艦載作戰系統戰備狀態評價方法研究?

程莉莉 羅 威 胡芷毅 趙開敏 張 毅

艦載作戰系統戰備狀態評價方法研究?

程莉莉1羅 威2胡芷毅3趙開敏2張 毅3

（1.國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心 武漢 430060）（2.中國艦船研究設計中心 武漢 430064）（3.武漢大學電子信息學院 武漢 430072）

如何評價艦載作戰系統的戰備狀態一直是艦載作戰系統研究領域中一個挑戰性的課題，因為艦載作戰系統是一個復雜的分布式系統，其系統、分系統和設備的戰備狀態不僅取決于設備本身的戰備狀態，也取決于與其相關設備和系統的戰備狀況。論文在對艦載作戰系統做出一定合理假設的前提條件下，對作戰系統的組成關系進行分析，并給出戰備狀態的定量計算方法。研究結果對設計和實現作戰系統的戰備完好性測試系統和改進作戰系統的設計具有指導性的意義。

作戰系統；戰備狀態；戰備完好性；依賴集

AbstractEvaluation of the operational state of ship-borne combat systems is really a challenging issue，due to the inter-de?pendent relationship among devices or sub-systems of the whole combat systems.In this paper，the operational states of ship-borne combat systems are modeled and analyzed based on some reasonable assumptions，followed by detailed quantitative computing meth?ods.Our research fruits pave the way for designing and implementing the operational readiness testing systems and improving the overall design of ship-borne combat systems.

Key Wordscombat system，combat states，combat readiness，dependency set

Class NumberTP302

1 引言

作戰系統就是軍用平臺上用于執行警戒、跟蹤、通訊、導航、目標識別、數據處理、威脅估計及指揮控制武器完成對敵作戰等功能的各要素及人員的綜合體［1～4］。衡量艦載作戰系統能力指標有很多種，如可靠性、可用性、可維修性、戰備完好性、戰備狀態等。如何評價艦載作戰系統的戰備狀態一直是一個具有挑戰性的課題，因為艦載作戰系統是一個復雜的分布式系統，其系統、分系統和設備的戰備狀態不僅取決于設備本身的戰備狀態，也取決于與其相關系統（設備）的戰備狀況［5～6］。

在現有文獻方法中，郭萬梅等人對艦載雷達技術提供了評估方案［7］，文獻［8］分析了艦載雷達的現狀及發展趨勢，文獻［9］分析了艦載電子設備的可靠性，文獻［10］提供了一種艦載作戰系統網絡優化的解決方案，文獻［11］提供了一種艦載作戰系統控制的解決方案，文獻［12］提供了一種簡單的分布式艦載系統模型，文獻［13］驗證了傳統艦載作戰系統的可靠性。

本文對艦載作戰系統做出一定合理假設，并在此基礎上對作戰系統的組成關系進行分析，提出一種度量艦載作戰系統戰備狀態的指標—戰備可用性CU（Combat Usability）來定量描述當前作戰系統的設備、分系統和系統的戰備狀態。CU的值在［0，1］之間，CU=0表示該系統或者設備完全失效；當CU=1表示設備和系統可以完全正常使用。最后，給出作戰系統的戰備可用性的具體計算方法。本研究結果對設計和實現作戰系統的戰備完好性測試系統和改進作戰系統的設計具有指導性的意義［14～15］。

2 艦載作戰系統戰備狀態分析

2.1 作戰系統層次性關系分析

艦載作戰系統從邏輯層次關系上可分為三層（如圖1所示）：作戰分系統層（包括反潛戰分系統、對空戰分系統、對海戰分系統等）、作戰單元層（如對空戰分系統包括艦空導彈單元、副炮單元和主炮單元組成）和作戰設備層（如主炮單元又有火炮火控設備、火炮用雷達和發射裝置）。

圖1 作戰系統的層次結構劃分

站在作戰單元內部的角度來看，其戰備可用性取決于該作戰單元包含的所有設備的戰備可用性。從作戰單元與其它單元的相互關系看，作戰單元為完成某項功能，需要與多個其它的作戰單元和設備相互通信配合。例如，完成艦空導彈發射的任務，不僅需要艦空導彈系統能正常工作，還需要雷達傳感器、指控系統、時統、綜合導航系統等的支持。如果艦空導彈單元能正常工作，但某些傳感器失效，則艦空導彈單元無法從這些失效的傳感器中獲得有效的信息，會導致系統降功能使用。

站在作戰系統的頂層角度來看，若能計算得到一個作戰單元的戰備可用性后，就能得到作戰分系統乃至整個作戰系統的戰備狀態。

2.2 戰備可用性的分析和計算

結合上述分析可以看出，分析和計算作戰單元的戰備可用性是評價整個作戰系統戰備可用性的核心。為了計算一個作戰單元的戰備可用性，需要知道兩點：1）作戰單元與其相關系統、設備的依賴關系；2）作戰單元自身的戰備可用性和與其相關依賴系統、設備的可用性。為了簡化問題而又不失一般性，做出兩點假設：

1）每一個作戰單元和與其依賴的系統、設備的戰備可用性已知，由各分系統提供。

2）作戰單元相互之間的依賴關系和影響是線性并且是有限的（例如，主炮單元對時統的依賴，若時統的戰備可用性為0.5，主炮單元的戰備可用性下降0.2，若時統完全故障，主炮單元的戰備可用性下降0.4）。

為了方便描述，給出若干定義，并用這些定義對系統戰備狀態進行分析。首先定一個集合Ω，Ω描述了作戰系統內的所有戰備單元的集合。

定義1 某作戰單元Di的固有狀態Inherent?Status(Di)描述了作戰單元由于自己的原因（而非受到其它設備或系統的影響）表現出的戰備狀態，包括正常NORMAL，降功能使用DEGRADED，或者完全故障FAILURE。InherentStatus(Di)∈

｛NORMAL，DEGRADED，FAILURE｝ （1）

進一步定量描述一個作戰單元的戰備可用性，描述了該作戰單元自身的狀態對作戰單元戰備狀態產生的影響。

定義2 作戰單元的固有戰備可用性InherentCombatUsability(Di)描述了該作戰單元的當前可用性度量（即不受其它設備、系統的狀態影響）：

下面給出了一個實例。

例1：指控系統在正常狀態下的戰備可用性為1，在數據庫機柜故障的情況下可用性為0.8，而在戰術處理機故障時的可用度只有0.5。

定義3 某作戰單元Di的表現狀態Status(Di)描述為作戰單元Di由于自己的原因以及其它所依賴的設備狀態而導致Di出現的狀態。同樣包括三種狀態：NORMAL，DEGRADED，FAILURE。

定義4 定義一個作戰單元的表現戰備可用性CombatUsability(Di)描述了該作戰單元表現出來的可用性度量：

根據上述定義，很顯然有：

例2：在某艦作戰系統中，艦艦導彈需要接收雷達A，雷達B等雷達系統的航跡信息，因此，即使艦艦導彈的固有戰備可用性為1，但由于艦艦導彈接收不到任何雷達的航跡信息，因此艦艦導彈的表現戰備可用性也小于1。

在下文中，我們提到的戰備可用性，若無特別說明，都是指的表現戰備可用性。

定義5 某作戰單元Di硬依賴集HardDepen?dency(Di)。如果HardDependency(Di)的任何一個作戰單元故障，都將會導致作戰單元Di完全故障，形式化描述為備故障，都將會導致作戰單元Di降功能使用，形式化描述為

例4：在某艦作戰系統中，艦空導彈軟依賴于雷達A、導航系統、時統系統和指控系統，也即Soft?Dependency（艦空導彈）=｛雷達A，指控，時統，導航｝

定義7 某作戰單元Di的全依賴集Dependen?cy(Di)為SoftDependency(Di)和HardDependency的合集合形式化描述為

定義8 某作戰單元D的對作戰單元E的依賴度DependencyFactor（D，E）表示為：若作戰單元E故障或降功能使用，作戰單元D的戰備可用度下降的比例。形式化描述為

例3：在某艦作戰系統中，艦空導彈強依賴于雷達A（其它的雷達探測距離、精度、數據率都不能滿足以上要求而且艦空導彈需要雷達A對目標進行精跟），即若雷達A故障，艦空導彈統將完全無法正常工作，即

HardDependency(Di)（艦空導彈）=｛雷達A｝

這里 CombatUsability（D）B表示E出現故障之前，CombatUsability（D）E表示E出現故障之后。

特別的，當D＝E時，表示作戰單元D對自身的依賴度。DependencyFactor（D，E）表示為設備D的固有可用度對自身表現可用度的貢獻比例。

例5：在某艦作戰系統中，艦空導彈軟依賴于雷達A、導航系統、時統系統和指控系統。艦空導彈對時統的依賴度DependencyFactor（D，E）（艦空導彈，時統）=0.5，即若時統出現故障，其可用度變為0.5，則艦空導彈的可用度降低0.25；若時統完全故障完全不可用，則艦空導彈的可用度降低0.5。

根據上述定義，可以很容易得出某設備的戰備狀態計算公式。

定理1 作戰單元Di的表現狀態Status(Di)根據其固有狀態和它的依賴集合狀態所決定，即：

定義6 某作戰單元Di軟依賴集SoftDepen?dency(Di)：如果SoftDependency(Di)的任何一個設Status(Di)

同道，根據定義8可以計算出某作戰單元的戰備可用性的定量計算公式：

定理2 作戰單元Di的戰備可用性CombatUs?ability(Di)可由下述公式計算：

例6：下面以某艦上的艦艦導彈系統為例進行分析。艦艦導彈需要依賴于述系統或設備：指控系統、時統、導航系統、雷達A、雷達B、雷達C、通信通道A、通信通道B。

艦艦導彈導彈系統對各個分設備系統的依賴度DependencyFactor(Di，Ei)分別如下：

DependencyFactor（艦艦導彈，指控）=0.2，

DependencyFactor（艦艦導彈，時統）=0.1，

DependencyFactor（艦艦導彈，導航系統）=0.2，

DependencyFactor（艦艦導彈，雷達A）=0.1，

DependencyFactor（艦艦導彈，雷達B）=0.1，

DependencyFactor（艦艦導彈，雷達C）=0.1，

DependencyFactor（艦艦導彈，通信通道A）=0.05，

DependencyFactor（艦艦導彈，通信通道B）=0.05。

艦艦導彈對自身的依賴度DependencyFactor（艦艦導彈，艦艦導彈）=0.2。

假設各個設備、系統的戰備可用性或表現可用性如下：

InherentCombatUsability（艦艦導彈）=1，

CombatUsability（指控）=0.9，

CombatUsability（時統）=1，

CombatUsability（導航系統）=1，

CombatUsability（雷達A）=0.9，

CombatUsability（雷達B）=0.8，

CombatUsability（雷達C）=0.5，

CombatUsability（通信通道A）=1，

CombatUsability（通信通道B）=0.7。

根據式（9）可以計算得到艦艦導彈系統戰備可用性為

從上面的定義和計算公式可以看出。為了提高某一個作戰單元的戰備可用性，不僅戰備單元自己設備的可用性，也要盡量提高與其相依賴設備和系統的可用性。盡量減少或消滅戰備單元的硬依賴集，減少軟依賴集設備的戰備可用性。在我們設計作戰系統的時候，也應將上述原則作為設計的指導性原則。

2.3 戰備可用性的關聯影響

得到戰備可用性的具體計算值后，另一個需解決的問題是：當一個設備或者作戰單元的戰備狀態發生變化時，會影響哪些其它的設備或者作戰單元。給出影響集的定義，描述當一個作戰單元的戰備狀態發生變化時，有那些其它的作戰單元會收到影響。

定義9 某作戰單元D的影響集EffectingSet（D）定義當作戰單元D的作戰狀態發生變化時，那些其它作戰單元會收到影響，形式化描述為

這里給出影響集的計算方法：假設作戰單元R的戰備可用性發生變化。會影響其它作戰單元的集合EffectingSet（R）為ω。ω的計算方式如下：

根據上述計算方法，可以計算某個作戰單元的戰備可用性發生變化后的影響其它系統的集合。因此，在實際系統的運行中，當一個作戰單元的戰備狀態發生變化后，應該立即計算和更新其它受影響的戰備單元的戰備可用性。需要注意的是，生成的EffectingSet（R）是一個偏序集合的關系（partial order），需要重新進行拓撲排序后，按照生成的拓撲順序計算戰備可用性。

3 結語

艦載作戰系統是一個復雜的分布式系統，其系統、分系統和設備的戰備狀態不僅取決于設備本身的戰備狀態，也取決于與其相關系統（設備）的戰備狀況。如何對艦載作戰系統的戰備狀態進行定性和定量的評價和分析是作戰系統研制領域的難點。

本文的主要貢獻在于：1）在對艦載作戰系統各設備、作戰單元、系統做出一定合理假設的前提條件下，對作戰系統的戰備狀態進行定性和定量的分析，并給出戰備狀態的定量計算方法；2）根據作戰系統相互依賴的偏序關系，提出當某一個作戰單元的戰備狀態發生變化后，其它系統的戰備狀態計算方法。本文的研究結果對設計和實現作戰系統的戰備完好性測試系統和改進作戰系統的設計具有指導性的意義。

由于本文提出的作戰系統相互的關聯方式是一個簡單的線性關系，而實際作戰系統的關聯關系可能更加復雜。因此，我們下一步的工作是繼續研究作戰系統的實際關聯關系。

［1］閔紹榮.艦艇作戰系統功能劃分方法［J］.中國艦船研究，2007，2（5）：24-29.

MIN Shaorong.Function division method of warship com?bat system［J］.Chinese ship research，2007，2（5）：24-29.

［2］董曉明，石朝明.一種艦載作戰系統體系結構量化評估方法［J］.艦船電子工程，2008，28（9）：1-4.

DONG Xiaoming，SHI Chaoming.A method for quantita?tive evaluation of Shipboard Combat System Architecture［J］.Naval Electronics Engineering，2008，28（9）：1-4.

［3］Michele Lanza，Radu Marinescu.Object-Oriented Metrics in Practice：Using Software Metrics to Characterize，Evalu?ate，and Improve the Design of Object-Oriented Systems［M］.Springer，2006.

［4］D.A.Patterson，J.L.Hennessy．Computer Architecture：A Quantitative Approach.（2nd Edition）［M］.北京：機械工業出版社，1999.D.A.Patterson，J.L.Hennessy.Computer Architecture：A Quantitative Approach.（2nd Edition）［M］.Beijing：China Machine Press，1999.

［5］梁百川.艦船干擾火箭武器系統的性能評估和作戰效能評估［J］.艦船電子對抗，2001（6）：1-7.

LIANG Baichuan.Performance evaluation and operational efficiency evaluation of ship jamming rocket weapon sys?tem［J］.Electronic warfare of ships，2001（6）：1-7.

［6］唐宏，陳少卿.指揮控制系統的效能評估［J］.系統仿真學報，2001，13（suppl）：392-394.

TANG Hong，CHEN Shaoqing.Performance evaluation of command and control systems［J］.Proceedings of the sys?tematic simulation，2001，13（Suppl）：392-394.

［7］郭萬梅，趙曉哲.艦載雷達效能評估［M］.北京：國防工業出版社，2003.

GUO Wanmei，ZHAO Xiaozhe.Effectiveness evaluation of shipborne radar［M］.Beijing：National Defence Industry Press，2003.

［8］周萬幸.艦載雷達的現狀及發展趨勢分析［J］.現代雷達，2007，29（9）：1-4.

ZHOU Wanxing.Present situation and development trend of shipborne radar［J］.Modern radar，2007，29（9）：1-4.

［9］吳晗平.艦載電子設備可靠性與環境防護技術［J］.裝備環境工程，2004，1（5）：64-68.

WU Hanping.Reliability and environmental protection technology of shipborne electronic equipment［J］.Equip?ment environmental engineering，2004，1（5）：64-68.

［10］何靜，謝曉方.基于快速以太網的艦載作戰系統網絡優化［J］.計算機工程與應用，2001，37（2）：56-57.

HE Jing，XIE Xiaofang.Network Optimization of Ship-based Combat System Based on Fast Ethernet［J］.Computer engineering and Applications，2001，37（2）：56-57.

［11］曹正才，金艷艷.艦載雷達伺服系統的復合控制［J］.雷達與對抗，2004（1）：51-54.

CAO Zhengcai，JIN Yanyan，Combined control of Ship?borne Radar Servo System［J］.Radar and Countermea?sures，2004（1）：51-54.

［12］楊傳順.以數據為中心的艦載分布式系統［J］.艦船科學技術，2011，33（7）：75-78.

YANG Chuanshun.A data centric shipboard distributed system［J］.Ship science and technology，2011，33（7）：75-78.

［13］張路青.艦載作戰系統任務可靠性模型研究［J］.艦船電子工程，2003（5）：9-12.

ZHANG Luqing.Research on mission reliability model of shipborne combat system［J］.naval Electronics Engi?neering，2003（5）：9-12.

［14］謝紅勝，陳炯，馬羲，等.網絡中心戰中信息網絡連接優化設計［J］.中國艦船研究，2009，4（5）：59-62.

XIE Hongsheng，CHEN Jiong，MA Yi，et al.Optimization design of information network connection in Network Centric Warfare［J］.Chinese ship research，2009，4（5）：59-62.

［15］區全福，李瑞，謝紅勝，等.基于TOPIS和不確定語言的作戰系統功能配置方案評［J］.中國艦船研究，2011，6（2）：56-61.

QU Quanfu，LI Rui，XIE Hongsheng，et al.A functional configuration scheme for combat systems based on TO?PIS and uncertain language.A review of［J］.Chinese ship research，2011，6（2）：56-61.

Research on Evaluation of the Ship-borne Combat System Operational States

CHENG Lili1LUO W ei2HU Zhiyi3ZHAO Kaim in2ZHANG Yi3
（1.Patent Examination Cooperation Hubei Center of the Patent Office SIPO，Wuhan 430060）（2.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064）（3.Electronic Information School，Wuhan University，Wuhan 430072）

TP302

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.09.021

2017年3月4日，

2017年4月18日

程莉莉，女，博士，助理研究員，研究方向：電子信息系統，無損檢測。羅威，男，博士，高級工程師，研究方向：艦船電子信息系統。胡芷毅，男，碩士，研究方向：大數據分析。趙開敏，男，碩士，研究方向：艦船電子信息系統。張毅，男，碩士，研究方向：大數據分析。