水面艦艇對(duì)海作戰(zhàn)效能評(píng)估方法研究*

房燦新

（中國人民解放軍91404部隊(duì) 秦皇島 066001）

1 引言

裝備作戰(zhàn)效能評(píng)估是試驗(yàn)鑒定工作的核心任務(wù)，是指導(dǎo)一線作戰(zhàn)部隊(duì)確立作戰(zhàn)方案、作戰(zhàn)預(yù)案的重要依據(jù)。隨著以作戰(zhàn)試驗(yàn)為關(guān)注焦點(diǎn)，加強(qiáng)武器裝備實(shí)戰(zhàn)化考核的系列化要求和管理規(guī)范的進(jìn)一步明確，對(duì)裝備戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能，特別是對(duì)實(shí)際作戰(zhàn)效能進(jìn)行全面考核并獨(dú)立給出評(píng)價(jià)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(yàn)鑒定模式的基礎(chǔ)之上，以試驗(yàn)、訓(xùn)練演習(xí)和系統(tǒng)仿真等為數(shù)據(jù)來源，基于信息熵的改進(jìn)ADC方法，同時(shí)引入復(fù)雜系統(tǒng)作戰(zhàn)試驗(yàn)動(dòng)態(tài)性、對(duì)抗性和體系支撐等特點(diǎn)，提出了一套完整的艦艇對(duì)海作戰(zhàn)效能的評(píng)估方法。此方法經(jīng)工程化實(shí)現(xiàn)后，在某新型艦艇試驗(yàn)定型工作中得到了較好的應(yīng)用。

2 效能評(píng)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(tái)集成度高等特點(diǎn)，智能、隱身、快速、信火一體打擊是其發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)艦艇裝備的鑒定評(píng)估，是在統(tǒng)籌規(guī)劃各類試驗(yàn)階段活動(dòng)與事件基礎(chǔ)之上，獲取各利益攸關(guān)方獨(dú)立的數(shù)據(jù)分析（設(shè)計(jì)審查、軟硬件測(cè)試、模型VV&A、性能驗(yàn)證、性能鑒定、作戰(zhàn)試驗(yàn)、在役考核、訓(xùn)練演習(xí)、系統(tǒng)仿真），并進(jìn)行一體化的項(xiàng)目管理，從而達(dá)到優(yōu)質(zhì)高效、客觀評(píng)價(jià)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(píng)估既能服務(wù)于研制部門以改進(jìn)設(shè)計(jì)思想、工程技術(shù)和生產(chǎn)工藝，又能為國家級(jí)戰(zhàn)略性兵棋推演及宏觀決策提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)支撐。

試驗(yàn)鑒定（含LVC各類型態(tài)）要求在實(shí)戰(zhàn)化的全系統(tǒng)、全流程、全要素條件下，設(shè)計(jì)不同試驗(yàn)因素及相應(yīng)水平；模擬威脅目標(biāo)，構(gòu)設(shè)電磁環(huán)境，執(zhí)行各類剖面的作戰(zhàn)任務(wù)［4］，以此獲取各類技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)性能數(shù)據(jù)；其中技術(shù)性能刻畫了裝備的基本技術(shù)特征，而戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)則與裝備遂行任務(wù)能力密切相關(guān)。效能評(píng)估的技術(shù)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(yù)警探測(cè)、信息處理、指揮控制、信火打擊、艦艇機(jī)動(dòng)、生命力等）、作戰(zhàn)適用性、任務(wù)能力（含對(duì)海、對(duì)陸、反潛、防空作戰(zhàn)等）、綜合作戰(zhàn)效能評(píng)估的路線圖方式有序進(jìn)行。

3 效能評(píng)估模型ADC&ES4

新的試驗(yàn)鑒定法規(guī)，要求評(píng)價(jià)作戰(zhàn)效能（即裝備完成作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)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(wù)的概率或效能指數(shù)等進(jìn)行描述，三個(gè)適用性（Suitability）與“六性”指標(biāo)、作戰(zhàn)環(huán)境、部隊(duì)適編和使用特性等緊密相關(guān)；考慮到所有作戰(zhàn)任務(wù)都是以體系作戰(zhàn)的方式才能有效完成，新的試驗(yàn)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(wù)協(xié)同的有效性等）。但是，法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)并沒有注意到體系支撐反過來也會(huì)提升裝備的實(shí)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(guān)，也與信息對(duì)抗、地面空中力量依托有關(guān)（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(gè)補(bǔ)充指標(biāo)。

作戰(zhàn)系統(tǒng)的效能評(píng)估方法與單設(shè)備的效能評(píng)估方法有著本質(zhì)的區(qū)別，評(píng)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(gè)側(cè)面說明了系統(tǒng)的不確定性、對(duì)抗性和涌現(xiàn)特性。對(duì)海作戰(zhàn)設(shè)備與系統(tǒng)組成如圖1所示，公共計(jì)算環(huán)境可能成為單節(jié)點(diǎn)故障，并造成預(yù)警探測(cè)、指揮與打擊各個(gè)層面能力的完全喪失，尤其是在它還不具備與位置無關(guān)的柔性重組能力的時(shí)候；這與傳統(tǒng)艦艇的預(yù)警獨(dú)立分治相比，作戰(zhàn)系統(tǒng)的健壯性、容錯(cuò)能力甚至在某種程度上是一種倒退。而針對(duì)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(jìn)行度量就顯得比較適宜。

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

4 對(duì)海作戰(zhàn)效能評(píng)估的工程實(shí)現(xiàn)

艦艇的使命任務(wù)具有多樣化的特征，主要包括編隊(duì)指揮、對(duì)海作戰(zhàn)、對(duì)陸作戰(zhàn)、反潛作戰(zhàn)、防空作戰(zhàn)、保交護(hù)航以及非軍事行動(dòng)等等［8～10］，本文限于篇幅只對(duì)對(duì)海作戰(zhàn)任務(wù)模式進(jìn)行討論。軟件編程主要由CS及SQL Server來實(shí)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(fù)雜信號(hào)處理等，此種型式的代碼嵌入實(shí)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(duì)海作戰(zhàn)主要由9個(gè)系統(tǒng)或設(shè)備直接參與，考慮到設(shè)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(xiàn)［11］的方法，不難求出；其中，狀態(tài)1的可用性為

表1 對(duì)海作戰(zhàn)系統(tǒng)狀態(tài)

圖1 對(duì)海作戰(zhàn)設(shè)備與系統(tǒng)組成

在此基礎(chǔ)上，下面分析可信性矩陣D11×11的計(jì)算方法；由于不考慮短時(shí)應(yīng)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(shè)備的可信性函數(shù)Ri：

在式（2）中，Ti為某設(shè)備在對(duì)海作戰(zhàn)任務(wù)中的執(zhí)行周期（典型地可設(shè)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(duì)海作戰(zhàn)能力的直接相關(guān)要素主要包括：含預(yù)警探測(cè)、信息處理、指揮控制、信火打擊（間接要素中的艦艇機(jī)動(dòng)、生命力等，在下節(jié)中論述）。每一個(gè)作戰(zhàn)要素，又有一系列的單裝協(xié)同完成。對(duì)于預(yù)警探測(cè)方面而言，某型艦艇對(duì)海作戰(zhàn)的信息來源如圖1所示主要有5類設(shè)備，以下首先求單一雷達(dá)的設(shè)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(dòng)建航能力、抗干擾能力、作戰(zhàn)適用性（海洋環(huán)境適應(yīng)性、電磁環(huán)境適應(yīng)性、保障適用性、測(cè)試性、在役適用性（適編性、經(jīng)濟(jì)性等）、體系支撐等作為其二、三級(jí)指標(biāo)。需要說明的是，長期以來雷達(dá)的自動(dòng)建航能力得不到應(yīng)有的重視（人工半自動(dòng)方式是使用主體），然而它對(duì)先敵識(shí)別、艦艇自防御等戰(zhàn)斗力的生成至關(guān)重要，因此要賦予較大的權(quán)重。對(duì)同級(jí)的各項(xiàng)并列指標(biāo)，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(yàn)后，可求得權(quán)重向量為ω=［ω1，ω2，…，ωn］T。再對(duì)單一指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，指標(biāo)歸一化計(jì)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(duì)于特別難以處理的定性描述指標(biāo)，可以采取專家打分的Delphi方法來進(jìn)行量化。

為了貫徹實(shí)戰(zhàn)化的要求，指標(biāo)評(píng)價(jià)是基于緊盯作戰(zhàn)對(duì)手的戰(zhàn)技指標(biāo)來量化的原則而進(jìn)行處理（作戰(zhàn)對(duì)手的戰(zhàn)技數(shù)據(jù)需要作戰(zhàn)情報(bào)部門的信息支撐），以雷達(dá)威力式（4）作簡單說明：

采用分段函數(shù)進(jìn)行歸一化處理也是比較典型的，例如：對(duì)于被動(dòng)雷達(dá)，為完成多艦協(xié)同條件下對(duì)輻射源的識(shí)別和定位，一般會(huì)以射頻通道的方式進(jìn)行定向協(xié)同信息傳輸，以便實(shí)現(xiàn)雷達(dá)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(biāo)體系的基礎(chǔ)上，通過權(quán)重向量與歸一化后的指標(biāo)向量乘積，即可計(jì)算出單一雷達(dá)的作戰(zhàn)能力（如圖2所示），圖中以藍(lán)方雷達(dá)為參照基準(zhǔn)（指數(shù)為1000），最后給出了紅方雷達(dá)的作戰(zhàn)效能總指數(shù)。這里的雷達(dá)威力、射頻傳輸速率的原始數(shù)據(jù)來源于科研試驗(yàn)、系統(tǒng)仿真、鑒定試驗(yàn)以及訓(xùn)練演習(xí)。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(duì)藍(lán)方某型雷達(dá)作戰(zhàn)效能分析

4.3 對(duì)海作戰(zhàn)效能評(píng)估

作戰(zhàn)系統(tǒng)的復(fù)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(gè)非線性關(guān)系，使得我們不能通過局部來認(rèn)識(shí)整體。當(dāng)前的作戰(zhàn)環(huán)境已沒有明顯的單一關(guān)鍵作戰(zhàn)域，在每一個(gè)作戰(zhàn)域（要素）都面臨著脆弱性和機(jī)遇。以上經(jīng)過一系列的過程方法計(jì)算，我們得到了單一設(shè)備的作戰(zhàn)能力。由圖1所示，對(duì)海作戰(zhàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在著并聯(lián)、串聯(lián)關(guān)系，以下來分析11種狀態(tài)下系統(tǒng)的實(shí)際作戰(zhàn)效能，首先以第1種狀態(tài)進(jìn)行論述。

為了求得由5個(gè)傳感器而構(gòu)成的預(yù)警探測(cè)能力，這里要引入信息熵［14～15］概念。把熵作為一個(gè)隨機(jī)變量的不確定性或信息量來進(jìn)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(duì)于5個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)，預(yù)警探測(cè)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(duì)海與防空作戰(zhàn)相比，少了電子對(duì)抗）要素能力的總信息熵。在此基礎(chǔ)之上，對(duì)海作戰(zhàn)能力再由直接要素：預(yù)警探測(cè)、信息處理、指揮控制（處理容量、融合質(zhì)量、屬性識(shí)別、類型識(shí)別、指揮范圍、態(tài)勢(shì)感知和更新及分發(fā)能力、協(xié)同控制及任務(wù)規(guī)劃能力、戰(zhàn)術(shù)輔助決策能力等）、信火打擊（主動(dòng)引導(dǎo)打擊范圍、被動(dòng)引導(dǎo)打擊范圍、外部信息源引導(dǎo)打擊范圍、同時(shí)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(dá)性、丟包率、誤碼率、信道帶寬、傳輸時(shí)延、信道業(yè)務(wù)種類、網(wǎng)系兼容及抗毀性等）、艦艇機(jī)動(dòng)（適航性、快速性、操縱性、續(xù)航力、推進(jìn)能力等）、生命力（RCS、紅外輻射強(qiáng)度、水下輻射噪聲、消磁磁場(chǎng)強(qiáng)度、抗沖擊、損害管制、平臺(tái)監(jiān)控、防沉抗沉能力等）等7大節(jié)點(diǎn)串聯(lián)構(gòu)成。對(duì)于串聯(lián)系統(tǒng)：

其中，式（8）中的ωi為某串聯(lián)節(jié)點(diǎn)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(duì)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(duì)海作戰(zhàn)效能指數(shù)綜合評(píng)估值為0.795（相對(duì)于藍(lán)方作戰(zhàn)效能指數(shù)為1）；即在籌劃總體作戰(zhàn)方案時(shí)，該型艦艇與藍(lán)方艦艇的的作戰(zhàn)交換比應(yīng)該設(shè)置為2比1。

5 結(jié)語

綜上，本文在分析最新試驗(yàn)鑒定法規(guī)和實(shí)戰(zhàn)化要求的基礎(chǔ)之上，結(jié)合前期已經(jīng)展開的艦艇裝備試驗(yàn)工程實(shí)踐，提出了基于信息熵的改進(jìn)ADC水面艦艇作戰(zhàn)效能評(píng)估方法。論文基于實(shí)裝試驗(yàn)、訓(xùn)練演習(xí)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(guān)算法和評(píng)估準(zhǔn)則。但此類的數(shù)據(jù)來源必須基于對(duì)作戰(zhàn)對(duì)手、戰(zhàn)術(shù)使用和要素關(guān)聯(lián)的理論研究基礎(chǔ)之上，再進(jìn)行作戰(zhàn)體系（仿真體系）的紅、藍(lán)作戰(zhàn)力量有效映射下的全系統(tǒng)、全流程作戰(zhàn)試驗(yàn)才有實(shí)際意義。如何消除武器裝備作戰(zhàn)試驗(yàn)的不確定性，提取關(guān)鍵作戰(zhàn)問題，剔除作戰(zhàn)能力弱相關(guān)項(xiàng)檢驗(yàn)，并建立合理可行的評(píng)估體系和試驗(yàn)工程優(yōu)化方法是接下來要重點(diǎn)研究和關(guān)注的問題。

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