直升機作戰效能評估技術應用與研究進展

李國知 呂少杰

摘要：作戰效能（OE）評估是直升機總體論證和直升機裝備體系建設發展規劃的核心問題。本文從作戰效能評估研究的軍事背景需求出發，詳細綜述了直升機作戰效能評估技術進展，以及梳理了國內研究現狀和研究難點/熱點問題，包括基于性能指標的直升機作戰效能評估、基于統計分析的直升機作戰效能評估、基于仿真模擬的直升機作戰效能評估，最后，提出了一種直升機作戰效能仿真評估框架，為推進國內直升機作戰效能評估技術未來發展提供參考。

關鍵詞：直升機；性能；能力；作戰效能；仿真

中圖分類號：V221文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.01.012

直升機具有獨特的氣動構型和技術優勢，在作戰中擔負攻擊、偵察、指揮、運輸、電子戰、醫療救護等多重使命，能夠有效遂行立體化火力打擊、快速垂直機動、關鍵性后勤保障、低空域信息作戰等多重任務，是當前甚至未來在低空域復雜戰場上實施體系協同作戰必不可少的一把低空利劍。

根據作戰效能的定義[1]，直升機作戰效能可詮釋為直升機在低空域復雜戰場上完成作戰任務的能力與效果。對直升機作戰效能進行評估，可為直升機裝備科學發展規劃提供決策支持，同時，也為促進直升機裝備綜合作戰能力生成與部隊戰斗力提升提供強力支撐。它已成為直升機總體論證和直升機裝備體系建設發展規劃的核心問題。世界各國一直非常重視直升機作戰效能評估，尤其重視在直升機裝備體系建設、直升機型號論證/立項/研制，甚至國防采辦/決策、部隊訓練/試驗/演習/實戰的各個環節，充分運用直升機作戰效能評估技術解決直升機遂行各項作戰使命任務所面臨的或可能面臨的各類問題。

本文立足于直升機作戰效能評估，從武器裝備軍事需求論證出發，研究作戰效能評估技術背景需求，綜述直升機作戰效能評估技術進展，分析國內研究現狀及相關研究難點/熱點，提出直升機作戰效能仿真評估框架，為推進國內直升機作戰效能評估技術未來發展提供參考。

1國外研究進展

1.1研究背景

為科學、精準牽引武器裝備發展，美國從武器裝備軍事需求論證出發，不斷研究基于作戰能力的論證評估模式[2]，并逐步向基于作戰試驗的效能評估模式[3]發展，在相關研究與實踐中一直處于世界前列。

1.1.1軍事需求論證催生作戰能力評估

早期，美國為實現從未來戰場需求提出到裝備研發生產整個過程的科學管理，通過不斷評估各軍種當前和未來的作戰能力，研究和確定新的武器裝備需求和新的項目發展計劃，牽引武器裝備發展。隨著戰爭形態的不斷更新和科學技術的不斷發展，美國針對信息化戰爭對武器裝備體系發展的客觀要求，從不確定的多元威脅出發，對作戰能力進行評估，進而規劃武器裝備建設。

1.1.2從作戰能力評估走向作戰效能評估

海灣戰爭后，美國制訂并推行新軍事變革的戰略計劃，提出基于作戰試驗的效能評估模式。通過建立作戰實驗室，利用仿真試驗，演示新概念，論證評估新思想與作戰理論，驗證新技術與程序，研究兵力在聯合作戰中的作用及運用原則，通過分析論證武器裝備作戰效能，提出作戰對裝備的需求、發展方向和主要作戰性能指標等，再用這些試驗結論指導軍隊建設。例如，美軍于20世紀90年代通過作戰仿真試驗，驗證F-22的作戰效能，主要關注的問題是：F-22面對當前和未來對手時，是否具有更為顯著的作戰效能[4]。2019年，美軍采用高保真仿真手段計劃模擬F-35典型作戰使用場景，開展作戰效能評估研究[5]。

美國從作戰能力出發，基于國家戰略和聯合作戰以及戰役/戰術等展開武器裝備作戰仿真與作戰效能評估，目的是以非傳統方法對變幻莫測的現代戰爭進行試驗，并針對新的戰場環境提出裝備需求，服務于政府和軍隊高層決策。

1.2技術進展

直升機作戰效能評估所采用的方法和技術手段，一直在隨著科學技術的發展和戰爭形態的變化而保持著持續的更新與進步。

1.2.1基于裝備性能的直升機作戰效能評估

基于裝備性能的直升機作戰效能評估技術起源于基于固定翼飛機的性能對比法，目前已更新衍生出一系列計算評估法和層次分析法等。

作戰效能評估首先應用于固定翼戰斗機。從二戰初期到20世紀60年代，由于不同型號的戰斗機機載武器系統差距不大，主要是航炮和炸彈，瞄準裝置多是光學瞄準具，火力差距不大。作戰效能主要由戰斗機性能指標決定，通過挑選與作戰任務相關的裝備性能指標（如載彈量、作戰半徑等）進行直接對比，即可得出評估結果。這種性能對比法是航空武器裝備較為早期的一種作戰效能評估技術。

蘇聯在研制卡-27艦載直升機時，曾將其與卡-25直升機進行性能對比，開展反潛作戰效能評估，通過對航程、續航時間和反潛設備等進行對比，得出結論：卡-27直升機反潛作戰效能是卡-25直升機的兩倍[6]。

到了20世紀80年代，進一步結合裝備實戰使用經驗，利用性能指標構建效能評估函數，形成了計算評估法。這種方法易于了解、計算簡單，且能夠進行指標間關系的分析，廣泛用于評估論證。

經過多年的實踐經驗沉淀與科學技術發展，基于固定翼飛機作戰效能評估函數，逐漸形成了一系列的直升機作戰效能評估函數，包括對地攻擊、對空攻擊、運輸、偵察等效能評估函數[7]。

基于系統工程方法論，還進一步發展形成了ADC效能評估模型[8]，用于直升機作戰效能評估，即直升機作戰效能（E）是直升機可用度（A）、可信度（D）、作戰能力（C）三者的函數（見圖1）。

除系統工程方法論外，還出現了層次分析法[10]，它是將評估問題分解為若干組成因素，基于各因素從屬關系建立層次結構分析模型，采用專家打分的方法對各同層因素進行兩兩對比，形成評價矩陣，進行層次排序，生成各同層因素權重，采用計算評估法獲得各同層因素的量化值，最后聚合計算得到評估結果。這種方法廣泛用于基于多項相互獨立的作戰能力的作戰效能評估。參考文獻[11]應用層次分析法，通過構建平臺指標體系，研究了軍用直升機平臺效能，并期望用于軍用直升機總體效能的評估、總體方案的對比評估及優選。

從性能對比法到計算評估法，再到ADC評估模型和層次分析法，直升機作戰效能評估技術得到了不斷更新。但性能對比法過于原始和簡單，由其衍生的計算評估法側重于單機評估，ADC評估模型欠缺靈活性，層次分析法主觀性太強（依賴于專家打分結果開展評估研究），因此，這一類基于裝備性能的直升機作戰效能評估技術在面向當前甚至未來體系化作戰背景下的直升機論證規劃與項目決策時，有一定局限性。

1.2.2基于統計分析的直升機作戰效能評估

基于統計分析的直升機作戰效能評估技術是應用數理統計法，依據實戰/演習/試驗/模擬所獲得的大量統計數據開展效能評估。其應用的前提是所獲統計數據隨機特性能夠清晰地用模型表示并相應地加以利用。

1981年，美國亞利桑那大學運用該技術通過飛行試驗，研究了美國空軍直升機搜救隊的搜救效能（見圖2），得出結論：直升機搜救效能與搜救區植被密度和求救者動作相關，還與搜救模式和搜救區云層覆蓋條件等息息相關[12]。

1992年，美國國會總審計局（GAO）通過統計分析實戰戰果，對“阿帕奇”武裝直升機在1991年“沙漠風暴行動”中的作戰效能進行了研究，得出結論：“阿帕奇”武裝直升機空戰性能優越、武器系統有效，作戰效能符合軍事定位與軍事需求[13]。

基于試驗數據/實戰戰果評估直升機作戰效能是一個有效方法，但所耗人力/物力/財力/時間成本巨大，在實用性上大打折扣。因此，概率評估法[14]、蘭徹斯特法[15]、蒙特卡羅法[16]等得到發展。

概率評估法是通過建立靜態概率模型，計算已知隨機因素的概率來評估效能。

蘭徹斯特法是通過建立如下描述交戰雙方兵力變化關系的微分方程組[4]，采用計算機模擬，開展效能分析。

蒙特卡羅法是通過建立武器裝備隨機過程概率模型，采用計算機模擬，獲得命中概率等參數的統計特征，展開效能評估。2014年，英國格拉斯哥大學采用蒙特卡羅法對直升機遭遇火箭炮攻擊時的規避機動效能展開了研究，設計了直升機規避機動效能的評估方法，用于論證直升機主動機動系統（AMS）設計的可行性[17]：

從基于實戰/演習/試驗數據的評估，到基于計算機模擬數據的評估，效率得到了提升，且便于反復校核裝備性能、作戰規則等因素對作戰效能的影響，可為進一步改進裝備性能和作戰規則提供定量分析基礎，但局限于場景設計過于簡單，評估內容過于單一，難以開展大規模作戰使用場景下的作戰效能評估，在面向體系化作戰背景下的直升機裝備論證需求時，仍需進行技術革新。

1.2.3基于仿真模擬的作戰效能評估

20世紀90年代以來，隨著蒙特卡羅法的盛行，加之信息技術、計算機技術、面向對象編程技術等快速發展，基于仿真模擬方法開展作戰效能評估得到廣泛應用。這種方法以計算機仿真模型（如基于Agent的仿真模型[18]）為試驗手段，通過設置典型作戰場景，在給定數值條件下運行模型來進行作戰仿真試驗，由試驗得到作戰進程和戰果數據，直接或經過處理后用于評估作戰效能。

自2000年開始，美國工業部門相繼建立了聯合作戰仿真系統（JWARS）[19]、聯合仿真系統（JSIMS）[20]、聯合建模仿真系統（JMASS）[21]、高級仿真/集成/建模框架（AFSIM）[22]等，還開發了各種評估分析軟件，如蘭德公司的面向信息化作戰的復雜系統效能分析仿真系統（SEAS）[23]、波音公司的聯合武器支援任務部隊評估模型（CASTFPREM）[24]等。近10年來，韓國開發“陸軍航空兵仿真平臺”[25]，對直升機作戰效能展開仿真研究，用于支持國防采購中的直升機選型決策。2020年，澳大利亞國防科學技術部航空系統效能實驗室也在建立直升機仿真模型，采用仿真手段研究直升機作戰效能[26]。

基于仿真模擬，通過典型作戰使用場景仿真量化考察直升機參與單機/編隊/體系作戰的作戰效能，以及量化考察直升機面向其自身使命任務的作戰體系定位，可使評估結論更具全面性、有效性、科學性，能更好地支持型號決策。但目前作戰效能仿真模擬至少還存在以下關鍵技術環節沒有得到突破：（1）如何從體系出發設計生成貼近實戰的對抗場景想定，展開作戰效能仿真；（2）如何構建統一的直升機作戰效能評估指標體系，展開包括火力打擊、偵察監視、指揮控制、電子對抗、通信保障等多元、全維度的作戰效能仿真研究；（3）如何基于作戰效能仿真評估指導直升機戰技指標優化甚至型號方案優選；（4）如何實施直升機在體系對抗中的作戰效能仿真與體系貢獻率評估研究。

這些關鍵問題目前已構成直升機作戰效能評估技術應用與研究的難點/熱點。

2國內研究現狀

作戰效能評估是推動我國武器裝備科學發展與軍隊作戰能力穩步提升的一項關鍵性工作。我國歷來非常重視作戰效能評估，相關人員和機構開展了系統研究。朱寶鎏[27]較早研究飛機作戰效能、曹義華[7]率先研究直升機作戰效能，成果支持了多種型號飛機/直升機的軍事需求與作戰效能評估論證。

國內主要是運用傳統效能評估方法開展研究。如北京航空航天大學運用蘭徹斯特法、層次分析法、概率評估法等對戰斗機及其機載火控系統、導彈、機載雷達等開展作戰效能研究[28]，在直升機方面，還基于層次分析法，嘗試通過結合效能與經濟性對直升機總體方案進行評估[29]；南京航空航天大學將層次分析法用于直升機作戰效能評估[11]；陸軍航空兵研究所嘗試構建直升機效能評估指標體系，采用ADC評估模型研究直升機作戰效能[30]；西北工業大學對飛機作戰效能也有一定研究[31]。在仿真評估研究上，國防科技大學較早開展，在武器裝備平臺級體系對抗仿真建模、體系效能仿真評估等方面進行了系統且深入的理論研究[32]；航空工業沈陽飛機設計研究所面向指標論證，采用仿真方法，對戰斗機的突防效能進行了研究[33]，但仿真規模較小，還未基于典型作戰使用場景開展研究。

總體而言，我國在作戰效能仿真方面的研究起步較晚，對作戰對抗環境下的影響與分析還不夠全面和深入，目前還沒有形成規范化的效能仿真評估流程和模式。尤其是我國對直升機作戰效能的評估研究，目前還處在計算評估法、層次分析法等的研究局限內，仿真的運用尚處在試行與探索中，迫切需要從作戰對抗環境視角出發開展裝備作戰效能評估，研究不同作戰使用環境、不同作戰運用方式下的實際效果和限定條件，根據評估結果，論證提出裝備主要能力和戰術技術指標要求。

3直升機作戰效能仿真評估框架

通過綜述直升機作戰效能評估技術應用與研究進展，提出一種面向體系化作戰背景的直升機作戰效能仿真評估框架（見圖3）。主要內容包括生成作戰效能評估指標體系、構建作戰效能評估模型、設計作戰效能評估場景想定、建立作戰裝備仿真模型、實施作戰效能仿真評估。

3.1直升機作戰效能評估指標體系

直升機作戰效能評估指標體系用于支持作戰效能評估模型構建。由于直升機主要在低空域戰場環境下，或對敵水面/空中/陸上/地下目標等實施偵察、攻擊等交戰活動，或與友方體系協同裝備實施信息/態勢共享、指令上傳/下達等交互活動，所構建指標除了要體現對敵的戰果效應（如目標發現率、目標毀傷率等指標），還需反映與敵的交戰過程（如目標發現用時、目標打擊用時等指標），以及和友方體系協同裝備的交互過程（如指令信息時延、態勢更新周期等指標）。因此，直升機作戰效能評估指標體系至少應包含戰果效應、交戰過程、交互過程三個方面的指標，如圖4所示。

3.2直升機作戰效能評估模型

基于數理統計學中的數據樣本標準差原理，設定各評估指標值的“零點狀態”（即直升機作戰效能為“零”的理想狀態），若評估指標值相對于該零點狀態的標準差較大，說明大部分效能指標值距離零點狀態較遠，表明作戰效能較大；若標準差較小，說明大部分效能指標值距離零點狀態較近，表明作戰效能較小。圖5為模型原理示意圖。

3.3其他

結合直升機裝備特點，從軍事想定出發，生成作戰效能評估場景想定，并構建想定中涉及到的裝備仿真模型，通過多輪次的作戰仿真，得到直升機在該場景想定下的各效能指標的統計值，最后基于直升機作戰效能評估模型實施作戰效能評估。

4發展建議

當前，國外主要從能力需求獲取、評價與決策等方面關注如何提高整個裝備體系的作戰能力，在此基礎上協調各個裝備主體關系等問題，并形成仿真建模手段，廣泛用于裝備需求與能力論證以及作戰效能評估過程中。我國與國外還存在很大差距，建議未來重點在以下方面加強研究工作。

（1）加快直升機作戰效能仿真評估技術研究進程，在方法與手段上跟上世界先進水平。多年以來，我國的直升機等武器裝備作戰效能評估多采用概率評估法、效能指數法、層析分析法等一系列傳統的論證評估方法，所得評估結果大致能體現直升機等武器裝備固有的靜態能力屬性，但難以評估其在復雜作戰想定背景下遂行作戰任務、達成作戰目的的綜合能力和水平。因此，過去基于這一系列方法和手段的作戰效能評估，雖大致能夠滿足直升機等武器裝備初步的總體論證評估需求，但越來越難以適應當今貼近實戰的新軍事變革深度推進對直升機等武器裝備總體論證評估所提出的新高度、新理念、新要求。事實上，從國內研究現狀來看，我國在十幾年前已提出基于作戰仿真法展開直升機作戰效能研究的思想，并開展了一些研究工作[25]，但限于當時的認識水平、科研手段、財力限制等因素，后續研究進展緩慢，成效不大。隨著時間的推移，我國在直升機效能評估方法與手段上和世界先進水平的差距越拉越大，現階段亟待開展大量研究工作，以快速與世界先進水平接軌。

（2）依次從直升機單機、小編隊和體系作戰出發，開展作戰效能仿真研究。單機和小編隊作戰效能是武器裝備作戰效能評估研究需要解決的重要問題。以單機作戰效能仿真研究為基礎，展開小編隊作戰效能仿真研究，是武器裝備單機作戰效能仿真研究的拓展，也是體系效能評估的基礎。過去，我國已在常規構型直升機、作戰飛機的單機、多機空戰數值仿真模擬上有一定的研究，初步形成了一系列空戰仿真計算方法、流程和模型。但部分研究僅限于理論的空戰格斗數學模擬層面，與作戰效能仿真脫節，距離實際論證應用較遠，難以支持政府和軍隊高層關于直升機等裝備發展的決策，與國外效能評估水平存在較大差距。我國需從實戰出發，充分借鑒國外的研究成果，加速研究作戰效能評估技術，從直升機單機、小編隊再到體系作戰，建立全面的評估模型，突破對地攻擊和縱深推進的作戰效能仿真關鍵環節，打通從作戰想定到作戰效能評估的流程，深入研究直升機總體設計與戰術運用對作戰效能的影響，為型號論證、技術方案優選及未來體系效能評估提供技術支撐。

（3）深入開展直升機體系作戰效能和貢獻率仿真評估研究，這是支撐未來體系作戰背景下直升機裝備論證評估的一項重點工作。本文所提出的直升機作戰效能仿真評估框架可作為此項研究的入門基礎。進入21世紀以來，先進科學技術的迅猛發展加速了武器裝備的更新換代，人工智能（AI）技術、5G技術、云技術、大數據技術等為武器裝備發展注入了新的活力，使得武器裝備可替代性愈加明顯，裝備與裝備之間開展協同作戰和構成體系對抗逐漸成為現代戰爭的主要特征。此時，衡量武器裝備優劣，不能僅考慮裝備自身的作戰效能，必須同時考慮裝備體系的整體作戰效能以及裝備對其所處體系的整體作戰效能的提升效果，這就是“體系貢獻率”。它用來衡量武器裝備在體系作戰中的作用，表征裝備對給定體系的整體作戰效能的貢獻程度。軍用直升機是聯合作戰體系中必不可少的低空和超低空環節，在現代戰爭中的作用已越來越突出。在未來，隨著直升機技術的不斷向前發展，其垂直起降、高速機動等優勢將越來越明顯，使得軍用直升機體系作戰效能和貢獻率越來越高，因此，著力開展這方面的評估研究，對于直升機裝備體系建設、直升機項目科學決策以及在型號發展中發揮需求牽引作用具有重大意義。

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（責任編輯王昕）

作者簡介

李國知（1984-）男，博士，高級工程師。主要研究方向：直升機總體論證。

Tel：010-57827751E-mail：liguozhi_adr@163.com

呂少杰（1983-）男，博士，工程師。主要研究方向：直升機總體論證。

Tel：010-66857553

E-mail：aili-008@163.com

Application and Research Progress on Operational Effectiveness Evaluation Technology for Helicopter

Li Guozhi1，*，Lyu Shaojie2

1. Aviation Industry Development Research Center of China，Beijing 100029，China 2. Research Institution of Army Aviation，Beijing 101121，China

Abstract： Operational effectiveness （OE） evaluation is the key issue of weapon equipment demonstration and development planning of weapon equipment system of systems （SoS） construction. Based on the background of research on OE evaluation， the progress on OE evaluation technology is reviewed in detail， including OE evaluation based on equipment performance， statistical analysis， and simulation. Then the current situation at home and research difficulties/hot-issues are analyzed. At last， simulation evaluation architecture of operational effectiveness for helicopter （SEA-OEH） is proposed. It can provide a reference for the future development of domestic helicopter OE evaluation technology.

Key Words： helicopter； performance； capability； DE； simulation