直升机作战效能评估技术应用与研究进展

李国知 吕少杰

摘要：作战效能（OE）评估是直升机总体论证和直升机装备体系建设发展规划的核心问题。本文从作战效能评估研究的军事背景需求出发，详细综述了直升机作战效能评估技术进展，以及梳理了国内研究现状和研究难点/热点问题，包括基于性能指标的直升机作战效能评估、基于统计分析的直升机作战效能评估、基于仿真模拟的直升机作战效能评估，最后，提出了一种直升机作战效能仿真评估框架，为推进国内直升机作战效能评估技术未来发展提供参考。

关键词：直升机；性能；能力；作战效能；仿真

中图分类号：V221文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.01.012

直升机具有独特的气动构型和技术优势，在作战中担负攻击、侦察、指挥、运输、电子战、医疗救护等多重使命，能够有效遂行立体化火力打击、快速垂直机动、关键性后勤保障、低空域信息作战等多重任务，是当前甚至未来在低空域复杂战场上实施体系协同作战必不可少的一把低空利剑。

根据作战效能的定义[1]，直升机作战效能可诠释为直升机在低空域复杂战场上完成作战任务的能力与效果。对直升机作战效能进行评估，可为直升机装备科学发展规划提供决策支持，同时，也为促进直升机装备综合作战能力生成与部队战斗力提升提供强力支撑。它已成为直升机总体论证和直升机装备体系建设发展规划的核心问题。世界各国一直非常重视直升机作战效能评估，尤其重视在直升机装备体系建设、直升机型号论证/立项/研制，甚至国防采办/决策、部队训练/试验/演习/实战的各个环节，充分运用直升机作战效能评估技术解决直升机遂行各项作战使命任务所面临的或可能面临的各类问题。

本文立足于直升机作战效能评估，从武器装备军事需求论证出发，研究作战效能评估技术背景需求，综述直升机作战效能评估技术进展，分析国内研究现状及相关研究难点/热点，提出直升机作战效能仿真评估框架，为推进国内直升机作战效能评估技术未来发展提供参考。

1国外研究进展

1.1研究背景

为科学、精准牵引武器装备发展，美国从武器装备军事需求论证出发，不断研究基于作战能力的论证评估模式[2]，并逐步向基于作战试验的效能评估模式[3]发展，在相关研究与实践中一直处于世界前列。

1.1.1军事需求论证催生作战能力评估

早期，美国为实现从未来战场需求提出到装备研发生产整个过程的科学管理，通过不断评估各军种当前和未来的作战能力，研究和确定新的武器装备需求和新的项目发展计划，牵引武器装备发展。随着战争形态的不断更新和科学技术的不断发展，美国针对信息化战争对武器装备体系发展的客观要求，从不确定的多元威胁出发，对作战能力进行评估，进而规划武器装备建设。

1.1.2从作战能力评估走向作战效能评估

海湾战争后，美国制订并推行新军事变革的战略计划，提出基于作战试验的效能评估模式。通过建立作战实验室，利用仿真试验，演示新概念，论证评估新思想与作战理论，验证新技术与程序，研究兵力在联合作战中的作用及运用原则，通过分析论证武器装备作战效能，提出作战对装备的需求、发展方向和主要作战性能指标等，再用这些试验结论指导军队建设。例如，美军于20世纪90年代通过作战仿真试验，验证F-22的作战效能，主要关注的问题是：F-22面对当前和未来对手时，是否具有更为显著的作战效能[4]。2019年，美军采用高保真仿真手段计划模拟F-35典型作战使用场景，开展作战效能评估研究[5]。

美国从作战能力出发，基于国家战略和联合作战以及战役/战术等展开武器装备作战仿真与作战效能评估，目的是以非传统方法对变幻莫测的现代战争进行试验，并针对新的战场环境提出装备需求，服务于政府和军队高层决策。

1.2技术进展

直升机作战效能评估所采用的方法和技术手段，一直在随着科学技术的发展和战争形态的变化而保持着持续的更新与进步。

1.2.1基于装备性能的直升机作战效能评估

基于装备性能的直升机作战效能评估技术起源于基于固定翼飞机的性能对比法，目前已更新衍生出一系列计算评估法和层次分析法等。

作战效能评估首先应用于固定翼战斗机。从二战初期到20世纪60年代，由于不同型号的战斗机机载武器系统差距不大，主要是航炮和炸弹，瞄准装置多是光学瞄准具，火力差距不大。作战效能主要由战斗机性能指标决定，通过挑选与作战任务相关的装备性能指标（如载弹量、作战半径等）进行直接对比，即可得出评估结果。这种性能对比法是航空武器装备较为早期的一种作战效能评估技术。

苏联在研制卡-27舰载直升机时，曾将其与卡-25直升机进行性能对比，开展反潜作战效能评估，通过对航程、续航时间和反潜设备等进行对比，得出结论：卡-27直升机反潜作战效能是卡-25直升机的两倍[6]。

到了20世纪80年代，进一步结合装备实战使用经验，利用性能指标构建效能评估函数，形成了计算评估法。这种方法易于了解、计算简单，且能够进行指标间关系的分析，广泛用于评估论证。

经过多年的实践经验沉淀与科学技术发展，基于固定翼飞机作战效能评估函数，逐渐形成了一系列的直升机作战效能评估函数，包括对地攻击、对空攻击、运输、侦察等效能评估函数[7]。

基于系统工程方法论，还进一步发展形成了ADC效能评估模型[8]，用于直升机作战效能评估，即直升机作战效能（E）是直升机可用度（A）、可信度（D）、作战能力（C）三者的函数（见图1）。

除系統工程方法论外，还出现了层次分析法[10]，它是将评估问题分解为若干组成因素，基于各因素从属关系建立层次结构分析模型，采用专家打分的方法对各同层因素进行两两对比，形成评价矩阵，进行层次排序，生成各同层因素权重，采用计算评估法获得各同层因素的量化值，最后聚合计算得到评估结果。这种方法广泛用于基于多项相互独立的作战能力的作战效能评估。参考文献[11]应用层次分析法，通过构建平台指标体系，研究了军用直升机平台效能，并期望用于军用直升机总体效能的评估、总体方案的对比评估及优选。

从性能对比法到计算评估法，再到ADC评估模型和层次分析法，直升机作战效能评估技术得到了不断更新。但性能对比法过于原始和简单，由其衍生的计算评估法侧重于单机评估，ADC评估模型欠缺灵活性，层次分析法主观性太强（依赖于专家打分结果开展评估研究），因此，这一类基于装备性能的直升机作战效能评估技术在面向当前甚至未来体系化作战背景下的直升机论证规划与项目决策时，有一定局限性。

1.2.2基于统计分析的直升机作战效能评估

基于统计分析的直升机作战效能评估技术是应用数理统计法，依据实战/演习/试验/模拟所获得的大量统计数据开展效能评估。其应用的前提是所获统计数据随机特性能够清晰地用模型表示并相应地加以利用。

1981年，美国亚利桑那大学运用该技术通过飞行试验，研究了美国空军直升机搜救队的搜救效能（见图2），得出结论：直升机搜救效能与搜救区植被密度和求救者动作相关，还与搜救模式和搜救区云层覆盖条件等息息相关[12]。

1992年，美国国会总审计局（GAO）通过统计分析实战战果，对“阿帕奇”武装直升机在1991年“沙漠风暴行动”中的作战效能进行了研究，得出结论：“阿帕奇”武装直升机空战性能优越、武器系统有效，作战效能符合军事定位与军事需求[13]。

基于试验数据/实战战果评估直升机作战效能是一个有效方法，但所耗人力/物力/财力/时间成本巨大，在实用性上大打折扣。因此，概率评估法[14]、兰彻斯特法[15]、蒙特卡罗法[16]等得到发展。

概率评估法是通过建立静态概率模型，计算已知随机因素的概率来评估效能。

兰彻斯特法是通过建立如下描述交战双方兵力变化关系的微分方程组[4]，采用计算机模拟，开展效能分析。

蒙特卡罗法是通过建立武器装备随机过程概率模型，采用计算机模拟，获得命中概率等参数的统计特征，展开效能评估。2014年，英国格拉斯哥大学采用蒙特卡罗法对直升机遭遇火箭炮攻击时的规避机动效能展开了研究，设计了直升机规避机动效能的评估方法，用于论证直升机主动机动系统（AMS）设计的可行性[17]：

从基于实战/演习/试验数据的评估，到基于计算机模拟数据的评估，效率得到了提升，且便于反复校核装备性能、作战规则等因素对作战效能的影响，可为进一步改进装备性能和作战规则提供定量分析基础，但局限于场景设计过于简单，评估内容过于单一，难以开展大规模作战使用场景下的作战效能评估，在面向体系化作战背景下的直升机装备论证需求时，仍需进行技术革新。

1.2.3基于仿真模拟的作战效能评估

20世纪90年代以来，随着蒙特卡罗法的盛行，加之信息技术、计算机技术、面向对象编程技术等快速发展，基于仿真模拟方法开展作战效能评估得到广泛应用。这种方法以计算机仿真模型（如基于Agent的仿真模型[18]）为试验手段，通过设置典型作戰场景，在给定数值条件下运行模型来进行作战仿真试验，由试验得到作战进程和战果数据，直接或经过处理后用于评估作战效能。

自2000年开始，美国工业部门相继建立了联合作战仿真系统（JWARS）[19]、联合仿真系统（JSIMS）[20]、联合建模仿真系统（JMASS）[21]、高级仿真/集成/建模框架（AFSIM）[22]等，还开发了各种评估分析软件，如兰德公司的面向信息化作战的复杂系统效能分析仿真系统（SEAS）[23]、波音公司的联合武器支援任务部队评估模型（CASTFPREM）[24]等。近10年来，韩国开发“陆军航空兵仿真平台”[25]，对直升机作战效能展开仿真研究，用于支持国防采购中的直升机选型决策。2020年，澳大利亚国防科学技术部航空系统效能实验室也在建立直升机仿真模型，采用仿真手段研究直升机作战效能[26]。

基于仿真模拟，通过典型作战使用场景仿真量化考察直升机参与单机/编队/体系作战的作战效能，以及量化考察直升机面向其自身使命任务的作战体系定位，可使评估结论更具全面性、有效性、科学性，能更好地支持型号决策。但目前作战效能仿真模拟至少还存在以下关键技术环节没有得到突破：（1）如何从体系出发设计生成贴近实战的对抗场景想定，展开作战效能仿真；（2）如何构建统一的直升机作战效能评估指标体系，展开包括火力打击、侦察监视、指挥控制、电子对抗、通信保障等多元、全维度的作战效能仿真研究；（3）如何基于作战效能仿真评估指导直升机战技指标优化甚至型号方案优选；（4）如何实施直升机在体系对抗中的作战效能仿真与体系贡献率评估研究。

这些关键问题目前已构成直升机作战效能评估技术应用与研究的难点/热点。

2国内研究现状

作战效能评估是推动我国武器装备科学发展与军队作战能力稳步提升的一项关键性工作。我国历来非常重视作战效能评估，相关人员和机构开展了系统研究。朱宝鎏[27]较早研究飞机作战效能、曹义华[7]率先研究直升机作战效能，成果支持了多种型号飞机/直升机的军事需求与作战效能评估论证。

国内主要是运用传统效能评估方法开展研究。如北京航空航天大学运用兰彻斯特法、层次分析法、概率评估法等对战斗机及其机载火控系统、导弹、机载雷达等开展作战效能研究[28]，在直升机方面，还基于层次分析法，尝试通过结合效能与经济性对直升机总体方案进行评估[29]；南京航空航天大学将层次分析法用于直升机作战效能评估[11]；陆军航空兵研究所尝试构建直升机效能评估指标体系，采用ADC评估模型研究直升机作战效能[30]；西北工业大学对飞机作战效能也有一定研究[31]。在仿真评估研究上，国防科技大学较早开展，在武器装备平台级体系对抗仿真建模、体系效能仿真评估等方面进行了系统且深入的理论研究[32]；航空工业沈阳飞机设计研究所面向指标论证，采用仿真方法，对战斗机的突防效能进行了研究[33]，但仿真规模较小，还未基于典型作战使用场景开展研究。

总体而言，我国在作战效能仿真方面的研究起步较晚，对作战对抗环境下的影响与分析还不够全面和深入，目前还没有形成规范化的效能仿真评估流程和模式。尤其是我国对直升机作战效能的评估研究，目前还处在计算评估法、层次分析法等的研究局限内，仿真的运用尚处在试行与探索中，迫切需要从作战对抗环境视角出发开展装备作战效能评估，研究不同作战使用环境、不同作战运用方式下的实际效果和限定条件，根据评估结果，论证提出装备主要能力和战术技术指标要求。

3直升机作战效能仿真评估框架

通过综述直升机作战效能评估技术应用与研究进展，提出一种面向体系化作战背景的直升机作战效能仿真评估框架（见图3）。主要内容包括生成作战效能评估指标体系、构建作战效能评估模型、设计作战效能评估场景想定、建立作战装备仿真模型、实施作战效能仿真评估。

3.1直升机作战效能评估指标体系

直升机作战效能评估指标体系用于支持作战效能评估模型构建。由于直升机主要在低空域战场环境下，或对敌水面/空中/陆上/地下目标等实施侦察、攻击等交战活动，或与友方体系协同装备实施信息/态势共享、指令上传/下达等交互活动，所构建指标除了要体现对敌的战果效应（如目标发现率、目标毁伤率等指标），还需反映与敌的交战过程（如目标发现用时、目标打击用时等指标），以及和友方体系协同装备的交互过程（如指令信息时延、态势更新周期等指标）。因此，直升机作战效能评估指标体系至少应包含战果效应、交战过程、交互过程三个方面的指标，如图4所示。

3.2直升机作战效能评估模型

基于数理统计学中的数据样本标准差原理，设定各评估指标值的“零点状态”（即直升机作战效能为“零”的理想状态），若评估指标值相对于该零点状态的标准差较大，说明大部分效能指标值距离零点状态较远，表明作战效能较大；若标准差较小，说明大部分效能指标值距离零点状态较近，表明作战效能较小。图5为模型原理示意图。

3.3其他

结合直升机装备特点，从军事想定出发，生成作战效能评估场景想定，并构建想定中涉及到的装备仿真模型，通过多轮次的作战仿真，得到直升机在该场景想定下的各效能指标的统计值，最后基于直升机作战效能评估模型实施作战效能评估。

4发展建议

当前，国外主要从能力需求获取、评价与决策等方面关注如何提高整个装备体系的作战能力，在此基础上协调各个装备主体关系等问题，并形成仿真建模手段，广泛用于装备需求与能力论证以及作战效能评估过程中。我国与国外还存在很大差距，建议未来重点在以下方面加强研究工作。

（1）加快直升机作战效能仿真评估技术研究进程，在方法与手段上跟上世界先进水平。多年以来，我国的直升机等武器装备作战效能评估多采用概率评估法、效能指数法、层析分析法等一系列传统的论证评估方法，所得评估结果大致能体现直升机等武器装备固有的静态能力属性，但难以评估其在复杂作战想定背景下遂行作战任务、达成作战目的的综合能力和水平。因此，过去基于这一系列方法和手段的作战效能评估，虽大致能够满足直升机等武器装备初步的总体论证评估需求，但越来越难以适应当今贴近实战的新军事变革深度推进对直升机等武器装备总体论证评估所提出的新高度、新理念、新要求。事实上，从国内研究现状来看，我国在十几年前已提出基于作战仿真法展开直升机作战效能研究的思想，并开展了一些研究工作[25]，但限于当时的认识水平、科研手段、财力限制等因素，后续研究进展缓慢，成效不大。随着时间的推移，我国在直升机效能评估方法与手段上和世界先进水平的差距越拉越大，现阶段亟待开展大量研究工作，以快速与世界先进水平接轨。

（2）依次从直升机单机、小编队和体系作战出发，开展作战效能仿真研究。单机和小编队作战效能是武器装备作战效能评估研究需要解决的重要问题。以单机作战效能仿真研究為基础，展开小编队作战效能仿真研究，是武器装备单机作战效能仿真研究的拓展，也是体系效能评估的基础。过去，我国已在常规构型直升机、作战飞机的单机、多机空战数值仿真模拟上有一定的研究，初步形成了一系列空战仿真计算方法、流程和模型。但部分研究仅限于理论的空战格斗数学模拟层面，与作战效能仿真脱节，距离实际论证应用较远，难以支持政府和军队高层关于直升机等装备发展的决策，与国外效能评估水平存在较大差距。我国需从实战出发，充分借鉴国外的研究成果，加速研究作战效能评估技术，从直升机单机、小编队再到体系作战，建立全面的评估模型，突破对地攻击和纵深推进的作战效能仿真关键环节，打通从作战想定到作战效能评估的流程，深入研究直升机总体设计与战术运用对作战效能的影响，为型号论证、技术方案优选及未来体系效能评估提供技术支撑。

（3）深入开展直升机体系作战效能和贡献率仿真评估研究，这是支撑未来体系作战背景下直升机装备论证评估的一项重点工作。本文所提出的直升机作战效能仿真评估框架可作为此项研究的入门基础。进入21世纪以来，先进科学技术的迅猛发展加速了武器装备的更新换代，人工智能（AI）技术、5G技术、云技术、大数据技术等为武器装备发展注入了新的活力，使得武器装备可替代性愈加明显，装备与装备之间开展协同作战和构成体系对抗逐渐成为现代战争的主要特征。此时，衡量武器装备优劣，不能仅考虑装备自身的作战效能，必须同时考虑装备体系的整体作战效能以及装备对其所处体系的整体作战效能的提升效果，这就是“体系贡献率”。它用来衡量武器装备在体系作战中的作用，表征装备对给定体系的整体作战效能的贡献程度。军用直升机是联合作战体系中必不可少的低空和超低空环节，在现代战争中的作用已越来越突出。在未来，随着直升机技术的不断向前发展，其垂直起降、高速机动等优势将越来越明显，使得军用直升机体系作战效能和贡献率越来越高，因此，着力开展这方面的评估研究，对于直升机装备体系建设、直升机项目科学决策以及在型号发展中发挥需求牵引作用具有重大意义。

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（責任编辑王昕）

作者简介

李国知（1984-）男，博士，高级工程师。主要研究方向：直升机总体论证。

Tel：010-57827751E-mail：liguozhi_adr@163.com

吕少杰（1983-）男，博士，工程师。主要研究方向：直升机总体论证。

Tel：010-66857553

E-mail：aili-008@163.com

Application and Research Progress on Operational Effectiveness Evaluation Technology for Helicopter

Li Guozhi1，*，Lyu Shaojie2

1. Aviation Industry Development Research Center of China，Beijing 100029，China 2. Research Institution of Army Aviation，Beijing 101121，China

Abstract： Operational effectiveness （OE） evaluation is the key issue of weapon equipment demonstration and development planning of weapon equipment system of systems （SoS） construction. Based on the background of research on OE evaluation， the progress on OE evaluation technology is reviewed in detail， including OE evaluation based on equipment performance， statistical analysis， and simulation. Then the current situation at home and research difficulties/hot-issues are analyzed. At last， simulation evaluation architecture of operational effectiveness for helicopter （SEA-OEH） is proposed. It can provide a reference for the future development of domestic helicopter OE evaluation technology.

Key Words： helicopter； performance； capability； DE； simulation