顧 頡 孟 晶
(91388部隊(duì)93分隊(duì) 湛江 524022)
試驗(yàn)與評(píng)價(jià)[1]是水下武器裝備采辦全壽命周期中的重要環(huán)節(jié),可以使生產(chǎn)方和軍方全面系統(tǒng)地判定武器裝備的性能和戰(zhàn)技指標(biāo),降低了采辦方的決策風(fēng)險(xiǎn),為完善系統(tǒng)提供了充分的數(shù)據(jù)支持。仿真試驗(yàn)由于具有可重復(fù)使用、費(fèi)效比高和試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn),已成為武器裝備試驗(yàn)與評(píng)價(jià)的重要組成部分,并已經(jīng)在導(dǎo)彈、電子對(duì)抗和核武器等試驗(yàn)領(lǐng)域取得了很大成就。
由于水下環(huán)境的復(fù)雜性,造成了水下武器裝備仿真試驗(yàn)發(fā)展相對(duì)滯后,目前仍然采用以實(shí)航試驗(yàn)為主的試驗(yàn)鑒定模式。隨著水下武器裝備的不斷發(fā)展,武器系統(tǒng)復(fù)雜程度越來(lái)越高,水下武器裝備試驗(yàn)與評(píng)價(jià)必將采用融合不同類(lèi)型試驗(yàn)、不同階段試驗(yàn)的綜合試驗(yàn)評(píng)價(jià)模式,作為其中重要的一環(huán),如何發(fā)揮仿真試驗(yàn)在水下武器裝備試驗(yàn)與評(píng)價(jià)中的作用,是一個(gè)亟待研究的問(wèn)題。
本文從不同角度和實(shí)際需求出發(fā),探討了仿真試驗(yàn)在水下武器裝備試驗(yàn)與評(píng)價(jià)中的國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀和綜合應(yīng)用。
美國(guó)歷來(lái)非常重視仿真試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展,不惜重金建立各種仿真系統(tǒng)。這些仿真系統(tǒng)在武器系統(tǒng)研制、試驗(yàn)鑒定過(guò)程中發(fā)揮了重要作用,產(chǎn)生了巨大的軍事、經(jīng)濟(jì)效益。美國(guó)對(duì)多型主要水面艦艇分別建立了作戰(zhàn)系統(tǒng)陸上試驗(yàn)站,開(kāi)發(fā)了各種雷達(dá)模擬器、聲納模擬器、艦艇運(yùn)動(dòng)參數(shù)模擬器、導(dǎo)彈模擬器和火炮模擬器等。1994年,美國(guó)的水中兵器鑒定裝置在海軍水下作戰(zhàn)中心投入使用,該耐壓容器可容納魚(yú)雷、水雷等水中兵器和航行器,利用被測(cè)試產(chǎn)品自身的動(dòng)力進(jìn)行可靠而真實(shí)的陸上試驗(yàn),有效彌補(bǔ)海上實(shí)航試驗(yàn)和傳統(tǒng)的硬件在回路模擬之間的欠缺。試驗(yàn)過(guò)程中戰(zhàn)術(shù)環(huán)境主要是用仿真的方法產(chǎn)生的。美國(guó)MK466型魚(yú)雷改裝項(xiàng)目和潛艇魚(yú)雷防衛(wèi)計(jì)劃等試驗(yàn)項(xiàng)目都在海軍水下戰(zhàn)中心使用該設(shè)備。MK54魚(yú)雷在靶場(chǎng)實(shí)彈發(fā)射和海上試驗(yàn)前,在模擬環(huán)境中進(jìn)行廣泛測(cè)試,使得海上試驗(yàn)的數(shù)量比MK50魚(yú)雷減少了三分之二以上。
北約各國(guó)仿效美國(guó)的做法,紛紛建立仿真中心。英國(guó)建立的ODIN(水下戰(zhàn)仿真環(huán)境)系統(tǒng),可用于水下戰(zhàn)裝備發(fā)展的決策、魚(yú)雷與干擾器間的對(duì)抗研究、魚(yú)雷與干擾器的設(shè)計(jì)與評(píng)估、新型魚(yú)雷和干擾器發(fā)展評(píng)估、威脅評(píng)估及戰(zhàn)術(shù)使用等諸多水下戰(zhàn)武器裝備試驗(yàn)驗(yàn)證和作戰(zhàn)使用等方面。英國(guó)還研制了幾型主要艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)和武器系統(tǒng)的仿真設(shè)備,它們都在試驗(yàn)和訓(xùn)練中起到了積極作用。意大利海軍進(jìn)行A244/S空投反潛魚(yú)雷批檢試驗(yàn)時(shí),首先進(jìn)行靶場(chǎng)仿真驗(yàn)收試驗(yàn),再?gòu)闹谐槿〔糠诌M(jìn)行外場(chǎng)驗(yàn)收試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)可大幅度減少實(shí)航次數(shù),節(jié)約經(jīng)費(fèi),縮短研制周期。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),采用仿真技術(shù)可減少實(shí)航試驗(yàn)次數(shù)30%~60%,節(jié)省10%~40%的研制與鑒定經(jīng)費(fèi),縮短30~40%的研制及鑒定周期。
總體說(shuō)來(lái),仿真試驗(yàn)在國(guó)外水下武器裝備系統(tǒng)研制和試驗(yàn)鑒定過(guò)程中主要具備以下作用:
1)針對(duì)特定的水下武器裝備研制了大量的模擬設(shè)備,并針對(duì)水下武器裝備的戰(zhàn)術(shù)使用背景,利用仿真手段產(chǎn)生了大量與實(shí)航試驗(yàn)相一致的仿真環(huán)境,并在研制和試驗(yàn)鑒定階段中發(fā)揮了巨大的作用。
2)在試驗(yàn)鑒定環(huán)節(jié),采用了“仿真試驗(yàn)-實(shí)航試驗(yàn)-綜合評(píng)價(jià)”的綜合試驗(yàn)評(píng)價(jià)模式,應(yīng)用小子樣方法,綜合運(yùn)用了仿真試驗(yàn)信息,優(yōu)化了試驗(yàn)設(shè)計(jì),縮短了研制與鑒定周期,大大減低了試驗(yàn)成本。
3)應(yīng)用仿真試驗(yàn)手段,開(kāi)展了水下武器裝備發(fā)展決策、作戰(zhàn)效能評(píng)估和戰(zhàn)術(shù)使用研究等方面的研究。仿真試驗(yàn)在水下武器裝備正式投入作戰(zhàn)使用、形成戰(zhàn)斗力的過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用。
試驗(yàn)前往往存在大量的歷史信息,其中包括大量的仿真數(shù)據(jù),它們都是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)很好的補(bǔ)充。在實(shí)際試驗(yàn)與評(píng)價(jià)中,應(yīng)充分地利用各種定量或定性的驗(yàn)前信息,合理使用Bayes方法[2],以彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不足,以達(dá)到對(duì)水下武器裝備戰(zhàn)技指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)的目的。然而在驗(yàn)前信息的使用中,不可信的或錯(cuò)誤的驗(yàn)前信息卻往往起到了相反的作用,使得評(píng)價(jià)結(jié)果缺乏可信性,增加了生產(chǎn)方和軍方的風(fēng)險(xiǎn)。因此,在綜合使用仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)和外場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)水下武器裝備性能和戰(zhàn)技指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)前,應(yīng)將仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)與外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果比對(duì),進(jìn)行相容性檢驗(yàn)、可信度計(jì)算和融合處理,進(jìn)而建立指標(biāo)參數(shù)的驗(yàn)前分布,這也是應(yīng)用Bayes小子樣統(tǒng)計(jì)理論的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
1)仿真試驗(yàn)子樣和現(xiàn)場(chǎng)子樣間的相容性檢驗(yàn)
考慮到水下武器裝備現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)子樣數(shù)極少,因此在運(yùn)用仿真信息時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)選小子樣相容性檢驗(yàn)方法,利用現(xiàn)場(chǎng)小子樣對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行相容性檢驗(yàn),以此來(lái)評(píng)判仿真系統(tǒng)的可信性,從而更好地利用仿真先驗(yàn)信息對(duì)試驗(yàn)結(jié)果做出綜合評(píng)價(jià)。
相容性檢驗(yàn)就是檢驗(yàn)兩母體是否有顯著差異,當(dāng)差異不顯著時(shí),則可認(rèn)為兩個(gè)母體為同一母體,因此可以利用先驗(yàn)信息;否則,先驗(yàn)信息不可用。對(duì)于先驗(yàn)信息的可信性檢驗(yàn)可以分為兩種情況:一種是當(dāng)總體的分布函數(shù)形式已知,則可以使用參數(shù)方法進(jìn)行檢驗(yàn);另一種是當(dāng)總體的分布函數(shù)形式未知時(shí),則可以用非參數(shù)方法進(jìn)行檢驗(yàn)。由于在水下武器裝備現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布函數(shù)形式往往難以給定,因此仿真試驗(yàn)子樣和現(xiàn)場(chǎng)子樣的相容性檢驗(yàn)屬于非參數(shù)檢驗(yàn)。非參數(shù)檢驗(yàn)方法較多,如Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)、Pearson x2檢驗(yàn)、Wilcoxon秩和檢驗(yàn)[3~4]等。前兩者通常應(yīng)用大樣本條件,考慮到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的子樣數(shù)較少,比較可行的是Wilcoxon秩和檢驗(yàn)方法。Wilcoxon秩和檢驗(yàn)方法的主要思想是首先對(duì)兩類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序,然后計(jì)算小子樣的秩和來(lái)構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量,最后通過(guò)在一定置信度條件下檢驗(yàn)該統(tǒng)計(jì)量來(lái)判斷兩者是否來(lái)自于同一總體。由于該方法對(duì)樣本的要求不高,因而有著廣泛的應(yīng)用前景。
2)通過(guò)仿真信息和現(xiàn)場(chǎng)信息的融合處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)水下武器裝備戰(zhàn)技指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)
保證仿真數(shù)據(jù)可用的前提下,還需要對(duì)仿真信息的置信度進(jìn)行一定的評(píng)判,即對(duì)仿真數(shù)據(jù)以及其他先驗(yàn)信息進(jìn)行歸納、分類(lèi)、可信性計(jì)算以及與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的融合處理。
每個(gè)信息源驗(yàn)前分布的確定是Bayes信息融合的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。目前,驗(yàn)前分布的確定方法有多種,主要包括直方圖法、定分度法、變分度法、點(diǎn)估計(jì)法、矩估計(jì)法[5]和最大熵法[6]等。水下武器裝備在全壽命周期內(nèi)的各個(gè)階段的先驗(yàn)數(shù)據(jù)具有不同的數(shù)據(jù)形式,必須根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自身特點(diǎn),選擇適合的共軛驗(yàn)前分布族,然后根據(jù)不同的數(shù)據(jù)源確定具有相同分布形式、不同分布參數(shù)的驗(yàn)前分布。在將仿真數(shù)據(jù)等多種先驗(yàn)信息與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的融合中,應(yīng)將不同驗(yàn)前信息折合到統(tǒng)一的分布形式,主要步驟為
步驟1:根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),通過(guò)ML-Ⅱ先驗(yàn)法[5]確定不同先驗(yàn)信息的權(quán)重,即驗(yàn)前信息的可信度;
步驟2:通過(guò)上式解算出的權(quán)重,將不同形式的數(shù)據(jù)源折合到融合后的驗(yàn)前分布;
步驟3:利用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),使用Bayes公式計(jì)算出驗(yàn)后分布。
通過(guò)上述步驟,可完成各種外源信息和現(xiàn)場(chǎng)信息的融合,實(shí)現(xiàn)對(duì)水下武器裝備性能和戰(zhàn)技指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)是武器裝備試驗(yàn)與鑒定任務(wù)的總體技術(shù)設(shè)計(jì),為了使水下武器裝備的戰(zhàn)技指標(biāo)得到充分檢驗(yàn),必須在實(shí)航試驗(yàn)前制定詳細(xì)周密的綜合試驗(yàn)計(jì)劃,包括:試驗(yàn)?zāi)_本制定和試驗(yàn)事件的時(shí)間安排;確定試驗(yàn)?zāi)繕?biāo),提出分析基本要素和效能度量;判定控制和測(cè)量用的變量;擬定數(shù)據(jù)采集、儀器儀表和數(shù)據(jù)分析計(jì)劃。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)良好的試驗(yàn),制定一個(gè)可以實(shí)施的、能夠獲取足夠必要數(shù)據(jù)的試驗(yàn)方案,同時(shí)對(duì)試驗(yàn)實(shí)施保障提出具體要求,關(guān)鍵問(wèn)題是試驗(yàn)方案的優(yōu)化。
然而,試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的軍事實(shí)踐活動(dòng),涉及試驗(yàn)內(nèi)容、試驗(yàn)項(xiàng)目、戰(zhàn)術(shù)要求、試驗(yàn)環(huán)境條件、試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)人員等諸多因素,而且每個(gè)因素都有不同的水平,因而需要考慮各種因素及其不同水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響以及各種可能的限制條件。仿真試驗(yàn)由于具備周期短、可重復(fù)性強(qiáng)、費(fèi)效比高等優(yōu)點(diǎn),試驗(yàn)策劃人員可在試驗(yàn)前利用仿真試驗(yàn)仔細(xì)觀察試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)各種參數(shù)和環(huán)境變量的敏感度,以便確定關(guān)鍵變量和變化范圍,通過(guò)預(yù)計(jì)各種假設(shè)和約束的影響,根據(jù)作戰(zhàn)使用和技術(shù)要求,通過(guò)正交設(shè)計(jì)、均勻設(shè)計(jì)[7]等試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與結(jié)果分析,來(lái)評(píng)價(jià)各候選的效能量度并幫助試驗(yàn)策劃,把大量的定量和定性的信息與試驗(yàn)管理、作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)聯(lián)系起來(lái)綜合研究,不斷反復(fù)修改優(yōu)化,完成試驗(yàn)設(shè)計(jì)工作。
在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行的動(dòng)態(tài)過(guò)程中,當(dāng)參試裝設(shè)備當(dāng)時(shí)的性能狀態(tài)、參試人員操縱水平及海洋環(huán)境條件等諸多隨機(jī)因素限制試驗(yàn)的樣本數(shù)時(shí),試驗(yàn)指揮策劃者必須對(duì)試驗(yàn)全過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)視和部署。為了確保在滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集量和試驗(yàn)安全的同時(shí)達(dá)成試驗(yàn)?zāi)繕?biāo),試驗(yàn)指揮策劃者必須能夠?qū)υ囼?yàn)計(jì)劃和腳本做出及時(shí)的修改來(lái)達(dá)成目標(biāo)。此時(shí),仿真試驗(yàn)可重構(gòu)外場(chǎng)試驗(yàn)下的復(fù)雜邊界條件,反復(fù)復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng),通過(guò)發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中的漏洞來(lái)調(diào)整試驗(yàn)計(jì)劃,從而可起到輔助決策的作用。
作戰(zhàn)效能評(píng)估是在水下武器裝備性能及戰(zhàn)技指標(biāo)等定量指標(biāo)考核的基礎(chǔ)上,對(duì)近似實(shí)戰(zhàn)條件下水下武器裝備作戰(zhàn)效能的綜合評(píng)估,以檢驗(yàn)其實(shí)際作戰(zhàn)能力是否滿(mǎn)足研制總要求,是試驗(yàn)的重要內(nèi)容之一。目前在水下武器裝備試驗(yàn)中,在對(duì)水聲對(duì)抗系統(tǒng)及其器材的對(duì)抗效果、魚(yú)雷的毀傷能力和平臺(tái)的作戰(zhàn)能力等效果指標(biāo)進(jìn)行考核時(shí),由于目前的研制任務(wù)書(shū)中并沒(méi)有提出定量的指標(biāo),因此,實(shí)際的做法是設(shè)計(jì)幾個(gè)典型的試驗(yàn)航路進(jìn)行驗(yàn)證,在試驗(yàn)結(jié)果報(bào)告中只能是定性描述。
作戰(zhàn)效果評(píng)估往往需要?jiǎng)佑么罅康谋Ρ鳎占罅康脑囼?yàn)樣本,試驗(yàn)成本高昂,而且來(lái)自外場(chǎng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)很多不適合直接確定武器系統(tǒng)在預(yù)定作戰(zhàn)環(huán)境中的作戰(zhàn)效能。由于外場(chǎng)試驗(yàn)樣本量不足和逼真威脅環(huán)境的缺乏,在預(yù)測(cè)武器裝備作戰(zhàn)效能時(shí)不能夠建立其統(tǒng)計(jì)顯著性,更無(wú)法直接得出戰(zhàn)技指標(biāo)和作戰(zhàn)效能之間的函數(shù)關(guān)系。仿真試驗(yàn)通過(guò)對(duì)影響其作戰(zhàn)效能的多種因素和威脅環(huán)境進(jìn)行精確建模,通過(guò)真實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)更新,可支持將試驗(yàn)結(jié)果從單一的系統(tǒng)性能和戰(zhàn)技指標(biāo)考核外推到武器系統(tǒng)、平臺(tái)的作戰(zhàn)效能評(píng)估。
應(yīng)用仿真試驗(yàn)進(jìn)行水下武器裝備作戰(zhàn)效能評(píng)估,其主要思路為
1)通過(guò)對(duì)水下武器裝備作戰(zhàn)使命的解剖,建立其完整的作戰(zhàn)效能指標(biāo)體系,根據(jù)武器裝備規(guī)定任務(wù)的自身特點(diǎn),確定武器裝備的作戰(zhàn)效能。
2)根據(jù)實(shí)際情況,選擇合適的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法和系統(tǒng)工程方法,建立各種戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能、可靠性和維修性等指標(biāo)與作戰(zhàn)效能之間的評(píng)估模型。用于研究武器裝備作戰(zhàn)效能評(píng)估的方法較多,例如經(jīng)典的WSEIAC方法和近年提出的層次分析法、聚類(lèi)分析法、判別分析法、模糊分析法和灰色模糊分析法等。由于水下武器裝備戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)和可靠性、維修性指標(biāo)多達(dá)數(shù)十項(xiàng),而且通過(guò)仿真試驗(yàn)、實(shí)航試驗(yàn)?zāi)軌颢@取一定的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),因而比較適合應(yīng)用WSEIAC方法來(lái)研究建立水下武器裝備作戰(zhàn)效能評(píng)估模型。
3)通過(guò)建立的作戰(zhàn)效能評(píng)估模型,來(lái)對(duì)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì),并詳細(xì)制定仿真試驗(yàn)所需的參數(shù)集和數(shù)據(jù)采集方式方法。通過(guò)大量仿真試驗(yàn),來(lái)逆推所建立的作戰(zhàn)效能評(píng)估模型,使其具備一定的可信性和外推能力。
本文詳細(xì)闡述了水下武器裝備試驗(yàn)與評(píng)價(jià)的國(guó)外發(fā)展趨勢(shì),并針對(duì)仿真試驗(yàn)在水下武器裝備試驗(yàn)鑒定中的角色和地位,深入分析了仿真試驗(yàn)在綜合試驗(yàn)評(píng)價(jià)、試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化和作戰(zhàn)效能評(píng)估中的綜合應(yīng)用,對(duì)于如何更好發(fā)揮仿真試驗(yàn)在水下武器裝備試驗(yàn)與評(píng)價(jià)中的作用,具有一定的理論價(jià)值和參考意義。
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