面向任務的軍機作戰有效性試飛設計與評估

(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

0 引言

裝備作戰效能是一個內涵豐富、包容性高的概念，其定義為在預期或規定的作戰使用環境以及所考慮的組織、戰略、戰術、生存能力和威脅等條件下，由有代表性的人員使用該裝備完成規定任務的能力。裝備作戰效能評估有助于充分發揮現役裝備的作戰能力和作戰潛力，進一步提出新型裝備合理可行的戰術技術指標，對武器裝備研制技術發展具有非常重要的意義。

軍機試驗與鑒定的作用是盡早發現、解決新機設計缺陷，檢查各項戰技指標的符合性，對其作戰有效性和適用性進行評估，并最終確認裝備能否勝任作戰任務要求。軍機試驗與鑒定工作可分為研制試驗與鑒定(DT&E)和使用試驗與鑒定(OT&E)2個階段，OT&E是指在逼真的戰場環境下，由典型作戰人員操作，針對裝備作戰效能測試而開展的陣地試驗以及對上述測試結果所進行的評估，裝備的作戰有效性評估主要是在OT&E階段完成的。OT&E的類型包括仿真、地面試驗、飛行試驗等多種，其中飛行試驗是OT&E中耗費最大，耗時最長也是組織最為復雜的一類試驗。由于不同作戰任務對裝備的功能、性能要求存在差異，因此裝備的飛行試驗作戰有效性評估應面向特定任務開展。另外，裝備作戰效能評估方法是多種多樣的，根據評估目的及角度的不同，在選取評估方法時是有所差異的。

本文參考美國國防部體系結構框架(DoDAF)規范化結構框架，結合軍機作戰使用想定環境，設計了基于組件和交戰行為時序描述的作戰想定設計方法，完成特定想定的推薦試驗點集，輔助完成完成試驗點綜合設計,開發了專用軟件，實現了作戰有效性向裝備指標的映射以及面向任務的綜合試飛，通過DoDAF多視圖定義方法及裝備體系任務模型的定義，輔助完成軍機使用試飛科目規劃，提出了一種基于5步法面向任務的軍機作戰有效性試飛設計與評估方法，結果驗證了該評估方法的正確性及有效性，可以用于支持軍機使用試飛的設計與評估工作。

1 基于DoDAF的使用試飛設計

1.1 試飛科目設計

作戰任務是指在一定的環境和時間條件下，為達成特定作戰目標而由各作戰功能單元共同進行的一系列相互關聯的作戰活動的有序集合[1]。由于交戰過程具有高度復雜性、系統性及強隨機性等因素，因此對軍機作戰任務的描述往往十分籠統，不夠精確，給作戰有效性評估試飛的科目設計帶來了很大難度。

美國國防部體系結構框架[2](DoD Architecutre Framework，DoDAF)是由美國國防部的US Undersecretary of Defense for Business Transformation工作小組所制定的系統體系結構框架，其前身是C4ISR體系結構框架。DoDAF通過定義作戰視圖(OV)、系統和服務視圖(SV)、技術和標準視圖(TV)以及總體結構視圖(AV)，各個視圖之間相互聯系，應用多視圖建模思想分析復雜系統的一種方法，可以運用于復雜軍事任務的分析與描述。通過DoDAF多視圖定義方法，輔助完成軍機使用試飛科目規劃。依據DoDAF裝備體系任務模型的定義，對復雜軍事任務的描述應包括任務目標、任務裝備、任務活動以及任務活動間關系4個方面。即對于任何一個作戰任務，都可以被形式化描述為一個四元組：

OT={TO,TE,TA,TR}

其中：TO={TO1,TO2,…,TOn}，表示作戰任務的目標集合；TE={TE1,TE2,…,TEn}，表示作戰任務的裝備集合；TA={TA1,TA2,…,TAn}，表示作戰任務的活動集合；TR={TR1,TR2,…,TRn}，表示作戰任務的活動間關系集合[3]。

直接在作戰任務層面對作戰有效性進行評估，特別是定量評估的難度特別大，為實現對新機作戰有效性進行科學準確的評估，應首先完成作戰任務層面向裝備指標層面的映射。基于DoDAF的軍機使用試飛設計就是以DoDAF開發的作戰任務體系結構為基礎，實現作戰任務向裝備指標需求的映射，其設計過程可具體分為作戰任務分析(OTA)、功能節點分析以及指標需求邊界分析等3個步驟。

第一，作戰任務分析(OTA)是從DoDAF體系結構中的AV-1和OV-1模型提取與作戰使命、作戰任務相關的信息，確定作戰任務需求，并完成作戰任務的細化分析和定義；

第二，功能節點分析是根據DoDAF體系結構中的SV-4以及SV-5中相關信息，把作戰任務需求分配到各個功能模塊，完成體系能力需求向子能力需求的映射；

第三，指標需求邊界分析是通過DoDAF獲取體系結構中的SV-1、WSV-1以及WSV-2中相關信息，把各個功能節點的任務轉化為具體的、可測的功能/性能指標要求，并最終完成子能力需求向實體需求的映射[4-5]。

依據上述理論，按照DoDAF框架對作戰任務進行層次分解，利用自頂向下的科目設置原則，將試飛科目依次規劃為“典型作戰剖面、基本戰術動作以及具體指標測量等3類，實現軍機作戰能力從作戰域向裝備指標域的映射。

1.2 基于組件和交戰行為時序描述的作戰想定設計

作戰想定是對交戰雙方的企圖、態勢以及作戰發展情況的設想和假定。作戰想定是使用試飛開展的基礎和前提。作戰過程涉及內容繁多，把靜態的軍事作戰概念模型轉化為可重用性較高的模型組件，對作戰過程設計具有重要意義。

依據綜合試飛的原則，在一次典型作戰任務試飛中可以結合完成多個戰術動作試飛以及功能性能驗證試飛科目，也可以在同一個架次中進行多個關聯子任務的驗證，如雷達空空模式和空空武器的使用等，這樣可以進一步提高試飛的綜合程度。

根據前期規劃好的試飛動作點，識別并定義出各動作點的關鍵屬性，并構建動作點數據庫。設計智能化的基于動作點關鍵屬性的動作點檢索算法，為面向使用的試飛設計提供支持。數據庫的內容應該包括試驗點所屬任務階段、飛行高度、飛行速度、發動機推力、飛機構型、耗時、動作、配試條件、前置科目要求等等。此外還應包括COI、MOE、MOP三者之間的對應關系，及其和各試驗點的對應關系，便于進行科目綜合。

圖1 作戰剖面設計軟件界面

設計開發了面向任務的綜合試飛輔助設計系統軟件，通過對數據庫中的動作點進行智能化篩選，實現特定想定的推薦試驗點集，輔助完成完成試驗點綜合設計。作戰過程設計內容繁多，把靜態的軍事作戰概念模型轉化為可重用性較高的模型組件，對作戰過程設計具有重要意義。利用建模技術，完成機載武器設備(雷達、光雷、電臺、導航設備、武器等)、配試資源(目標機、靶機、地面雷達、通信指揮所、試驗空域等)的模型化描述，進行分類編號，完成作戰想定組件設計。對電磁環境、氣象環境、威脅環境進行了組件式建模，完成組件設計。將設計完成的作戰想定組件錄入數據庫，并設計開發了基于組件和交戰行為時序描述的作戰剖面設計軟件。

2 軍機作戰效能試飛評估技術

通過DoDAF框架對作戰任務進行層次分解，實現了軍機作戰能力從作戰域向裝備指標域的映射。在其基礎上，通過設計面向任務的軍機作戰有效性試飛評估方法，解決軍機作戰效能定量評估的問題。本文提出了基于5步法的軍機作戰效能定量試飛評估方法其核心是在面向特定任務的情況下，確定被試裝備完成作戰任務應具備的某個或幾個關鍵性能指標，進而將其進一步分解，實現被試裝備效能指標與功能指標的分解映射，通過確定關鍵性能指標評價函數、綜合效能評價函數及相關計算，進而實現裝備作戰效能的評估量化分級，最終完成軍機作戰效能試飛評估。

該評估方法主要通過被試武器試飛任務否決項的制定、關鍵作戰要點(COIs)的確定、對一個或多個COIs對用的MOE/MOP的分解、確定COI關鍵性能指標評價函數、綜合效能評價函數及相關計算5個步驟來完成，軍用飛機作戰有效性試飛評估流程如圖2所示。

圖2 軍機作戰效能試飛評估流程圖

2.1 否決項的制定

否決項的制定，即如被試武器系統不滿足某關鍵性能指標或關鍵系統屬性(KPP、KSA)則就無法具備某項作戰能力，立即終止試驗。例如美國全球鷹無人機BLOCK 30所定義的KPP包括了續航時間、全球部署能力、實時操作能力、網絡就緒能力以及態勢感知能力等5項[6]。KPP和KSA指標在試驗初期就應進行評定。

2.2 關鍵作戰要點(COI)的制定

COI是指影響作戰有效性的相互獨立的若干關鍵指標，可以根據具體任務的不同，進行設置，COI通常是一個問句，同時一個作戰任務可以包括1個或多個COIs[7]。COI是判斷裝備面向特定任務是否具備完成能力的關鍵性指標，軍機作戰有效性或作戰效能取決于COI的符合程度，通過COI分析模型目標值確定完成任務能力的定量評估。

2.3 COIs對應的MOE/MOP分解

COIs的分解是將被試對象的關鍵指標進行進一步分解，設定包括COI、MOE、MOP三者之間的對應關系，即是將被試對象的效能指標與固有性能指標進行映射，把各個COI關鍵指標轉化為具體的、可測的功能/性能指標要求，便于確定關鍵性能指標評價函數及綜合效能評價函數，COIs的分解過程可通過多被試對象的多個維度進行。

以某型軍機雷達隱身空戰作戰效能分析為例，該雷達適應性指標(COI-1)分解如圖3所示，將該指標分解為探測能力(MOE-1)、跟蹤能力(MOE-2)、抗干擾能力(MOE-3)，再通過每項MOE指標進行二次分解為多個MOP指標，進而實現效能指標與固有性能指標的分解映射。

圖3 典型COI及MOE、MOP分解圖

2.4 作戰有效性評估

裝備作戰效能評估指標是多種多樣的,根據所研究對象的具體情況,可以選擇不同的效能指標。在基于特定試飛任務的情況下，本文所述作戰有效性或作戰效能取決于1個或多個COIs的符合程度，可以用任務能力水平(MCL)進行定量評價。通過設置目標值、支持任務完成的最低要求以及否決點，將其劃分為3個等級。100分表明裝備滿足COI分析模型中全部目標值，80分對應于臨界值，而50分對應于不具備此項任務，MCL任務能力等級水平如圖4及表1所示。

圖4 MCL等級示意圖

任務能力水平范圍全任務能力80100部分任務能力50<80非任務能力0<50

其中，全任務能力代表最高水平，MCL至少為80分。一個系統被定為具備全任務能力意味著這個系統針對某特定任務而言已經達到了初始作戰能力；部分任務能力代表中間水平，MCL在50到80之間，意味著有部分任務能力仍達不到初始作戰要求，這樣描述僅適用于現有任務能力存在且可以量化的；非任務能力代表最低水平，MCL低于50。非任務能力系統不會改善目前的任務能力，一個分數少于50的系統仍可通過其他方面是來證明自身價值，如更低的成本或先進的技術[8]。

2.5 MCL的計算

為每個COI構建數學函數用于推導MCL。針對軍機典型任務，可以構造分段線性函數。需要一定的數據點以確定函數關系，包括代表目標、初始、現有能力值和確定零點的值。給出了COI分析模型示例和構建分段線性函數所需的參數值。

下式為一個MCL解析模型構建實例：

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

其中：Pd為探測概率,Pa|d為電子攻擊指定目標的概率,Pj為干擾概率，RAo為可靠性，PmissionAo為作戰有效性，Pmission為任務成功概率。

完成對多COIs的評估，必須給出一個整體綜合結論，如OE 需要應用權重的方法來平衡多個相互競爭的目標。為了正確進行加權，COIs必須是互斥的。因為一個系統的單項功能通常不依賴于彼此，設置互斥性應該不難。例如，一個人空中救援任務結果通常不會受一個對地攻擊任務結果的影響。

對于此項任務，每個MOE將與其對應的MCL值相關聯(由決策模型確定)，MCL的權重要與對應的MOE有相同的權重；也就是說，w1對應于MOE1和MCL1，w2對應于MOE2和MCL2，w3對應于MOE3和MCL3等。一旦對應于某個MOE的MCL值確定下來，MCL相應的加權可通過下面的等式計算：

Pmission=∑wkMCLk;∑wk=1

如果這是單一的任務，計算出來的Pmission就是OE的結果，當0≤OE<50時為非任務能力，當50≤OE<80時為部分任務能力，當80≤OE≤100時為完全任務能力。

當存在多任務時，每個任務有其自己的MOE權重，每個任務的加權通過相應的任務水平的權重wi來計算，所有任務水平的權重總和同樣等于1。方程如下：

OE=∑wi(Pmission)i,∑wi=1

如本例所示，MCL的函數只在某一個水平下確定，即某一個任務水平。然后，確定相應的權重并采用規定的求和方法，最終確定總體任務能力[9-10]。

3 試飛應用

在某型軍用飛機OT&E使用試飛階段，利用本文所述方法開展了雷達隱身空戰任務作戰效能評估。基于作戰任務想定，利用本文設計的作戰剖面設計軟件，綜合考慮復雜環境影響因素，共篩選了多個試驗點集，完成了綜合試飛科目的設計。

在評估過程中，將COI分解為3項MOE及7項MOP指標，確定了關鍵性能指標評價函數及綜合效能評價函數，通過MCL計算，完成了該軍用飛機雷達隱身空戰作戰效能的評估量化分級，最終完成軍機作戰效能試飛評估，確定該軍用飛機雷達隱身空戰過程中作戰任務完成能力，評估結果如表2所示，評估結果表明該軍用飛機雷達具備隱身空空作戰完全任務能力。

表2 某軍機雷達隱身空空作戰任務能力評估

4 結束語

本文完成了基于DoDAF的軍機使用試飛作戰有效性評估流程的正向設計，實現了作戰有效性向裝備指標的映射以及面向任務的綜合試飛，提出了基于5步法的軍機作戰效能定量評估方法，解決了軍機作戰有效性定量評估的問題。該方法在某型軍機雷達隱身空戰過程中作戰任務完成能力進行了應用，結果表明該方法對軍機作戰有效性評估有較強的應用價值，有效降低了軍機使用試飛的設計與評估工作難度。同時，為面向任務的軍機作戰有效性評估工作提供了理論基礎，對未來其他型號航空武器裝備作戰效能評估的研究提供了一定的參考與借鑒。