主要取决于研究对象的性能参数特性、给定条件、评估目的和精度要求等。解析法具有公式透明性好、易于了解、计算较简单且能够进行变量间关系的分析、便于应用等优点,而统计实验法对于武器系统作战效能的评估则具有不可替代的作用,因此,应尽可能选用解析法和统计实验法。但该武器系统又是大型复杂的武器系统,只采用解析法或统计实验法,不能全面解决系统的评估问题,所以混合使用其他方法,以达到取长补短的效果。

4 结语

舰载武器系统作为现代军事体系装备发展的重要武器之一,其效能评估是非常重要的问题。对其进行效能分析和评估,将会对系统的研制决策提供总体性参考,为系统各部分的战术性能指标提供某些必要的限制和最低标准,这对于装备体系的发展来说,具有很好的借鉴意义。

由于舰载武器系统自身结构的多层次性、所处环境复杂等实际条件限制,对其进行效能评估时要根据不同型号的实际情况,选择合适的指标体系建立合理准确的评估模型,是系统综合效能评估技术未来发展的关键。

本文对现有的效能评估技术进行分析并指出不足之处,提出了未来系统综合效能评估技术的发展方向,希望能对这方面的研究起到促进作用。

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Status and Development of Warship Weapon System Effectiveness Evaluation

KANG Hongjing1WU Jie2CHENG Haijun1HU Bo3

(1.Administrative Office of Training,Naval University of Engineering,Wuhan 430033)(2.Department of Management Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033)(3.No.93682 Troops of PLA,Beijing 101300)

With the ever-changing shipboard weapon types and the battlefield environment,development of objective,efficient and effective performance evaluation method is imminent.In this paper,a comprehensive overview of performance of the basic concept,significance and main assessment methods to assess the effectiveness are ellaborated.The current comprehensive study effectiveness evaluation and problems which evaluation should be considered are pointed out in the actual performance.Finally,the effectiveness of shipboard weapon system integrated technology future trends is discussed.

shipboard weapon system,effectiveness evaluation,research status,trends,framework

2014年8月15日,

2014年9月25日

康洪晶,男,硕士,研究方向:计算机应用及虚拟仿真。伍洁,女,讲师,研究方向:项目管理。程海军,男,讲师,研究方向:计算机应用。胡博,女,助理会计师,研究方向:财务软件。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2015.02.001