火箭助飛魚雷試驗評定中數據分析與處理方法

曹慶剛, 楊小豐, 李 兵, 房 毅

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火箭助飛魚雷試驗評定中數據分析與處理方法

曹慶剛, 楊小豐, 李 兵, 房 毅

(中國人民解放軍91439 部隊, 遼寧 大連 116041)

從指標評定的需求出發, 提出了火箭助飛魚雷試驗中數據的使用及處理方法, 通過環境因子折算、異常值檢驗、相容性檢驗等數理統計方法, 融合了研制階段信息和仿真試驗信息, 該方法有效降低了試驗所需樣本數, 為小樣本條件下戰術技術指標的綜合評定提供了思路。

火箭助飛魚雷;試驗數據; 小樣本; 評定

0 引言

在火箭助飛魚雷定型試驗中, 試驗樣本量的選取和確定是一個關鍵性環節。在試驗樣本數量一定的前提下, 既要保證試驗的質量, 又要在試驗出現無效條次或沒有拿到數據的情況下, 盡可能多地“創造”試驗樣本, 以便達到評定戰技指標所需要的最優試驗樣本數量。為了“創造”試驗樣本, 需要將陸試、湖試、海試試驗數據, 科研、定型試驗數據以及仿真試驗數據匯總起來綜合進行考慮, 以達到增加試驗信息, 充分考核戰技指標的目的。但這種數據匯總不是簡單的數字疊加, 而是通過環境因子折算、異常值檢驗、相容性檢驗等數理統計分析方法, 將其轉變成來自同一母體的數據來實現, 然后再通過這些數據進行指標綜合分析與評定。

1 試驗數據的選取范圍

在火箭助飛魚雷定型試驗中, 原則上只選取陸上定型試驗加海上定型試驗的樣本作為定型試驗評定總的試驗樣本。但是受試驗時間和經濟因素的雙重制約, 這樣得到的試驗樣本嚴重不足, 如果采用經典的統計檢驗方法對戰技指標進行檢驗, 會給指標評定帶來較大的風險, 評價結論的置信度較低。為此, 要將科研階段的陸試、湖試、海試試驗樣本綜合起來作為驗前信息, 并運用Bayes小子樣數理統計方法對指標進行綜合評價, 達到戰技指標考核的目的。

除此以外, 在對火箭助飛魚雷飛行可靠度和任務可靠度等指標進行綜合評定過程中, 還可以引入定型批魚雷各分系統的試驗信息或系統仿真信息作為驗前信息使用[1]。概括來說, 火箭助飛魚雷定型試驗評定應該根據火箭助飛魚雷科研階段陸試湖試海試試驗信息、定型批魚雷各系統的地面試驗信息或仿真試驗信息、火箭助飛魚雷定型階段陸試、湖試或海試試驗信息等進行綜合評價。

2 試驗數據的處理步驟及方法

由于火箭助飛魚雷評定中試驗數據獲取的渠道復雜, 評定過程中需要借鑒戰術導彈鑒定試驗中利用仿真和驗前信息進行綜合評定的思路[2], 因此試驗評定中數據的處理相對來說存在較大難度, 具體應參考以下幾個步驟。

一是對獲取的試驗數據進行折合計算, 使其變成同一環境條件下的試驗數據, 比如陸試湖試數據折合為海上試驗數據、中小射程試驗數據折合為大射程試驗數據、現場試驗數據折合成標準試驗數據等都屬于這類情況。

二是對獲得的試驗數據進行異常值檢驗, 使其符合相應的概率分布情況。

三是對不同環境下獲取的試驗數據進行相容性檢驗, 驗前信息與現場子樣的相容性檢驗、仿真信息與現場子樣的相容性檢驗等都屬于這類情況。

完成上述步驟后, 便可通過數理統計方法和手段對試驗信息進行綜合分析處理。下面具體介紹數據的分析與處理方法。

2.1 數據折合

2.1.1 湖海試驗數據折合

陸試、湖試數據折合為海上試驗數據主要分2種情況: 一是在使用驗前信息時, 需要將研制試驗的陸試、湖試數據信息折合為海上研制試驗信息; 二是在定型試驗中, 需要將陸上試驗信息折合成海上試驗信息, 以提高評定的可信度。這種情況下一般采用環境因子折算方法, 根據陸試、湖試與海試環境的環境因子差異, 將不同環境下的試驗數據折算成同一環境下的試驗數據。

環境因子折算主要分為以下幾個步驟: 一是先求出陸試、湖試與海試環境的環境因子; 二是進行環境因子折算; 三是進行試驗數據綜合。下面以可靠度指標為例, 分析環境因子的確定和折算方法。

1) 確定環境因子

系統或分系統的試驗數據一般分為成敗型數據和指數型數據2種, 在環境因子的折算中要將2類數據類型轉化為同種類型的數據, 然后才能進行折合。

一般來說, 環境因子分布符合Gamma分布或逆Gamma分布, 可通過概率密度函數近似分布的方法進行擬合。

成敗型數據從工程角度來說, 計算起來過于復雜。因此, 通常情況下可將成敗型數據轉換為指數型數據, 借助于指數型產品的環境因子進行折算。

2) 對試驗數據進行環境因子折算

3) 將不同環境下試驗數據綜合

2.1.2 射程數據折合

在進行火箭助飛魚雷最大射程指標考核的過程中, 最大射程數據受試驗條次數的影響, 樣本數量嚴重不足, 需要將中、小射程試驗數據轉化為最大射程試驗數據。由于火箭助飛魚雷為彈道式火箭助飛魚雷, 它的射程與發動機的裝藥量、使用量及飛行時間有著直接的關系, 一般通過控制發動機的一級關機時間, 來達到控制射程的目的。因此, 如果要把中、小射程試驗樣本轉換為大射程試驗樣本, 可根據遙測數據記錄中、小射程發動機的一級關機時間、火箭助飛魚雷的飛行時間、燃料的消耗量和剩余量等參數, 推算出所能達到的最大射程, 從而有效地增加最大射程試驗樣本。這種方法在戰略導彈的射程能力考核中已經是成熟的做法。

2.1.3 現場試驗與標準試驗數據折合

根據火箭助飛魚雷研制總要求規定, 最大射程指標指的是標準大氣條件下的火箭助飛魚雷所能達到的最大射程。試驗現場的射程數據, 是在真實大氣環境和干擾下獲得的實際數據, 在進行最大射程的統計評定前, 需要將實際測量數據轉換成標準條件下的最大射程數據。由于影響射程的因素有高空風、地球自轉克里奧利力及其他諸多因素, 因此, 在射程轉換前可以通過仿真將實際射程和標準射程制成一一對應的射表, 當現場射程數據出來后, 可通過查表或插值計算推出標準射程, 然后依據標準射程數據對該指標進行統計和評定。

2.2 異常值檢驗

異常值是指樣本中的個別值, 其數值明顯偏離它所屬樣本的其余觀測值。經過數據折合后的試驗樣本, 如果要確保數據可用, 需要對其進行異常值檢驗。對檢出的異常值, 應盡可能地尋找產生異常值的技術上、物理上的原因, 作為處理異常值的依據。

2.2.1 異常值檢驗方法

異常值檢驗方法通常有格拉布斯檢驗法和狄克遜檢驗法2種。對出現一個異常值的情況, 一般采用格拉布斯檢驗法, 而如果出現多個異常值, 狄克遜檢驗法檢出異常值的能力要優于格拉布斯檢驗法。在具體檢驗過程中, 要視情況選用不同的方法達到檢驗異常值的目的。

異常值主要包括3種情形, 上側情形: 異常值出現在高端; 下側情形: 異常值出現在低端; 雙側情形: 異常值出現在兩端。在火箭助飛魚雷指標評定中, 可以根據火箭助飛魚雷指標的具體情況選取異常值檢驗方法。如在火箭助飛魚雷落點精度的考核中, 落點偏差的最大值方向容易產生異常值, 因此可以選用上側情形檢驗法進行檢驗; 而在最大射程的考核評定中, 最大射程的最小值產生異常值的概率較大, 因此可以選用下側情形檢驗法進行檢驗。無論哪種方法, 都要遵循以下步驟進行。

需要強調的是, 如果用狄克遜檢驗法檢驗出異常值時, 應先將檢驗出的異常值排除后, 用剩余的樣本重新按上述步驟進行檢驗, 直到沒有異常值為止。

2.2.2 異常值的處理方式

由于火箭助飛魚雷試驗為小樣本量試驗, 為保證評定的客觀公正性, 出現異常值后不應不加分析地將其拋棄, 還要根據具體情況確定其取舍, 原則上以物理判斷為主, 數學分析為輔助手段[4], 幾種主要處理方式如下。

1) 找到產生異常的因素, 且在因素排除后該異常不再復現, 則該異常數據從樣本中剔除;

2) 如能找到明確的技術原因, 經承制方、使用方和試驗方協商同意, 可采用科學方法對試驗數據進行修正, 修正后的數據列入評定樣本;

3) 如找不到產生異常的原因, 則該異常值仍應列入樣本, 不予剔除。

4) 如果試驗數據檢驗結果不為異常值, 但能找到確切的證據, 證明發生了異常, 則該試驗數據也應作為異常值剔除。

2.3 相容性檢驗

從統計范疇來說, 子樣間的相容性問題屬于非參數檢驗問題[5], 方法較多, 考慮到工程實際中的特殊情況, 比如火箭助飛魚雷定型試驗中子樣數只有十幾個, 在這種小子樣情況下一般采用Wilcoxon-mann-Whitney的秩和檢驗方法進行相容性檢驗。

對火箭助飛魚雷來說, 需要進行相容性檢驗的數據主要包括以下兩方面: 一是驗前信息與現場子樣的相容性檢驗; 二是仿真試驗信息與現場子樣的相容性檢驗。這兩類信息數據來源不同, 但具體的處理方法則基本相同。

2.3.1 秩和檢驗的基本原理與步驟

1) 將2個子樣混合排序(由小到大), 可得次序統計量為

2.3.2 秩和檢驗的使用條件

對火箭助飛魚雷定型試驗來說, 子樣數剛好滿足第2種情況, 應該用第2種方法進行相容性檢驗。

3 數據分析與處理范例

根據上述方法, 下面以落點精度指標的考核評定為例, 說明火箭助飛魚雷試驗指標評定中數據的分析與處理過程及方法。在其他指標考核評定方法中可能有所不同, 但總體思路是一致的。

在對落點精度進行評定時, 首先根據方案設計階段和初樣設計階段的驗前信息計算驗前概率, 在使用方和研制方風險基本相當的原則下確定評定方案, 最后, 通過現場試驗數據, 作出落點精度是否滿足指標的判定。因此, 在進行落點精度指標的統計評定前, 應做好如下工作。

1) 數據的分析與折合

首先要將方案階段和初樣設計階段的驗前試驗數據進行折合, 以便進行驗前概率的計算。方案階段和初樣設計階段的試驗數據包括: 陸試、湖試和海試等多種試驗源數據, 含靜基座和動基座兩種發射條件。這些數據在應用時不能簡單地疊加形成驗前試驗數據, 而要在分析的基礎上加以折合, 使之近似屬于同一母體的數據才能運用。

落點精度指標同射程沒有直接的關系, 不同射程下落點精度指標是一致的, 因此不同射程條件下的試驗數據可以不進行折合, 直接加入試驗樣本。而對陸上試驗和湖、海試驗數據, 由于發射方式不同, 數據不能直接相加。在此,可以引入環境因子的概念, 即通過仿真試驗和初樣雷陸、湖、海試驗信息, 確定相應的環境因子。通過環境因子, 將陸試、湖試數據轉變成海上試驗數據, 從而完成不同試驗源數據的折合工作。

2) 異常值檢驗

在進行落點精度的試驗數據折合后, 要對其中出現的數據進行異常值檢驗, 并根據火箭助飛魚雷異常值的處理原則, 對出現的異常值進行分析和取舍。

3) 相容性檢驗

進行異常值檢驗后, 落點精度的驗前試驗數據和現場試驗數據均已確定。但Bayes方法應用驗前信息的前提是驗前信息能夠反映性能參數的統計特性, 即要求驗前信息和現場試驗數據近似屬于同一母體。由于兩種信息是在不同條件下獲得的, 因而必須對驗前信息與現場信息進行相容性檢驗, 以確定二者是否服從同一分布。

4 結束語

本文從火箭助飛魚雷定型試驗指標評定的工程實際出發, 研究了在小子樣條件下試驗數據的分析與處理方法, 通過環境因子等相關數據折合方法、異常值檢驗方法、相容性檢驗方法等數理統計手段, 將試驗驗前信息、研制階段飛行試驗和仿真試驗信息、定型試驗信息有效地結合起來, 以達到綜合試驗鑒定的目的, 為火箭助飛魚雷定型試驗指標評定提供了思路。

[1] 中華人民共和國國家軍用標準. 魚雷通用規范GJB 531B-2009[S]. 國防科學技術工業委員會, 2012.

[2] 曲寶忠, 孫曉峰. 海軍戰術導彈試驗與鑒定[M]. 北京: 國防工業出版社, 2005.

[3] 金振中, 李守秀. 反艦導彈飛行可靠性驗前信息分析與綜合[J]. 質量與可靠性, 2000(3): 25-28.

[4] 中華人民共和國國家軍用標準. 正態樣本異常值的判斷和處理GB/T 4883-1985[S]. 國防科學技術工業委員會, 2008.

[5] 張湘平, 張金槐, 謝紅衛, 等. 驗前信息與現場子樣的相容性檢驗方法研究[J]. 革命飛行器測控學報, 2002, 21(1): 55-59.

(責任編輯: 許 妍)

Data Analysis and Processing for Test and Evaluation of Rocket-assisted Torpedo

CAO Qing-gangYANG Xiao-fengLI BingFANG Yi

(91439thUnit, The People′s Liberation Army of China, China)

We present a test data usage and processing method of a rocket-assisted torpedo for its indexes evaluation, in which the information in both development phase and simulation phase is integrated by means of some mathematical statistic methods, such as conversion of environment factor, test for outliers, and compatibility check. The method reduces the number of samples for test, therefore it may facilitate the comprehensive evaluation of tactical and technical indexes with small sample.

rocket-assisted torpedo; test data; small sample; evaluation

TJ630.6

A

1673-1948(2014)01-0067-05

2013-09-13;

2013-09-19.

曹慶剛(1968-), 男, 工程師, 研究方向為魚雷試驗總體.