基于ADC方法的复杂武器系统效能评估方法
2016-03-24樊丹瑛
王 晅,陶 禹,樊丹瑛
(解放军63961部队,北京 100012)
基于ADC方法的复杂武器系统效能评估方法
王晅,陶禹,樊丹瑛
(解放军63961部队,北京100012)
摘要:ADC方法是武器装备效能评估的重要方法之一。传统ADC方法一般将武器系统各个分系统简化为串联系统计算。针对复杂武器系统中各个分系统组成繁多、串并联关系复杂、对作战影响程度不一等特点,对ADC方法进行了优化,使得ADC方法可以针对多并联系统更客观地评估。通过某型武器装备的实际验证,改进后的ADC方法合理可行,可以对复杂武器系统拥有更客观和更全面地评价,可作为其他复杂武器系统效能评估方法的参考。
关键词:复杂武器系统,效能评估,ADC方法
0 引言
武器系统效能是指在规定条件下使用武器系统时,系统在规定时间内完成规定任务的程度。效能描述的是武器系统完成特定作战任务的能力,反映了武器系统在一定阶段上总的特性和水平,说明了该武器装备对军事上的有用程度[1]。评估武器系统效能一般有两类方式:一类是根据描述效能指标与给定条件之间关系的数学模型来计算系统效能的解析方法,主要包括ADC方法、兰彻斯特方法、SEA方法等;另一类是根据武器系统复杂性的多属性描述进行评估的综合评价方法,主要包括广义指标法、概率综合法、层次分析法、主成分分析法、模糊综合评判法等[2]。第1类方法是通过建立系统效能的数学模型,属于定量计算方法,但对于较复杂的武器系统涵盖范围不够广,第2类综合评价方法是定性和定量结合的方法,考虑全面,覆盖武器系统范围广,但不能将武器系统效能完全量化。
当考虑武器系统为许多分系统组成的整套系统时,各个分系统之间既有串联关系,又有并联关系。换言之,即有的分系统无法工作时,使得整套武器系统无法完成作战任务,而有的分系统无法工作时,整套武器系统可以降级完成作战任务。因此,在使用量化数学模型计算武器系统效能时,需要充分考虑到各个分系统与整套系统的关系。传统的复杂武器系统ADC方法,一般只将系统按照底盘和上装等进行简单分类,计算时也分开进行计算,不考虑并联分系统故障也可降级完成任务的情况[3]。本文以ADC方法为基本算法并对其加以深化,结合武器系统任务剖面,对武器系统及各个分系统建立数学模型,体现出武器系统中各个分系统串、并联关系,使计算后得到的武器系统效能量化值更客观、合理。
1 ADC方法
根据美军武器系统分析的定义:系统的效能是指系统在规定的环境下和规定的时间内完成任务的程度。当前使用较普遍的效能评估方法是美国工业界武器系统效能咨询委员会WSELAC(Weapon System Efficiency Industry Advisory Committee)评价武器系统用的ADC模型,其目的在于根据有效性(Availability,即战备状态)、可依赖性(Dependability,即可靠性)和能力(Capacity)三大要素评价装备系统,把这三大要素组合成一个表示装备系统总性能的单一效能量度。相关方程和定义如下:
(1)系统效能。是预计系统满足一组特定任务要求之程度的量度,是有效性、可依赖性和能力的函数。
E=ADC
(2)有效性。是在开始执行任务时系统状态的量度,是装备、人员、程序三者之间的函数。与装备系统可靠性、维修性、维修管理水平、维修人员数量及其水平、器材供应水平等因素有关。即
A=(a1,a2,…,ai,…,an)
式中ai为开始执行任务时系统处于状态i的概率,∑ai=1。
(3)可信性。是在已知开始执行任务时系统状态的情况下,在执行任务过程中的某一个或某几个时刻系统状态的量度,可以表示为系统在完成某项特定任务时将进入和(或)处于它的任一有效状态,且完成与这些状态有关的各项任务的概率,也可以表示为其他适当的任务量度。即
式dij为已知在开始执行任务时系统处于状态i,则在执行任务过程中系统转移到状态j的概率。
(4)能力。是在已知执行任务期间的系统状态的情况下,系统完成任务能力的量度。更确切地说,能力是系统各种性能的集中表现。能力向量为:
C=(dij)nm
式中cij为在系统有效状态i条件下,第j个品质因数之值。
2 复杂武器系统效能评估
2.1分系统的串、并联关系
武器系统在设计过程中经过多方充分地论证和审查,其分系统在整个作战流程中都具备一定的任务、起到一定的作用。当分系统无法工作时,肯定会影响到整套武器系统的效能[4]。将各个分系统与整套武器系统的关系基本概括为两种:一种为串联关系,即某个分系统无法工作时,整套武器系统无法完成作战任务;另一种为并联关系,即某个分系统无法工作时,整套武器系统可以完成作战任务,但在能力上有所降低,属于降级使用[5]。例如某型轮式装备,当底盘分系统故障时,整套武器系统无法完成作战任务,底盘和整套系统属于串联关系。而侦察车定位定向采用惯性导航和卫星定位组合方式,惯导和卫星定位即可组合工作,也可分开独立工作。当惯导或卫星定位故障时,整套系统仍能完成定位定向任务,惯导和卫星定位对整套系统属于并联关系。由于现代武器系统可靠性设计较高,同时有两个分系统故障的概率很小,因此,本文不考虑在执行任务过程中有多个分系统故障的情况。
2.2复杂武器系统有效性
若某武器系统有m+n个分系统,其中有m个分系统为串联系统,有n个分系统为并联系统,假设在整个任务过程中最多只有一个分系统故障。采用ADC方法分析系统效能,则其A、D、C效能矩阵为n +2阶矩阵,其中各个分系统的有效性为:
式中:MTBFi为第i个子系统的平均故障间隔时间;MTTRi为第i个子系统的平均维修时间。
以工作次数或工作里程等为单位的分系统计算有效性时可根据任务剖面以其相应的平均故障间隔和每次任务平均使用次数计算。
系统完成任务时,各个分系统共有n +1种故障情况可保证顺利完成任务,即全系统无故障,某一并联分系统故障(共n个分系统,不考虑多系统故障),第n+2阶为无法完成任务,即串联系统故障。因此:
a1为全系统完好时的有效性,a2为第1个并联分系统故障时的有效性,an+1为最后一个并联分系统故障时的有效性,an+2为系统无法完成任务的有效性。
综上,通过计算可得有效性矩阵为:
2.3复杂武器系统可信性
根据武器系统任务剖面,结合系统故障率和平均故障时间等参数,计算各分系统可信性为:
式中:MTBFi为第i个子系统的平均故障间隔时间。
假设武器系统在执行任务时,故障状态无法向无故障状态转移[6],且最多只有一个分系统故障,因此,可信性矩阵各项为:
矩阵中1状态表示全系统无故障,2至n+1状态分别表示n个并联系统故障的故障率,n+2表示串联系统故障率。由于已假定系统最多只有一个分系统故障,且故障状态无法向良好状态转移,此时可信性为0。因此,通过计算可得可信性矩阵为:
2.4复杂武器系统能力
对于ADC方法中能力C建模的方法有很多种,本文采用武器系统性能指标综合评价和专家打分法结合的方式,即武器系统的评判值主要通过性能指标确定,但性能指标对于作战任务完成作用权重不同,因此,通过专家咨询打分的方式,给予性能指标一定得加权和分配,最终确定武器系统的能力[7]。具体来讲就是将武器系统分为各个分系统模块,按照各个分系统的性能指标能力继续分类,并通过指标和专家经验确定评判值和权重,最后确定能力矩阵。
依据相关方法,各个分系统能力为:
式中:QZci为第ci指标的权重;S(ci)为第ci指标的评判值。
综上,可得能力矩阵为:
其中,c1为全系统完好时的能力,c2为第一个并联分系统故障时系统的能力,cn+2为串联系统故障时系统的能力,cn+2=0。
通过ADC方法定义,可得武器系统最终效能为:
3 算例分析
以某型复杂武器装备为例对改进后的ADC方法进行验证,其分系统由底盘、定位定向设备、侦察设备、信息处理及控制设备、通信设备、电源设备等组成,按照作战任务剖面分析,其中底盘、电源设备、信息处理及控制设备属于串联系统,定位定向采用组合导航、侦察采用可见光和红外侦察,属于并联系统。因此,采用改进后的ADC方法形成6阶矩阵,其有效性矩阵、可信性矩阵分别为:
能力矩阵按其分系统列出相应能力,通过性能指标和专家打分列表如表1所示。可得能力矩阵为:
C=[0.828,0.738,0.744,0.7,0.708,0]
表1权重打分表
因此,某型复杂武器装备基于ADC方法的效能为E=ADC=0.805 8。出于保密考虑,系统已经过修改和简化,且数据已经过修改和调整,不能作为实际参考[8]。
4 结论
本文通过对复杂武器系统的分析,将武器系统的各个分系统分为串联分系统和并联分系统,并对ADC方法进行了拓展,使得ADC方法可以更全面、有效地对复杂武器系统进行客观评价。本方法适用于分系统繁多、系统指标全面、串并联关系复杂的武器系统,拥有定量、客观、全面等特点。通过武器系统对该方法的实际验证,拓展后的ADC方法可以更全面考虑到武器系统各个环节之间的关系,更客观反映武器系统作战时各个环节对完成任务的影响,可应用于其他复杂武器系统效能评估和对比。
参考文献:
[1]李志猛,徐培德.武器系统效能评估理论及应用[M].北京:国防工业出版社,2013.
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[4]王爱亮.复杂武器系统PHM模型研究[J].四川兵工学报,2013,32(6):52-55.
[5]刘健,辛永平.基于ADC的弹道导弹防御系统效能模型[J].火力与指挥控制,2012,37(1):47-51.
[6]邹力,宋朝河.基于ADC方法的牵引火炮系统效能评估[J].陕西理工学院学报,2012(4):28-31.
[7]亚非,李文生.灰色层次聚类法在通信对抗装备效能评估中的应用[J].火力与指挥控制,2011,36(1):103-113.
[8]杨晓峰,李旭东.基于ADC模型的野战油料装备效能评估[J],后勤工程学院学报,2008,24(4):89-92.
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Research on Effect Valuation to the Complicated Weapon System Based on ADC
WANG Xuan,TAO Yu,FAN Dan-ying
(Unit 63961 of PLA,Beijing 100012,China)
Abstract:ADC method is one of the important methods to assess the effectiveness of weapon equipment. Traditional ADC methods also simplify individual subsystems of weapon system to the series system. In this paper,the ADC methods is optimizes aimed at the various subsystems composed of numerous,complex series-parallel relationship,varying degree of impact on the operational of complex weapon systems. On this method,ADC approach allows a more objective assessment of multiple parallel systems. The actual verification by a certain type of weaponry ADC improved method reasonably practicable,can have a more objective and comprehensive evaluation of complex weapons systems,can be used as reference to other complex weapon system effectiveness assessment methods.
Key words:complicated weapon system,effect valuation,ADC method
作者简介:王晅(1987-),男,北京人,硕士研究生。研究方向:光电子学。
收稿日期:2014-12-26
文章编号:1002-0640(2016)02-0113-04
中图分类号:E917
文献标识码:A
修回日期:2015-02-23