計及風浪環境影響的水面艦船作戰能力評估方法

張恒，朱軍

1海軍裝備研究院，北京100161

2海軍工程大學艦船工程系，湖北武漢430033

計及風浪環境影響的水面艦船作戰能力評估方法

張恒1，朱軍2

1海軍裝備研究院，北京100161

2海軍工程大學艦船工程系，湖北武漢430033

［目的］為在水面艦船作戰能力評估中計入海洋風浪環境影響，［方法］在分析風浪環境對水面艦船平臺航行性能和武器系統使用影響的基礎上，分別建立水面艦船綜合作戰能力評估指標體系和水面艦船風浪環境適應性評估指標體系，提出基于多屬性效用理論和層次分析法（AHP）建立計及風浪環境影響的水面艦船作戰能力綜合評估方法，并選取國外某驅逐艦為典型算例進行驗證。［結果］結果表明，在5級海況下計及風浪環境影響時該艦的綜合作戰能力約為靜水中（0級海況）作戰能力的81.5%，量化評估結果與專家定性評估結果趨勢一致。［結論］該方法可以較合理地量化評估考慮風浪環境影響的水面艦船綜合作戰能力，為水面艦船型號論證與研制工作提供技術支持。

作戰能力評估；風浪環境；水面艦船

0 引 言

風浪環境適應性是指水面艦船平臺在遠洋實際海況中航行及執行作戰任務時，對遭遇的風浪等自然環境的適應能力，其優劣關系到艦船航行性能、安全性、生命力、艦載武器作戰使用效能等指標。作戰能力是對水面艦船完成給定作戰任務程度的量度，是規劃、研制、配置和部署的基本依據，也是評價水面艦船優劣最重要的綜合性指標。水面艦船在風浪環境中的作戰能力除取決于艦載武器本身的性能外，還與平臺的風浪環境適應性直接相關，它是衡量水面艦船在實際海洋環境下綜合作戰能力的重要因素。因此，研究風浪環境適應性對水面艦船作戰能力的影響因素及相關性，進而在作戰能力評估中考慮其影響，可更為真實、客觀地反映水面艦船的實戰能力，可為方案論證設計及作戰使用分析提供技術支撐，對提升水面艦船在實際海浪環境下的作戰能力具有重要推動作用［1-2］。

目前，國內水面艦船風浪環境適應性研究尚處于起步階段，作戰能力評估主要有解析法、統計法、指數法和計算機作戰模擬法等［3-4］，但在作戰能力評估中尚未開展計及風浪環境影響的深入研究。為此，本文將開展水面艦船環境適應性與實戰能力的相關性研究，建立計及風浪環境的水面艦船作戰能力的評估方法與評估模型，其可用于水面艦船實戰能力評估，從而為水面艦船型號論證及研制工作提供技術支持。

1 海洋風浪環境對水面艦船作戰使用的影響

1.1 風浪環境對艦艇平臺總體性能的影響

1）快速性方面。最大航速和續航力指標通常按照在2級海況以下較為平靜的風浪條件設計，而在實際海洋環境下航行時，風、浪、流的作用將導致最大航速和續航力較設計指標值降低或增加。頂風和頂流航行會增加船體阻力，降低最大航速和續航力；順風和順流航行將減小航行阻力，增加最大航速和續航力；同時，過大的縱搖和垂蕩運動有可能出現螺旋槳出水（飛車）或吸水現象，降低螺旋槳工作效率、艦船的最大航速和續航力。

2）操縱性方面。水面艦船操縱性技術參數都是針對靜水狀態而設計，實際海洋環境中的風、浪、流都將增加操船的困難。海洋環境對艦船操縱影響很大，主要體現在航向保持、操縱回轉、穿越強剪切流環境效應3個方面。

3）適航性方面。適航性主要是從作戰使用的角度考慮艦船應具備一定的抵抗波浪、保證艦船海上作業的能力，適航性環境效應指艦船設計輸入的海況與實際海況差異所造成的技術參數的變化，適航性環境效應可能使艦船搖蕩增強，也可能使搖蕩減緩，平臺風浪環境適應能力的優劣直接影響艦載武器裝備效能的發揮和艦員的作業效率。在高海況下出現過大搖蕩運動時，一般實際操作中更多的是通過降低航速或改變航向來減緩艦船的搖蕩運動。

4）穩性方面。水面艦船穩性是艦船航行安全的重要指標。其環境效應有2個方面：一是抗風浪能力的環境效應，即實際航行中海洋風浪條件與設計條件存在差異，導致艦船航行時因風浪作用發生傾覆的風險增大或減小；二是由于波浪的作用導致艦船橫向搖蕩運動出現異常增大的現象，如參數激振橫搖和橫甩。因此，水面艦船穩性環境效應包括純穩性喪失、抗風浪傾覆效應、參數激振橫搖和橫甩。

1.2 風浪環境對艦載武器裝備使用的影響

1）對雷達系統的影響。海浪使雷達天線和目標物產生不同程度的搖擺，兩者的相對運動會使目標偏離天線波束主軸，降低天線的方向性系數，從而導致雷達最大作用距離縮短。同時，海面的起伏不平會使雷達熒光屏上產生許多海水雜波。海水雜波的亮度隨風浪的增大而增強，風浪較大時，雜波會成片出現，可造成一定范圍內的目標回波被淹沒。

2）對聲吶系統的影響。海浪運動引起的海水靜壓力變化，會對壓敏水聽器產生干擾，由于由其引起的海水靜壓力變化的幅度隨深度的增加迅速降低，故在淺海產生的噪聲是壓敏水聽器的主要低頻噪聲源。海面粗糙度產生的噪聲是高頻段自然噪聲的噪聲源，自然噪聲級與海況直接相關。

3）對導彈武器的影響。風影響導彈射程，造成導彈偏航。順風時導彈空速變小，相應的空氣阻力減小，使導彈的射程增大；逆風時，則使導彈射程減小。海浪的影響主要在于波高、浪向、浪級及相位對導彈出水姿態的影響。縱向海浪會影響導彈的俯仰姿態，而橫向海浪則會導致導彈偏航和影響其滾動姿態。

4）對魚雷武器的影響。魚雷在航行中因有廢氣逸出水面而在海面形成明顯的航跡，因此當海面較為平靜時，魚雷航跡較為明顯，易被較早發現。當海面有成片白色浪花時，魚雷的航跡會與白色浪花混雜在一起，有利于浪花掩蓋魚雷航跡，不易被敵發現。海面能見度的好壞，直接影響魚雷的發現距離。

5）對水雷武器的影響。海流對錨雷的雷體具有一定的壓力作用，使雷索順流向呈傾斜彎曲狀態。海流可以使沉底水雷發生滾動，滾動發出的聲響能使沉底雷的聲引信發生動作直至爆炸。沉底雷滾動還可能改變水雷引信的作用方向，從而減小水雷的作用距離，降低使用效果。潮汐引起海面水位周期性升降，潮差越大，對水雷深度的影響越大。對于非觸發沉底雷而言，由于其破壞半徑是固定值，因此，潮汐所引起的潮差變化直接影響其水面破壞半徑的大小。

6）對艦載直升機的影響。艦載直升機起飛時最忌順風，橫風在一般情況下沒有太大的影響，但也不能超出一定的限度。若艦上空間大，直升機可以在起飛前轉向頂風，或至少可以轉向比較有利的方向。湍流也是影響直升機起降的經常性干擾因素，有時雖然有合適的甲板風，但由于湍流的存在，飛機也不能起降。風浪引起的艦船搖擺和升沉使得直升機的預定著艦點處于隨機運動中，如果沒有準確的引導，準確著艦將十分困難。

2 計及風浪環境影響的作戰能力評估方法

2.1 基于層次分析和多屬性效用理論的評估方法

計及風浪環境的作戰能力評估方法有以下特點：一是下屬指標多，包括航行性能適應性、武器裝備使用適應性等多類屬性指標；二是指標層次較多，如作戰能力下屬有對空、對海、對水下作戰能力指標，對空、對海、對水下作戰能力指標還分別包含下屬指標；三是指標的不可公度性，即指標沒有統一的量綱，如航速的單位是節，續航力的單位是海里，不能用統一的標準評價。

首先，對于這類多目標、多層次、多屬性等復雜問題的評估，需依照層次分解構建指標體系，確保評估指標能包括綜合性能的主要方面，且具備可實現性。

然后，確定綜合評估方法。一是要確定底層單指標的度量方法，對于綜合性能這類指標，其底層指標的優劣與作戰使用直接相關，不存在固定、標準化的處理方法，因此，在作戰使用中可根據不同任務需求和使用要求，按照效用函數法量化各底層指標；二是確定指標權重，對于這類多指標、多層次系統，層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是確定其權重的有效方法；三是指標綜合方法，如果認為各層指標間關聯度較小，按照多屬性效用理論，可依層次加權求得總的效用值。因此，將AHP方法與多屬性效用理論結合形成綜合評估方法理論成熟，評估方法和模型簡單，便于操作，評估結果為總效用值，物理意義清晰。

因此，在綜合性能評估中，可以先建立評估指標體系，然后采用基于AHP方法與多屬性效用理論相結合的綜合評估方法和評估模型進行綜合評估。

計及風浪環境的作戰能力評估等于不計風浪環境影響作戰能力評估結果與環境適應性效應的乘積。

2.2 評估流程

在計及風浪影響的水面艦船實戰能力評估中結合多屬性效用理論與AHP方法的優點，建立如圖1所示的綜合評估流程。

第1步：按層次分解，建立作戰能力評估指標體系和環境適應性效應指標體系；

第2步：建立作戰能力各底層指標的價值函數，確定環境適應性效用函數；

第3步：采用兩兩比較法確定各層指標的權重；

第4步：分析確定作戰能力各底層指標值和效用值；

第5步：應用多屬性效用理論計算計及風浪環境影響的作戰能力總效用值。

圖1 艦船綜合作戰能力評估流程Fig.1 The evaluation process of integrated combat capability of warships

2.3 計及風浪環境的綜合作戰能力評估指標體系

計及風浪環境的綜合作戰能力評估指標體系包括水面艦船綜合作戰能力評估指標體系（圖2）和水面艦船風浪環境適應性指標體系（圖3）2部分。

圖2 綜合作戰能力評估指標體系Fig.2 The index system of integrated combat capability evaluation

圖3 風浪環境適應性指標體系Fig.3 The index system for evaluating impact of wind and waves on integrated combat capability

2.3.1 綜合作戰能力評估指標體系

水面艦船綜合作戰能力指標體系包括總體性能和作戰能力2部分：前者包括穩性、快速性、適航性和操縱性等；后者包括對海作戰能力、對空作戰能力、反潛作戰能力等。

2.3.2 風浪環境適應性指標體系

艦船風浪環境適應性指標體系由總體性能環境適應能力和武器裝備使用環境適應能力2個環境適應能力構成。總體性能環境適應性按照穩性、快速性、作業、操縱性展開；武器裝備使用環境適應能力指在實際海洋環境與測試（設計）條件下戰術指標的差異，按照對空、對海和反潛作戰的環境適應性展開。

2.4 計及風浪環境的綜合作戰能力評估方法

2.4.1 綜合作戰能力評估方法

1）指標權重確定方法。

按照AHP方法，通過兩兩比較確定評價指標的權重，按照9點標度法兩兩比較確定各層指標之間的相對重要程度，如表1所示。

表1 9點標度法及其含義Table 1 Definitions of the nine interval scale

比較 n個元素x1，x2，…，xn對準則的影響，以確定它們在準則中所占的比重。每次取2個元素xi和xj，用aij表示xi與xj關于準則的相對重要程度之比，其全部比較結果可用矩陣A表示。

該矩陣即為判斷矩陣。判斷矩陣中的賦值aij表示元素xi關于元素xj的重要程度的賦值。對判斷矩陣求出其各特征值，其中最大的實特征值對應的特征向量即為相對權重，一般將其歸一化得到最終的權重。

2）價值函數建立方法。

對底層各定量指標，采用價值函數法來確定其評估分值。具體方法是：依據艦艇的主要作戰使用性能要求和相關艦船規范，確定各定量指標的價值函數，首先確定各指標的門限值，即滿足使用要求的最小可接受值；然后確定目標值，即理想值或技術極限值。之后，按作戰使用要求確定價值函數形式（可以分為線性、S型、上凸型、下凹型），對于曲線形函數，在確定門限值、目標值及中間某些點的分值后，采用樣條曲線擬合形成效用函數［5-7］。例如：

最大航速門限值選取主要作戰使用性能要求的基本值，取值29 kn，對應的效用值為60；考慮作戰使用需求及當前技術水平，中間值取30 kn，對應的效用值為90；目標值考慮目前船型、動力水平所能達到的技術極限或同級艦最大值，取值32 kn，對應的效用值為100。價值函數取上凸形曲線，通過確定的典型航速下的效用值擬合得出價值函數曲線，如圖4所示。

圖4 最大航速價值函數Fig.4 The value function of the maximum speed

2.4.2 環境適應性效應評估方法

環境適應性評估體系中，底層指標有各自的量綱，為使不同量綱轉換成統一可以評估的能力，應用多屬性效用理論（Multi-Attribute Utility Theory，MAUT）將目標屬性按照轉換函數變換成0～1的能力值。參照GJB 4000-2000，將海況劃分等級（0～9級海況）作為海洋環境輸入條件，各個適應性屬性值采用Sigmoid型函數確定。S型函數（圖5）的具體形式為

式中：ST為海況級別，取值范圍為0～9；A，B為常數，取值如表2所示；S為評估屬性值。

圖5S型函數Fig.5 TheSfunction

表2S型函數對應的常系數A，B值Table 2 The values of constant coefficientAandBin theSfunction

2.4.3 計及風浪環境的綜合作戰能力評估方法

計及風浪環境的綜合作戰能力計算公式如式（2）所示。

式中：Ki為第i個指標xi的權重；U(xi)為第i個指標xi的效用值；R(xi)為第i個指標xi的環境適應性效應值。

3 典型案例

以國外某型驅逐艦為例，開展計及風浪環境適應性的作戰能力評估。

3.1 指標權重計算

首先，采用AHP方法確定如圖2和圖3所示的綜合作戰能力評估指標體系和環境適應性評估指標體系的指標權重。

3.2 綜合作戰能力效用值計算

根據價值函數建立方法，建立綜合作戰能力評估指標體系中各指標的價值函數。例如，首先確定初穩性高和直升機安全使用價值函數的形式，再分別確定門限值、目標值和中間值及對應的效用值，擬合得出價值函數曲線如圖6和圖7所示。

圖6 初穩性高價值函數Fig.6 The value function of initial metacentric height

圖7 直升機安全使用海況價值函數Fig.7 The value function of sea states for safe operation of helicopters

根據綜合作戰能力底層各指標值，按照建立的價值函數，可計算出各指標的效用值，如表3所示。

表3 指標效用值Table 3 The utility values of indexes

3.3 環境適應性效應

1）總體性能環境適應性效應。根據式（1）得出0～9級海況下總體性能環境適應性屬性值計算結果，如表4所示。

2）武器裝備使用環境適應性效應。根據式（1）得出0～9級海況下武器裝備使用環境適應性屬性值計算結果，如表5所示。

3）計及風浪環境的典型驅護艦作戰能力評估。根據式（2）得出0～5級海況下計及風浪環境影響的作戰能力計算結果，如表6所示。

由表6可知，在5級海況下計及風浪環境影響時該艦的綜合作戰能力約為靜水中（0級海況）作戰能力的81.5%，量化評估結果與專家定性評估結果趨勢一致。

4 結 語

在以往開展的水面艦船作戰能力評估中，主要根據武器系統本身的性能指標開展作戰能力的綜合評估，而水面艦船平臺和武器系統很多性能指標主要針對靜水和較小海況條件下使用提出，因此，水面艦船在實際海洋環境中，特別是在遠海海域中航行和使用武器系統，綜合作戰能力將受到影響，基于平臺和武器系統本身性能指標的綜合作戰能力評估結果不能完全反映實際作戰能力。本文分析了風浪環境對平臺航行性能和武器系統使用的影響，建立了綜合作戰能力、風浪環境適應性評估指標體系，提出了基于AHP方法和多屬性效用理論的綜合評估方法，針對國外某驅逐艦的應用結果表明，所建立的量化評估方法具有較好的科學性。鑒于風浪環境對水面艦船平臺航行性能和武器系統影響的復雜性，今后還應在風浪環境適應性影響函數方面開展更深入的研究。

表4 總體性能環境適應性屬性值Table 4 The environmental adaptability values of seagoing performance

表5 武器裝備使用環境適應性屬性值Table 5 The environmental adaptability values of weapons

表6 綜合作戰能力評估結果Table 6 The computational results of integrated combat capability of the evaluated destroyer

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Combat capability evaluation method of surface warship considering impact of wind and waves

ZHANG Heng1，ZHU Jun2
1 Naval Academy of Armament，Beijing 100161，China
2 Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

In order to evaluate the combat capability of surface warships while considering the impact of wind and waves,the impact on seagoing performance and weapon operation is analyzed,an evaluation index system for the combat capability evaluation of surface warships is determined,and an evaluation method is presented on the basis of the Analytic Hierarchy Process（AHP） and multi-attribute utility theory.Next,a typical example is used to validate the proposed method.It is found that the integrated combat capability of an evaluated destroyer in sea state 5 is approximate to 81.5%of that in calm water(sea state 0).The results show that the proposed method can quantitatively evaluate the actual combat capability of surface warships while considering the impact of wind and waves,which provides technical support for new ship demonstration and development.

combat capability evaluation；wind and waves；surface warship

U662.3

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2017.03.006

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170512.1256.030.html期刊網址：www.ship-research.com

張恒，朱軍.計及風浪環境影響的水面艦船作戰能力評估方法［J］.中國艦船研究，2017，12（3）：36-42.

ZHANG H，ZHU J.Combat capability evaluation method of surface warship considering impact of wind and waves［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（3）：36-42.

2016-04-10< class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間：2017-5-12 12:56

國家部委基金資助項目

張恒（通信作者），男，1981年生，博士，工程師。研究方向：艦船總體論證與總體性能。E-mail：zhanghenghb@163.com

朱軍，男，1959年生，博士，教授。研究方向：船舶操縱性。E?mail：zhjun101@sina.com