航母艦載機裝備體系及指標論證方法

屈也頻，金惠明，何肇雄

海軍研究院，上海 200436

航母艦載機體系建設是一個典型的、復雜的巨系統建設，其發展論證研究涉及航母艦載機的作戰需求、能力要求、艦機適配性[1]和經濟性等多重因素的權衡。特別是艦機適配性約束貫穿于艦載機裝備論證的全過程，具有鮮明的海軍航空裝備特色。近年來，隨著航空武器裝備論證內涵外延的豐富與擴展，其論證范疇、論證領域、論證方法和論證要求都發生了變化[2]。采用在陸基飛機上增加艦載使用要求的傳統型號綜合論證方法，已不能全面準確地反映艦載機的特殊性要求。如何創新論證理論與方法，從頂層上明確艦載機與母艦總體、作戰系統和航空保障系統的適配要求，規范各型艦載機的保障資源，構建合理的艦載機裝備體系和科學完整的戰術技術指標，是航母艦載機論證需要解決的關鍵技術。

隨著體系作戰成為現代化戰爭的基本形態，裝備使用和研制部門越來越重視裝備體系論證，國內外學者開展了大量研究工作。文獻[3]提出要通過裝備體系論證牽引裝備型號發展，并指出前者決定并約束后者。文獻[4]運用基于能力的需求開發方法[5]，完成了美國空軍遠程作戰裝備體系論證。文獻[6-8]分別提出運用綜合集成、動/靜態評估相結合、質量功能展開(Quality Function Deployment，QFD)與系統工程標準建模語言(Systems Modeling Language，SysML)等方法，圍繞陸軍坦克/裝甲、海軍艦船等裝備開展了案例應用研究。但不同裝備論證有自身的個性特點[2]，上述研究成果可以為航母艦載機體系論證提供部分借鑒，但難以直接運用于艦載機體系特征明顯、艦載使用強約束和一體化保障要求高的論證研究對象，難以有效解決航母艦載機裝備論證實際工作中面臨的問題。

1 航母艦載機論證特點

1.1 具有強烈的體系論證特征

航母艦載機裝備體系作為航母編隊的重要組成部分，是海上編隊履行使命任務，遂行海空作戰行動的物質基礎。艦載機通常遠離本土陸地、隨航母編隊前出遂行作戰任務，在裝備種類結構上要求自成體系，包含艦載戰斗機、電子戰飛機、伙伴加油機、預警機、反潛機、運輸機、教練機等，以及不同用途的艦載直升機[9]；在裝備比例結構上要確保滿足作戰與訓練需要；在裝備規模數量上要與母艦“部署周期”相適應，確保航母艦載機戰斗力的實現。

航母艦載機論證是涉及多種型號裝備在“人/機/艦/場”(飛行員-艦載機-母艦-訓練場)大環路中協調建設的復雜巨系統，具有鮮明的整體性、聚合性、涌現性、互補性、配套性、演化性和目的性[10-13]。如何從航母編隊體系作戰角度構建艦載機體系結構，提出種類齊備、功能齊全、性能協調、艦機適配的艦載機典型配置方案，是艦載機裝備論證首先要解決的難題。因此，必須以系統工程的研究思路和方法，綜合運用基于動態場景的需求生成與分析[13-14]、以數據為中心[15]的體系結構建模與分析、基于價值的作戰能力分析與評估[16]、基于可執行模型[13,17]驅動的體系設計與優化以及基于跨“人/機/艦/場”等學科專業的綜合集成研討等現代系統思想、方法和工具，落實“需求牽引、能力驅動、體系主導”的發展理念，將“作戰概念可視化、作戰需求條目化、作戰能力具體化、性能指標定量化”，確保論證研究結果協調化、聯動化，且客觀性和邏輯性強。

科學描述艦載機裝備體系的任務特點、功能需求、互聯關系和整體作戰效果，才能充分體現艦載機體系特征，以及與編隊其他兵力之間的關系。特別是由于艦載機受客觀條件限制，總體規模偏小，前出航母編隊遠海作戰，缺少陸地雷達網、通信網、氣象[18]網和火力網等支撐，且平戰交融、與對手行動交錯。如何在斷網、殘網、缺網的情況下，實現機群之間的信息融合和協同精確打擊，對艦載機獨立遂行作戰任務和多任務能力的論證提出了更高要求。

1.2 艦載使用的強約束特征明顯

艦載機駐艦使用條件苛刻，要求艦載機具有良好的艦機適配性。例如，受航母飛行甲板長度/寬度的限制和為適應彈射/攔阻起降方式[19-20]，艦載戰斗機等固定翼飛機應具有良好的小速度起降特性和大迎角操穩特性，機體結構和機載系統/設備應有承受更高縱向過載的能力；在航母縱搖、橫搖和升沉運動過程中著艦[21-22]，起落架應能承受高強度沖擊要求；機體尺寸要求更加緊湊、機翼可折疊，以便于調運和機庫停放[23]，等等。同時，艦載機應具有良好的環境適應性。包括在“高溫、高濕、高鹽霧”海洋環境下的機體腐蝕防護與控制要求更高；機載電子設備應能承受艦面雷達等電子設備的高場強電磁輻射，電磁兼容性要求更高。以上這些是艦載機顯著區別于陸基航空裝備的最主要技術特征，必須在裝備論證階段系統地提出要求，從裝備設計的源頭和在生產的全過程中，全面貫徹艦機適配性要求。

1.3 多機種保障一體化論證要求高

艦載機的機型種類多、保障工作復雜、保障工作強度大，受艦上空間限制，隨艦技術人員少，保障設備、工具和備品、備件儲備量相當有限[24]，一旦發生故障無法出動，則直接影響作戰能力。為此，要求艦載機裝備可靠性更高、故障自診斷能力更強，維護更加簡單便捷。艦載機多機種一體化保障要求論證，一方面涉及單一機種保障特性，確保其具有高可靠性、維修性和保障性水平；另一方面涉及兼顧不同種類機型和整個機群的保障體系要求論證，必須從頂層設計的角度，提出保障要素、功能與信息一體化要求。因此，需針對各型艦載機的保障特點，通過維修與保障資源的頂層規劃，貫徹一體化通用設計要求，有效控制艦上配套保障資源規模，使裝備論證全過程始終處于一體化要求的強約束之中。

2 航母艦載機裝備體系構建方法

按照“作戰需求—能力要求—裝備體系—裝備型號—關鍵技術”迭代遞進式論證研究流程，重點針對艦載機裝備的強體系特征，在裝備體系論證環節中創新論證方法，實現科學論證，牽引航母艦載機裝備發展。

2.1 建立任務需求與裝備需求之間的關系

裝備體系建設，是按照軍事需求和使命任務，明確體系作戰能力，提出各個型號裝備的比例和總體規模數量，建立體系內裝備的組合方式與耦合形式，并據此開展研制、采購、生產和使用維護，以及其他全壽命周期內工作的建設活動。

航母艦載機發展涉及到航母艦載機作戰需求、能力要求、艦機適配性和經濟性等多重因素約束，論證的基本目標是通過分析艦載機裝備體系的使命任務、作戰運用和相關資源保障需求，識別出各型艦載機的能力需求，梳理能力生成的邏輯關系和信息接口。

為建立任務需求與裝備需求之間的聯系，許多研究學者經常采用“映射”概念[25-27]來描述，但艦載機通常都具有多任務能力，各型機除擔負其主要使命任務外，往往還兼顧其他任務。因此，在實際上，艦載機任務需求與裝備需求之間并不構成嚴格數學意義上的“一對一”和“多對一”的“映射”關系，但兩者之間可以用“關系矩陣”來描述。

設任務需求為向量U=[u1,u2,…,un]，裝備需求為向量V=[v1,v2,…,vm]。向量中元素分別對應于n項任務需求和m類艦載機裝備，則通過能力目錄f可以建立U和V的關系，記為U→V。其關系矩陣R∈f(U×V)，且

式中:rij為第i類裝備與第j項任務的相關程度。

從世界海軍強國軍事實踐看，通常航母編隊賦予艦載航空兵的使命任務是奪取局部空域的制空權、制海權和制信息權，實施“由海制陸”的軍事打擊和其他非戰爭軍事運用等。顯然，明確且清晰的任務需求是裝備體系研究的前提，為開展裝備資源配置論證提供輸入。

通過運用目標價值評估方法，分析未來作戰環境、威脅對象和作戰對手，結合作戰概念設計，梳理作戰任務需求形成任務清單；利用SA(System Architect)[28]體系結構建模工具開發基于DoDAF2.0體系結構框架[29]的能力/作戰/系統等視圖模型；利用DOORS[30]等需求管理工具捕獲任務需求和能力要求，明確艦載機體系作戰能力目錄；利用SA for DOORS Interface插件[31]建立起任務需求與裝備資源的連接關系，初步構建航母艦載機裝備體系結構。

2.2 分析裝備需求對任務需求的相關程度

在圖1中，以能力目錄為紐帶，建立起航母艦載機的使命任務與裝備資源的關聯關系。由于裝備需求對任務需求的相關程度存在個體認知差異，且這種相關性難以精確量化，也就是說兩者之間存在模糊性。為此，引入模糊集理論[32]，通過專家群決策和層次分析法(AHP)，處理得到[0, 1]區間數，作為某項任務需求與某種裝備資源相關程度的隸屬度，從而得到模糊矩陣[33]R。

圖1 使命任務與裝備資源的關系圖Fig.1 Relationship between missions and equipment

經加權平均M(·,+)模糊變換可以得到裝備資源V=[v1,v2,…,vm]的綜合評價向量B，即

B=A°R=[b1,b2,…,bm]

式中:“°”為模糊矩陣合成運算算子。

至此，可以得到各型艦載機裝備對履行航母編隊賦予艦載機使命任務的相關程度，完成裝備資源對任務需求的重要度或敏感度分析。

2.3 迭代優化形成艦載機裝備體系

裝備資源對任務需求的相關程度，體現了各型艦載機裝備對完成使命任務的重要度。通過對其進行從大到小的排序，可得到在客觀條件限制下考慮各型艦載機配置數量的優先次序。

以圖1典型航母艦載機體系論證為例，按照航母賦予艦載機的使命任務獲得模糊關系矩陣R=(rij)5×7，以及任務需求U=[u1,u2,…,u5]的權重向量A。假設經加權平均模糊變換計算后，得到裝備資源V=[v1,v2,…,v7]的綜合評價向量為

B=[0.22,0.25,0.20,0.12,0.08,0.09,0.04]

由此可獲得裝備配置的優先排序為

v2>v1>v3>v4>v6>v5>v7

裝備配置的優先級是研究艦載機裝備體系的最根本依據。通過先后次序分配有限資源，可優先保障對任務需求影響大的艦載機裝備(如艦載戰斗機、預警機等)的數量需求，避免多個決策變量相互耦合難以求解、重點裝備數量需求難以滿足、體系效應難以發揮等問題。

在具體開展艦載機配置數量需求分析中，首先，以裝備配置優先級為頂層約束，根據航母編隊及其艦載機作戰使用方式[34-35]，按波次連續出動，計算每個波次編隊的基本數量，以及持續出動模式和高強度出動模式下的飛行架次需求。

然后，根據艦載機出動強度、母艦保障能力和裝備完好率等因素，計算得到不同戰術使用方式下各型艦載機的最低配置數量需求。具體算法模型因涉及具體戰術運用，不在此處詳述。

最后，根據航母甲板和機庫空間尺寸約束，運用計算機推演方法開展多方案艦上布列仿真，形成多套備選配置方案。在此基礎上，開展作戰效能與作戰能力評估。經過多輪迭代優化，最終可獲得航母編隊不同作戰任務條件下各型艦載機配置方案。典型的優選流程如圖2所示。

圖2 艦載機備選配置方案優選流程Fig.2 Optimization process of carrier-based aircraft alternative configuration

總之，艦載機體系的規模和比例結構研究是一個“任務需求—裝備需求—出動保障能力—母艦搭載能力”的反復優化迭代過程，最終通過作戰過程推演和效能評估來檢驗是否滿足航母編隊作戰需求。

3 母艦約束下的艦載機指標論證方法

如前所述，與陸基航空裝備相比，艦載機戰術技術指標具有艦載強約束和多機種一體化保障要求，需系統梳理與艦載使用有關的指標，構建完備的指標體系，并對艦機適配性要求等指標進行重點論證。

3.1 建立基于作業流程仿真的艦載機指標體系

戰術技術指標是開展型號研制設計的輸入，也是設計定型驗收考核的基本依據，必須遵循先進性、完備性、準確性、合理性和可達性原則[36]。航母艦載機是從母艦起飛作戰并駐艦保障的裝備，首先必須擁有能在海洋上空作戰使用的戰術技術性能，這是一般航空裝備論證中的共性要求。但艦載機因為起降、使用和保障環境條件更加苛刻，其戰術技術指標必須充分考慮與母艦的艦機適配性、艦上使用環境適應性、艦面綜合保障能力、艦上起降等艦載使用要求，將具有艦載機特色的要求在飛機平臺、發動機、機載系統和武器、“五性”及綜合保障要求中進行全面融合，形成各型艦載機戰術技術指標體系。

3.1.1 基于作業流程模型驅動的過程仿真

由于在確定艦載機戰術技術指標時受艦載使用的強約束，涉及到艦載機使命任務、航母總體技術狀態、作戰指揮系統和航空保障等多種因素影響，與母艦和編隊兵力關聯耦合復雜。傳統的裝備相似類比法難以全面系統地建立艦載機特色的戰術技術指標體系。因此，按照艦載機駐艦保障、起降和海上作戰使用的要求，開展作戰指揮控制、甲板/機庫布列、儀表/目視著艦引導、系留/轉運、艦面保障資源使用全過程的仿真，結合各個使用環節辨識梳理戰術技術指標要求，確保艦載機與母艦具有良好適配性，構建科學的航母艦載機戰術技術指標體系。

以艦載戰斗機為例，針對“艦上起降、艦面指揮引導、艦上綜合保障”等特點，通過基于作戰流程模型驅動的過程仿真，模擬艦載戰斗機在母艦上作戰使用的全過程(見圖3)，辨識在各作戰任務/活動/操作中航母編隊體系作戰、艦機適配性、環境適應性等論證約束要素，形成具有海軍航空裝備特色的論證流程和論證方法。

圖3 面向指標生成的艦載機作業流程仿真Fig.3 Simulation of carrier-based aircraft operation process oriented towards index generation

3.1.2 艦載強約束下的艦載機指標架構論證

針對不同類型艦載機的使命任務，運用艦載機作業流程過程仿真手段，結合專家研討分析，初步構建艦載機戰術技術體系。主要內容包括：

1) 根據海上作戰使用要求，提出飛行性能、飛行品質、機載系統、機載武器等作戰使用性能要求。

2) 根據艦上滑躍/彈射起飛、攔阻著艦特點，提出機體傳力結構與起落架的強度與剛度、機體壽命、小速度大迎角操穩性、發動機油門響應特性。

3) 針對艦載機著艦復飛概率高、遠離陸地使用的特點，提出伙伴加/受油指標要求。

4) 針對母艦甲板狹小空間保障和調運需求，提出艦上“貯存、轉運、起降、引導、維修、補給、保障”使用要求，在兼顧各型艦載機保障的約束下，構建一體化綜合保障指標要求。

5) 針對海洋惡劣環境和艦面復雜電磁環境特點，提出可靠性、維修性、測試性、保障性和安全性，以及電磁兼容性指標要求，等等。

初步建立艦載機戰術技術指標體系后，根據艦載使用的各種約束進行指標迭代尋優，其數學模型為

式中：X為艦載機的指標參數；E(X)為艦載機的作戰效能；C(X)為艦載機的采購成本；M為艦載機的使命任務，是指標論證的頂層輸入；T為經費約束；Rs和Ra分別為母艦和艦載機的約束。

典型的艦載戰斗機戰術技術指標總體架構如圖4所示。

圖4 典型的艦載戰斗機戰術技術指標架構Fig.4 Framework of tactical & technical indexes for typical carrier-based aircraft

3.2 艦機適配性要求論證

艦機適配性是指艦載機利用母艦特性、設施和裝備進行艦上使用和活動的能力，主要包括艦載機在母艦上滑躍/彈射起飛、攔阻著艦、甲板操作、艦面維修等方面的要求。這是艦載機戰術技術指標中最具特色的部分，是其區別于陸基飛機的最主要表征，具有以下鮮明特征：

1) 內容范圍的廣泛性。幾乎包括母艦和艦載機上的所有構成元素。

2) 技術要求的兼容性。所有構成元素既要滿足艦機適配性，又要同時滿足各自的性能指標，增加了論證研究的復雜難度。

3) 接口標準的穩定性。技術標準是艦機適配性技術體系的基礎，一旦確定標準的體制和接口規范，必須保持其相對穩定性。

4) 規定要求的繼承性。艦機適配性要求的建立是一個反復推演、增量完善的過程，構成要素必須具有良好的繼承性。

2011年美軍在國防部《聯合軍種規范指南》JSSG-2011航空器/艦船綜合集成(Air Vehicle/ Ship Integration)分冊中，明確了由于使用艦載機而影響母艦設計的一系列獨特要求，包括：航空甲板，飛機起飛、回收和控制，飛機保障、維修、存放、保養，光學和電子輔助著艦，任務規劃和氣象保障，以及飛機彈藥、外掛物的存放、搬運和掛載等內容。JSSG(Joint Service Specification Guide)[37]是美國國防部就依照采辦和標準化管理改革的需要，用于代替所有的航空系統和航空產品MIL填空規范和AFGS(Air Force Guide Specification)文件。其附錄中的條款均與正文的條款相對應，并包含填寫內容的理由和必要性、選用條件或限制條件，以及填寫的經驗數據及選取原則等3個方面內容，是以往在項目研制和生產中成功經驗與失敗教訓的總結[38]。因此，可借鑒JSSG-2011規范內容，充實和完善艦機適配性要求。

圖5給出了基于艦載機作業流程仿真結果和優化后的典型艦機適配性指標體系(節選)。

圖5 艦機適配性要求指標體系(節選)Fig.5 Excerpts of carrier suitability index system

4 論證支持系統構建與應用舉例

航母艦載機論證是一項涉及面廣、綜合性強的工作，貫穿于艦載機體系的全系統、全壽命管理過程。其工作的復雜性、艱巨性和漸進性，決定了必須將專家群體智慧、各種算法模型和數據與計算機技術有機結合，把各種學科理論與人的經驗、知識結合起來，發揮整體優勢去解決。基于前述的理論方法及算法模型，將商業成熟軟件與自主開發的軟件工具綜合集成，構建了論證支持系統，并舉簡單案例說明應用過程。

4.1 面向專家群決策的論證支持系統

航母艦載機體系及指標論證支持系統從功能上分為體系規模結構生成、戰術技術指標生成、體系作戰效能評估三大部分。其中：

1) 體系規模結構生成部分主要完成需求獲取/描述/分析/管理、體系結構建模設計，以及規模結構計算與優化等工作。

2) 戰術技術指標生成部分主要完成作業流程仿真、指標體系綜合研討與生成、參數化建模以及多學科分析與優化等工作。

3) 體系作戰效能評估主要完成典型作戰想定編輯與試驗設計、作戰仿真推演、作戰效能與作戰能力評估等工作。

在論證支持系統架構設計上，針對航母艦載機體系復雜的特點，采用基于Web的B/S架構、面向服務的分層軟件結構進行系統設計，包括網絡層、數據資源層、抽象資源層、系統服務層和用戶支持層等。這種分層結構軟件應用系統是當前大型軟件系統開發的先進模式。層與層之間的接口遵循統一標準，根據上層應用服務請求，調度下層服務及其相關應用系統資源，實現以事件為驅動的工作流和數據流運行。層內采用模塊化設計，盡量減少模塊之間的耦合，有效地提高系統運行的可靠性。由于采用分層結構和模塊化設計，整個系統邏輯結構清晰，為應用系統融入了極大的開放性、可擴展性、可靠性和可維護性。

整個論證支持系統基于Web技術進行設計開發，可提高系統的易用性、可擴展性和可重用性，有效減少開發成本和時間，同時更好地滿足面向指標體系論證的綜合研討需求。

系統的層次化體系結構如圖6所示。

圖6 面向專家群決策的論證支持系統層次化結構Fig.6 Hierarchical structure of demonstration support system oriented towards expert group decision making

航母艦載機體系及指標論證支持系統的特點是引入專家群決策，結合建模分析、知識與推理、系統仿真等定量分析方法，構成一個統一的、人機結合的智能系統和問題求解系統。在系統的幫助下，聚集跨領域的專家群體與研討用戶，以定性與定量相結合的方式，通過“人機分工、人機結合、人機協作”，實現復雜問題的求解過程。

需要指出的是，論證支持系統是輔助系統分析和論證人員開展裝備發展研究的手段和工具，使論證群體的思維活動條理化、一體化、可視化和可追溯。在當前技術水平條件下，許多復雜問題還離不開人的智慧。因此，在論證過程中，一要堅持定性研究與定量計算相結合；二要堅持科學理論與經驗知識相結合；三要堅持體系頂層設計與裝備個體研究相結合。

4.2 應用舉例

首先，將航母編隊使命任務頂層需求文檔導入需求管理工具DOORS。在此基礎上，基于DoDAF2.0體系架構，運用基于動態場景的需求生成與分析方法和以數據為中心的體系結構建模與分析方法，以及作戰想定生成工具和SA體系結構建模工具等軟件，分析裝備能力需求，完成航母艦載機多視圖體系結構模型開發。

利用SA for DOORS Interface插件和DOORS管理功能，將作戰需求與作戰能力逐層分解，形成能力目錄，實現作戰能力需求描述的條目化、結構化、層次化、指標化，確保作戰能力的完備性和作戰需求一致性。

在專家研討基礎上，運用基于模糊關系變換的價值分析方法，以及Expert Choice[39]等決策支持工具，建立艦載機裝備需求與任務需求之間的關系，將任務需求量化為裝備需求。在SA中完成系統接口描述模型構建，形成由艦載戰斗機、預警機、電子戰飛機、反潛機、加油機、搜救機和運輸機等典型艦載機裝備體系。

利用規模結構生成工具測算規模數量需求，根據約束模式生成多個可能的配置方案。運用艦載機布列與調運分析工具擬制布列草案。基于作戰想定生成工具得到的典型作戰想定，開展作戰過程推演，評估作戰效能，優化艦載機比例數量配置方案。

在完成體系論證后，運用SA Simulator[40]與TAU[41]等工具軟件，開展基于作業流程可執行性模型驅動的艦載機作戰使用過程仿真，完成動態時序邏輯驗證。基于艦載機艦上作戰使用流程，運用戰術技術指標生成工具和LINGO[42]等建模優化工具，梳理主要接口關系和技術指標要求。在專家研討的基礎上，完成各型艦載機主要戰術技術指標的生成與評估優化。

最后，根據典型作戰想定下的作戰方案，通過基于CGF的作戰仿真軟件，對航母艦載機體系完成特定作戰任務的作戰過程進行仿真。運用作戰效能評估軟件評估分析艦載機相關作戰能力和作戰效能，評價其對頂層作戰需求的滿足程度。運用關鍵因素敏感性分析工具，分析影響艦載機體系作戰能力和作戰效能的關鍵因素，并經多輪迭代優化，形成戰術技術指標與要求。

圖7給出了艦載機裝備體系與指標計算機輔助論證的典型流程。

圖7 艦載機裝備體系與指標論證典型流程Fig.7 Typical process for carrier-based aircraft equipment system-of-systems and index demonstration

5 結 論

按照理論、方法和應用3個層次，分析了航母艦載機論證的特點和關鍵環節；重點針對體系和指標的論證，提出了基于模糊關系變換理論的體系論證方法和母艦約束條件下基于艦載機作業流程仿真的指標分析方法；介紹了面向專家群決策的論證支持系統建設方案，以及航母艦載機體系與指標論證的典型工作過程。研究成果為航母艦載機體系及裝備發展的科學論證提供了新思路、新方法和新手段。

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