鱼雷作战效能评估方法综述

韩建立，郭 聚，李新成，宋 冰

（1.海军航空大学，山东烟台 264001；2. 65529部队，辽宁辽阳 111000）

1868年，世界上第1枚鱼雷问世，经历了100多年的发展和两次世界大战的检验，鱼雷以其使用范围广、隐蔽性强、攻击目标种类多样、毁伤效果好等特点，成为海战中的克敌利器[1]。

随着国内外对武器装备作战运用研究的关注，武器效能评估逐渐成为研究热点。鱼雷作战效能是其作战运用的基本依据，目前，其研究已取得部分成果，但在评估可靠性、模型精细度、指标体系构成等方面还有待完善。本文旨在阐述鱼雷作战效能定义，总结归纳现有评估方法特点，提出未来鱼雷作战效能评估的发展方向。

1 鱼雷作战效能评估综述

1.1 效能概念

效能含义丰富、使用场景众多。我国军用标准《装备费用效能分析》（GJB 1364—1992）中对效能的定义[2-4]为：“系统在规定条件下达到规定使用目标的能力的大小。”效能根据不同研究方向和研究层次可分为单项效能、系统效能和作战效能，如图1。装备完成某一项功能的能力称为单项效能；装备完成某项任务的能力称为系统效能；装备在战场环境的条件下完成某项任务的能力称为作战效能。系统效能和单项效能属于装备的固有属性。作战效能是装备在具体作战环境中完成任务的能力，是1种使用效能[5-7]。这3种效能实际上是不同层次的子系统效能：单项效能是基础，系统效能是装备完成任务的程度，作战效能是在系统效能的基础上加入具体战场环境后完成任务能力的体现。

图1 效能概念之间的关系Fig.1 Relationship between effectiveness concepts

1.2 鱼雷作战效能定义

参照我国军用标准《鱼雷通用规范》（GJB 531B—2012）对鱼雷作战效能的定义[8]为：“在想定的环境条件下，对指定目标实施攻击命令，攻击过程中目标会实施火力对抗和水声对抗干扰等措施，在该条件下对目标毁伤能力的量度。鱼雷的作战效能由可用性、任务可信性及作战能力组成。”其具体定义见表1。

表1 鱼雷作战效能Tab.1 Torpedo operational effectiveness

鱼雷作战效能评估应包含的要素，如图2所示。

图2 鱼雷作战效能评估包含要素Fig.2 Elements of torpedo operational effectiveness evaluation

对鱼雷进行作战效能评估时，考虑到实际作战环境的复杂多变，需要提前对作战条件进行详细、严谨地预设。对不同类型鱼雷或同型号不同方案鱼雷进行评估择优时，须在相同的作战环境下进行评估，以确保评估的准确性、公平性、合理性[9]。

1.3 鱼雷作战效能量度

根据不同情况，作战效能量度的表示分为物理量和概率[10]。对于互逆性和唯一性任务，采用概率形式；对于不明确或不具体的任务，采用物理量形式。以单一参数描述作战效能，是最简单理想的情况，但对于复杂装备、任务，其内部关系复杂，须采用多参数量度形式。

虽然鱼雷的性能指标繁多，但作为1种武器，其唯一的作战任务就是摧毁目标。这一任务具有单一、明确的特点，有清晰的框架，并且结果具有互逆性。因此，鱼雷作战效能可以采用单参数“概率”的形式表示[11]。

2 鱼雷作战效能分析方法

作战效能评估自20 世纪60 年代发展至今，产生了很多经典的武器作战效能评估方法。随着科学技术的发展，评估理论呈现多学科融合的态势。鱼雷作战效能评估方法分类，如图3所示。下面，重点分析具有代表性的鱼雷作战效能评估方法。

图3 鱼雷作战效能评估方法分类Fig.3 Classification of torpedo operational effectiveness evaluation methods

2.1 专家评估法

该类方法通常需要专家对指标的权重或能力参数进行打分，适用于一些难以量化的指标。该方法的局限性在于受主观因素影响较大，过于依赖专家的经验，实际操作时往往因为专家观点的不同而导致评估结果的不稳定。在评估中，可以通过选取多个专家、丰富专家的来源层次等方法减小因专家主观因素导致评估结果不稳定的影响。涉及专家评估法的方法有层次分析法、模糊综合评判法等，下面，以层次分析法为例介绍。

该方法由美国学者Thmoes L.Saaty 于20 世纪70年代提出，是1种对多属性指标进行定量、定性分析的评估方法，但该方法将指标关系简单地表述为由上至下的传递关系，不能体现指标之间的反馈、耦合等关系。

文献[12]采用层次分析法建立了鱼雷武器系统的作战效能评估指标体系，通过专家评估法确定指标权重，运用模糊理论确定指标分数，最终对两型鱼雷进行评估，确定两型鱼雷作战效能。

2.2 解析法

该类方法是根据鱼雷作战中的相关指标建立模型，对鱼雷作战效能进行评估。该类方法主要有WSEIAC法、灰色评估法、信息熵评估法等。

2.2.1 WSEIAC法

20世纪中期，美国武器效能咨询委员会提出该方法后，多种相关方法不断衍生。其基本模型为：

式（1）中：E为鱼雷的作战效能；可用度A有2种状态a1、a2，分别对应任务来临时鱼雷处于正常状态或故障状态的概率；可信度D有4 种状态d11、d12、d21、d22，分别为鱼雷发射前后均处于正常状态的概率，鱼雷发射前正常、任务中故障的概率，鱼雷发射前故障、任务中正常的概率，发射前后鱼雷均处于故障状态的概率；作战能力C有2种状态c1、c2，分别为处于正常状态的鱼雷完成任务的能力和处于故障状态的鱼雷完成任务的能力。

文献[13]、文献[14]均运用了该方法。该方法的优点是可以通过相对较小的计算量得到较为准确的评估结果，且考虑因素比较全面。但当作战过程复杂，当A、D、C中各个指标的维数增大时，矩阵的求解会占用大量资源，在加入维修、多任务、敌方对抗等条件后，该方法的求解将极为困难。并且，将状态之间的转换以概率的形式体现也过于简单。

2.2.2 灰色关联法

含有未知的、不确定的信息的系统称为灰色系统。该方法利用已有的小样本数据进行建模，模拟系统自身规律，根据信息覆盖的原则，使整个系统由“灰”变“白”。灰色关联法的核心是通过比较曲线间的拟合程度来获得序列间的关联程度。

鱼雷作战效能综合评估时，部分因素存在信息未知、模糊的情况，而灰色关联法正适用于解决此类问题。文献[15]使用了灰色关联法，并结合层次分析法和专家打分法对鱼雷作战效能进行评估。灰色关联法需要的信息量适中，对原始数据要求少，既能考虑人为因素，又能保留底层因素，适用性广、实用性强。

2.2.3 信息熵评估法

该方法通过将信息熵函数进行变换，来获得装备效能评估模型，并利用模糊的自信息量表示各系统效能的评估结果。文献[16]从潜射鱼雷实际使用出发，通过信息熵法对潜射鱼雷作战效能进行评估，构建了该武器的效能评估模型。

2.3 作战模拟法

作战模拟法是指建立模型，最大限度还原真实作战场景，并通过模型的运行情况，研究作战效能。模型种类多样，其规模大小可根据需要调整，复杂程度可按实际情况设置。在鱼雷作战效能评估中，对鱼雷攻击过程进行建模仿真是作战模拟法的典型代表。

以现役主流航空反潜鱼雷为例，其攻击过程，如图4所示。

图4 航空反潜鱼雷工作流程图Fig.4 Workflow diagram of the aerial anti-submarine torpedo

准备段是指从地面准备到投放前所进行的发射前准备的过程；投放段是指当反潜机接收到潜艇的相关要素后抵达发射阵位，并将鱼雷投入海中，包括从鱼雷开始投放至接触水面的过程；搜捕段是指鱼雷入水后自导系统工作，鱼雷进入搜索弹道寻找目标的过程；跟踪段是指鱼雷搜索到目标后对其进行跟踪的过程；毁伤段是指鱼雷爆炸以摧毁目标的过程。依据其建立的攻击过程的仿真模型，可获得其作战效能。

在投放段，文献[17]研究了雷伞系统在受到扰动时的俯仰角度的变化，讨论了雷伞系统的主要参数对空间弹道稳定性的影响。研究表明，雷伞系统能抵抗小扰动，但大扰动的抑制能力较低；在雷伞系统主要参数中，系统的总重、外形、伞雷体积比是导致稳定性发生变化的参数。文献[18]建立了鱼雷六自由度弹道模型，并对降落伞、雷伞连接点等作了简化处理，研究发现：降落伞可以满足系统的减速要求，鱼雷的入水速度较低时可以获得较好的入水姿态；但投雷高度过低会导致鱼雷俯仰角数值过低，造成跳弹。文献[19-20]建立了鱼雷空中弹道模型、落点位置解算模型，通过仿真得到了投雷高度、投雷速度和风速风向对鱼雷落点的影响。

在搜捕段，文献[21]对潜艇非规避航迹上的回波反射强度变化进行仿真，结果对研究反潜鱼雷搜捕概率的影响因素提供了理论依据。文献[22]建立了潜艇运动模型，以反潜鱼雷进行螺旋搜索为例，建立反潜鱼雷搜索发现目标模型，采用蒙特卡洛法进行仿真。得到自导作用搜索距离、水下目标运动状态与反潜鱼雷搜捕概率的关系。文献[23]建立了声呐浮标基于潜艇航深的检测模型，讨论了潜艇运动参数和海况对声呐浮标搜捕概率的影响，对反潜鱼雷搜捕目标有借鉴意义。

在跟踪段，文献[24]建立了固定提前角追踪潜艇的数学模型，对雷目速度比、自导作用距离、接敌角等影响因素进行仿真，获得各参数对追踪概率的影响。文献[25]仿真了benchmark 潜艇目标强度在鱼雷采用3种典型追踪方式下的过程，仿真结果表明：在采用固定提前角作为追踪方式的情况下，目标强度随着提前角的增大而降低。文献[26]采用MATLAB 建立鱼雷尾追弹道模型并仿真得到鱼雷尾追弹道。

在毁伤段，文献[27]在鱼雷毁伤概率模型的基础上加入命中概率、潜艇舱段毁伤程度、潜艇要害指数、毁伤效果累计系数等指标，对鱼雷毁伤效果进行了较为全面的评估。

通过全过程的模型仿真，模拟再现了鱼雷投放、入水、搜索、跟踪、毁伤的全过程，可以为鱼雷的实际作战使用提供依据。

模型仿真法通过计算机仿真获得了鱼雷作战效能评估数值，节省了因复杂繁琐的实战演练而消耗的时间和经费。但对于对抗条件、武器装备协同的考虑却不够充分，细节也不够统一，这是该方法应用于鱼雷作战效能评估时需要改进的地方。

2.4 试验统计法

该方法是通过现场试验的方法得到全面真实的试验数据，对试验数据进行统计分析，得到系统效能值。常用的方法有假设检验、参数估计、抽样调查等。

试验统计法是效能评估的最可靠方法之一，适合在大型实装实弹演习时使用。该方法能准确得到装备作战效能，但试验需要大量人力、物力、财力且耗时巨大，对一些在论证、研制初期的装备难以进行评估。

2.5 新兴评估方法

随着信息化联合作战的不断深入，战场的复杂程度不断提升，传统评估方法已不能满足现代战场需求，于是各种智能算法被引入作战效能评估中。以神经网络为例，其具有自学习功能，通过对历史数据的训练得出结果，用户将训练结果与期望结果进行比对，调整优化各指标权重，最终获得装备的真实评价结果。该方法既能完成单个装备的效能评估，也可完成多个装备的效能比较分析，是作战效能评估走向智能化的1个标志。文献[28]运用神经网络法对鱼雷主要性能参数进行仿真优化。该方法计算时间明显缩短，可进一步运用到复杂的多参数系统中。文献[29]建立了基于神经网络的鱼雷作战效能模糊综合评价模型，克服了人为因素的干预，充分利用了专家的经验使仿真结果可行有效。

3 鱼雷作战效能评估展望

3.1 将新理论与作战效能评估相结合

鱼雷作战效能评估的原始资料有限，且分散难收集，在很多数据缺失的情况下，应充分运用智能学习算法，如神经网络等，对数据信息进行深度挖掘，提取其中有用的部分进行归纳总结，提高鱼雷效能评估的可靠性。不断提高新数学理论、智能控制理论在评估中的应用比例，使鱼雷评估朝着信息化、现代化的方向发展。

3.2 建立高精度动态模型

目前，对鱼雷作战效能评估的方法多为传统的评估方法，这些经典的评估方法都属于静态分析，得到的效能指标只能反映鱼雷的静态能力属性，其与实战中的复杂作战想定背景下的对抗条件属性有一定区别，此类方法虽能满足对鱼雷武器装备的初步总体论证需求，但不能很好地反映整个攻击过程效能的波动情况，越发难以满足贴近实战化作战的要求理念。在本文2.3中有大量运用仿真法评估鱼雷作战效能的实例，但模型主要集中于弹道仿真、自导模型检测方面，且受限于文章篇幅，实例多是讨论某一特殊情况对鱼雷作战效能的影响，其精度普遍不高，考虑战场环境及潜艇目标的要素较少，对一些复杂过程只能通过简化模型得到近似值。下一步要加强动态仿真模型的建立，不断提高作战模型的精度，完善对鱼雷动态全过程能力属性的评估。

3.3 多种方法对比分析

目前的研究多采用单一方法对某一鱼雷进行分析和研究。这种单一对象、单一方法的作战效能评估在可靠性、合理性和有效性上缺乏支撑。基于此，在未来的评估中：一是要采用多方法评估，并对结果进行验证、比对，进一步提高评估效果的合理性和科学性；二是要对输入的原始数据、评估模型进行置信度检验，提高评估结果的真实性。

3.4 明确相关概念、统一评估指标

只有完善的指标体系和成熟的评估方法才能对评估结果进行比较分析，才能达到“以评领战，以评促战”的目的。鱼雷作战效能评估虽有明确定义，但在作战效能评估中仍存在概念不统一的现象，如对“作战效能”“系统效能”等概念的理解存在偏差。评估标准和方法的变化会影响评估结果的稳定性，使得不同评估结果缺乏对比性。这就要求规范描述作战行动、作战评估及作战效能评估中涉及的相关概念，统一鱼雷作战效能评估指标体系（如规定目标潜艇性能参数、统一仿真模型等），以提高评估结果的通用性。

3.5 深入开展体系效能评估研究

进入21世纪，体系作战被世界各国关注。现代化战争中投入的装备种类越来越多，装备之间的协同作战构成的体系对抗成为决定战斗胜负的关键点。在此背景下，独立研究装备的作战效能已不能全面衡量装备效能，必须考虑装备对体系作战效能的提升能力，即体系贡献率。现代海战中，鱼雷因具有高效反潜的优势，其作战效能和体系贡献率不断提高，对其进行体系效能评估研究在装备使用和发展中具有重要意义。