抗冲击瓦结构舰船毁伤效能评估研究

侯代文， 张永坤， 张 虹， 邵建军

(大连旅顺91439部队， 辽宁大连 116041)



抗冲击瓦结构舰船毁伤效能评估研究

侯代文， 张永坤， 张 虹， 邵建军

(大连旅顺91439部队， 辽宁大连 116041)

摘要：针对舰船毁伤效能评估问题，进行了抗冲击瓦结构舰船毁伤效能评估方法研究。研究结果显示，炸药爆炸威力及目标易损性构成了不可偏废型舰船毁伤效能评价指标体系，爆炸威力赋值可通过炸药TNT当量及舰船排水量计算得出，抗冲击瓦抗毁伤性能评估值可采用灰色层次分析法计算，采用文中给出的毁伤效能计算方法能够实现抗冲击瓦结构舰船毁伤效能的量化评估。

关键词：抗冲击瓦； 舰船； 毁伤效能评估； 灰色层次分析法

1引 言

舰船毁伤效能评估是再次实施打击前必须进行的工作，受到国内外的广泛关注。采用系统工程方法开展毁伤评估主要包括评估指标体系的构建和评估模型的建立两个步骤。针对已经建立的指标体系，开展毁伤效能评估需要选择适当的评估方法、建立正确的评估模型，进而求出综合评估结果。因此，如何选择合理的评估方法、建立适当的评估模型就决定了毁伤效能评估的客观程度。当前评估系统效能的方法主要包括试验统计法、专家调查法、指数法、解析法、层次分析法、数值模拟法等〔1-2〕。层次分析法具有精度高、适应性强的特点，在舰船毁伤评估中得到广泛应用〔3-5〕，但对模糊问题的处理精度较差。灰色系统理论在评估过程中可实现对系统目标的确切描述，并在坦克作战效能评估及鱼雷武器系统作战效能评估中得到有效应用〔6-7〕。

抗冲击瓦技术的应用提高了舰船的抗毁伤能力，成为舰船毁伤研究的热点之一，而运用灰色评估理论，进行抗冲击瓦舰船毁伤效能的评估至今未见报道。因此，本文基于灰色层次分析法进行水下爆炸冲击后抗冲击瓦舰船毁伤效能评估方法研究，并给出毁伤效能的量化评估结果。

2毁伤评估指标类型的确定

系统效能指标是系统对完成特定任务程度的定量描述,是评价、比较系统效能的具体尺度。由于系统不同或评估要求和侧重点的不同,系统效能指标也存在较大差异。效能指标必须准确反映系统能够实现既定目标的程度, 选择适当的效能指标是系统效能分析的首要问题。由于大量随机因素的存在,系统完成特定任务的能力随机性较强,因此,需要用体现系统目的的各种概率指标作为衡量系统效能的量度指标。关于各分指标的综合评估方法，对于相互独立型指标：

(1)

式中：y为指标的综合评估值；Xi为第i个指标的评估值；Wi为第i个指标相对于y的权重系数；m为指标的个数。

对于相互不可偏废型指标：

(2)

对于可相互代换型指标：

(3)

由于舰船毁伤效能评估中各项指标相互独立，采用相互独立型指标评估模型计算综合评估结果。

舰船毁伤效能主要由战斗部爆炸威力指标及目标易损性指标构成。根据系统学原理分析，战斗部爆炸威力指标及目标易损性指标的倒数构成相互不可偏废型指标，即毁伤效能评估U可由下式表示：

U=U1/U2

(4)

式中：U1为爆炸威力TNT当量毁伤赋值；U2为目标易损性评估值。

将舰船目标易损性看作相对独立的系统，各舰船受爆炸冲击后的定量评估指标,构成毁伤评估的主体部分，最后运用相互独立型指标综合评估模型，即可求得全舰受爆炸冲击后的毁伤评估值。

3舰船毁伤效能评估应用研究

灰色系统理论通过对不完整或信息未知的不确定系统数据的研究，实现对系统目标的确切描述。灰色系统理论的特点是模型使用生成的数据序列，即使用的数据是经过还原后的数据。由于灰色系统理论应用数据生成手段弱化了系统的随机性，使紊乱的原始序列呈现某种规律，建模后还能进行残差辨识，即使较少的历史数据任意随机分布也能得到较高的预测精度，解决了信息缺失时层次分析法元素取值难以确定的问题。抗冲击瓦结构舰船目标易损性由多种因素构成，运用灰色层次分析的方法，在不完全毁伤因素信息的情况下，可较好解决基于毁伤判据库的目标功能毁伤评估问题，对目标易损性指标可采用灰色层次分析法得出。

3.1战斗部爆炸威力赋值方法分析

战斗部水下爆炸毁伤能力最强的目标是无防护或轻防护水面舰船结构。水面舰艇受到攻击时，船体结构会产生破口损伤，因此战斗部的毁伤能力应该体现为水中兵器攻击目标船，造成船体结构破损后的总纵强度损失的能力，即当舰船受攻击后的总纵剩余强度不能保证舰船在一定级别风浪下漂浮时，舰船就会完全沉没。如果将致无防护舰船受攻击并在舰船底中部爆炸后总纵剩余强度不能保证舰船在一定级别风浪下漂浮，舰船完全沉没时所需的战斗部爆炸当量赋值为100，其他情况应以此为基准增减赋值。研究结果表明，水下爆炸致舰船总纵剩余强度损失与舰船排水量有如下的函数关系：

me1=c1Δ

(5)

式中：me1为战斗部爆炸毁伤TNT当量；Δ为舰船正常排水量；c1为系数。

从式(5)可以看出，战斗部装药量爆炸毁伤能力与目标舰船排水量成正比。研究还显示，5000t级驱逐舰在500kgTNT当量炸药最理想条件水下爆炸作用下，其舰体结构破损剩余强度能保证舰船在一定级别风浪下漂浮。据此可认为，将比例系数认为是毁伤系数，上述工况就是水面舰艇的毁伤阈值，即5000t级驱逐舰的TNT当量毁伤阈值是500kgTNT，根据式(5)算得毁伤系数c=1.0×10-4。则对于无防护水面舰船在船中底部爆炸威力TNT当量毁伤赋值U1可按下式计算：

(6)

式中：me为战斗部装药TNT当量。

3.2毁伤等级的确定〔8-9〕

炸药在舰船龙骨下方爆炸时，爆炸冲击波载荷直接引起舰船结构总纵弯曲动响应而造成的总纵强度毁伤。舰船结构总纵强度毁伤严重时将直接造成舰船结构的纵向折断破坏。这是舰艇最严重、也是最理想的毁伤模式。相应地，毁伤等级可采用破损船体梁相对剩余强度阈值及其结构完好性等级进行判定。按破损船体梁相对剩余强度阈值及其结构完好性等级评定，将舰船毁伤等级分为5级，并进行了毁伤等级量化赋值，具体如表1所示。

A类：舰艇沉没、断裂或因严重火灾失控弃船，完全丧失生命力，为彻底毁伤。

B类：舰艇无作战机动能力，漂浮水面仍具有不沉性，基本丧失生命力，为严重毁伤。

表1　舰艇毁伤评判等级分值

C类：舰体或主要设备系统遭受破坏，但仍具有不沉性；在30min内修复后，仍具有手动操作下的舰艇机动能力和主要的防御作战能力，具有基本的生命力，为中度毁伤。

D类：舰体或主要设备系统遭受局部破坏，但仍具有不沉性：在30min内修复后，仍具有手动操作下的舰艇机动能力和主要的防御作战能力，具有完全的生命力，为轻度毁伤。

E类：舰艇完好，损失基本可忽略，为0毁伤。

3.3毁伤评估实例

基于层次分析法建立抗冲击瓦结构舰船抗毁伤性能的指标体系结构，得到各个评价指标的综合权重值，根据参评者给出的评估指标值矩阵按照灰色灰类的确定方法计算灰色评估系数，再根据评估指标值矩阵得到评估权向量及权矩阵，计算得到不同指标的最大灰色评估权并建立评估权矩阵，最后根据层次分析法得到的综合权重值与评估权矩阵列向量的转置，进行乘积可得评估目标的抗毁伤性能评估值。根据爆炸威力赋值及目标抗毁伤性能评估值，可得到目标毁伤的综合评估值，具体步骤如下：

(1) 建立抗冲击瓦结构舰船抗毁伤性能评估指标体系。在深入调查研究的基础上，应用层次分析法原理，对目标进行逐层分解，使同层次之间的元素含义互不交叉，相邻上下层元素之间为包含关系，形成如图1所示的递阶层次结构，所求的评估指标列在最底层。

图1　抗冲击瓦抗毁伤性能指标体系Fig.1　The index system on damage performance of anti-shock layer structure

(2) 根据战斗部爆炸当量及目标舰船排水量确定战斗部爆炸威力赋值。假设战斗部装药TNT当量为370kg，舰船排水量为4000t，并将数值代入式(3)得到U1=92.5。

(3) 确定U2各指标的权重系数。利用“1～9”标度法，由专家对上下层之间的关系进行定性填表打分，计算相邻层次下层元素对上层元素贡献的权重，并计算底层元素对于目标的组合权重W=(ω1,ω2,……ωn)T。

总指标对分指标层的判断矩阵为：

分目标对底层指标的判断矩阵为：

经计算，指标层元素对总指标的权重为：

W=(0.2730,0.1360,0.1360,0.0910,0.0450,0.0450,0.1360,0.0680,0.0680)T

(4) 各指标效用评估值的确定。基于灰色理论，可求得评估指标值矩阵DJI，DJI表示评估者I对受评对象J给出的评估指标值矩阵。邀请相关领域专家5名，对底层的指标进行打分，目标易损性指标集由多种因素构成，各因素间可判断为相互独立型指标。由于目标易损性与爆炸威力是相互间矛与盾不可偏废的关系，前述爆炸威力的赋值方法是在目标易损性最薄弱环节得到，由于抗冲击瓦技术的应用，舰船抗毁伤能力提高，则根据目标特性的倒数相互不可偏废的关系可得出，毁伤效能最严重的目标特性最小阈值为“1”，设数值分布在1～2区间评价目标的抗毁伤性能。数值1表示毁伤程度最严，数值2表示抗毁伤性能最强。目标易损性按1～2的数值区间由专家打分；采用2分制，打分结果如下：

(5) 确定评估灰类。这里，将目标易损性指标定义为抗毁伤强度指标，根据灰色理论也可将其按抗毁伤强度等级分为5类, 表2为抗冲击瓦结构舰艇抗毁伤能力评判等级分值及评估灰类赋值，其相应的灰数及白化权函数如下。

A类：抗毁伤性能最强(K=1), 设定灰数θ1∈[1.95, ∞]；

B类：抗毁伤性能较强(K=2)，设定灰数θ2∈[0, 1.75, 3.50]；

C类：抗毁伤性能一般(K=3)，设定灰数θ3∈[0, 1.45, 2.90]；

D类：抗毁伤性能较差(K=4)，设定灰数θ4∈[0, 1.20, 2.40]；

E类：抗毁伤性能最低(K=5)，设定灰数θ5∈[0, 1.05, 1.15]。

(6) 计算底层指标的评估权向量，构成评估权矩阵：

(7) 计算目标抗毁伤性能评估值P=WT×σT=(0.26510.28990.25890.18550)。

根据灰色等级值化向量D=(1.95，1.75，1.45，1.20，1.05)，计算可得到抗冲击瓦抗毁伤性能评估值U2=P×DT=1.62。

(8) 进行综合评估。将U1、U2代入式(4)得到抗冲击瓦结构舰船毁伤综合评估值57，参照毁伤等级赋值，该抗冲击瓦结构舰船的毁伤等级为中度毁伤。

4结 论

(1)在全面分析效能评估方法的基础上，采用灰色层次分析法进行抗冲击瓦结构舰艇的毁伤评估研究，确立了毁伤等级分类判断标准、毁伤评估数学模型及开展毁伤评估的基本步骤。

(2)根据试验炸药TNT当量及舰艇排水量可计算得出爆炸威力评估值，采用灰色层次分析法可得出抗冲击瓦结构舰船抗毁伤性能评估值。

(3)根据确立的模型可评估出抗冲击瓦结构舰艇爆炸毁伤效能。

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Damage effectiveness assessment of warship with anti-shock layer structure

HOU Dai-wen, ZHANG Yong-kun, ZHANG Hong, SHAO Jian-jun

(Unit 91439, PLA, Dalian 116041， Liaoning， China)

ABSTRACT：Evaluation index value calculation method of warship with anti-shock layer structure method was studied aiming at warship damage effectiveness evaluation. Results showed that explosive power and target vulnerability constituted ship damage effect evaluation index system, the explosive power assignment could be calculated through explosive TNT equivalent displacement and damage effect of anti-shock layer could be achieved utilizing the gray analytic hierarchy process. Quantitative evaluation of warship damage effect of anti-shock layer structure was given with the method proposed in the paper.

KEY WORDS:Anti-shock layers； Warship； Damage assessment; Gray analytic hierarchy process

中图分类号：TD235.2； U674

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.01.003

作者简介：侯代文(1972-)，男，博士、高级工程师，主要从事数据处理、效能评估研究。E-mail： hodevin@gmail.com

基金项目：国家自然科学基金项目(No.61303192)

收稿日期：2015-11-23

文章编号：1006-7051(2016)01-0014-04