舰载作战系统战备状态评价方法研究∗

程莉莉 罗 威 胡芷毅 赵开敏 张 毅

舰载作战系统战备状态评价方法研究∗

程莉莉1罗 威2胡芷毅3赵开敏2张 毅3

（1.国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心 武汉 430060）（2.中国舰船研究设计中心 武汉 430064）（3.武汉大学电子信息学院 武汉 430072）

如何评价舰载作战系统的战备状态一直是舰载作战系统研究领域中一个挑战性的课题，因为舰载作战系统是一个复杂的分布式系统，其系统、分系统和设备的战备状态不仅取决于设备本身的战备状态，也取决于与其相关设备和系统的战备状况。论文在对舰载作战系统做出一定合理假设的前提条件下，对作战系统的组成关系进行分析，并给出战备状态的定量计算方法。研究结果对设计和实现作战系统的战备完好性测试系统和改进作战系统的设计具有指导性的意义。

作战系统；战备状态；战备完好性；依赖集

AbstractEvaluation of the operational state of ship-borne combat systems is really a challenging issue，due to the inter-de⁃pendent relationship among devices or sub-systems of the whole combat systems.In this paper，the operational states of ship-borne combat systems are modeled and analyzed based on some reasonable assumptions，followed by detailed quantitative computing meth⁃ods.Our research fruits pave the way for designing and implementing the operational readiness testing systems and improving the overall design of ship-borne combat systems.

Key Wordscombat system，combat states，combat readiness，dependency set

Class NumberTP302

1 引言

作战系统就是军用平台上用于执行警戒、跟踪、通讯、导航、目标识别、数据处理、威胁估计及指挥控制武器完成对敌作战等功能的各要素及人员的综合体［1～4］。衡量舰载作战系统能力指标有很多种，如可靠性、可用性、可维修性、战备完好性、战备状态等。如何评价舰载作战系统的战备状态一直是一个具有挑战性的课题，因为舰载作战系统是一个复杂的分布式系统，其系统、分系统和设备的战备状态不仅取决于设备本身的战备状态，也取决于与其相关系统（设备）的战备状况［5～6］。

在现有文献方法中，郭万梅等人对舰载雷达技术提供了评估方案［7］，文献［8］分析了舰载雷达的现状及发展趋势，文献［9］分析了舰载电子设备的可靠性，文献［10］提供了一种舰载作战系统网络优化的解决方案，文献［11］提供了一种舰载作战系统控制的解决方案，文献［12］提供了一种简单的分布式舰载系统模型，文献［13］验证了传统舰载作战系统的可靠性。

本文对舰载作战系统做出一定合理假设，并在此基础上对作战系统的组成关系进行分析，提出一种度量舰载作战系统战备状态的指标—战备可用性CU（Combat Usability）来定量描述当前作战系统的设备、分系统和系统的战备状态。CU的值在［0，1］之间，CU=0表示该系统或者设备完全失效；当CU=1表示设备和系统可以完全正常使用。最后，给出作战系统的战备可用性的具体计算方法。本研究结果对设计和实现作战系统的战备完好性测试系统和改进作战系统的设计具有指导性的意义［14～15］。

2 舰载作战系统战备状态分析

2.1 作战系统层次性关系分析

舰载作战系统从逻辑层次关系上可分为三层（如图1所示）：作战分系统层（包括反潜战分系统、对空战分系统、对海战分系统等）、作战单元层（如对空战分系统包括舰空导弹单元、副炮单元和主炮单元组成）和作战设备层（如主炮单元又有火炮火控设备、火炮用雷达和发射装置）。

图1 作战系统的层次结构划分

站在作战单元内部的角度来看，其战备可用性取决于该作战单元包含的所有设备的战备可用性。从作战单元与其它单元的相互关系看，作战单元为完成某项功能，需要与多个其它的作战单元和设备相互通信配合。例如，完成舰空导弹发射的任务，不仅需要舰空导弹系统能正常工作，还需要雷达传感器、指控系统、时统、综合导航系统等的支持。如果舰空导弹单元能正常工作，但某些传感器失效，则舰空导弹单元无法从这些失效的传感器中获得有效的信息，会导致系统降功能使用。

站在作战系统的顶层角度来看，若能计算得到一个作战单元的战备可用性后，就能得到作战分系统乃至整个作战系统的战备状态。

2.2 战备可用性的分析和计算

结合上述分析可以看出，分析和计算作战单元的战备可用性是评价整个作战系统战备可用性的核心。为了计算一个作战单元的战备可用性，需要知道两点：1）作战单元与其相关系统、设备的依赖关系；2）作战单元自身的战备可用性和与其相关依赖系统、设备的可用性。为了简化问题而又不失一般性，做出两点假设：

1）每一个作战单元和与其依赖的系统、设备的战备可用性已知，由各分系统提供。

2）作战单元相互之间的依赖关系和影响是线性并且是有限的（例如，主炮单元对时统的依赖，若时统的战备可用性为0.5，主炮单元的战备可用性下降0.2，若时统完全故障，主炮单元的战备可用性下降0.4）。

为了方便描述，给出若干定义，并用这些定义对系统战备状态进行分析。首先定一个集合Ω，Ω描述了作战系统内的所有战备单元的集合。

定义1 某作战单元Di的固有状态Inherent⁃Status(Di)描述了作战单元由于自己的原因（而非受到其它设备或系统的影响）表现出的战备状态，包括正常NORMAL，降功能使用DEGRADED，或者完全故障FAILURE。InherentStatus(Di)∈

｛NORMAL，DEGRADED，FAILURE｝ （1）

进一步定量描述一个作战单元的战备可用性，描述了该作战单元自身的状态对作战单元战备状态产生的影响。

定义2 作战单元的固有战备可用性InherentCombatUsability(Di)描述了该作战单元的当前可用性度量（即不受其它设备、系统的状态影响）：

下面给出了一个实例。

例1：指控系统在正常状态下的战备可用性为1，在数据库机柜故障的情况下可用性为0.8，而在战术处理机故障时的可用度只有0.5。

定义3 某作战单元Di的表现状态Status(Di)描述为作战单元Di由于自己的原因以及其它所依赖的设备状态而导致Di出现的状态。同样包括三种状态：NORMAL，DEGRADED，FAILURE。

定义4 定义一个作战单元的表现战备可用性CombatUsability(Di)描述了该作战单元表现出来的可用性度量：

根据上述定义，很显然有：

例2：在某舰作战系统中，舰舰导弹需要接收雷达A，雷达B等雷达系统的航迹信息，因此，即使舰舰导弹的固有战备可用性为1，但由于舰舰导弹接收不到任何雷达的航迹信息，因此舰舰导弹的表现战备可用性也小于1。

在下文中，我们提到的战备可用性，若无特别说明，都是指的表现战备可用性。

定义5 某作战单元Di硬依赖集HardDepen⁃dency(Di)。如果HardDependency(Di)的任何一个作战单元故障，都将会导致作战单元Di完全故障，形式化描述为备故障，都将会导致作战单元Di降功能使用，形式化描述为

例4：在某舰作战系统中，舰空导弹软依赖于雷达A、导航系统、时统系统和指控系统，也即Soft⁃Dependency（舰空导弹）=｛雷达A，指控，时统，导航｝

定义7 某作战单元Di的全依赖集Dependen⁃cy(Di)为SoftDependency(Di)和HardDependency的合集合形式化描述为

定义8 某作战单元D的对作战单元E的依赖度DependencyFactor（D，E）表示为：若作战单元E故障或降功能使用，作战单元D的战备可用度下降的比例。形式化描述为

例3：在某舰作战系统中，舰空导弹强依赖于雷达A（其它的雷达探测距离、精度、数据率都不能满足以上要求而且舰空导弹需要雷达A对目标进行精跟），即若雷达A故障，舰空导弹统将完全无法正常工作，即

HardDependency(Di)（舰空导弹）=｛雷达A｝

这里 CombatUsability（D）B表示E出现故障之前，CombatUsability（D）E表示E出现故障之后。

特别的，当D＝E时，表示作战单元D对自身的依赖度。DependencyFactor（D，E）表示为设备D的固有可用度对自身表现可用度的贡献比例。

例5：在某舰作战系统中，舰空导弹软依赖于雷达A、导航系统、时统系统和指控系统。舰空导弹对时统的依赖度DependencyFactor（D，E）（舰空导弹，时统）=0.5，即若时统出现故障，其可用度变为0.5，则舰空导弹的可用度降低0.25；若时统完全故障完全不可用，则舰空导弹的可用度降低0.5。

根据上述定义，可以很容易得出某设备的战备状态计算公式。

定理1 作战单元Di的表现状态Status(Di)根据其固有状态和它的依赖集合状态所决定，即：

定义6 某作战单元Di软依赖集SoftDepen⁃dency(Di)：如果SoftDependency(Di)的任何一个设Status(Di)

同道，根据定义8可以计算出某作战单元的战备可用性的定量计算公式：

定理2 作战单元Di的战备可用性CombatUs⁃ability(Di)可由下述公式计算：

例6：下面以某舰上的舰舰导弹系统为例进行分析。舰舰导弹需要依赖于述系统或设备：指控系统、时统、导航系统、雷达A、雷达B、雷达C、通信通道A、通信通道B。

舰舰导弹导弹系统对各个分设备系统的依赖度DependencyFactor(Di，Ei)分别如下：

DependencyFactor（舰舰导弹，指控）=0.2，

DependencyFactor（舰舰导弹，时统）=0.1，

DependencyFactor（舰舰导弹，导航系统）=0.2，

DependencyFactor（舰舰导弹，雷达A）=0.1，

DependencyFactor（舰舰导弹，雷达B）=0.1，

DependencyFactor（舰舰导弹，雷达C）=0.1，

DependencyFactor（舰舰导弹，通信通道A）=0.05，

DependencyFactor（舰舰导弹，通信通道B）=0.05。

舰舰导弹对自身的依赖度DependencyFactor（舰舰导弹，舰舰导弹）=0.2。

假设各个设备、系统的战备可用性或表现可用性如下：

InherentCombatUsability（舰舰导弹）=1，

CombatUsability（指控）=0.9，

CombatUsability（时统）=1，

CombatUsability（导航系统）=1，

CombatUsability（雷达A）=0.9，

CombatUsability（雷达B）=0.8，

CombatUsability（雷达C）=0.5，

CombatUsability（通信通道A）=1，

CombatUsability（通信通道B）=0.7。

根据式（9）可以计算得到舰舰导弹系统战备可用性为

从上面的定义和计算公式可以看出。为了提高某一个作战单元的战备可用性，不仅战备单元自己设备的可用性，也要尽量提高与其相依赖设备和系统的可用性。尽量减少或消灭战备单元的硬依赖集，减少软依赖集设备的战备可用性。在我们设计作战系统的时候，也应将上述原则作为设计的指导性原则。

2.3 战备可用性的关联影响

得到战备可用性的具体计算值后，另一个需解决的问题是：当一个设备或者作战单元的战备状态发生变化时，会影响哪些其它的设备或者作战单元。给出影响集的定义，描述当一个作战单元的战备状态发生变化时，有那些其它的作战单元会收到影响。

定义9 某作战单元D的影响集EffectingSet（D）定义当作战单元D的作战状态发生变化时，那些其它作战单元会收到影响，形式化描述为

这里给出影响集的计算方法：假设作战单元R的战备可用性发生变化。会影响其它作战单元的集合EffectingSet（R）为ω。ω的计算方式如下：

根据上述计算方法，可以计算某个作战单元的战备可用性发生变化后的影响其它系统的集合。因此，在实际系统的运行中，当一个作战单元的战备状态发生变化后，应该立即计算和更新其它受影响的战备单元的战备可用性。需要注意的是，生成的EffectingSet（R）是一个偏序集合的关系（partial order），需要重新进行拓扑排序后，按照生成的拓扑顺序计算战备可用性。

3 结语

舰载作战系统是一个复杂的分布式系统，其系统、分系统和设备的战备状态不仅取决于设备本身的战备状态，也取决于与其相关系统（设备）的战备状况。如何对舰载作战系统的战备状态进行定性和定量的评价和分析是作战系统研制领域的难点。

本文的主要贡献在于：1）在对舰载作战系统各设备、作战单元、系统做出一定合理假设的前提条件下，对作战系统的战备状态进行定性和定量的分析，并给出战备状态的定量计算方法；2）根据作战系统相互依赖的偏序关系，提出当某一个作战单元的战备状态发生变化后，其它系统的战备状态计算方法。本文的研究结果对设计和实现作战系统的战备完好性测试系统和改进作战系统的设计具有指导性的意义。

由于本文提出的作战系统相互的关联方式是一个简单的线性关系，而实际作战系统的关联关系可能更加复杂。因此，我们下一步的工作是继续研究作战系统的实际关联关系。

［1］闵绍荣.舰艇作战系统功能划分方法［J］.中国舰船研究，2007，2（5）：24-29.

MIN Shaorong.Function division method of warship com⁃bat system［J］.Chinese ship research，2007，2（5）：24-29.

［2］董晓明，石朝明.一种舰载作战系统体系结构量化评估方法［J］.舰船电子工程，2008，28（9）：1-4.

DONG Xiaoming，SHI Chaoming.A method for quantita⁃tive evaluation of Shipboard Combat System Architecture［J］.Naval Electronics Engineering，2008，28（9）：1-4.

［3］Michele Lanza，Radu Marinescu.Object-Oriented Metrics in Practice：Using Software Metrics to Characterize，Evalu⁃ate，and Improve the Design of Object-Oriented Systems［M］.Springer，2006.

［4］D.A.Patterson，J.L.Hennessy．Computer Architecture：A Quantitative Approach.（2nd Edition）［M］.北京：机械工业出版社，1999.D.A.Patterson，J.L.Hennessy.Computer Architecture：A Quantitative Approach.（2nd Edition）［M］.Beijing：China Machine Press，1999.

［5］梁百川.舰船干扰火箭武器系统的性能评估和作战效能评估［J］.舰船电子对抗，2001（6）：1-7.

LIANG Baichuan.Performance evaluation and operational efficiency evaluation of ship jamming rocket weapon sys⁃tem［J］.Electronic warfare of ships，2001（6）：1-7.

［6］唐宏，陈少卿.指挥控制系统的效能评估［J］.系统仿真学报，2001，13（suppl）：392-394.

TANG Hong，CHEN Shaoqing.Performance evaluation of command and control systems［J］.Proceedings of the sys⁃tematic simulation，2001，13（Suppl）：392-394.

［7］郭万梅，赵晓哲.舰载雷达效能评估［M］.北京：国防工业出版社，2003.

GUO Wanmei，ZHAO Xiaozhe.Effectiveness evaluation of shipborne radar［M］.Beijing：National Defence Industry Press，2003.

［8］周万幸.舰载雷达的现状及发展趋势分析［J］.现代雷达，2007，29（9）：1-4.

ZHOU Wanxing.Present situation and development trend of shipborne radar［J］.Modern radar，2007，29（9）：1-4.

［9］吴晗平.舰载电子设备可靠性与环境防护技术［J］.装备环境工程，2004，1（5）：64-68.

WU Hanping.Reliability and environmental protection technology of shipborne electronic equipment［J］.Equip⁃ment environmental engineering，2004，1（5）：64-68.

［10］何静，谢晓方.基于快速以太网的舰载作战系统网络优化［J］.计算机工程与应用，2001，37（2）：56-57.

HE Jing，XIE Xiaofang.Network Optimization of Ship-based Combat System Based on Fast Ethernet［J］.Computer engineering and Applications，2001，37（2）：56-57.

［11］曹正才，金艳艳.舰载雷达伺服系统的复合控制［J］.雷达与对抗，2004（1）：51-54.

CAO Zhengcai，JIN Yanyan，Combined control of Ship⁃borne Radar Servo System［J］.Radar and Countermea⁃sures，2004（1）：51-54.

［12］杨传顺.以数据为中心的舰载分布式系统［J］.舰船科学技术，2011，33（7）：75-78.

YANG Chuanshun.A data centric shipboard distributed system［J］.Ship science and technology，2011，33（7）：75-78.

［13］张路青.舰载作战系统任务可靠性模型研究［J］.舰船电子工程，2003（5）：9-12.

ZHANG Luqing.Research on mission reliability model of shipborne combat system［J］.naval Electronics Engi⁃neering，2003（5）：9-12.

［14］谢红胜，陈炯，马羲，等.网络中心战中信息网络连接优化设计［J］.中国舰船研究，2009，4（5）：59-62.

XIE Hongsheng，CHEN Jiong，MA Yi，et al.Optimization design of information network connection in Network Centric Warfare［J］.Chinese ship research，2009，4（5）：59-62.

［15］区全福，李瑞，谢红胜，等.基于TOPIS和不确定语言的作战系统功能配置方案评［J］.中国舰船研究，2011，6（2）：56-61.

QU Quanfu，LI Rui，XIE Hongsheng，et al.A functional configuration scheme for combat systems based on TO⁃PIS and uncertain language.A review of［J］.Chinese ship research，2011，6（2）：56-61.

Research on Evaluation of the Ship-borne Combat System Operational States

CHENG Lili1LUO W ei2HU Zhiyi3ZHAO Kaim in2ZHANG Yi3
（1.Patent Examination Cooperation Hubei Center of the Patent Office SIPO，Wuhan 430060）（2.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064）（3.Electronic Information School，Wuhan University，Wuhan 430072）

TP302

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.09.021

2017年3月4日，

2017年4月18日

程莉莉，女，博士，助理研究员，研究方向：电子信息系统，无损检测。罗威，男，博士，高级工程师，研究方向：舰船电子信息系统。胡芷毅，男，硕士，研究方向：大数据分析。赵开敏，男，硕士，研究方向：舰船电子信息系统。张毅，男，硕士，研究方向：大数据分析。