空投着陆缓冲系统效能评估模型*

韩晓东，余红英，杨臻，史锐，余风华

（1.中北大学计算机与控制工程学院，太原030051；2.中航工业航宇救生装备有限公司，湖北襄阳441003）

空投着陆缓冲系统效能评估模型*

韩晓东1，余红英1，杨臻1，史锐2，余风华2

（1.中北大学计算机与控制工程学院，太原030051；2.中航工业航宇救生装备有限公司，湖北襄阳441003）

为了有效构建空投缓冲系统效能评估体系，研究建立了不同缓冲系统通用效能评估模型。模型综合分析缓冲系统作战能力与保障能力，建立了空投缓冲系统效能指标体系。在此基础上，运用效能评估ADC模型与AHP方法，结合指标能力量化准则实现对缓冲系统效能的定量评定。通过实例计算，验证了模型的正确性和有效性，为缓冲系统的发展论证与使用决策提供依据。

空投着陆缓冲系统，效能评估，ADC模型

0 引言

现代战争中通过使用空投系统将机动部队安插在敌方薄弱环节，是夺取战争主动权的关键手段。空投系统主要由伞具、货台（也有无货台）和着陆缓冲系统组成。空投过程有下降减速和接地缓冲阶段，下降减速阶段利用降落伞减速，但降落伞减速有一定限度，对于精密、贵重等装备器材要求尽可能小的着陆冲击，需要在空投时采取着陆缓冲措施。

缓冲系统是空投系统分系统，用于重装空投着陆时耗散冲击能量、降低冲击载荷，避免装备损伤。我国现有与预研的缓冲系统有气囊缓冲系统、火箭缓冲系统和蜂窝缓冲系统。目前对不同缓冲系统仅有在理想条件下对缓冲过程的数值仿真研究［1-3］，没有考虑缓冲装备可靠性与保障水平因素，不足以支撑缓冲系统的优劣评价，阻碍了缓冲系统的研制发展。因此，迫切需要建立一套能对缓冲系统进行全面、科学的评价体系。

效能评估是决策装备选取的根本途径，本文通过对缓冲系统进行效能分析，建立了缓冲系统通用效能评估模型，实现对不同缓冲系统效能的定量科学评价。

1 缓冲系统效能分析与评估模型

1.1 缓冲系统效能

效能体现装备的使用价值，随研究角度不同而具有不同内涵，对缓冲系统的效能考量是对其综合能力的评价，根据平战结合原则［4］，对系统进行全面评价，需要考虑其平时保障能力与战时作战能力。

缓冲系统效能是指在规定的保障能力水平下，缓冲系统在接到缓冲任务后，成功执行并完成缓冲任务的能力。

1.2 缓冲系统效能指标体系

1.2.1 作战能力指标

根据过程要素法分析缓冲系统作战能力。缓冲系统在战备期间以配件形式储存，在接到任务指令后，会进行缓冲系统安装、与空投装备配装等任务准备活动。任务时间到来后缓冲系统载机飞抵目标位置，执行空投缓冲任务。缓冲系统的任务执行过程如图1所示。

图1 缓冲系统任务过程

根据缓冲系统任务执行过程，其作战能力由战备可用性，任务可靠性与缓冲能力评判。

1.2.2 保障能力指标

缓冲系统的保障能力是指缓冲装备保障机构对缓冲系统的装备建设、作战等实施保障的能力，是军队战斗力的重要组成部分。保障能力通常从战勤保障、后勤保障、装备技术保障与经济保障方面描述。保障能力水平对效能起约束作用［5］。

根据缓冲系统的效能影响要素分析，对其效能指标体系划分并编号，如图2所示。

1.3 评估模型

效能评估模型有多种，其中美国工业界武器系统效能咨询委员会（WSEIAC）提出的ADC［6］模型因概念明确、模型严谨，得到广范应用。模型中A是系统开始工作时处于各状态的概率向量，描述系统的任意时刻的可用度。D是系统工作期间的状态转移矩阵，描述系统工作过程的可靠性。C是固有能力向量，描述系统在各状态下完成任务的能力。

缓冲系统效能评估模型以ADC模型为蓝本，结合缓冲系统工作特性对其作战能力进行评估，再通过与保障能力进行线性加权，建立了缓冲系统效能数学模型：

图2 缓冲系统效能指标体系

式中，a1，a2为作战能力与保障能力权重分配系数；A是缓冲系统的可用向量；D是缓冲系统任务执行过程中的可信矩阵；C是缓冲系统固有能力向量；S是保障能力指数。

2 可用性与可信性计算模型

2.1 可用性计算模型

缓冲系统的可用性由其在战备期的状态决定，缓冲系统在战备期仅有正常和故障两种状态，其可用性向量表述为：

式中，a1为缓冲系统可用度，a2为不可用度。由于缓冲系统需要考虑其在战备期的定期维修时间，使用可达可用度［7］模型计算a1：

式中，MTBM为缓冲系统平均维修间隔时间，AMT为平均维修时间。

2.2 可信性计算模型

式中，Df为缓冲系统载机飞行期内的可信性，Dh为缓冲系统缓冲过程可信性。

假设缓冲系统可靠度服从指数分布，则在飞行阶段，因为缓冲系统可修复，所以飞行过程中缓冲系统的可信赖矩阵为：

在缓冲过程阶段，因缓冲时间短且不可修复，故缓冲过程中缓冲系统的可信赖矩阵为：

3 能力计算模型

3.1 顶层指标能力计算模型

因为缓冲系统仅有正常和故障两种状态，故其能力向量模型为：

急性缺血性脑卒中(acute ischemic stroke，AIS)具有发病急和症状重等特点[1]。AIS的发病机制与机体内的炎症反应关联较大[2]。趋化因子12(chemokine 12，CXCL12)对造血祖细胞产生调控，募集机体内的神经前体细胞，使骨髓源型祖细胞不断介导病灶区的炎症反应，最终诱导缺血组织血管的再生[3]。白细胞介素-33(Interleukin-33，IL-33)能对基因转录实施调控，在机体的炎症反应中起重要作用[4]。本研究通过分析AIS患者血清CXCL12、IL-33水平变化及临床意义，旨在为临床AIS患者预后的评估提供依据。现报道如下。

式中，c2为故障状态时的任务完成量度，其值为0；c1为缓冲系统在正常工作状态下的能力，其计算模型为：

式中，wi为影响缓冲系统固有能力的各指标相对权重。ui为第i个分项能力指数值。

保障能力采用线性加权法，其计算模型为：

式中，ri为影响缓冲系统保障能力的各指标相对权重。vi为第i个分项能力指数值。

3.2 指标权重系数确定方法

权重系数反映评估指标体系中各指标相对其父层次指标的重要程度。在缓冲系统效能评估中，采用层次分析法［6］确定指标权重系数。

以含4个子能力指标的指标为例（如保障能力），层次分析法应用步骤如下：

①建立层次结构；第1层为父能力指标层（保障能力），第2层为子能力层（战勤保障、后勤保障、技术保障与经济保障）。

②构造判断矩阵；根据层次分析法重要性评语表，比较4项子能力对缓冲系统保障能力的重要程度，由专家打分并记录判断矩阵：

式中，rij表示i指标对j指标的重要性程度。

③计算权重向量。使用特征根法计算缓冲系统效能指标权重，求得判断矩阵的最大特征根的特征向量后，进行归一化，即为各指标元素的权重向量。

④一致性检验。为了验证判断矩阵构造的一致性，需要对其进行一致性检验。

首先计算判断矩阵R的一致性指标：

式中CI为R的一致性指标，n为矩阵维数。再计算R的一致性比例：

式中RI为平均随机一致性比例。当CR值小于0.1时认为通过一致性检验，所得的权重向量可作为各子能力权重。

3.3 指标能力量化准则

3.3.1 加速度准则

加速度准则是衡量缓冲系统缓冲能力的最重要的指标。在对加速度准则量化判定时，根据缓冲性能仿真方法［3，8-9］对缓冲系统在标准任务条件下的着陆过载进行仿真计算，根据着陆过载的可接受度对加速度能力进行量化：

式中，Uc11为缓冲过程中加速度峰值；uc11为加速度准则能力量化值；P为缓冲装备最大可承受过载。

3.3.2 稳定性准则

稳定性也是衡量缓冲系统能力的重要指标。缓冲系统稳定性不好，容易造成装备倾翻，导致目标装备无法正常工作。对于不同缓冲系统的判定，通常由其重心位置、平衡能力与反弹程度决定。结合数值仿真与试验数据根据缓冲系统在缓冲过程中与地面最大夹角对稳定性准则提出量化判据：式中，Uc12为缓冲系统缓冲过程中的倾斜角度，uc12，为稳定能力量化值。

3.3.3 大气条件准则

环境适应性体现缓冲系统对不同任务环境的适用能力。以大气条件为例，随着空投海拔高度的增加，大气密度、温度、压强均会出现很大变化，进而对不同缓冲系统造成性能高低不一的变化。根据缓冲系统的试验数据对缓冲系统进行大气条件适应性评判，准则为：

表1 缓冲系统大气条件适性性

表中，Uc22为适应性评语，uc22为能力量化区间。

3.3.4 装配机动性

装配机动性是对缓冲系统自身安装和与装备配装机动能力的考量。需要考虑配装花费时间、人力与物力等，此类指标为由专家组根据专家经验进行评分，量化准则为：

表2 缓冲系统装配机动能力

表中，Us11为机动性评语；us11为能力量化区间。

4 算例

通过层次分析法与能力量化准则，对能力进行权重分配与量化评判，结果如表3所示。

则C=［0.91，0］；S=0.74；既定作战能力与保障能力权重分配系数为0.65，0.35。则该系统效能值为：E=0.65A×D×C+0.35×S=0.848 5。

效能值为0.848 5，分析者可通过评估模型对不同缓冲系统方案进行对比分析，也可分析各项能力变化对总体效能的影响，以对空投缓冲系统装备体系改进提出建议。

5 结论

①针对缓冲系统需要全方位、多角度的评价问题，研究建立了缓冲系统效能指标体系。

②针对缓冲系统效能评价问题，提出了一种基于ADC与AHP的评估模型，首次将效能评估应用于空降空投装备领域。

③进行了实例计算，验证了模型的有效性，对缓冲系统选型与发展具有辅助决策作用。

表3 指标权重分配与能力值量化表

［1］陈杨.空头弹药箱的设计及其着陆过程数值分析［J］.四川兵工学报，2015，36（6）：45-47.

［2］徐健，杨臻，史锐.超重装备空投适应性仿真与优化［J］.火炮发射与控制学报，2014，36（1）：61-64.

［3］王闯，刘荣强，邓宗全，等.铝蜂窝结构的冲击动力学性能的试验及数值研究［J］.振动与冲击，2008，26（11）：56-61+198.

［4］肖丁，陈进军，苏兴，等.装备保障能力评估指标体系研究［J］.装备指挥技术学院学报，2011，22（3）：42-45.

［5］GJB1364-92.装备费用-效能分析［S］.北京：国防科学技术工业委员会，1992.

［6］郭齐胜.装备效能评估概论［M］.北京：国防工业出版社，2005：1-2.

［7］STEVENS C.Weapon system effectiveness industry advisory committee［J］.SAE Technical Paper 640566，1964.

［8］李大耀.着陆缓冲火箭点火高度选择及缓冲效果估计［J］.中国空间科学技术，1994，14（1）：38-45.

［9］曲普，史锐，李锦红，等.空投着陆系统多气囊并联缓冲特性研究［J］.火力与指挥控制，2015，40（3）：125-129.

Effectiveness Evaluation Model of Airdrop Landing Buffer System

HAN Xiao-dong1，YU Hong-ying1，YANG Zhen1，SHI Rui2，YU Feng-hua2
（1.School of Computer and Control Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；
2.Aerospace Life-support Industries.LTD.，Xiangyang 441003，China）

In order to set up an effectiveness evaluation system for airdrop buffer system in an effective way，an effectiveness evaluation model that can analyze different buffer systems is built.When built the model，the fight and support capabilities are taken into consideration，and there comes an airdrop landing buffer system effectiveness index system.On this basis，effectiveness evaluation ADC model and AHP method are used to achieve a quantitative assessment evaluation for the buffer system performance with the help of quantitative indicators criteria.a real example is used to prove the correctness and effectiveness of the model.This study can provide an evidence for the development and application of buffer system.

airdrop landing buffer system，effectiveness evaluation，ADC model

TJ01

A

1002-0640（2016）12-0074-04

2015-11-05

2015-12-17

航空科学基金（20132910001）；中北大学科学基金资助项目

韩晓东（1994-），男，山西河津人，硕士研究生。研究方向：武器系统可靠性建模与效能评估。