航天裝備試驗效能指標體系優化研究

侯 煒，韋國軍，齊分嶺，孫 金，何能波，朱佳辰

（航天工程大學航天保障系，北京 102200）

0 引言

近年來，我國裝備試驗鑒定領域發生了重大調整和變化，裝備試驗鑒定體系重新塑形，初步建立了新的裝備試驗鑒定管理體制。新裝備在全壽命周期的試驗分為性能試驗、作戰試驗和在役考核3 個類型[1]，裝備在全壽命周期的試驗鑒定工作劃分為性能試驗—狀態鑒定、作戰試驗—列裝定型和在役考核—改進升級3 個環路，和改革調整之前的試驗鑒定工作相比，裝備試驗鑒定工作內容更廣、標準更高。

航天裝備是用于實施和保障各類航天活動的系統、設備、設施和器材的統稱，主要包括各類衛星和其運行控制系統、應用系統，以及空間武器系統及航天運輸等相關保障系統[2]。航天器發射入軌后，需要對航天器各個分系統在軌的性能狀態進行評估，這是航天器在軌測試的前提和在役考核的基礎。部分航天裝備試驗鑒定指標項目多、測試方法復雜、測試周期長，嚴重制約后續工作的開展，如不同程度存在測試指標與研制部門設計驗證性能試驗項目重復、部分測試項目測試結果遠遠優于指標要求、用固定門限衡量動態指標和特殊航天器執行特殊任務能力相關指標缺乏等問題。

針對航天裝備試驗中指標體系存在的諸多問題，應從航天裝備戰術技術指標構設理論層級研究，從航天產品工程化和技術成熟度的技術角度，結合航天裝備的任務使命，按照“使命—任務—能力—指標”的方法，構設航天裝備指標體系，分析指標合理性，計算各個指標對航天器可靠性貢獻度，確定裝備指標優先級或確定指標門限。同時結合任務場景，區分環境敏感和使用敏感的指標，按使用環境和裝備運行方式約束，明確航天器指標的動態變化范圍。

1 指標與指標體系

1.1 指標

裝備性能和裝備效能是裝備試驗鑒定的主要試驗內容，一般用指標來表示。

（1）指標是對裝備的本質特征、結構及其構成要素的客觀描述和準確表達，是度量事物屬性或事物之間關系的一種量化準則。更形象地說，指標是試驗鑒定工作者認識裝備、表達裝備、相互交流的通用語言。

（2）基礎指標是指可以直接度量的指標，如航行速度、打擊范圍、飛行距離等。

（3）派生指標是基礎指標通過一定的關系運算得到的指標，如命中概率、毀傷概率等。通常指標體系中的基礎指標（包括部分派生指標）都有具體的物理含義。當對其賦予確定的數值時，往往就成為表示系統某個或某方面固有屬性的性能指標，如導彈的射程為600 km。而作戰試驗需要通過作戰行動來評估裝備效能，此時的基礎指標的數值與作戰試驗設定的作戰任務和作戰環境有關，盡管與相應的性能指標物理意義相同，但數值是不同的。因此，不能簡單地認為武器裝備的性能指標就是效能指標體系中的基礎指標。

通常情況下效能指標不能通過直接測量獲得，而需要由基礎指標按照預先構造的模型計算獲得。這個模型被稱作效能度量模型。盡管通過效能度量模型，可以計算得到效能的確切數值。但這個數值往往對應的是效能的某個區間。例如，可以將效能度量值對應為“好”“中”“差”3 檔，或再細分成9 檔等。所以，效能指標的數值反映的是裝備完成某任務的程度，是一個相對值或概率值，與性能指標有明顯的區別。

1.2 效能、單項效能、系統效能與適用性

（1）效能：在規定條件下，確定系統效能指標、建立度量模型、估算系統效能值和對系統能力與效果進行分析與評價的過程，通常通過解析法、統計法和仿真法3 種評估方法估算。

（2）單項效能：在一定條件下裝備系統完成單一使用目標的程度，如偵察探測效能、火力打擊效能、指揮控制效能、信息傳輸效能等。

（3）系統效能：在一定條件下，裝備系統被用來執行規定任務所能達到預期目標的程度[3]。

（4）適用性：系統在使用時的滿意程度，包括可用性、運輸適應性、互操作性、可靠性、可使用率、可維修性、安全性、人的因素、人力保障性、后勤支持性、文件保障性等[4]。

1.3 指標設置

完成任務是裝備存在的意義，裝備完成規定任務的能力是首要考慮因素，用任務效能度量。將全壽命周期的裝備試驗統一規范為性能試驗、作戰試驗和在役考核三大類，在此統稱為裝備的在役適用性。裝備要適應戰場，要貼近實戰，在實際任務中發揮作用，也就是要確保裝備“好用”，這個指標可以用任務適用性來度量。

現代化戰爭的本質是體系與體系的對抗，形成基于信息系統的體系作戰能力是軍隊信息化建設的根本出發點和落腳點，裝備發展理念開始由研制性能先進的單一裝備，向構建功能完備、實力強大的裝備系統和裝備體系轉變。因此，影響裝備效能的主要因素還有裝備的體系適用性。

綜上所述，可以將任務效能、任務適用性、在役適用性和體系適用性這4 個綜合性指標作為表征裝備效能的一級指標（圖1）。

圖1 裝備效能指標設置與定義

2 航天裝備效能指標設置

根據圖1 的裝備效能4 個頂層指標結合航天裝備共有特性進行進一步分解，得到航天裝備指標體系框架。

（1）任務效能分解：任務效能反映的是裝備完成特任任務的能力。首先，完成任務為首要條件，將其稱為“完成核心任務能力”；其次，裝備要完成使命任務，還必須具備“快速響應能力”“生存能力”“指揮與控制能力”“機動能力”。

（2）任務適用性指標分解：根據任務適用性定義，可以從滿足任務要求的角度和適應任務環境的角度對任務適用性指標進行分解。其主要影響因素有：可靠性、維修性、測試性、標準化、安全性、保障性和人機適用性等。因此，任務適用性可以分解為：裝備可靠性、裝備維修性、裝備測試性、裝備標準化、裝備保障性、人機適用性和環境適用性等。

（3）在役適用性指標分解：①從裝備性能和狀態保持方面；②從裝備與人、裝備與裝備的合理性方面；③從服役期經濟性方面。因此，在役適用性指標可分解為：穩定運行狀況、適應任務程度、服役期經濟性等。

（4）體系適用性指標分解：主要考慮裝備在特定裝備體系中的融合能力和貢獻率，因此將其下一級指標分解為體系融合度和體系貢獻率。

（5）指標體系框架：根據對任務效能、任務適用性、在役適用性和體系適用性的影響因素分析，分解除了上述指標的下一層指標，得到如圖2 所示的航天裝備試驗指標體系框架。

圖2 航天裝備試驗指標體系框架

3 裝備可靠性指標優化方法

航天裝備指標多而且復雜，其效能指標呈現混合數據類型的狀態，以可靠性指標如何優化為例進行對比分析。近年來，粒子群優化算法、拉格朗日乘數法、人工免疫算法等廣泛應用于可靠性指標分配領域[5]。結合復雜多階段任務的航天系統可靠性設計與分析工作特點，綜合考慮航天裝備系統復雜程度等因素，針對系統可靠性指標分配問題，試用權衡分析進行可靠性指標分配。

3.1 可靠性指標分配方法

目前已有很多實用的可靠性指標分配方法，如AGREE 分配法、等分配法、加權分配法、評分分配法等，綜合以上方法進行方法描述和比較（表1）。航天裝備的系統可靠性分配指標與多種因素相關，要考慮到航天系統復雜程度、技術成熟度、重要程度、環境條件、任務時間等因素更加準確地進行各分系統可靠性指標權衡優化[6]。以上方法各有所長，但也都存在不足，有些方法沒有考慮系統之間的差異，難以支撐型號可靠性分配實際工作。

表1 可靠性指標分配方法對比

3.2 加權

本文在普遍評分分配法的基礎上，加入了基于權衡分析的加權因子，不再單從各單元或子系統所占總分值比例角度判斷子系統重要程度。先設置一組交叉影響矩陣（圖3）。

圖3 交叉影響矩陣

P1，P2，…，Pn是裝備系統關鍵子系統，k 為比例系數。由于各子系統自身不產生自擾，所以矩陣對角線元素均為零。對比時兩子系統和為10，較為重要的子系統得分應大于5 即：

將矩陣中每行進行相加得ωi，則該行子系統加權系數：

其中，S 為被測裝備關鍵子系統的數量；ωi為各比例系數數值之和；為所有行比例系數之和。

航天裝備以實際測試開始為基準，主要用于分配整個被測裝備的基本可靠性，通常用于體系指標細化至各子系統指標的階段，也是方案設計階段。

4 實例分析

以某型航天器系統為例，假設該航天器由結構分系統、機構分系統、熱控分系統、電源分系統、測控分系統和動力分系統組成，綜合權衡分析各種關鍵子系統的相互重要程度，并將整個航天器的可靠性指標分配給各關鍵子系統（表2）。

表2 某航天器子系統評分

計算結構分系統和機構分系統之間加權分數所占比例系數：

以此方法依次算出其他子系統的比例系數，構成優先程度評估矩陣（表3）。

表3 某航天器子系統優點程度矩陣

帶入式（2）進行計算，得出結構分系統W1=0.21，W2=0.19，W3=0.18，W4=0.16，W5=0.15，W6=0.11，由此得出該航天器6 個分系統可靠性指標分配權重。

5 結論

按照航天器4 個頂層指標來劃分航天器指標的合理性，利用權衡分析進行可靠性指標分配具有借鑒意義。