水面舰艇对海作战效能评估方法研究*

房灿新

（中国人民解放军91404部队 秦皇岛 066001）

1 引言

装备作战效能评估是试验鉴定工作的核心任务，是指导一线作战部队确立作战方案、作战预案的重要依据。随着以作战试验为关注焦点，加强武器装备实战化考核的系列化要求和管理规范的进一步明确，对装备战术技术性能，特别是对实际作战效能进行全面考核并独立给出评价结论的军事需求，变得愈来愈发紧要和迫切［1～3］。本文在研究新型试验鉴定模式的基础之上，以试验、训练演习和系统仿真等为数据来源，基于信息熵的改进ADC方法，同时引入复杂系统作战试验动态性、对抗性和体系支撑等特点，提出了一套完整的舰艇对海作战效能的评估方法。此方法经工程化实现后，在某新型舰艇试验定型工作中得到了较好的应用。

2 效能评估基本思路

舰艇装备具有武器配置全、电磁与火力兼容难、平台集成度高等特点，智能、隐身、快速、信火一体打击是其发展趋势。对舰艇装备的鉴定评估，是在统筹规划各类试验阶段活动与事件基础之上，获取各利益攸关方独立的数据分析（设计审查、软硬件测试、模型VV&A、性能验证、性能鉴定、作战试验、在役考核、训练演习、系统仿真），并进行一体化的项目管理，从而达到优质高效、客观评价装备“一能三性”（作战效能、作战适用性、体系适用性、在役适用性）之目的。效能评估既能服务于研制部门以改进设计思想、工程技术和生产工艺，又能为国家级战略性兵棋推演及宏观决策提供坚实的基础支撑。

试验鉴定（含LVC各类型态）要求在实战化的全系统、全流程、全要素条件下，设计不同试验因素及相应水平；模拟威胁目标，构设电磁环境，执行各类剖面的作战任务［4］，以此获取各类技术、战术性能数据；其中技术性能刻画了装备的基本技术特征，而战术指标则与装备遂行任务能力密切相关。效能评估的技术途径是自底向上分层不断聚合的，一般宜按照底层战技性能、中间战技性能、要素能力（含预警探测、信息处理、指挥控制、信火打击、舰艇机动、生命力等）、作战适用性、任务能力（含对海、对陆、反潜、防空作战等）、综合作战效能评估的路线图方式有序进行。

3 效能评估模型ADC&ES4

新的试验鉴定法规，要求评价作战效能（即装备完成作战任务时所能发挥有效作用的程度），以及作战适用性、体系适用性和在役适用性［5］。其中，作战效能多以完成任务的概率或效能指数等进行描述，三个适用性（Suitability）与“六性”指标、作战环境、部队适编和使用特性等紧密相关；考虑到所有作战任务都是以体系作战的方式才能有效完成，新的试验鉴定法规也要求考核装备是否和现行的作战体系相适配，如：体系融合度（单型装备与装备体系中其他装备接口兼容和任务协同的有效性等）。但是，法规标准并没有注意到体系支撑反过来也会提升装备的实际效能，这样的正反馈不仅与作战区域（丰富的气象水文信息等）有关，也与信息对抗、地面空中力量依托有关（即便不使用，也具有威慑力），因此提出了体系支撑（Support）调节因子这样一个补充指标。

作战系统的效能评估方法与单设备的效能评估方法有着本质的区别，评估的视角必须着眼于作战体系结构上的组合型态和能力消长上，这也从一个侧面说明了系统的不确定性、对抗性和涌现特性。对海作战设备与系统组成如图1所示，公共计算环境可能成为单节点故障，并造成预警探测、指挥与打击各个层面能力的完全丧失，尤其是在它还不具备与位置无关的柔性重组能力的时候；这与传统舰艇的预警独立分治相比，作战系统的健壮性、容错能力甚至在某种程度上是一种倒退。而针对作战系统这样一种结构上的不确定性，以信息熵（Entropy）来进行度量就显得比较适宜。

从一个更广阔的范畴来讲，战争的科学性居于主导地位，艺术性居于从属地位，其中效能评估乃是问题的关键之所在。当前，国内外评估方法的技术途径很多［6～7］，我们经过系列化的试验结果处理和综合分析，相对而言ADC（可用性Availability、可信性Dependability、作战能力Capability）评估方法是比较便利于工程实现的。这样，本文给出了基于信息熵的改进ADC评估方法。

4 对海作战效能评估的工程实现

舰艇的使命任务具有多样化的特征，主要包括编队指挥、对海作战、对陆作战、反潜作战、防空作战、保交护航以及非军事行动等等［8～10］，本文限于篇幅只对对海作战任务模式进行讨论。软件编程主要由CS及SQL Server来实现，并未采用与Matlab混合编程的方法，而是使用了第三方开源的Math.Net Numerics软件包。该软件包支持矩阵LUQRCholesky分解，马尔可夫链抽样以及FFTHilbert复杂信号处理等，此种型式的代码嵌入实现方式取得了较高的编程效率。

4.1 作战系统的状态定义

如图1所示对海作战主要由9个系统或设备直接参与，考虑到设备的正常、故障等不同的工作模式组合，定义了如表1所示的11种工作状态。系统的可用性矩阵A可根据文献［11］的方法，不难求出；其中，状态1的可用性为

表1 对海作战系统状态

图1 对海作战设备与系统组成

在此基础上，下面分析可信性矩阵D11×11的计算方法；由于不考虑短时应急抢修的有效性，可信性矩阵D11×11的下半角元素都为0。首先求出，单一设备的可信性函数Ri：

在式（2）中，Ti为某设备在对海作战任务中的执行周期（典型地可设置为10min～30min）；据此可得出可信性矩阵部分内容为

4.2 单装作战能力分析

舰艇对海作战能力的直接相关要素主要包括：含预警探测、信息处理、指挥控制、信火打击（间接要素中的舰艇机动、生命力等，在下节中论述）。每一个作战要素，又有一系列的单装协同完成。对于预警探测方面而言，某型舰艇对海作战的信息来源如图1所示主要有5类设备，以下首先求单一雷达的设备能力。

选取搜索距离、搜索精度、跟踪距离、跟踪精度、批数、自动建航能力、抗干扰能力、作战适用性（海洋环境适应性、电磁环境适应性、保障适用性、测试性、在役适用性（适编性、经济性等）、体系支撑等作为其二、三级指标。需要说明的是，长期以来雷达的自动建航能力得不到应有的重视（人工半自动方式是使用主体），然而它对先敌识别、舰艇自防御等战斗力的生成至关重要，因此要赋予较大的权重。对同级的各项并列指标，需构造层次模型的权重模糊判断矩阵，通过Math.Net Numerics求取特征值及特征向量；经过一致性检验后，可求得权重向量为ω=［ω1，ω2，…，ωn］T。再对单一指标进行归一化处理，指标归一化计算方法可依据成本型、效益型、分段函数、灰色白化［12～13］等不同模式灵活处置；而对于特别难以处理的定性描述指标，可以采取专家打分的Delphi方法来进行量化。

为了贯彻实战化的要求，指标评价是基于紧盯作战对手的战技指标来量化的原则而进行处理（作战对手的战技数据需要作战情报部门的信息支撑），以雷达威力式（4）作简单说明：

采用分段函数进行归一化处理也是比较典型的，例如：对于被动雷达，为完成多舰协同条件下对辐射源的识别和定位，一般会以射频通道的方式进行定向协同信息传输，以便实现雷达协同自组网。通过权衡后以分段方式，构建协同信息传输速率的隶属函数为

这样，在前期已构建的作战效能指标体系的基础上，通过权重向量与归一化后的指标向量乘积，即可计算出单一雷达的作战能力（如图2所示），图中以蓝方雷达为参照基准（指数为1000），最后给出了红方雷达的作战效能总指数。这里的雷达威力、射频传输速率的原始数据来源于科研试验、系统仿真、鉴定试验以及训练演习。采取相似的方法，可求得指控系统、舰舰弹、主炮的单装作战能力。

图2 红方相对蓝方某型雷达作战效能分析

4.3 对海作战效能评估

作战系统的复杂性是混沌性的局部与整体之间的非线性形式，由于局部与整体之间的这个非线性关系，使得我们不能通过局部来认识整体。当前的作战环境已没有明显的单一关键作战域，在每一个作战域（要素）都面临着脆弱性和机遇。以上经过一系列的过程方法计算，我们得到了单一设备的作战能力。由图1所示，对海作战的系统结构存在着并联、串联关系，以下来分析11种状态下系统的实际作战效能，首先以第1种状态进行论述。

为了求得由5个传感器而构成的预警探测能力，这里要引入信息熵［14～15］概念。把熵作为一个随机变量的不确定性或信息量来进行处理，以Pi表示变量X为事件Xi的概率，首先定义变量Ii为

Ii即为事件Xi的自信息量（称为信息熵）。对于5个并联系统，预警探测能力的总信息熵有：

其中，式（7）中的I并为并联系统的总信息熵，I1，为并联系统第一支路的信息熵。

同理也可求得信火打击（对海与防空作战相比，少了电子对抗）要素能力的总信息熵。在此基础之上，对海作战能力再由直接要素：预警探测、信息处理、指挥控制（处理容量、融合质量、属性识别、类型识别、指挥范围、态势感知和更新及分发能力、协同控制及任务规划能力、战术辅助决策能力等）、信火打击（主动引导打击范围、被动引导打击范围、外部信息源引导打击范围、同时打击批数、命中概率、抗干扰能力等），间接要素：通信保障（通信范围、通信容量、联通可达性、丢包率、误码率、信道带宽、传输时延、信道业务种类、网系兼容及抗毁性等）、舰艇机动（适航性、快速性、操纵性、续航力、推进能力等）、生命力（RCS、红外辐射强度、水下辐射噪声、消磁磁场强度、抗冲击、损害管制、平台监控、防沉抗沉能力等）等7大节点串联构成。对于串联系统：

其中，式（8）中的ωi为某串联节点的权重，I串，为串联系统的总信息熵。

这样，即可由式（9），得到舰艇对海作战条件下，11种装备状态组合模式下的系统能力，和最终的对海作战效能指数综合评估值为0.795（相对于蓝方作战效能指数为1）；即在筹划总体作战方案时，该型舰艇与蓝方舰艇的的作战交换比应该设置为2比1。

5 结语

综上，本文在分析最新试验鉴定法规和实战化要求的基础之上，结合前期已经展开的舰艇装备试验工程实践，提出了基于信息熵的改进ADC水面舰艇作战效能评估方法。论文基于实装试验、训练演习及系统仿真数据，建立了从单装备、作战要素到综合效能的相关算法和评估准则。但此类的数据来源必须基于对作战对手、战术使用和要素关联的理论研究基础之上，再进行作战体系（仿真体系）的红、蓝作战力量有效映射下的全系统、全流程作战试验才有实际意义。如何消除武器装备作战试验的不确定性，提取关键作战问题，剔除作战能力弱相关项检验，并建立合理可行的评估体系和试验工程优化方法是接下来要重点研究和关注的问题。

武器装备作战效能评估国内尚处于发展阶段，本文提出的评估思路和准则，还有待各军兵种武器装备试验实践的不断检验、修正及完善。