水面艦艇對海作戰(zhàn)效能評估方法研究*

房燦新

（中國人民解放軍91404部隊 秦皇島 066001）

1 引言

裝備作戰(zhàn)效能評估是試驗鑒定工作的核心任務，是指導一線作戰(zhàn)部隊確立作戰(zhàn)方案、作戰(zhàn)預案的重要依據(jù)。隨著以作戰(zhàn)試驗為關注焦點，加強武器裝備實戰(zhàn)化考核的系列化要求和管理規(guī)范的進一步明確，對裝備戰(zhàn)術技術性能，特別是對實際作戰(zhàn)效能進行全面考核并獨立給出評價結(jié)論的軍事需求，變得愈來愈發(fā)緊要和迫切［1～3］。本文在研究新型試驗鑒定模式的基礎之上，以試驗、訓練演習和系統(tǒng)仿真等為數(shù)據(jù)來源，基于信息熵的改進ADC方法，同時引入復雜系統(tǒng)作戰(zhàn)試驗動態(tài)性、對抗性和體系支撐等特點，提出了一套完整的艦艇對海作戰(zhàn)效能的評估方法。此方法經(jīng)工程化實現(xiàn)后，在某新型艦艇試驗定型工作中得到了較好的應用。

2 效能評估基本思路

艦艇裝備具有武器配置全、電磁與火力兼容難、平臺集成度高等特點，智能、隱身、快速、信火一體打擊是其發(fā)展趨勢。對艦艇裝備的鑒定評估，是在統(tǒng)籌規(guī)劃各類試驗階段活動與事件基礎之上，獲取各利益攸關方獨立的數(shù)據(jù)分析（設計審查、軟硬件測試、模型VV&A、性能驗證、性能鑒定、作戰(zhàn)試驗、在役考核、訓練演習、系統(tǒng)仿真），并進行一體化的項目管理，從而達到優(yōu)質(zhì)高效、客觀評價裝備“一能三性”（作戰(zhàn)效能、作戰(zhàn)適用性、體系適用性、在役適用性）之目的。效能評估既能服務于研制部門以改進設計思想、工程技術和生產(chǎn)工藝，又能為國家級戰(zhàn)略性兵棋推演及宏觀決策提供堅實的基礎支撐。

試驗鑒定（含LVC各類型態(tài)）要求在實戰(zhàn)化的全系統(tǒng)、全流程、全要素條件下，設計不同試驗因素及相應水平；模擬威脅目標，構(gòu)設電磁環(huán)境，執(zhí)行各類剖面的作戰(zhàn)任務［4］，以此獲取各類技術、戰(zhàn)術性能數(shù)據(jù)；其中技術性能刻畫了裝備的基本技術特征，而戰(zhàn)術指標則與裝備遂行任務能力密切相關。效能評估的技術途徑是自底向上分層不斷聚合的，一般宜按照底層戰(zhàn)技性能、中間戰(zhàn)技性能、要素能力（含預警探測、信息處理、指揮控制、信火打擊、艦艇機動、生命力等）、作戰(zhàn)適用性、任務能力（含對海、對陸、反潛、防空作戰(zhàn)等）、綜合作戰(zhàn)效能評估的路線圖方式有序進行。

3 效能評估模型ADC&ES4

新的試驗鑒定法規(guī)，要求評價作戰(zhàn)效能（即裝備完成作戰(zhàn)任務時所能發(fā)揮有效作用的程度），以及作戰(zhàn)適用性、體系適用性和在役適用性［5］。其中，作戰(zhàn)效能多以完成任務的概率或效能指數(shù)等進行描述，三個適用性（Suitability）與“六性”指標、作戰(zhàn)環(huán)境、部隊適編和使用特性等緊密相關；考慮到所有作戰(zhàn)任務都是以體系作戰(zhàn)的方式才能有效完成，新的試驗鑒定法規(guī)也要求考核裝備是否和現(xiàn)行的作戰(zhàn)體系相適配，如：體系融合度（單型裝備與裝備體系中其他裝備接口兼容和任務協(xié)同的有效性等）。但是，法規(guī)標準并沒有注意到體系支撐反過來也會提升裝備的實際效能，這樣的正反饋不僅與作戰(zhàn)區(qū)域（豐富的氣象水文信息等）有關，也與信息對抗、地面空中力量依托有關（即便不使用，也具有威懾力），因此提出了體系支撐（Support）調(diào)節(jié)因子這樣一個補充指標。

作戰(zhàn)系統(tǒng)的效能評估方法與單設備的效能評估方法有著本質(zhì)的區(qū)別，評估的視角必須著眼于作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)上的組合型態(tài)和能力消長上，這也從一個側(cè)面說明了系統(tǒng)的不確定性、對抗性和涌現(xiàn)特性。對海作戰(zhàn)設備與系統(tǒng)組成如圖1所示，公共計算環(huán)境可能成為單節(jié)點故障，并造成預警探測、指揮與打擊各個層面能力的完全喪失，尤其是在它還不具備與位置無關的柔性重組能力的時候；這與傳統(tǒng)艦艇的預警獨立分治相比，作戰(zhàn)系統(tǒng)的健壯性、容錯能力甚至在某種程度上是一種倒退。而針對作戰(zhàn)系統(tǒng)這樣一種結(jié)構(gòu)上的不確定性，以信息熵（Entropy）來進行度量就顯得比較適宜。

從一個更廣闊的范疇來講，戰(zhàn)爭的科學性居于主導地位，藝術性居于從屬地位，其中效能評估乃是問題的關鍵之所在。當前，國內(nèi)外評估方法的技術途徑很多［6～7］，我們經(jīng)過系列化的試驗結(jié)果處理和綜合分析，相對而言ADC（可用性Availability、可信性Dependability、作戰(zhàn)能力Capability）評估方法是比較便利于工程實現(xiàn)的。這樣，本文給出了基于信息熵的改進ADC評估方法。

4 對海作戰(zhàn)效能評估的工程實現(xiàn)

艦艇的使命任務具有多樣化的特征，主要包括編隊指揮、對海作戰(zhàn)、對陸作戰(zhàn)、反潛作戰(zhàn)、防空作戰(zhàn)、保交護航以及非軍事行動等等［8～10］，本文限于篇幅只對對海作戰(zhàn)任務模式進行討論。軟件編程主要由CS及SQL Server來實現(xiàn)，并未采用與Matlab混合編程的方法，而是使用了第三方開源的Math.Net Numerics軟件包。該軟件包支持矩陣LUQRCholesky分解，馬爾可夫鏈抽樣以及FFTHilbert復雜信號處理等，此種型式的代碼嵌入實現(xiàn)方式取得了較高的編程效率。

4.1 作戰(zhàn)系統(tǒng)的狀態(tài)定義

如圖1所示對海作戰(zhàn)主要由9個系統(tǒng)或設備直接參與，考慮到設備的正常、故障等不同的工作模式組合，定義了如表1所示的11種工作狀態(tài)。系統(tǒng)的可用性矩陣A可根據(jù)文獻［11］的方法，不難求出；其中，狀態(tài)1的可用性為

表1 對海作戰(zhàn)系統(tǒng)狀態(tài)

圖1 對海作戰(zhàn)設備與系統(tǒng)組成

在此基礎上，下面分析可信性矩陣D11×11的計算方法；由于不考慮短時應急搶修的有效性，可信性矩陣D11×11的下半角元素都為0。首先求出，單一設備的可信性函數(shù)Ri：

在式（2）中，Ti為某設備在對海作戰(zhàn)任務中的執(zhí)行周期（典型地可設置為10min～30min）；據(jù)此可得出可信性矩陣部分內(nèi)容為

4.2 單裝作戰(zhàn)能力分析

艦艇對海作戰(zhàn)能力的直接相關要素主要包括：含預警探測、信息處理、指揮控制、信火打擊（間接要素中的艦艇機動、生命力等，在下節(jié)中論述）。每一個作戰(zhàn)要素，又有一系列的單裝協(xié)同完成。對于預警探測方面而言，某型艦艇對海作戰(zhàn)的信息來源如圖1所示主要有5類設備，以下首先求單一雷達的設備能力。

選取搜索距離、搜索精度、跟蹤距離、跟蹤精度、批數(shù)、自動建航能力、抗干擾能力、作戰(zhàn)適用性（海洋環(huán)境適應性、電磁環(huán)境適應性、保障適用性、測試性、在役適用性（適編性、經(jīng)濟性等）、體系支撐等作為其二、三級指標。需要說明的是，長期以來雷達的自動建航能力得不到應有的重視（人工半自動方式是使用主體），然而它對先敵識別、艦艇自防御等戰(zhàn)斗力的生成至關重要，因此要賦予較大的權(quán)重。對同級的各項并列指標，需構(gòu)造層次模型的權(quán)重模糊判斷矩陣，通過Math.Net Numerics求取特征值及特征向量；經(jīng)過一致性檢驗后，可求得權(quán)重向量為ω=［ω1，ω2，…，ωn］T。再對單一指標進行歸一化處理，指標歸一化計算方法可依據(jù)成本型、效益型、分段函數(shù)、灰色白化［12～13］等不同模式靈活處置；而對于特別難以處理的定性描述指標，可以采取專家打分的Delphi方法來進行量化。

為了貫徹實戰(zhàn)化的要求，指標評價是基于緊盯作戰(zhàn)對手的戰(zhàn)技指標來量化的原則而進行處理（作戰(zhàn)對手的戰(zhàn)技數(shù)據(jù)需要作戰(zhàn)情報部門的信息支撐），以雷達威力式（4）作簡單說明：

采用分段函數(shù)進行歸一化處理也是比較典型的，例如：對于被動雷達，為完成多艦協(xié)同條件下對輻射源的識別和定位，一般會以射頻通道的方式進行定向協(xié)同信息傳輸，以便實現(xiàn)雷達協(xié)同自組網(wǎng)。通過權(quán)衡后以分段方式，構(gòu)建協(xié)同信息傳輸速率的隸屬函數(shù)為

這樣，在前期已構(gòu)建的作戰(zhàn)效能指標體系的基礎上，通過權(quán)重向量與歸一化后的指標向量乘積，即可計算出單一雷達的作戰(zhàn)能力（如圖2所示），圖中以藍方雷達為參照基準（指數(shù)為1000），最后給出了紅方雷達的作戰(zhàn)效能總指數(shù)。這里的雷達威力、射頻傳輸速率的原始數(shù)據(jù)來源于科研試驗、系統(tǒng)仿真、鑒定試驗以及訓練演習。采取相似的方法，可求得指控系統(tǒng)、艦艦彈、主炮的單裝作戰(zhàn)能力。

圖2 紅方相對藍方某型雷達作戰(zhàn)效能分析

4.3 對海作戰(zhàn)效能評估

作戰(zhàn)系統(tǒng)的復雜性是混沌性的局部與整體之間的非線性形式，由于局部與整體之間的這個非線性關系，使得我們不能通過局部來認識整體。當前的作戰(zhàn)環(huán)境已沒有明顯的單一關鍵作戰(zhàn)域，在每一個作戰(zhàn)域（要素）都面臨著脆弱性和機遇。以上經(jīng)過一系列的過程方法計算，我們得到了單一設備的作戰(zhàn)能力。由圖1所示，對海作戰(zhàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在著并聯(lián)、串聯(lián)關系，以下來分析11種狀態(tài)下系統(tǒng)的實際作戰(zhàn)效能，首先以第1種狀態(tài)進行論述。

為了求得由5個傳感器而構(gòu)成的預警探測能力，這里要引入信息熵［14～15］概念。把熵作為一個隨機變量的不確定性或信息量來進行處理，以Pi表示變量X為事件Xi的概率，首先定義變量Ii為

Ii即為事件Xi的自信息量（稱為信息熵）。對于5個并聯(lián)系統(tǒng)，預警探測能力的總信息熵有：

其中，式（7）中的I并為并聯(lián)系統(tǒng)的總信息熵，I1，為并聯(lián)系統(tǒng)第一支路的信息熵。

同理也可求得信火打擊（對海與防空作戰(zhàn)相比，少了電子對抗）要素能力的總信息熵。在此基礎之上，對海作戰(zhàn)能力再由直接要素：預警探測、信息處理、指揮控制（處理容量、融合質(zhì)量、屬性識別、類型識別、指揮范圍、態(tài)勢感知和更新及分發(fā)能力、協(xié)同控制及任務規(guī)劃能力、戰(zhàn)術輔助決策能力等）、信火打擊（主動引導打擊范圍、被動引導打擊范圍、外部信息源引導打擊范圍、同時打擊批數(shù)、命中概率、抗干擾能力等），間接要素：通信保障（通信范圍、通信容量、聯(lián)通可達性、丟包率、誤碼率、信道帶寬、傳輸時延、信道業(yè)務種類、網(wǎng)系兼容及抗毀性等）、艦艇機動（適航性、快速性、操縱性、續(xù)航力、推進能力等）、生命力（RCS、紅外輻射強度、水下輻射噪聲、消磁磁場強度、抗沖擊、損害管制、平臺監(jiān)控、防沉抗沉能力等）等7大節(jié)點串聯(lián)構(gòu)成。對于串聯(lián)系統(tǒng)：

其中，式（8）中的ωi為某串聯(lián)節(jié)點的權(quán)重，I串，為串聯(lián)系統(tǒng)的總信息熵。

這樣，即可由式（9），得到艦艇對海作戰(zhàn)條件下，11種裝備狀態(tài)組合模式下的系統(tǒng)能力，和最終的對海作戰(zhàn)效能指數(shù)綜合評估值為0.795（相對于藍方作戰(zhàn)效能指數(shù)為1）；即在籌劃總體作戰(zhàn)方案時，該型艦艇與藍方艦艇的的作戰(zhàn)交換比應該設置為2比1。

5 結(jié)語

綜上，本文在分析最新試驗鑒定法規(guī)和實戰(zhàn)化要求的基礎之上，結(jié)合前期已經(jīng)展開的艦艇裝備試驗工程實踐，提出了基于信息熵的改進ADC水面艦艇作戰(zhàn)效能評估方法。論文基于實裝試驗、訓練演習及系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)，建立了從單裝備、作戰(zhàn)要素到綜合效能的相關算法和評估準則。但此類的數(shù)據(jù)來源必須基于對作戰(zhàn)對手、戰(zhàn)術使用和要素關聯(lián)的理論研究基礎之上，再進行作戰(zhàn)體系（仿真體系）的紅、藍作戰(zhàn)力量有效映射下的全系統(tǒng)、全流程作戰(zhàn)試驗才有實際意義。如何消除武器裝備作戰(zhàn)試驗的不確定性，提取關鍵作戰(zhàn)問題，剔除作戰(zhàn)能力弱相關項檢驗，并建立合理可行的評估體系和試驗工程優(yōu)化方法是接下來要重點研究和關注的問題。

武器裝備作戰(zhàn)效能評估國內(nèi)尚處于發(fā)展階段，本文提出的評估思路和準則，還有待各軍兵種武器裝備試驗實踐的不斷檢驗、修正及完善。