火箭助飞鱼雷试验评定中数据分析与处理方法

曹庆刚, 杨小丰, 李 兵, 房 毅



火箭助飞鱼雷试验评定中数据分析与处理方法

曹庆刚, 杨小丰, 李 兵, 房 毅

(中国人民解放军91439 部队, 辽宁 大连 116041)

从指标评定的需求出发, 提出了火箭助飞鱼雷试验中数据的使用及处理方法, 通过环境因子折算、异常值检验、相容性检验等数理统计方法, 融合了研制阶段信息和仿真试验信息, 该方法有效降低了试验所需样本数, 为小样本条件下战术技术指标的综合评定提供了思路。

火箭助飞鱼雷;试验数据; 小样本; 评定

0 引言

在火箭助飞鱼雷定型试验中, 试验样本量的选取和确定是一个关键性环节。在试验样本数量一定的前提下, 既要保证试验的质量, 又要在试验出现无效条次或没有拿到数据的情况下, 尽可能多地“创造”试验样本, 以便达到评定战技指标所需要的最优试验样本数量。为了“创造”试验样本, 需要将陆试、湖试、海试试验数据, 科研、定型试验数据以及仿真试验数据汇总起来综合进行考虑, 以达到增加试验信息, 充分考核战技指标的目的。但这种数据汇总不是简单的数字叠加, 而是通过环境因子折算、异常值检验、相容性检验等数理统计分析方法, 将其转变成来自同一母体的数据来实现, 然后再通过这些数据进行指标综合分析与评定。

1 试验数据的选取范围

在火箭助飞鱼雷定型试验中, 原则上只选取陆上定型试验加海上定型试验的样本作为定型试验评定总的试验样本。但是受试验时间和经济因素的双重制约, 这样得到的试验样本严重不足, 如果采用经典的统计检验方法对战技指标进行检验, 会给指标评定带来较大的风险, 评价结论的置信度较低。为此, 要将科研阶段的陆试、湖试、海试试验样本综合起来作为验前信息, 并运用Bayes小子样数理统计方法对指标进行综合评价, 达到战技指标考核的目的。

除此以外, 在对火箭助飞鱼雷飞行可靠度和任务可靠度等指标进行综合评定过程中, 还可以引入定型批鱼雷各分系统的试验信息或系统仿真信息作为验前信息使用[1]。概括来说, 火箭助飞鱼雷定型试验评定应该根据火箭助飞鱼雷科研阶段陆试湖试海试试验信息、定型批鱼雷各系统的地面试验信息或仿真试验信息、火箭助飞鱼雷定型阶段陆试、湖试或海试试验信息等进行综合评价。

2 试验数据的处理步骤及方法

由于火箭助飞鱼雷评定中试验数据获取的渠道复杂, 评定过程中需要借鉴战术导弹鉴定试验中利用仿真和验前信息进行综合评定的思路[2], 因此试验评定中数据的处理相对来说存在较大难度, 具体应参考以下几个步骤。

一是对获取的试验数据进行折合计算, 使其变成同一环境条件下的试验数据, 比如陆试湖试数据折合为海上试验数据、中小射程试验数据折合为大射程试验数据、现场试验数据折合成标准试验数据等都属于这类情况。

二是对获得的试验数据进行异常值检验, 使其符合相应的概率分布情况。

三是对不同环境下获取的试验数据进行相容性检验, 验前信息与现场子样的相容性检验、仿真信息与现场子样的相容性检验等都属于这类情况。

完成上述步骤后, 便可通过数理统计方法和手段对试验信息进行综合分析处理。下面具体介绍数据的分析与处理方法。

2.1 数据折合

2.1.1 湖海试验数据折合

陆试、湖试数据折合为海上试验数据主要分2种情况: 一是在使用验前信息时, 需要将研制试验的陆试、湖试数据信息折合为海上研制试验信息; 二是在定型试验中, 需要将陆上试验信息折合成海上试验信息, 以提高评定的可信度。这种情况下一般采用环境因子折算方法, 根据陆试、湖试与海试环境的环境因子差异, 将不同环境下的试验数据折算成同一环境下的试验数据。

环境因子折算主要分为以下几个步骤: 一是先求出陆试、湖试与海试环境的环境因子; 二是进行环境因子折算; 三是进行试验数据综合。下面以可靠度指标为例, 分析环境因子的确定和折算方法。

1) 确定环境因子

系统或分系统的试验数据一般分为成败型数据和指数型数据2种, 在环境因子的折算中要将2类数据类型转化为同种类型的数据, 然后才能进行折合。

一般来说, 环境因子分布符合Gamma分布或逆Gamma分布, 可通过概率密度函数近似分布的方法进行拟合。

成败型数据从工程角度来说, 计算起来过于复杂。因此, 通常情况下可将成败型数据转换为指数型数据, 借助于指数型产品的环境因子进行折算。

2) 对试验数据进行环境因子折算

3) 将不同环境下试验数据综合

2.1.2 射程数据折合

在进行火箭助飞鱼雷最大射程指标考核的过程中, 最大射程数据受试验条次数的影响, 样本数量严重不足, 需要将中、小射程试验数据转化为最大射程试验数据。由于火箭助飞鱼雷为弹道式火箭助飞鱼雷, 它的射程与发动机的装药量、使用量及飞行时间有着直接的关系, 一般通过控制发动机的一级关机时间, 来达到控制射程的目的。因此, 如果要把中、小射程试验样本转换为大射程试验样本, 可根据遥测数据记录中、小射程发动机的一级关机时间、火箭助飞鱼雷的飞行时间、燃料的消耗量和剩余量等参数, 推算出所能达到的最大射程, 从而有效地增加最大射程试验样本。这种方法在战略导弹的射程能力考核中已经是成熟的做法。

2.1.3 现场试验与标准试验数据折合

根据火箭助飞鱼雷研制总要求规定, 最大射程指标指的是标准大气条件下的火箭助飞鱼雷所能达到的最大射程。试验现场的射程数据, 是在真实大气环境和干扰下获得的实际数据, 在进行最大射程的统计评定前, 需要将实际测量数据转换成标准条件下的最大射程数据。由于影响射程的因素有高空风、地球自转克里奥利力及其他诸多因素, 因此, 在射程转换前可以通过仿真将实际射程和标准射程制成一一对应的射表, 当现场射程数据出来后, 可通过查表或插值计算推出标准射程, 然后依据标准射程数据对该指标进行统计和评定。

2.2 异常值检验

异常值是指样本中的个别值, 其数值明显偏离它所属样本的其余观测值。经过数据折合后的试验样本, 如果要确保数据可用, 需要对其进行异常值检验。对检出的异常值, 应尽可能地寻找产生异常值的技术上、物理上的原因, 作为处理异常值的依据。

2.2.1 异常值检验方法

异常值检验方法通常有格拉布斯检验法和狄克逊检验法2种。对出现一个异常值的情况, 一般采用格拉布斯检验法, 而如果出现多个异常值, 狄克逊检验法检出异常值的能力要优于格拉布斯检验法。在具体检验过程中, 要视情况选用不同的方法达到检验异常值的目的。

异常值主要包括3种情形, 上侧情形: 异常值出现在高端; 下侧情形: 异常值出现在低端; 双侧情形: 异常值出现在两端。在火箭助飞鱼雷指标评定中, 可以根据火箭助飞鱼雷指标的具体情况选取异常值检验方法。如在火箭助飞鱼雷落点精度的考核中, 落点偏差的最大值方向容易产生异常值, 因此可以选用上侧情形检验法进行检验; 而在最大射程的考核评定中, 最大射程的最小值产生异常值的概率较大, 因此可以选用下侧情形检验法进行检验。无论哪种方法, 都要遵循以下步骤进行。

需要强调的是, 如果用狄克逊检验法检验出异常值时, 应先将检验出的异常值排除后, 用剩余的样本重新按上述步骤进行检验, 直到没有异常值为止。

2.2.2 异常值的处理方式

由于火箭助飞鱼雷试验为小样本量试验, 为保证评定的客观公正性, 出现异常值后不应不加分析地将其抛弃, 还要根据具体情况确定其取舍, 原则上以物理判断为主, 数学分析为辅助手段[4], 几种主要处理方式如下。

1) 找到产生异常的因素, 且在因素排除后该异常不再复现, 则该异常数据从样本中剔除;

2) 如能找到明确的技术原因, 经承制方、使用方和试验方协商同意, 可采用科学方法对试验数据进行修正, 修正后的数据列入评定样本;

3) 如找不到产生异常的原因, 则该异常值仍应列入样本, 不予剔除。

4) 如果试验数据检验结果不为异常值, 但能找到确切的证据, 证明发生了异常, 则该试验数据也应作为异常值剔除。

2.3 相容性检验

从统计范畴来说, 子样间的相容性问题属于非参数检验问题[5], 方法较多, 考虑到工程实际中的特殊情况, 比如火箭助飞鱼雷定型试验中子样数只有十几个, 在这种小子样情况下一般采用Wilcoxon-mann-Whitney的秩和检验方法进行相容性检验。

对火箭助飞鱼雷来说, 需要进行相容性检验的数据主要包括以下两方面: 一是验前信息与现场子样的相容性检验; 二是仿真试验信息与现场子样的相容性检验。这两类信息数据来源不同, 但具体的处理方法则基本相同。

2.3.1 秩和检验的基本原理与步骤

1) 将2个子样混合排序(由小到大), 可得次序统计量为

2.3.2 秩和检验的使用条件

对火箭助飞鱼雷定型试验来说, 子样数刚好满足第2种情况, 应该用第2种方法进行相容性检验。

3 数据分析与处理范例

根据上述方法, 下面以落点精度指标的考核评定为例, 说明火箭助飞鱼雷试验指标评定中数据的分析与处理过程及方法。在其他指标考核评定方法中可能有所不同, 但总体思路是一致的。

在对落点精度进行评定时, 首先根据方案设计阶段和初样设计阶段的验前信息计算验前概率, 在使用方和研制方风险基本相当的原则下确定评定方案, 最后, 通过现场试验数据, 作出落点精度是否满足指标的判定。因此, 在进行落点精度指标的统计评定前, 应做好如下工作。

1) 数据的分析与折合

首先要将方案阶段和初样设计阶段的验前试验数据进行折合, 以便进行验前概率的计算。方案阶段和初样设计阶段的试验数据包括: 陆试、湖试和海试等多种试验源数据, 含静基座和动基座两种发射条件。这些数据在应用时不能简单地叠加形成验前试验数据, 而要在分析的基础上加以折合, 使之近似属于同一母体的数据才能运用。

落点精度指标同射程没有直接的关系, 不同射程下落点精度指标是一致的, 因此不同射程条件下的试验数据可以不进行折合, 直接加入试验样本。而对陆上试验和湖、海试验数据, 由于发射方式不同, 数据不能直接相加。在此,可以引入环境因子的概念, 即通过仿真试验和初样雷陆、湖、海试验信息, 确定相应的环境因子。通过环境因子, 将陆试、湖试数据转变成海上试验数据, 从而完成不同试验源数据的折合工作。

2) 异常值检验

在进行落点精度的试验数据折合后, 要对其中出现的数据进行异常值检验, 并根据火箭助飞鱼雷异常值的处理原则, 对出现的异常值进行分析和取舍。

3) 相容性检验

进行异常值检验后, 落点精度的验前试验数据和现场试验数据均已确定。但Bayes方法应用验前信息的前提是验前信息能够反映性能参数的统计特性, 即要求验前信息和现场试验数据近似属于同一母体。由于两种信息是在不同条件下获得的, 因而必须对验前信息与现场信息进行相容性检验, 以确定二者是否服从同一分布。

4 结束语

本文从火箭助飞鱼雷定型试验指标评定的工程实际出发, 研究了在小子样条件下试验数据的分析与处理方法, 通过环境因子等相关数据折合方法、异常值检验方法、相容性检验方法等数理统计手段, 将试验验前信息、研制阶段飞行试验和仿真试验信息、定型试验信息有效地结合起来, 以达到综合试验鉴定的目的, 为火箭助飞鱼雷定型试验指标评定提供了思路。

[1] 中华人民共和国国家军用标准. 鱼雷通用规范GJB 531B-2009[S]. 国防科学技术工业委员会, 2012.

[2] 曲宝忠, 孙晓峰. 海军战术导弹试验与鉴定[M]. 北京: 国防工业出版社, 2005.

[3] 金振中, 李守秀. 反舰导弹飞行可靠性验前信息分析与综合[J]. 质量与可靠性, 2000(3): 25-28.

[4] 中华人民共和国国家军用标准. 正态样本异常值的判断和处理GB/T 4883-1985[S]. 国防科学技术工业委员会, 2008.

[5] 张湘平, 张金槐, 谢红卫, 等. 验前信息与现场子样的相容性检验方法研究[J]. 革命飞行器测控学报, 2002, 21(1): 55-59.

(责任编辑: 许 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.

曹庆刚(1968-), 男, 工程师, 研究方向为鱼雷试验总体.