UUV试验评估组织执行体系构建与思考

董金鑫, 张东俊, 张 磊, 刘化深



UUV试验评估组织执行体系构建与思考

董金鑫1, 张东俊1, 张 磊1, 刘化深2

(1. 中国人民解放军 92337部队, 辽宁 大连, 116023; 2. 海装西安局, 陕西 西安, 710054)

在分析无人水下航行器(UUV)试验与评估需求的基础上, 按照“开放、共享、权威、高效”的原则, 提出构建以试验评估中心为主体, 试验与评估系统为核心, 面向数据的流程为主线, 一体化联合试验为主要模式的UUV试验与评估组织执行体系总体构想, 并采用系统工程方法对体系各组成要素的功能、试验与评估指标体系、流程和数据等方面进行了论述, 并给出几点建议, 为推进UUV装备发展提供支持。

无人水下航行器(UUV); 试验与评估; 系统工程

0 引言

无人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)受到世界各军事强国的重视并取得了迅速发展, 不同用途和类型的UUV装备大量涌现, 不断给予和强化海上作战单元的能力, 改变了作战样式。由于UUV在功能任务上具有特殊性和复杂性, 以及全寿命周期试验鉴定要求, 使其试验与评估难度和费用加大, 建立与UUV装备发展和使用需求相适应的试验与评估体系是一个迫切的现实问题。试验与评估体系包含理论方法、标准法规、体制机制、组织执行和力量编成等方面, 文中主要面向UUV装备研制试验和作战试验的一体化, 着眼联合任务能力快速形成, 研究组织执行UUV试验与评估的体系结构, 尝试借鉴系统工程(5W1H)方法说明UUV试验“为什么试、在哪试、谁来试、用什么试、试什么、怎么试”。

1 需求分析

1.1 现状分析

美国国防科学委员会在《下一代水下无人系统》中建议: “美军水下战部门应与有关方面通力合作, 构建一个面向任务变革和实验的体系框架, 以实现驱动创新的实验计划”[1]。美军水下战中心基波特(Keyport)分部利用西北部维多利亚湾多样的环境和附近班戈海军潜艇基地的资源优势, 建立了国家UUV试验评估中心(national UUV test evaluation center, NUTEC), 目的是“任何地点、任何时间提供全面、可信、高效费比的无人水下航行器试验与评估服务”。NUTEC面对UUV发展需求和军事变革带来的挑战, 不断完善功能和提高能力, 通过试验手段在全寿命过程中评估其潜在或需要改进的作战效能和适用性, 努力将无人系统整合到联合兵力中去[2]。为提高试验效益, 美军在上世纪90年代提出“一体化试验鉴定”理念, 通过对装备全寿命周期各阶段试验进行规划设计, 使各阶段、各类型试验鉴定有机结合与相互衔接, 实现试验信息与试验资源的高效利用, 确保装备试验与评估的连续性、充分性与全面性, 实现试验鉴定目标由完成装备定型装备部队, 向全过程参与装备研制、全方位考核装备性能、全寿命跟踪装备使用转变。2003年, 美军正式发布并推行了一体化试验条例、指示等文件, 应用于激光制导炮弹、海尔法反坦克导弹、海军V-22“鱼鹰”等装备试验鉴定中, 节省了大量费用, 缩短了周期[3-4]。

国内UUV快速发展, 但试验工作重点还是放在研制方的科研试验和演示验证上, 由于试验机制和资源所限, 试验阶段分割, 以使用方为主体的作战试验开展得不够充分, 难以得到作战效能和适用性等方面的结论, 限制了UUV的采办、部署和使用。

1.2 必要性分析

各种UUV的研制方独自开展试验, 各方重复投入, 人力、物力资源消耗大, 研制试验与作战试验分段实施, 部分内容重复, 信息缺少共享, 也加大了资源耗费, 延长了试验周期。面向军民融合实现全寿命一体化试验与评估, 需要开放、共享的试验机构提供服务。面向能力和体系的实战化检验需求与试验资源的矛盾日益突出, 作战试验要求构建真实或近似真实的作战环境, 尤其是联合任务环境, 以演示和验证UUV能够提供递增的、认可的和预先的能力, 引起潜在使用者的兴趣, 使用户尽快获得能力, 需要功能完备、保障齐全的试验系统。UUV快速发展带来采购正规化需求, 研制方试验的可信性和作战方试验的充分性受到质疑, 需要独立、权威的第三方作为试验主体提供试验与评估结论。发挥试验与评估的牵引作用, UUV试验与评估要与其研制进程、技术发展、应用改进同步, 分享和反馈试验中的经验和教训, 研究制定UUV试验与评估的标准和方法, 以及综合技术保障, 需要一支配置合理、技术精湛的专业技术力量。

1.3 试验能力需求

UUV与水下武器的试验能力需求有很多相同之处, 但也有不同, 如在使用范围、目标特征、传感器载荷等方面, UUV的种类划分有很多, 每种UUV试验与评估都有独特的需求, 也有很多方面是相同的, 基本试验保障能力需求有[5]: 1) 要求试验海区面积广阔、条件多样、安全可控、易于保障, 甚至需要固定场与移动场相结合; 2) 被试品实时动态参数监测和试验场态势监控; 3) 水下精确定位、导航、跟踪以及近距目标相对位置测量; 4) 无线通信(包括卫通、短波、超短波等)、水声通信(包括用于发射和接收的浮标、潜标、水下固定基阵等)等组成的试验指挥控制通信网络; 5) 特征测量, 包括辐射噪声、声目标强度以及电、压、磁等, 对各种标准动力模块、导航模块、传感器模块的测试能力, 能够完成各种环境下的传感器激励试验; 6) 面向任务的目标和环境构设能力, 包括各类舰艇、航行器、飞行器等动态目标, 水下障碍物等固定目标, 水声干扰器、频谱可调宽带声源等干扰威胁目标; 7) 多种、多形式UUV停泊、布放和回收能力, 以及出现故障时, 水面或海底打捞能力; 8) 需要对大量被试品监测测量数据的收集、处理、存储、管理和分发能力, 在保障数据安全的同时要能快速传送; 9) 与外场同步的被试品建模仿真、试验预演、任务规划能力; 10) 各种应用场景的海洋数据库和模型库, 包括声场传播、海底底质、洋流等; 11) 便携式试验设备, 满足远程、无保障或支持的试验; 12) 多UUV集群试验能力, 以及联合任务的接入能力; 13) 分布试验的跨地域试验资源互联能力, 以及与仿真系统和训练系统的互联互通; 14) UUV维护调试、操作人员训练、试验人员生活保障、环境危害评估等能力; 15) 从事试验技术研究和专业技术保障的人力资源。

试验场地的选取取决于UUV试验考核内容和应用环境, 必须根据UUV遂行任务要求选取真实或近似真实的试验环境, 大部分UUV的应用环境是在海上, 科研和调试可在水池或水深环境合适的大型湖泊中进行, 而验收定型试验和作战试验必须在海上试验场完成。固定水下试验场建设投入大、周期长, 不但要考虑环境符合性和多样性需求, 还需考虑已有建设基础和充分的保障条件, 如附近有大型舰艇基地, 可提供平台、码头、人员、训练和目标环境构设等支持。事实上, 固定场很难同时满足多种UUV试验环境需求, 多采用固定场和活动场相结合的模式, 如: 对水声监视侦察型UUV根据使用需求要在声速均匀分布、负梯度分布、跃变层、深海声道等多种典型声传播条件考核其性能, 不同地区声场传播条件不同, 即使是同一地区, 也在随时间变化, 因此, 在固定场试验的基础上, 经常采用机动试验模式开设临时试验场, 在具有典型测试环境的海域开展试验, 由试验保障船提供支持; 反水雷型UUV主要工作在浅海, 需要不同的海底底质、流速、障碍物等试验条件和对试验区域的精确测量数据; 察打一体型UUV对试验场的范围和安控有要求; 滑翔式海洋环境测量UUV需要一定的水深、流速、海况等试验条件。

2 功能与结构

2.1 组成功能

UUV试验与评估组织执行体系要素包括UUV试验评估中心、UUV试验与评估系统和面向数据的试验流程。试验评估中心作为试验与评估的主体和组织管理机构, 是体系的头脑; 试验与评估系统是试验与评估的实施平台, 是体系的躯干; 面向数据的试验流程是试验与评估活动的过程主线, 是试验与评估的血液和神经(见图1)[6-7]。

试验评估中心负责试验评估的组织、实施、管理和决策, 可作为第三方完成独立、权威的试验鉴定活动, 为全寿命采办决策点提供支持, 如定型、生产、部署和改装等。中心介入UUV全寿命活动, 领导组织一体化试验与评估, 包括策略计划的制定、实施和管理。中心采用开放式(资源开放、服务开放、标准开放)架构, 为通过审核的申请方提供试验与评估服务, 在对试验质量控制和信息管理的同时, 还开展UUV试验理论、技术和方法等研究, 面向研制方和使用方制定和发布促进互操作、共用性、模块化的标准协议、通用操作系统和操作使用指南等。

试验与评估系统的功能是在一定条件下对被试品进行一系列的内外场试验, 获得足够、有效的数据, 并对被试品技术指标符合度、使用性能和适用性进行评估。试验与评估系统是试验场的重要组成部分, 包括试验总体和需求分析系统、试验指挥通信系统、试验环境构设系统、仿真试验系统、综合数据分析与评估系统以及勤务保障系统等。

细化上述试验能力需求分析, 以察打一体型UUV为例, 具体说明海上作战试验所需主要手段设施: 需要水声通信系统用于低速率近距离水下通信指挥和打捞定位, 短波、超短波通信系统用于中远距离水面指挥通信, 卫星通信系统用于水上大带宽远距离试验数据传输和远距离通信指挥, 以及相应的指挥控制、数据链和时统系统等; 水下位置轨迹测量系统根据机动、武器使用等试验所需精度不同, 需要投放式长基线、短基线水下定位系统或固定基阵水下定位系统, 还需具有水下导航、弹道测量、态势监控等功能; 遥测和状态监测系统通过UUV自身传感器(惯导、测速仪等)推算位置和记录姿态、状态数据, 采用在线上传或离线下载获取数据; 需有用于海上调试和探测精度试验的标准声源, 除配合试验的实船(艇)外, 还需一定数量的实体靶、尺度靶、活动靶(可模拟潜艇、水面舰艇等的噪声、回声、运动特性)用于武器试验和目标威胁模拟器(主动脉冲发生器、水声宽带干扰器等)用于构设作战环境以及编队、体系试验; 需具有指挥控制、发射回收和打捞平台(舰艇、保障船等)、停靠设施及保障服务(港口、码头、拖船、维护车间和仓房, 提供充放电、供油和供气能源补给等保障)。根据此类UUV具体性能和试验要求, 还可能需有水下高速通信系统、水下信息网络和栅格、水下能源补给设施、水下光学成像系统以及动态试验环境构设系统(用于环境自适应和自主能力试验)等手段能力。

基于数据的试验流程反映了试验与评估活动的目标和过程, 试验与评估活动整体上是围绕数据的需求分析、生成获取、传递转换、存储处理、分析研究和利用反馈而进行的, 包括技术资料、大纲方法、试验文件、测量数据、环境数据和情报信息等, 将数据变成信息支撑研制和采办决策, 必须保证数据的真实性、完整性、准确性和有效性。UUV是科技快速发展的产物, 全寿命的各个环节综合利用计算机辅助设计、数据库、建模仿真等信息技术, 产生了大量多类异源数据。共享试验数据是达成一体化试验主要途径之一, 通过流程控制和业务管理对UUV的各方面信息数据进行数字化、标准化和集成化, 实现数据一次生成, 多次传递使用, 提高信息数据的共享和可再利用性。

2.2 试验与评估指标体系

构建清晰明确、结构合理的试验与评估指标体系是保证试验组织活动有序开展的基础, 是试验与评估计划设计和实施的基本依据。对各种UUV试验与评估指标确立的依据主要包括研制总要求、研制任务书、技术规格书、试验大纲和方法、国家和军队有关法规和标准, 以及用户提出的试验与评估需求。不同类型和不同任务剖面下的UUV考核内容不尽相同, 还与不同阶段的试验(研制试验、性能试验和作战试验等)及其性质(演示验证、探索发现等)相关。指标体系构建往往以使命任务需求为初始输入, “由顶向下”逐层分解, 再根据评估需求“由底向上”地聚合, 经多次迭代, 最终形成与目标匹配的试验与评估指标体系。

装备指标一般分为战术技术性能和战术使用性能, 此处将UUV的试验与评估指标体系分为技术性能指标、任务效能指标和作战适用性指标三方面(见图2)[8]。

1) UUV技术性能指标: 说明UUV的技术状态。主要包括尺度特性、目标特性、动力学特性、导航定位精度、自主能力、布放回收能力、工作范围和时间, 以及传感器指标、性能极限和安全极限指标。

2) UUV任务效能指标: UUV在规划的或预期的使用环境中, 考虑综合情况, 由有代表性的人员使用时, 系统完成任务的全面能力的量度。主要包括任务完成率、覆盖范围和覆盖率、打击毁伤能力、易损性和生存性。

3) UUV作战适用性指标: UUV能被满意地投入使用并维持的程度。主要包括可靠性、可维修性、可保障性、可测试性(系统监测和故障定位)、可运输性、安全性、环境适应性、互操作性和兼容性、人机适配性和适用性、资料和备品完备性、经济性(全寿命周期的费用等)、战备完好性和战时利用率。

以被动水声侦察UUV为例说明指标构成, 技术性能指标主要有平台自噪声、辐射噪声、声目标强度、最大航速、理论系统工作时间和最大工作深度等总体性能指标, 以及探测范围和边界、发现距离、跟踪距离、测向精度、方位分辨率和目标跟踪数目等探测性能指标; 任务效能指标主要有任务完成率、目标发现率、分类识别正确率、虚警率和覆盖率等; 作战适用性指标主要有系统出航可靠性、出航可用性、水文环境适应性、系统监测和故障定位能力等。

总体性能、探测性能和导航性能等技术性能评定方法的理论基础是概率统计学, 依据各种标准规范试验与评定, 主要采用定量计算分析的方法, 如回转半径、方位分辨率和惯导圆概率误差等; 任务效能和适用性评估主要采用定量与定性相结合的方法, 主要有性能参数法、解析法和对抗法, 具体可在试验与评估的理论方法体系和标准法规体系中加以研究构建。

值得关注的是, 随着UUV自主化、智能化和集群化能力的提高, 需要开展相应的评估, 以说明一定条件下UUV独立实现目标的程度和能力, 自主能力涉及UUV感知、判断、决策和行动全过程, 考核评估的主要内容有传感器自主跟踪标定和自动补偿功能、高精度自主导航与避碰、目标和威胁的感知和识别、任务的自主规划和优化、编队状态自适应性和协同能力, 以及自主回收、自主能源补充等。

2.3 组织流程

在装备全寿命中, 试验鉴定与渐进式采办是交织进行、相辅相成、动态进化的, 试验活动始终是在寻求资源、质量、进度及效果的最优, 要在试验中结合实际情况达成最佳试验效益, 研制试验与作战试验一体化是重要方法之一。研制试验与作战试验在试验主体、环境和评估内容等方面存在区别, 研制试验由研制方实施, 被试品是原型机或试验机, 在受控环境考核技术指标, 而作战试验由使用方实施, 研制方参与辅助, 被试品是生产产品, 在典型任务环境考核效能和适用性。研制试验与作战试验的一体化决定了各自的试验内容和目标都有延伸, 两类试验差异性决定了开展一体化试验, 产品技术状态或状态通过控制必须符合各自的试验条件、方法、样本量和精度等要求, 一般选取正样或设计定型产品, 在具有任务背景的可控环境下, 在定型阶段实施一体化试验。

中心负责一体化试验组织, 针对具体UUV试验项目或任务牵头成立一体化工作组, 研制方与使用方参加, 制定一体化工作目标和规划, 统筹试验安排和项目, 管理试验进度和资源, 并在工作流程中实现。早期介入项目论证研制, 在任务研究中提出一体化试验策略, 在准备中共同制定一体化试验计划和建立联合试验环境, 在实施中组织兵力构建联合试验任务空间, 执行一体化试验计划, 到最后的试验数据、仿真数据、环境数据的一体化分析评估和多目标应用。

按照霍尔系统工程三维结构, 从时间维、知识维和逻辑维考虑试验与评估流程框架, 将流程概括为一个研究、准备、实施、综合、拓展五步走的过程(见图3), 这是抽象化的一般流程, 具体可根据需要裁减、嵌套、迭代和细化[9-10]。

1) 任务研究。分析试验任务、条件保障需求和能力等关键问题, 确定试验与评估目标, 制定试验与评估策略和总体计划。如果缺少明确的大纲和方法, 则需根据试验与评估任务目标、研制任务书和规范标准, 联合研制方、试验方和使用方共同研究制定一体化试验大纲和方法, 并需得到权威审核认可。在确定试验任务要求的同时, 输出试验需求评估报告和试验总体任务书。

2) 试验准备。主要有3方面工作: 一是试验预演、验前分析; 二是试验资源调配; 三是被试品调试。试验预演可利用仿真试验系统, 完成试验想定和设计, 确定所需数据的类型和数量, 以及期望或预期的试验结果, 分析试验与评估所需手段。需要根据试验任务选择试验场地, 构建试验环境和准备测控设备设施。掌握被试品的状态是否满足试验条件, UUV海试准备需按陆上调试(含衡重测试)—水池试验—湖上试验—海上试验的次序进行, 每一步完成后才能进行下一步, 要注意试验的可行性、目的性和预见性。输出试验预演报告和试验实施计划、数据需求表、流程图和时间表, 以及安控、后备和应急方案。

3) 试验实施。其重点包括试验数据采集管理和试验控制决策两方面。按一体化试验计划和方法程序建立指挥机构管理试验进度, 在数据管理中要确定试验数据采集的有效性和充分性。转阶段决策点要审查工作完成情况和下阶段准备情况, 决定项目是否启动、继续、调整或中止, 要注意海试气象和环境的不确定性, 以及试验过程和条件的记录。输出试验任务报告和试验数据报告。

4) 综合评估。将试验数据(包括内外场试验产生的数据)与试验前分析数据进行比较, 根据试验计划和评估内容处理数据, 使其转化为各方所需的评估或决策信息。当测得的结果与预期结果不一致时, 需检查试验条件和程序以确定原因。应注意试验条件和环境的明确, 拓展外推效能和适用性时尤其要说明成立条件, 输出试验任务报告和数据报告。

5) 应用拓展。综合运用试验等信息生产数据产品和提高试验水平, 针对不同的用户对数据进行裁减、处理和加工, 使其变成有针对性的信息产品, 例如操作手册、使用指南和训练教程等, 把信息反馈到装备的研制方和使用方, 支持其他联合试验, 实现数据共享循环应用。

3 几点建议

1) 建立使命职能与功能能力相适应的高层次UUV试验评估中心。一是在试验鉴定体系顶层设计框架下, 按照开放共享的原则, 依托现有机构和资源成立UUV试验评估中心, 赋予中心明确的UUV试验与评估职能, 确立其主导地位, 构建既相对独立又服务于研制和采办的组织执行体系; 二是健全运行和管理机制, 明确机构权责, 形成试验组织决策、项目管理、信息管理和咨询督导等规范机制, 坚持质量至上, 以质量管理体系规范工作, 使试验与评估行为成为有组织、高层次、权威的活动。

2) 制定以任务和能力需求为牵引的UUV试验与评估能力发展规划。一是研究拟制UUV试验与评估体系发展规划路线图, 在准确把握我国水下无人平台发展方向和重点的基础上, 统筹规划近期任务急需和长期能力建设, 确立UUV发展路线图与UUV试验能力需求的映射关系, 清楚阐述UUV试验与评估能力建设目标和远景; 二是由任务驱动向基于能力发展转变, 应对UUV试验任务加速增长和面向能力试验提出的挑战, 从贴近实战出发分析差距, 从形成能力体系出发确定建设内容, 提高能力完备性, 满足快速承担多样化任务的需求; 三是谋划创新服务和发展方向, 制定军民融合发展战略, 建立试验信息服务平台, 审核各方试验与评估需求, 定期发布试验能力指南和规划。根据实际和发展需求推动将试验与评估能力扩展至水下无人系统(UUS), 将功能向试验、训练、研究等多领域拓展。

3) 全面加强试验与评估系统和保障条件建设应用。一是提升综合试验保障能力, 扩大试验场范围和类型, 着力提高水下试验场的透明度, 重点建设高精度水下测量定位系统、完备的靶标谱系、虚实结合的仿真试验系统、远程部署和快速机动试验系统; 二是构建逻辑靶场, 适应体系能力试验需求, 推广靶场公共体系结构, 确保与其他试验资源的互联、互通和互操作, 形成联合分布式任务环境, 实现跨地域、跨体系的试验与评估; 三是应用系统为实战化检验提供支持, 利用各种复杂任务环境、演练对抗条件, 开展互操作性、作战适用性、体系适配性以及有人和无人编组等的试验与评估, 加速UUV与现有和将来的作战力量整合[11]。

4) 建立专业的UUV试验与评估人材队伍。一是发挥UUV试验活动技术密集、创新性强和专业交叉的特点优势, 培养组建一支由试验指挥、试验技术、作战运用、操作使用和维护保障等各类专业人才构成, 梯次合理、业务精深、相对稳定的UUV试验队伍; 二是成立UUV试验与评估咨询委员会以及试验执行指导组, 全方位开展试验研究, 审查试验方案, 指导试验实施, 监督试验进程; 三是依托中心作为UUV技术交流和合作平台, 加强信息沟通, 健全人才培养、交流和引进的机制, 创造良好的发展环境, 吸引军地、内外人员参与试验和研究, 形成UUV试验与评估领域和学科群。

4 结束语

文中借鉴美军UUV试验评估中心和试验鉴定体系, 构建了UUV试验与评估的组织执行体系, 为在UUV试验鉴定领域开展军民融合和UUV装备快速发展提供支持。为应对UUV装备快速发展带来的军事变革, 必须狠抓需求论证和试验鉴定2个呼应的关键节点。真正形成UUV试验鉴定体系还需在理论方法、体制机制和标准法规等方面加强研究建设, 才能达到节约采办费用、提高采办效率、增强装备效能和提升技术水平的目的。

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(责任编辑: 陈 曦)

Discussion about Construction of Organization and Execution System Architecture for UUV Test and Evaluation

DONG Jin-xin, ZHANG Dong-jun, ZHANG Lei, LIU Hua-shen

(1. 92337thUnit, the People′s Liberation Army of China, Dalian 116023, China; 2. Xi¢an Bureau of Naval Equipment Department, Xi¢an 710054, China)

This paper analyzes the requirements of unmanned undersea vehicle(UUV) test and evaluation, and further presents an overall scheme for constructing an organization and execution system architecture of UUV test and evaluation following the principle of “open, shared, authoritative, and efficient”. The system architecture includes the test and evaluation center, the test and evaluation system, the data-based process, and the integrated joint test mode. The fundamental elements are discussed with system engineering method in terms of the function, specification system of test and evaluation, working process, data, and so on. Moreover, some suggestions about UUV test and evaluation are offered to support the development of UUV equipment.

unmanned undersea vehicle(UUV); test and evaluation; system engineering

TJ630.6; N945

A

2096-3920(2018)01-0063-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.01.011

董金鑫, 张东俊, 张磊, 等. UUV试验评估组织执行体系构建与思考[J]. 水下无人系统学报, 2018, 26(1): 63-69.

2017-09-30;

2017-12-18.

中国博士后科学基金项目资助(2017M613384).

董金鑫(1975-), 男, 硕士, 高级工程师, 主要研究方向为装备试验鉴定技术.