基于ADC法的反衛(wèi)裝備體系打擊效能評估模型研究＊

（海軍航空工程學(xué)院 煙臺 264001）

1 引言

作為海軍未來裝備建設(shè)重要組成部分，海上反衛(wèi)武器裝備體系建設(shè)的成敗直接關(guān)系到整個海軍部隊在未來戰(zhàn)爭中能否取得主動權(quán)。1997年4月，美國海軍部長約翰遜上將首次公開提出了“網(wǎng)絡(luò)中心站”的概念，稱從所謂的平臺中心戰(zhàn)到網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)是一個根本性的轉(zhuǎn)變［1］。在未來信息化戰(zhàn)爭中，考驗的與其說是武器裝備的性能、作戰(zhàn)部隊的能力等單項指標(biāo)，還不如說考驗的是整個作戰(zhàn)體系，以及形成作戰(zhàn)體系的基本方式和過程［2］。因此，合理的衡量海上反衛(wèi)武器裝備體系的作戰(zhàn)效能就顯得尤為必要。通過海上反衛(wèi)武器裝備體系作戰(zhàn)效能評估，可以直接地反映在相關(guān)裝備體系研發(fā)設(shè)計方面和裝備體系配套方面的合理性與存在的問題，并且對反衛(wèi)體系的發(fā)展現(xiàn)狀有更切實的認(rèn)識，為反衛(wèi)裝備體系的構(gòu)建提供依據(jù)。因此，進(jìn)行海上反衛(wèi)武器裝備體系作戰(zhàn)效能評估勢在必行。

關(guān)于效能的定義，美國工業(yè)界的武器系統(tǒng)效能咨詢委員會（WSEIAC）和國軍標(biāo)都有明確的定義。體系效能就是指在一定條件下（作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)任務(wù)、編成部署、作戰(zhàn)流程以及武器裝備性能等）完成給定任務(wù)（包括時間、空間和數(shù)量等）的程度（定性與定量相結(jié)合，百分比、概率、時間、空間和數(shù)量等）。本文主要針對反衛(wèi)武器裝備體系中的打擊子體系的效能評估進(jìn)行研究。

2 反衛(wèi)武器裝備體系構(gòu)成

武器裝備體系是由一組功能上相互聯(lián)系的武器裝備系統(tǒng)構(gòu)成的有機整體，它們相互關(guān)聯(lián)，功能互補，構(gòu)成的整體能夠較好地完成特定的作戰(zhàn)目的。以海基動能反衛(wèi)作戰(zhàn)為例，設(shè)定的作戰(zhàn)海域為一開闊海域，即遠(yuǎn)離海岸、氣象和海洋環(huán)境良好，對武器裝備的作戰(zhàn)性能沒有影響［3］。簡單來說，反衛(wèi)武器裝備體系是指以反衛(wèi)為目的的裝備體系，主要包括預(yù)警子體系、指控子體系以及打擊子體系，如圖1所示。

圖1 海上反衛(wèi)裝備體系構(gòu)成

打擊子體系主要由推進(jìn)系統(tǒng)、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)、發(fā)射支持系統(tǒng)、LEAP（大氣層外輕型射彈）型動能戰(zhàn)斗部等組成。推進(jìn)系統(tǒng)是動能武器的雙腿，提供將LEAP加速到指定速度所需要的動力，一般采用火炮、火箭、電場或磁場等加速裝置；探測系統(tǒng)（傳感器）是動能武器的眼睛，用于探測、識別和跟蹤目標(biāo)；制導(dǎo)與控制系統(tǒng)是動能武器的大腦和中樞神經(jīng)，用于確保成功地進(jìn)行尋的與攔截，它一般由尋的器、慣性測量裝置、計算機、方向和姿態(tài)控制器、通信設(shè)備、能源設(shè)備等組成；發(fā)射支持系統(tǒng)一般包括發(fā)射架和裝卸裝置等發(fā)射支持設(shè)備；LEAP動能戰(zhàn)斗部是動能武器的拳頭，是目前質(zhì)量最小，且采用固體推進(jìn)劑的動能戰(zhàn)斗部［4］。

3 基于ADC法的效能評估指標(biāo)分析

武器裝備體系能力指標(biāo)是執(zhí)行某些功能的量化標(biāo)度［5］。WSEIAC法是由美國工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會（WSEIAC）為空軍提出的系統(tǒng)效能評估方法（也稱ADC法），模型表達(dá)式為

式中A為可用度（Availability），是武器系統(tǒng)在開始執(zhí)行任務(wù)時狀態(tài)的度量，取決于武器系統(tǒng)可靠性、維修性、維修水平等因素；D為可信賴度（De-pendability），是在已開始執(zhí)行任務(wù)的過程中某個或某幾個時刻系統(tǒng)狀態(tài)的度量，表示系統(tǒng)在使用過程中完成規(guī)定功能的概率，取決于武器系統(tǒng)使用過程中的可修復(fù)性、人員素質(zhì)、指揮水平等因素；C是能力向量（Capability），指已知系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的狀態(tài)下，系統(tǒng)最終完成任務(wù)的能力，是系統(tǒng)各種性能的集中表現(xiàn)，從該模型的整個情況分析，C應(yīng)是潛在作戰(zhàn)能力中除去可靠性、維修性以外的那部分能力［6］。

海基反衛(wèi)武器裝備體系設(shè)計的好壞要通過對海基反衛(wèi)武器裝備體系作戰(zhàn)效能評估來體現(xiàn)，然而對其進(jìn)行作戰(zhàn)效能評估，首先就是將其指標(biāo)體系建立起來［7］。基于ADC法的的打擊子體系效能的評估指標(biāo)體系如圖2所示。

圖2 打擊子體系效能的評估指標(biāo)體系

4 ADC法的元素建模

為了分析戰(zhàn)斗行動這種復(fù)雜過程，就必須建立它們的模型，使其與實際戰(zhàn)斗行動的形式和方法之間有必要的相似程度，能夠客觀地反映戰(zhàn)斗行動過程的最主要的因果聯(lián)系和作用機制［8］。

1）可用度A中各元素的建模

考慮到反衛(wèi)的窗口時間，為了更好地完成反衛(wèi)作戰(zhàn)任務(wù)，假設(shè)海上反衛(wèi)打擊子體系運用協(xié)同作戰(zhàn)方式，即整個編隊采用四枚導(dǎo)彈并聯(lián)。當(dāng)其中1發(fā)、2發(fā)或3 發(fā)導(dǎo)彈發(fā)生故障時，不會導(dǎo)致整個編隊火力系統(tǒng)的發(fā)射失敗；而如果編隊的發(fā)射制導(dǎo)分系統(tǒng)出現(xiàn)故障，而且不能在允許的時間內(nèi)排除，將影響整個編隊系統(tǒng)的發(fā)射。因此，在進(jìn)入發(fā)射陣地時，其系統(tǒng)狀態(tài)有以下五種：

（1）各分系統(tǒng)均能正常工作；

（2）發(fā)射制導(dǎo)系統(tǒng)能正常工作，4發(fā)導(dǎo)彈有1發(fā)故障，3發(fā)正常，整個系統(tǒng)能正常工作；

（3）發(fā)射制導(dǎo)系統(tǒng)能正常工作，4發(fā)導(dǎo)彈中有2發(fā)故障，2發(fā)正常，整個系統(tǒng)能正常工作；

（4）發(fā)射制導(dǎo)系統(tǒng)能正常工作，4發(fā)導(dǎo)彈中有3發(fā)故障，l發(fā)正常，整個系統(tǒng)能正常工作；

（5）發(fā)射制導(dǎo)系統(tǒng)處于故障狀態(tài)，4發(fā)導(dǎo)彈全部故障，整個系統(tǒng)不能正常工作。

對于以上五種狀態(tài)，其有效性向量為

其中：

式中：

其中：MTBFg為發(fā)射制導(dǎo)系統(tǒng)平均故障間隔時間；MTTRg為發(fā)射制導(dǎo)系統(tǒng)故障平均修復(fù)時間；ag為發(fā)射制導(dǎo)系統(tǒng)的可靠性；MTBFm為導(dǎo)彈系統(tǒng)平均故障間隔時間；MTTRm為導(dǎo)彈系統(tǒng)故障平均修復(fù)時間；am為導(dǎo)彈系統(tǒng)可靠性。

2）可信度矩陣D中各元素建模

對于可信度而言，它是由發(fā)射，飛行，戰(zhàn)斗部攻擊三方面串聯(lián)而成。那么就有：

其中：D1為發(fā)射過程可信性；D2為飛行過程可信性；D3為戰(zhàn)斗部攻擊過程可信性。

假設(shè)導(dǎo)彈各分系統(tǒng)的故障時間服從指數(shù)分布p＝exp（-λT），λ為系統(tǒng)故障率，計算可信性矩陣。

對應(yīng)于D1，D2，D3計算有以下通式：

式中：

其余各項均為零。

另：

式中：rm為導(dǎo)彈在該過程時間內(nèi)可靠工作概率。

第一步：求D1時，rm＝exp（-Tf／MTBFf）

其中：rm為導(dǎo)彈在發(fā)射過程時間Tf內(nèi)可靠工作概率。

第二步：求D2時，rm＝exp（-Tx／MTBFx）

其中：rm為導(dǎo)彈在飛行過程時間Tx內(nèi)可靠工作的概率。

第三步：求D3時，rm＝exp（-Tj／MTBFj）

其中：rm為戰(zhàn)斗部攻擊過程時間Tj內(nèi)可靠工作的概率。

3）能力矩陣C中各元素建模

用WSEIAC提出的綜合模型評價武器系統(tǒng)的效能，最為困難的就是如何計算系統(tǒng)完成任務(wù)的能力。因為系統(tǒng)完成任務(wù)的能力需通過分析描述能力的各項指標(biāo)并建立相應(yīng)的模型求解，所以，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的各種性能指標(biāo)來計算能力矩陣。建立評價指標(biāo)應(yīng)考慮到指標(biāo)的全面性、合理性以及獨立性等［9］。

由于反映系統(tǒng)完成任務(wù)能力的性能指標(biāo)有很多，很難用一個元素來描述某一狀態(tài)下的系統(tǒng)效能。除了系統(tǒng)性能指標(biāo)很多，性能指標(biāo)的物理量綱不同，對效能的影響不同，變化規(guī)律也不同。

通過對武器系統(tǒng)的各有效狀態(tài)中各類性能指標(biāo)的對比分析，選擇其中最具有代表性，能充分描述武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的性能指標(biāo)作為能力矩陣的元素C。這種比較選擇法，可以根據(jù)武器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和特定任務(wù)的不同，進(jìn)行合理的選擇。作戰(zhàn)效能指標(biāo)在具體分析過程中建議運用主成分分析法確定作戰(zhàn)效能評估各指標(biāo)的權(quán)重，可以避免人為因素帶來的偏差［10］。

選擇能力矩陣的元素C時，應(yīng)注意一些基本的原則，就是：

首先，要能夠充分描述武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力；

其次，要具有明確的定義，能用具體的數(shù)量值進(jìn)行量度，或通過理論分析可以確定其特征量；

最后，要具有可比性。在武器系統(tǒng)方案論證階段和武器裝備系統(tǒng)使用階段，用比較選擇法確定C比較合適。

就反衛(wèi)星武器而言，其主要作戰(zhàn)任務(wù)是摧毀敵方衛(wèi)星，使之失去作戰(zhàn)能力。其打擊能力主要體現(xiàn)在命中和摧毀目標(biāo)衛(wèi)星。可以選擇完成任務(wù)時，有效狀態(tài)中對目標(biāo)的命中能力和摧毀能力作為C的元素cjk。

則能力向量為

式中：

其中：p＝p1p2；p1為單發(fā)命中目標(biāo)概率；p2為單發(fā)摧毀目標(biāo)概率。

5 實例仿真計算

根據(jù)作戰(zhàn)想定的條件，參照文獻(xiàn)資料對各武器裝備系統(tǒng)的性能參數(shù)作出合理假設(shè)，然后利用建立的模型進(jìn)行仿真計算

打擊子體系武器系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 反衛(wèi)武器打擊子體系的性能參數(shù)表

那么：

6 結(jié)語

積極研究海上反衛(wèi)裝備體系，發(fā)展有效的反衛(wèi)星武器裝備，是裝備建設(shè)面臨的新課題，也將是實現(xiàn)國家海上力量躍升的一個歷史性機遇。運用ADC法對反衛(wèi)裝備體系中的打擊子體系進(jìn)行效能評估，方法簡單、可靠、邏輯性強。下一步將繼續(xù)研究反衛(wèi)裝備體系中指控子體系和預(yù)警子體系的效能評估方法以及效能聚合方法。對裝備體系作戰(zhàn)效能進(jìn)行科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步對反衛(wèi)裝備體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化展開研究。

［1］凌永順，萬曉援．武器裝備信息化［M］．北京：解放軍出版社，2004：149．

［2］曾清，杜陽華，周玉芳．信息化條件下復(fù)雜軍事裝備效能評估技術(shù)研究［J］．艦船電子工程，2009，183（9）：18-22．

［3］史凱．作戰(zhàn)想定問題的模型［J］．管理工程學(xué)報，2005，10（1）：11-13．

［4］熊東旭，趙新國，陳同安，等．美軍海基動能反衛(wèi)系統(tǒng)及其作戰(zhàn)流程探析［J］．飛行導(dǎo)彈，2011（6）：55-58．

［5］胡劍文．武器裝備體系能力指標(biāo)的探索性分析與設(shè)計［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2009．

［6］王鵬．反坦克導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能評估方法研究［D］．長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009：15．

［7］王棟．基于SysML的武器裝備體系結(jié)構(gòu)建模與仿真方法研究［D］．長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009：35．

［8］來斌，牛存良，熊友奇，等．防空作戰(zhàn)模擬與效能評估［M］．北京：軍事科學(xué)出版社，2005．

［9］王鶴磊．一種雷達(dá)系統(tǒng)效能的綜合評估模型［J］．系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2001，23（3）：40-41．

［10］楊春周，滕克難，程月波．作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)權(quán)重的確定［J］．計算機仿真，2008，25（10）：5-7．