武器系统效能评定方法综述(1)

武器系统效能评定方法综述

高　尚　娄寿春

(空军导弹学院,陕西三原713800)

󰀁

摘要　综述了评定武器系统效能的各种方法,即专家评估法、试验统计法、作战模拟法、指数法和解析

法。分析了各种方法的优缺点,详细论述了解析法中的WSEIAC模型,最后提出了参数效能法。

关键词　效能　指数法　专家评估　仿真

ProgressinAssessingtheEffectivenessofWeaponSystem

GaoShang　LouShouchun

(AirForceMissileInstitute,SanyuanShaanxi713800)

Abstract　Inthispaper,severalmethodsforassessingtheeffectivenessofweaponsys-temarediscussed,suchasexpertevalutionmethod,teststatisticsmethod,combatsim-ulationmethod,indexmethodandanalyticmethodetc.Theiradvantagesandshortcom-ingsareanalysed.TheWSEIACmodelisdescribedindetail.Andfinally,theparameter-effectivenessmodelisproposed.

Keywords　effectiveness;indexmethod;expertevaluation;simulation

1　引言

武器系统效能的评定在武器系统的设计、研制、试验、采购、使用及维护等各个阶段都是一个十分重要的问题,也是装备论证所必不可少的有效工具和方法。关于武器系统效能的定义目前没有统一,有如下几种:

·美国航空无线电研究公司的定义:“在规定条件下使用系统时,系统在规定时间内满足作战要求的概率”。

·美国海军的定义:“系统能在规定条件下和在规定时间内完成规定任务之程度的指标”或“系统在规定条件下和在规定时间内满足作战需要的概率”。

·美国麻省理工学院的A.H.Levis等人在评价C3I的效能时的定义:“系统与使命的匹配程度。”

目前大多数认为较好的定义是美国工业界武器效能咨询委员会的定义:

“系统效能是预期一个系统能满足一组特定任务要求的程度的度量,是系统的有效性、可信赖性和能力的函数”。

从效能定义可见效能值是相对数值,不是绝对数值。评定武器系统效能的方法较多,主要有专家评定法、试验统计法、作战模拟法、指数法和解析法等,如图1所示。这几种方法各有优缺点,下面对各种方法逐一评述。

󰀁

本文于1996年12月16日收到110

专家评定法试验统计法作战模拟法指数法

系统工程理论与实践1998年7月

多品质效用函数法

　　效能评定方法解析法能力矩阵C求法仿真法主因素法能力指数法ARC模型

WSEIAC模型改进QADC模型KADC模型CADS模型

参数效能法

图1　效能评定方法

2　专家评定法

对于某些难以定量描述的指标,在评定时采用专家评定。其一般方法是,选取最能反映效能的特征指标,请一些专家“打分”,然后通过对专家意见处理,得到武器系统效能。具体方法如下:

·文[1]建议对系统按计划进度、全寿命费用、可用率和性能等方面进一步分层次,请专家逐一打分,最后评定。

·文[2]对飞机评定时,评比按作战任务或要求分别进行,例如截击任务、对地攻击、侦察、全天候作战、维护性等,对每一项评分后就得到效能值。

·文[5]评估飞机作战能力时,采用层次分析法,选取机动性、火力、发现目标能力、生存力和操纵效能5个因素,用层次分析法求出作战能力的相对重要性,然后评出各种飞机对5个因素的优劣系数,最后总评出比分。

·文[12]评估C3I效能时也采用了层次分析法,分情报、通信、指挥控制、综合等方面,对其再分子层次,然后用层次分析法确定权值。

专家评定法在评定难以用定量计算时采用比较有效。难题之一是如何选专家,其次选取什么参数让专家进行评价。另外,专家评价法的缺点是主观性多,专家评估时有很大的倾向性。如文[2]中美国专家对原苏联武器打分压得较低,因此采用专家评估时要多加分析。

3　试验统计法

所谓试验统计法是在规定的现场中或精确模拟的环境中,观察武器系统的性能特征,收集数据,评定系统效能。特点依据实战、演习、试验获得大量统计资料评估效能指标,应用前提是,所获统计数据的随机特性可以清楚地用模型表示,并相应地加以利用。常用的统计评估方法有抽样调查、参数估计、假设检验、回归分析和相关分析等。试验统计法不但能得到效能指标的评估值,还能显示武器系统性能、作战规则等影响因素对效能指标的影响,从而为改进武器系统性能和作战规律提供了定量分析基础,其结果比较准确,但需要有大量的武器装备作试验的物质基础,这在武器研制前无法实施,而且耗费太大,需要时间长。总之,试验统计法是评估武器系统效能比较可信的基本方法之一。

4　作战模拟法

作战模似法也叫作战仿真法,实质是以计算机模拟模型来进行作战仿真实验,由实验得到的关于作战进程和结果的数据,可直接或经过统计处理后给出效能指标评估值。

·文[13]研究了团级防空系统C3I效能仿真,仿真了对敌机攻击流的处理能力,最终归结为效能的计第7期算。

武器系统效能评定方法综合述

111

·文[8]提出了防空导弹效能仿真思路,文[18]提供了效能-费用仿真的思路。

仿真法考虑了对抗条件下,以具体作战环境和一定兵力编成为背景来评价,能够实施战斗过程的演示,比较形象,但需要大量可靠的基础数据和原始资料作依托。要得到完整资料有赖于有计划长期大量数据的收集,仿真时对作战环境模拟比较困难,如干扰环境的不确定性等直接影响结果。总之,作战模拟对于武器系统作战效能评估具有不可替代的重要作用。它省时、省费用等,它能一定程度反映了对抗条件和交战对象,考虑了武器装备的协同作用,武器系统的作战效能诸属性在作战全过程的体现以及在不同规模作战效能的差别。特别适合于进行武器系统或作战方案的作战效能指标的预测评估。

5　指数法

指数法曾作为“中国、美国国防系统分析方法学术讨论会”研讨的重要内容之一,它提出了一个统一的度量标准,建立在军事专家们的丰富经验之上的,在量化方面有所前进,具有结构简单,使用方便特点,适用于宏观分析和快速评估,而且效能建立在武器系统自身的战术技术性能指标的基础上的,避开了大量不确定因素的影响,从而增强了评估的确切性,对一些系数确定也采用了层次分析法等专家评估法。具体方法如下:

·文[7]在评估地空导弹武器系统效能时采用了指数法,针对地空导弹武器系统的特点,效能评估的指标体系主要因素为目标特性、射击能力、抗干扰能力、可使用性和快速机动性能力等。评估模型:

5

E=(Tc×Cm×Aj×Ak)0.3+M0.c

式中:Tc为目标特性因子效能衡量指标;Cm为射击能力因子效能衡量指标;Aj为抗干扰因子效能衡量指标;Ak为可使用性因子效能衡量指标;Mc为机动性因子效能衡量指标。各项因子效能与武器系统的特征性能有关,具体模型见文[7]。

·文[5,11]建立了飞机效能指数模型:

E=a1C+a2K1D

E为总作战能力指数,a1,a2为机种系数,(a1+a2=1),K1为平衡系数,C、D分别为空战能力指数和对地攻

击能力。

C=D=

lnB+ln

󰀁

A1+1+ln

󰀁

A2

󰀁1󰀁2󰀁3󰀁4

ln(RReRmRn)+ln(WBPa)󰀁4

其中参数具体含义及求法不再详述,详见原文[5]。

·西德D·伊劳尔在70年代曾提出飞机空战能力公式:

L=

具体含义见文[15]

SF2󰀁SEP󰀁M󰀁K󰀁Wa3󰀁B4

G3󰀁Gr󰀁Vw

6　解析法

解析法是根据描述效能指标与给定条件之间的函数关系的解析表达式计算指标,可根据数学方法求解建立的效能方程。解析法的优点是公式透明性好,易于了解,计算简单。

WSEIAC模型就属于解析法,此模型是美国工业界武器系统效能咨询委员会建立的,此模型被认为很有效,很通用的模型。6.1　WSEIAC模型

WSEIAC模型为:系统效能E=ADC

A=[a1,a2,…,an]是有效性向量,表示系统在开始执行任务时处于不同状态的概率,ai表示开始执行时处于状态i的概率。112

系统工程理论与实践

d11

D=

d21dn1

d12d22dn2

……󰀁…

d1nd2ndnm1998年7月

D是可信赖矩阵,dij表示开始系统处于i状态,而在使用过程中转移到j状态的概率。

c11c12…c1m

C=

c21cn1

c22cn2

…󰀁…

cnmc2m

当系统满足马尔柯夫假设时,能力矩阵就C为能力矩阵,cjk表示在最后可能状态j下达到第k项效能指标。

是一列向量[19]。

WSEIAC模型中,能力矩阵(向量)是系统性能的集中体现,也是求解效能的关键所在。测定和预测一个复杂的武器系统的能力,是一个相当困难的问题。目前有多品质效用函数法、仿真法、主因素法及能力指数法。这几种方法都借鉴了前面专家评估法、作战模拟法及效能指数法的优点,并对其进行了综合。6.1.1　多品质效用函数法[4,6,9]

请有关各方面的专家根据系统各个性能指标的相对重要性以及各个性能近期内发展变化的快慢和参照武器系统典型的使用条件来确定系统各项性能指标的加权系数,其次需要统一各个性能指标的量纲,采用模湖数学隶属度法。uA(xi)表示性能指标xi的隶属度,各品质因素隶属度综合如下:

～

对于一些可相互代换的指标使用:

m1

C=1-1j

󰀁

[1-󰀁iuA(xi)]

～

i=1

对于一些指标间相互独立,对总效能无本质差别可相互补偿的指标可使用:

m2

C=2

j

󰀁

󰀁′iuA(xi)

～

i=1

对于一些相互间不可偏废,其中任一项的低水平可导致系统总效能下降的指标,使用:

m1

″󰀁iuA(xi)～

C=3

j

󰀁

i=1

将评价指标分类综合之后,最后可得到j状态的能力Cj=6.1.2　仿真法

[20]

󰀁

3

aicij,其中权系数均可用层次分析法得到。

i=1

在评估能力时,可以建立模拟模型,用计算机模拟得到。如要求j状态下导弹的条件杀伤概率,可通过仿真得到,仿真系统对目标攻击流的处理,按作战过程各个功能块,利用仿真语言(如GPSS-F77,SIMAN等)将各个模块结合起来,仿真出杀伤概率。6.1.3　主因素法[4,5,6,16]

系统的能力Cj可被定义为在j状态下系统最有意义的一项性能指标。如评价导弹武器系统性能时,可将导弹的条件杀伤概率作为能力量化值;计算雷达效能时,可把雷达在最大距离上发现目标的概率作为能力值,评价飞机作战能力可用完成指定任务的概率来衡量。

6.1.4　能力指数法

能力指数法吸收了效能指数法的优点,对j状态下建立能力指数模型。文[10]评价地空导弹武器系统效能时,建立了各状态下的能力指数模型。第7期武器系统效能评定方法综合述

113

6.2　WSEIAC模型的推广

WSEIAC模型在评价系统效能中得到了广泛的应用,在实践中得到了推广,针对不同情况提出了很多修正模型,这里略作说明。6.2.1　ARC模型[3,4]

在某些特殊情况下,WSEIAC模型蜕化成三个量的乘积E=ARC·A表示系统在使用前处于规定战斗准备状态且可靠工作的概率;R表示使用中系统可靠工作的概率;C表示武器系统在使用可靠条件下完成战斗任务的概率。

文[14]在评定雷达效能中采用了此模型。6.2.2　QADC模型[19]

WSEIAC模型未考虑敌方的对抗,而敌方的对抗对武器系统效能有很重要影响,故改进如下:

E=QADC武器系统在未被敌方火力击毁的条件下实施发射的概率”。Q被定义为“

Q=PA+(1-PA)(1--P-R)

-PA表示我方武器系统先于敌方发射的概率;R表示敌方武器系统发射可靠、飞行可靠的概率;-P表示敌方武器系统条件杀伤概率。

6.2.3　KADC模型[15]

任何硬件都需要人去操纵,人的素质和训练水平的差异对武器效能的发挥有着明显的影响。考虑到这些实际存在问题,美国海军研究效能模型时修正如下:

可用性:Ap=K1A可信度:Dp=K2D

能力:Cp=K3C

素质和水平系数,其数值小于1,可根据统计规定之。K1、K2、K3分别表示操作人员掌握硬件的能力、6.2.4　CADS模型

文[5]评价飞机效能时模型为E=C×A×D×S,式中C是作战能力,A是可用度,D是可靠度,S是保障度。对WSEIAC模型不同程度改进的较多。如文[8]考虑了武器系统的可操作性等,这里不再列举。

7　参数效能法

武器系统效能是以硬件为基础,与很多特征性能指标有关系,其中有的因素影响较大,而有的因素影响较小。笔者总结前人基础上,试图建立效能与主要参数的关系式,即参数效能模型。7.1　参变量、效能值选取

在效能参数预测方程中,参变量的选择非常重要,选取原则对效能影响大、最敏感的参变量。对地空导弹武器系统来说,武器系统的可靠性、目标搜索系统的质量和弹头杀伤破坏力等因素对效能影响较大。限于资料缺少,只选取了最大射程Rmax、导弹飞行速度Mmax、杀伤概率P和最大射高Hmax四个参数作为自变量。

效能值选取是通过前人的研究成果[2,7,10]的综合权衡得到的,数据见表1。7.2　建立效能模型方程

假设效能与参数成非线性模型即

cc

E=C0xc11x22…xnn

实际处理时取对数形式:

lnE=lnC0+C1lnx1+C2lnx2+…+Cnlnxn

1234

对于本问题采用E=C0RmaxMmaxPHmax由表1数据,经多元线性回归得到:C

C

C

C

114

系统工程理论与实践

lnE=4.485-0.3414lnRmax+0.1651lnMmax+2.436lnP+0.5122lnHmax

1998年7月

复相关系数R=0.982　统计量F=27.03　在置信度󰀁=0.05时,F󰀁(3,3)=9.280.341416512.4365122

E=88.677R-M0.H0.maxmaxPmax

　　对于国内某新型导弹武器系统预测,E=80,说明我国技术水平与美国还有一段差距,也是符合实际情况的。

表1　地空导弹参数及效能数据

型号爱国者C-300改进霍克霍克罗兰特响尾蛇小榭树

Rmax　(km)

607540306.38.55

Mmax　(m)

64.42.52.51.72.22.5

P0.850.750.800.800.650.60.5

H

max　(

km)E100807560423215

预测值101727964392717

242718114.53.62.5

8　结束语

武器装备的效能实际上具有时效性,它是时间的函数,随时间的增长,将逐渐降低,文[17]研究了飞机效能的时效性,为系统效能研究提供了新的思路。效能评估方法较多,各有长短,实践中除各有其适用范围

外,还常常混合使用,取长补短,使模型逼近实际情况。

参考文献

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