環(huán)境適用性評估中的環(huán)境等級-強度量化方法研究*

李湘寧

（中國人民解放軍92941部隊 葫蘆島 125001）

1 引言

作戰(zhàn)環(huán)境適用性是裝備在實際使用環(huán)境條件下滿足部隊訓(xùn)練和作戰(zhàn)使用要求的程度，是武器裝備作戰(zhàn)試驗評估的主要內(nèi)容［1］。武器裝備作戰(zhàn)環(huán)境主要包含電磁環(huán)境、運輸環(huán)境、火力環(huán)境、使用安全環(huán)境、人機交互環(huán)境、氣候環(huán)境、機械環(huán)境等多重復(fù)雜環(huán)境［2］。不同強度的作戰(zhàn)環(huán)境，會對武器裝備作戰(zhàn)效能的發(fā)揮產(chǎn)生不同的影響，或者說不同的武器裝備對不同環(huán)境條件的適用能力不同，為實現(xiàn)對作戰(zhàn)適用性的定量評估，需要對作戰(zhàn)環(huán)境進行等級判定和強度量化［3～4］。目環(huán)境強度量化的難點主要在于：一是裝備的使用環(huán)境常常提出的是定性要求，無法直接用于作戰(zhàn)適用性的定量評估［5］，將定性要求轉(zhuǎn)換為定量標(biāo)準(zhǔn)，目前常用的是專家評分法，該方法主觀性較強且缺少一定的穩(wěn)定性；二是作戰(zhàn)環(huán)境的復(fù)雜性為強度的判定帶來難度。因而亟需提出一種更為客觀的環(huán)境強度量化評估方法。

2 環(huán)境強度量化基本思路

環(huán)境強度是武器裝備作戰(zhàn)適用性定量評估的重要因子［6～7］，首先需要從相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中查找到環(huán)境等級劃分的定量標(biāo)準(zhǔn)，利用環(huán)境的等級因子擬合出環(huán)境等級-強度函數(shù)，利用等級-強度函數(shù)推導(dǎo)出相應(yīng)的環(huán)境強度系數(shù)。面對武器裝備作戰(zhàn)試驗環(huán)境，依據(jù)環(huán)境因子實測數(shù)據(jù)，即可獲得環(huán)境強度的量化值。主要思路如下：

1）首先設(shè)定環(huán)境強度系數(shù)ωi∈[0，1]，其中i={0，1，2，…，m}，i為等級數(shù)；

2）獲取環(huán)境等級量化標(biāo)準(zhǔn)［4］，對相關(guān)環(huán)境因子的量化條件進行預(yù)處理，形成擬合函數(shù)的輸入樣本量；

3）利用Matlab工具，利用線性函數(shù)或多項式函數(shù)進行擬合，獲得等級-強度擬合函數(shù)［8］；

4）利用等級-強度擬合函數(shù)，計算各種等級條件下的強度系數(shù)。

3 環(huán)境等級-強度函數(shù)建立方法

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

從相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中查找到環(huán)境等級劃分的定量標(biāo)準(zhǔn)，進行數(shù)據(jù)的預(yù)處理［9～10］。

1）設(shè)不同環(huán)境因子的各等級區(qū)間下限為yLij、區(qū)間上限為yUij，各等級均值為，其中i為等級數(shù)，j={1，2，…，n}為環(huán)境因子數(shù)；

2）不同的環(huán)境因子其量綱不同，需進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果為

獲得各等級量化后的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Y：

3）利用歐幾里得距離公式計算各等級到最低等級間的距離di，0:

獲得各等級的距離矩陣D：

D=(d0，0，d1，0，d2，0，…，dm，0)

利用比例分析法，計算各等級的強度系數(shù)ωi:

獲得各等級的強度系數(shù)向量ω:

ω=(ω0，ω1，…，ωm)

對等級梯度進行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

獲得等級系數(shù)向量X:

X=(x0，x1，x2，…，xm)

3.2 等級-強度擬合函數(shù)建立方法

1）將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的X作為擬合函數(shù)的自變量，強度系數(shù)向量ω作為擬合函數(shù)的因變量；

2）利用Matlab 擬合工具，選擇線性函數(shù)、多項式函數(shù)（二次多項式函數(shù)、三次多項式函數(shù)或四次多項式函數(shù)）［11］，獲得相關(guān)的擬合函數(shù)和擬合系數(shù)，選擇擬合系數(shù)最優(yōu)的函數(shù)作為最終的等級-強度擬合函數(shù)f(x)；

3）基于實測的環(huán)境因子，計算獲得其對應(yīng)的強度系數(shù)ωp；

4）基于實測環(huán)境強度系數(shù)ωp，利用等級-強度擬合函數(shù)f(x)，可以獲得對應(yīng)的等級量化值p。

4 計算實例

海況是影響艦載武器裝備作戰(zhàn)能力的典型作戰(zhàn)環(huán)境，已知該型裝備發(fā)射時刻海況環(huán)境因子的實測值為風(fēng)速13.1m/s，浪高2.8m/s，對該型裝備在某次作戰(zhàn)試驗中的海況環(huán)境等級和強度進行定量評估。

1）GJB4000-2000中明確規(guī)定海況等級由0級～9 級共劃分為十級，海況等級主要受浪高、風(fēng)速兩大可量化的環(huán)境因子制約，并具有相應(yīng)的量化標(biāo)準(zhǔn)。海況等級與浪高、風(fēng)速的量化關(guān)系見表1［12］。

表1 海況與浪高、風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系

2）利用式（1）計算獲得的浪高和風(fēng)速的均值及標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果見表2。

獲得各等級量化后的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣：

3）利用式（2）計算各等級到0 級海況的距離，獲得距離向量D：

D=(0，0.0521，0.1438，0.2525，0.4036，0.5749，0.7268，0.9211，1.1965，1.4121)

4）利用式（3）計算各等級強度系數(shù)，獲得海況環(huán)境的等級強度系數(shù)向量ω：

ω=(0，0.0369，0.1018，0.1788，0.2858，0.4072，0.5147，0.6523，0.8474，1)

5）利用式（4）對等級梯度進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，獲得等級梯度向量X。

X=(0，0.11，0.22，0.33，0.44，0.56，0.67，0.78，0.89，1.0)

6）利用Matlab 擬合工具，利用線性函數(shù)、二次多項式函數(shù)進行擬合，擬合結(jié)果分別為

f1(x)=a1x+a2=1.008x-0.1017

f2(x)=a1x2+a2x+a3=0.6651x2+0.3433x-0.003669

表2 浪高和風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果

擬合系數(shù)SSE分別為0.03639、0.0009978，擬合曲線分別見圖1和圖2，二次函數(shù)擬合效果良好，可作為等級-強度擬合函數(shù)。

圖1 線性函數(shù)擬合曲線

圖2 二次函數(shù)擬合曲線

7）計算作戰(zhàn)試驗海況實測等級和環(huán)境強度系數(shù)。

利用式（1），對浪高、風(fēng)速兩個環(huán)境因子的實測數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

利用式（2），計算實測海況到0 級海況的距離dp，0：

利用式（3），計算本次作戰(zhàn)試驗的環(huán)境強度系數(shù)ωp：

ωp=dp，0/dm，0=0.4449/1.4121=0.3151

利用強度擬合函數(shù)f2(x)，在環(huán)境強度系數(shù)為ωp的條件下，計算獲得海況實測等級系數(shù)p=0.48。

因此該次作戰(zhàn)試驗的海況約為4.8 級，海況強度系數(shù)為0.3151。

5 結(jié)語

根據(jù)計算實例可以分析獲得，環(huán)境等級與強度系數(shù)之間通常呈非線性增長函數(shù)關(guān)系，即等級越高，強度變化越快。基于本文中提出的環(huán)境等級-強度量化方法，利用環(huán)境因子實測數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)環(huán)境等級和強度系數(shù)的量化，可用于環(huán)境適用性的定量評估。