面向任务的军机作战有效性试飞设计与评估

(中国飞行试验研究院，西安 710089)

0 引言

装备作战效能是一个内涵丰富、包容性高的概念，其定义为在预期或规定的作战使用环境以及所考虑的组织、战略、战术、生存能力和威胁等条件下，由有代表性的人员使用该装备完成规定任务的能力。装备作战效能评估有助于充分发挥现役装备的作战能力和作战潜力，进一步提出新型装备合理可行的战术技术指标，对武器装备研制技术发展具有非常重要的意义。

军机试验与鉴定的作用是尽早发现、解决新机设计缺陷，检查各项战技指标的符合性，对其作战有效性和适用性进行评估，并最终确认装备能否胜任作战任务要求。军机试验与鉴定工作可分为研制试验与鉴定(DT&E)和使用试验与鉴定(OT&E)2个阶段，OT&E是指在逼真的战场环境下，由典型作战人员操作，针对装备作战效能测试而开展的阵地试验以及对上述测试结果所进行的评估，装备的作战有效性评估主要是在OT&E阶段完成的。OT&E的类型包括仿真、地面试验、飞行试验等多种，其中飞行试验是OT&E中耗费最大，耗时最长也是组织最为复杂的一类试验。由于不同作战任务对装备的功能、性能要求存在差异，因此装备的飞行试验作战有效性评估应面向特定任务开展。另外，装备作战效能评估方法是多种多样的，根据评估目的及角度的不同，在选取评估方法时是有所差异的。

本文参考美国国防部体系结构框架(DoDAF)规范化结构框架，结合军机作战使用想定环境，设计了基于组件和交战行为时序描述的作战想定设计方法，完成特定想定的推荐试验点集，辅助完成完成试验点综合设计,开发了专用软件，实现了作战有效性向装备指标的映射以及面向任务的综合试飞，通过DoDAF多视图定义方法及装备体系任务模型的定义，辅助完成军机使用试飞科目规划，提出了一种基于5步法面向任务的军机作战有效性试飞设计与评估方法，结果验证了该评估方法的正确性及有效性，可以用于支持军机使用试飞的设计与评估工作。

1 基于DoDAF的使用试飞设计

1.1 试飞科目设计

作战任务是指在一定的环境和时间条件下，为达成特定作战目标而由各作战功能单元共同进行的一系列相互关联的作战活动的有序集合[1]。由于交战过程具有高度复杂性、系统性及强随机性等因素，因此对军机作战任务的描述往往十分笼统，不够精确，给作战有效性评估试飞的科目设计带来了很大难度。

美国国防部体系结构框架[2](DoD Architecutre Framework，DoDAF)是由美国国防部的US Undersecretary of Defense for Business Transformation工作小组所制定的系统体系结构框架，其前身是C4ISR体系结构框架。DoDAF通过定义作战视图(OV)、系统和服务视图(SV)、技术和标准视图(TV)以及总体结构视图(AV)，各个视图之间相互联系，应用多视图建模思想分析复杂系统的一种方法，可以运用于复杂军事任务的分析与描述。通过DoDAF多视图定义方法，辅助完成军机使用试飞科目规划。依据DoDAF装备体系任务模型的定义，对复杂军事任务的描述应包括任务目标、任务装备、任务活动以及任务活动间关系4个方面。即对于任何一个作战任务，都可以被形式化描述为一个四元组：

OT={TO,TE,TA,TR}

其中：TO={TO1,TO2,…,TOn}，表示作战任务的目标集合；TE={TE1,TE2,…,TEn}，表示作战任务的装备集合；TA={TA1,TA2,…,TAn}，表示作战任务的活动集合；TR={TR1,TR2,…,TRn}，表示作战任务的活动间关系集合[3]。

直接在作战任务层面对作战有效性进行评估，特别是定量评估的难度特别大，为实现对新机作战有效性进行科学准确的评估，应首先完成作战任务层面向装备指标层面的映射。基于DoDAF的军机使用试飞设计就是以DoDAF开发的作战任务体系结构为基础，实现作战任务向装备指标需求的映射，其设计过程可具体分为作战任务分析(OTA)、功能节点分析以及指标需求边界分析等3个步骤。

第一，作战任务分析(OTA)是从DoDAF体系结构中的AV-1和OV-1模型提取与作战使命、作战任务相关的信息，确定作战任务需求，并完成作战任务的细化分析和定义；

第二，功能节点分析是根据DoDAF体系结构中的SV-4以及SV-5中相关信息，把作战任务需求分配到各个功能模块，完成体系能力需求向子能力需求的映射；

第三，指标需求边界分析是通过DoDAF获取体系结构中的SV-1、WSV-1以及WSV-2中相关信息，把各个功能节点的任务转化为具体的、可测的功能/性能指标要求，并最终完成子能力需求向实体需求的映射[4-5]。

依据上述理论，按照DoDAF框架对作战任务进行层次分解，利用自顶向下的科目设置原则，将试飞科目依次规划为“典型作战剖面、基本战术动作以及具体指标测量等3类，实现军机作战能力从作战域向装备指标域的映射。

1.2 基于组件和交战行为时序描述的作战想定设计

作战想定是对交战双方的企图、态势以及作战发展情况的设想和假定。作战想定是使用试飞开展的基础和前提。作战过程涉及内容繁多，把静态的军事作战概念模型转化为可重用性较高的模型组件，对作战过程设计具有重要意义。

依据综合试飞的原则，在一次典型作战任务试飞中可以结合完成多个战术动作试飞以及功能性能验证试飞科目，也可以在同一个架次中进行多个关联子任务的验证，如雷达空空模式和空空武器的使用等，这样可以进一步提高试飞的综合程度。

根据前期规划好的试飞动作点，识别并定义出各动作点的关键属性，并构建动作点数据库。设计智能化的基于动作点关键属性的动作点检索算法，为面向使用的试飞设计提供支持。数据库的内容应该包括试验点所属任务阶段、飞行高度、飞行速度、发动机推力、飞机构型、耗时、动作、配试条件、前置科目要求等等。此外还应包括COI、MOE、MOP三者之间的对应关系，及其和各试验点的对应关系，便于进行科目综合。

图1 作战剖面设计软件界面

设计开发了面向任务的综合试飞辅助设计系统软件，通过对数据库中的动作点进行智能化筛选，实现特定想定的推荐试验点集，辅助完成完成试验点综合设计。作战过程设计内容繁多，把静态的军事作战概念模型转化为可重用性较高的模型组件，对作战过程设计具有重要意义。利用建模技术，完成机载武器设备(雷达、光雷、电台、导航设备、武器等)、配试资源(目标机、靶机、地面雷达、通信指挥所、试验空域等)的模型化描述，进行分类编号，完成作战想定组件设计。对电磁环境、气象环境、威胁环境进行了组件式建模，完成组件设计。将设计完成的作战想定组件录入数据库，并设计开发了基于组件和交战行为时序描述的作战剖面设计软件。

2 军机作战效能试飞评估技术

通过DoDAF框架对作战任务进行层次分解，实现了军机作战能力从作战域向装备指标域的映射。在其基础上，通过设计面向任务的军机作战有效性试飞评估方法，解决军机作战效能定量评估的问题。本文提出了基于5步法的军机作战效能定量试飞评估方法其核心是在面向特定任务的情况下，确定被试装备完成作战任务应具备的某个或几个关键性能指标，进而将其进一步分解，实现被试装备效能指标与功能指标的分解映射，通过确定关键性能指标评价函数、综合效能评价函数及相关计算，进而实现装备作战效能的评估量化分级，最终完成军机作战效能试飞评估。

该评估方法主要通过被试武器试飞任务否决项的制定、关键作战要点(COIs)的确定、对一个或多个COIs对用的MOE/MOP的分解、确定COI关键性能指标评价函数、综合效能评价函数及相关计算5个步骤来完成，军用飞机作战有效性试飞评估流程如图2所示。

图2 军机作战效能试飞评估流程图

2.1 否决项的制定

否决项的制定，即如被试武器系统不满足某关键性能指标或关键系统属性(KPP、KSA)则就无法具备某项作战能力，立即终止试验。例如美国全球鹰无人机BLOCK 30所定义的KPP包括了续航时间、全球部署能力、实时操作能力、网络就绪能力以及态势感知能力等5项[6]。KPP和KSA指标在试验初期就应进行评定。

2.2 关键作战要点(COI)的制定

COI是指影响作战有效性的相互独立的若干关键指标，可以根据具体任务的不同，进行设置，COI通常是一个问句，同时一个作战任务可以包括1个或多个COIs[7]。COI是判断装备面向特定任务是否具备完成能力的关键性指标，军机作战有效性或作战效能取决于COI的符合程度，通过COI分析模型目标值确定完成任务能力的定量评估。

2.3 COIs对应的MOE/MOP分解

COIs的分解是将被试对象的关键指标进行进一步分解，设定包括COI、MOE、MOP三者之间的对应关系，即是将被试对象的效能指标与固有性能指标进行映射，把各个COI关键指标转化为具体的、可测的功能/性能指标要求，便于确定关键性能指标评价函数及综合效能评价函数，COIs的分解过程可通过多被试对象的多个维度进行。

以某型军机雷达隐身空战作战效能分析为例，该雷达适应性指标(COI-1)分解如图3所示，将该指标分解为探测能力(MOE-1)、跟踪能力(MOE-2)、抗干扰能力(MOE-3)，再通过每项MOE指标进行二次分解为多个MOP指标，进而实现效能指标与固有性能指标的分解映射。

图3 典型COI及MOE、MOP分解图

2.4 作战有效性评估

装备作战效能评估指标是多种多样的,根据所研究对象的具体情况,可以选择不同的效能指标。在基于特定试飞任务的情况下，本文所述作战有效性或作战效能取决于1个或多个COIs的符合程度，可以用任务能力水平(MCL)进行定量评价。通过设置目标值、支持任务完成的最低要求以及否决点，将其划分为3个等级。100分表明装备满足COI分析模型中全部目标值，80分对应于临界值，而50分对应于不具备此项任务，MCL任务能力等级水平如图4及表1所示。

图4 MCL等级示意图

任务能力水平范围全任务能力80100部分任务能力50<80非任务能力0<50

其中，全任务能力代表最高水平，MCL至少为80分。一个系统被定为具备全任务能力意味着这个系统针对某特定任务而言已经达到了初始作战能力；部分任务能力代表中间水平，MCL在50到80之间，意味着有部分任务能力仍达不到初始作战要求，这样描述仅适用于现有任务能力存在且可以量化的；非任务能力代表最低水平，MCL低于50。非任务能力系统不会改善目前的任务能力，一个分数少于50的系统仍可通过其他方面是来证明自身价值，如更低的成本或先进的技术[8]。

2.5 MCL的计算

为每个COI构建数学函数用于推导MCL。针对军机典型任务，可以构造分段线性函数。需要一定的数据点以确定函数关系，包括代表目标、初始、现有能力值和确定零点的值。给出了COI分析模型示例和构建分段线性函数所需的参数值。

下式为一个MCL解析模型构建实例：

Pmission=Pd*Pa|d*Pj*R*Ao

其中：Pd为探测概率,Pa|d为电子攻击指定目标的概率,Pj为干扰概率，RAo为可靠性，PmissionAo为作战有效性，Pmission为任务成功概率。

完成对多COIs的评估，必须给出一个整体综合结论，如OE 需要应用权重的方法来平衡多个相互竞争的目标。为了正确进行加权，COIs必须是互斥的。因为一个系统的单项功能通常不依赖于彼此，设置互斥性应该不难。例如，一个人空中救援任务结果通常不会受一个对地攻击任务结果的影响。

对于此项任务，每个MOE将与其对应的MCL值相关联(由决策模型确定)，MCL的权重要与对应的MOE有相同的权重；也就是说，w1对应于MOE1和MCL1，w2对应于MOE2和MCL2，w3对应于MOE3和MCL3等。一旦对应于某个MOE的MCL值确定下来，MCL相应的加权可通过下面的等式计算：

Pmission=∑wkMCLk;∑wk=1

如果这是单一的任务，计算出来的Pmission就是OE的结果，当0≤OE<50时为非任务能力，当50≤OE<80时为部分任务能力，当80≤OE≤100时为完全任务能力。

当存在多任务时，每个任务有其自己的MOE权重，每个任务的加权通过相应的任务水平的权重wi来计算，所有任务水平的权重总和同样等于1。方程如下：

OE=∑wi(Pmission)i,∑wi=1

如本例所示，MCL的函数只在某一个水平下确定，即某一个任务水平。然后，确定相应的权重并采用规定的求和方法，最终确定总体任务能力[9-10]。

3 试飞应用

在某型军用飞机OT&E使用试飞阶段，利用本文所述方法开展了雷达隐身空战任务作战效能评估。基于作战任务想定，利用本文设计的作战剖面设计软件，综合考虑复杂环境影响因素，共筛选了多个试验点集，完成了综合试飞科目的设计。

在评估过程中，将COI分解为3项MOE及7项MOP指标，确定了关键性能指标评价函数及综合效能评价函数，通过MCL计算，完成了该军用飞机雷达隐身空战作战效能的评估量化分级，最终完成军机作战效能试飞评估，确定该军用飞机雷达隐身空战过程中作战任务完成能力，评估结果如表2所示，评估结果表明该军用飞机雷达具备隐身空空作战完全任务能力。

表2 某军机雷达隐身空空作战任务能力评估

4 结束语

本文完成了基于DoDAF的军机使用试飞作战有效性评估流程的正向设计，实现了作战有效性向装备指标的映射以及面向任务的综合试飞，提出了基于5步法的军机作战效能定量评估方法，解决了军机作战有效性定量评估的问题。该方法在某型军机雷达隐身空战过程中作战任务完成能力进行了应用，结果表明该方法对军机作战有效性评估有较强的应用价值，有效降低了军机使用试飞的设计与评估工作难度。同时，为面向任务的军机作战有效性评估工作提供了理论基础，对未来其他型号航空武器装备作战效能评估的研究提供了一定的参考与借鉴。