艦船電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)體系及評(píng)估應(yīng)用研究

張 勇，劉俊偉，李 超，李建軒

(海軍裝備研究院，上海200235)

0 引 言

艦船是綜合作戰(zhàn)能力最強(qiáng)大的水面作戰(zhàn)平臺(tái)，在海軍轉(zhuǎn)型建設(shè)的推動(dòng)下，電子信息技術(shù)廣泛應(yīng)用于艦船裝備之中，艦船上裝備了大量雷達(dá)、通信、指揮控制等電子信息系統(tǒng)和武器。在未來信息化條件下聯(lián)合作戰(zhàn)中，隨著艦船裝備信息化程度的不斷提高和戰(zhàn)場電磁環(huán)境的日益嚴(yán)酷，艦船電磁兼容問題將更加突出。

艦船電磁兼容性的評(píng)估須由定性階段走向定量階段。電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)是評(píng)價(jià)艦船電磁兼容性能的基礎(chǔ)，是開展評(píng)估工作的主要依據(jù)。由于艦船電磁環(huán)境的復(fù)雜性，在研制過程中提出合理的電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)、進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)、評(píng)估和驗(yàn)收，是水面艦船論證、研制中必須解決的重要問題。當(dāng)前開展艦船電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)研究，以滿足目前大型艦船研制的迫切需要，保證艦船電磁兼容性工作順利進(jìn)行，是非常及時(shí)和必要的。

1 國內(nèi)外電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)分析

由國外相關(guān)資料可以看出，美國在艦船的發(fā)展過程中十分重視發(fā)揮指標(biāo)的作用，指標(biāo)在美國艦船研制中扮演著舉足輕重的作用，美國艦船指標(biāo)對(duì)于我國艦船電磁兼容評(píng)估指標(biāo)研究具有重要的參考價(jià)值。

美國的電磁兼容研究起源于電子設(shè)備受到射頻干擾，為了解決日益嚴(yán)重的電磁兼容問題，從20世紀(jì)40年代開始美軍頒布了系列電磁兼容性指標(biāo)要求，包括MIL-STD-461、MIL-STD-464 等軍用標(biāo)準(zhǔn)和艦船電子系統(tǒng)電磁兼容手冊(cè)等，開展艦船裝備的電磁兼容性研究和評(píng)估。在艦船裝備建造過程中美軍發(fā)布了指令指示和操作手冊(cè)，為艦船達(dá)到電磁兼容性提供技術(shù)指導(dǎo)，如:MIL-HDBK-237D。通過對(duì)美軍電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，指令指示等大量指標(biāo)文件分析，得出以下結(jié)論:美軍艦船電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)文件內(nèi)容較全面、完整。作為美國海軍各類艦船研制通用技術(shù)要求的《艦船通用規(guī)范》，其在全文多個(gè)章節(jié)中提出了電磁兼容性指標(biāo)，涉及到電磁干擾與控制指標(biāo)、電磁輻射安全性指標(biāo)等。作為系統(tǒng)電磁兼容性要求的MIL-STD-464C，是美軍系統(tǒng)級(jí)頂層的電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)文件。MIL-STD-461F 是設(shè)備及分系統(tǒng)電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)總要求文件。

美軍艦船電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)文件包括軍用標(biāo)準(zhǔn)、軍用規(guī)范、軍用技術(shù)手冊(cè)、指令指示文件等。美軍艦船電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)內(nèi)容從范圍上講，包括:電磁兼容性安裝質(zhì)量指標(biāo)、電磁干擾與控制指標(biāo)、電磁輻射危害指標(biāo)等;從裝備層次上講，包括設(shè)備級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)和平臺(tái)總體級(jí);從研制過程講，包括了武器裝備論證、工程研制、生產(chǎn)、檢驗(yàn)驗(yàn)收和使用管理的全過程。通過綜合分析，美軍艦船電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)包括安裝質(zhì)量指標(biāo)、電磁干擾指標(biāo)、電磁輻射危害指標(biāo)及電磁環(huán)境效應(yīng)指標(biāo)4 個(gè)方面。

我國軍用電磁兼容性工作開展于20世紀(jì)80年代初，電磁兼容性指標(biāo)是參照美軍相關(guān)指標(biāo)并結(jié)合我軍電磁兼容性工作的實(shí)踐進(jìn)行制定。目前已制定了一批電磁兼容性軍用指標(biāo)，但這些指標(biāo)滿足設(shè)備和分系統(tǒng)等需求比較成熟，但要滿足系統(tǒng)級(jí)尤其是大型艦船復(fù)雜系統(tǒng)還是有較大差距，需要研究制定一批系統(tǒng)級(jí)電磁兼容性試驗(yàn)評(píng)估方法標(biāo)準(zhǔn)。

2 艦船電磁兼容性評(píng)估要求

從海軍艦船實(shí)現(xiàn)防空作戰(zhàn)和反艦作戰(zhàn)等作戰(zhàn)使命任務(wù)出發(fā)，作戰(zhàn)過程中與電磁兼容性相關(guān)的能力體現(xiàn)在警戒探測能力、電子對(duì)抗能力、通信能力和武器能力等方面。根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務(wù)，4 個(gè)方面的能力體現(xiàn)又有不同。從艦船作戰(zhàn)使命出發(fā)，以作戰(zhàn)使用對(duì)艦船電磁兼容的需求為牽引，通過艦船論證、設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)驗(yàn)收等階段的電磁兼容性指標(biāo)要素分析，由作戰(zhàn)任務(wù)層向技術(shù)能力指標(biāo)要求，再向電磁兼容性能指標(biāo)分解層次，提出艦船電磁兼容評(píng)估要求，確定艦船電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)涵蓋內(nèi)容。

通過分析可知，艦船電磁兼容性評(píng)估要求主要包括以下內(nèi)容:

1)保證艦船上電氣、電子信息系統(tǒng)和武器裝備能兼容工作;

2)保證艦船上武器、燃油的安全;

3)保障艦員的安全，不受電磁輻射危害;

4)艦機(jī)適配，安全兼容工作。

3 艦船電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)體系

3.1 體系構(gòu)建方法

通過對(duì)目標(biāo)分解法、多元統(tǒng)計(jì)法等體系構(gòu)建方法的研究和分析，提出評(píng)估指標(biāo)體系綜合構(gòu)建法。通過系統(tǒng)分析確定評(píng)估指標(biāo)體系建立的要求，從全系統(tǒng)全過程通盤控制體系建設(shè)的框架、結(jié)構(gòu)和指標(biāo)要素問題，并應(yīng)用于電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建中，指標(biāo)體系綜合構(gòu)建法如下:

1)通過目標(biāo)分解法，圍繞正確反映艦船電磁兼容技術(shù)水平和狀態(tài)的任務(wù)出發(fā)，按系統(tǒng)工程原理，從頂層出發(fā)，逐級(jí)分層劃類進(jìn)行分解，理清脈絡(luò)和相互關(guān)系，初擬出電磁兼容性的各基本要素，并進(jìn)行定性分析，擬定指標(biāo)體系框架。

2)對(duì)指標(biāo)體系框架中各基本要素進(jìn)行量化分析，對(duì)初擬指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步的深化和擴(kuò)展。綜合總結(jié)我國艦船電磁兼容研制技術(shù)和國外艦船研制經(jīng)驗(yàn)，通過調(diào)查研究及廣泛收集有關(guān)指標(biāo)，利用比較歸納法進(jìn)行歸類比較，按照電磁兼容性原理提出基本要素對(duì)應(yīng)指標(biāo)。

3)采用多元統(tǒng)計(jì)法中的聚類分析和主成分分析等方法，從基本要素的各種對(duì)應(yīng)指標(biāo)中確定關(guān)鍵性指標(biāo)，完成指標(biāo)體系構(gòu)建。

3.2 建立評(píng)估指標(biāo)體系

根據(jù)評(píng)估指標(biāo)體系建立方法和艦船電磁兼容性要素的分析，艦船電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)的分類以電磁兼容性要素本身為依據(jù)，結(jié)合水面艦船電磁兼容性要求，建立包括五大類19 項(xiàng)指標(biāo)的水面艦船電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)體系(見圖1)。

圖1 水面艦船電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)體系Fig.1 Electromagnetic compatibility evaluating target system of surface naval ships

4 艦船電磁兼容性評(píng)估方法

4.1 評(píng)估方法

艦船電磁兼容性能如何量化評(píng)估是一個(gè)復(fù)雜的問題，水面艦船電磁兼容性評(píng)估體系指標(biāo)多，影響因素也多，而且這些指標(biāo)因素之間存在著復(fù)雜的相互關(guān)系，是多目標(biāo)決策難題。

國內(nèi)外目前評(píng)估采用的主要方法有專家評(píng)定法、線性加權(quán)求和法、特爾斐法、層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)方法或者它們的某種組合等。通過研究分析可知，對(duì)于艦船電磁兼容性指標(biāo)體系這樣一個(gè)多層次、不對(duì)稱、多指標(biāo)、多制約的復(fù)雜指標(biāo)體系而言，絕大多數(shù)方法都不太適合，直接解決多目標(biāo)問題比較困難，單目標(biāo)問題相對(duì)較容易解決。因此，采用把多目標(biāo)分解成單目標(biāo)，然后再綜合成總目標(biāo)用系統(tǒng)工程的方法，把艦船電磁兼容性指標(biāo)歸納為若干評(píng)估要素并按層次結(jié)構(gòu)排列對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)評(píng)分求出總分是一種基本的方法。

根據(jù)國內(nèi)外多種評(píng)估方法，結(jié)合艦船電磁兼容的特點(diǎn)，提出一種系統(tǒng)、簡潔而且實(shí)用的艦船電磁兼容評(píng)估方法，即多層次加權(quán)求和綜合方法。該方法運(yùn)用定量和定性分析相結(jié)合，評(píng)估水面艦船電磁兼容性能。

4.2 評(píng)估流程

對(duì)評(píng)估過程來說，首先是引進(jìn)和確定評(píng)估指標(biāo)，然后用該評(píng)估指標(biāo)對(duì)評(píng)估對(duì)象進(jìn)行評(píng)估，確定其價(jià)值，評(píng)估的一般流程如圖2所示。

圖2 評(píng)估基本流程Fig.2 Evaluating basic procedure

5 評(píng)估應(yīng)用實(shí)例

利用前面分析提出的綜合評(píng)估法進(jìn)行某型艦船內(nèi)部兼容性評(píng)估。以“內(nèi)部電磁兼容性I”為例，運(yùn)用指標(biāo)綜合法分析“內(nèi)部電磁兼容性I”指標(biāo)權(quán)重，采用評(píng)價(jià)一致性方法進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)評(píng)估方法的合理性。

5.1 確定評(píng)估指標(biāo)

依據(jù)前面的評(píng)估指標(biāo)體系，構(gòu)建某型艦船內(nèi)部兼容性評(píng)估指標(biāo)如圖3所示。

圖3 內(nèi)部電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)圖Fig.3 Evaluating target chart of internal electromagnetic compatibility

5.2 評(píng)估矩陣的建立

為評(píng)估電磁兼容性能，以圖3 為例，選取互調(diào)干擾、內(nèi)部電磁環(huán)境、天線要求、分系統(tǒng)和設(shè)備電磁干擾、電網(wǎng)特性、電搭接及頻譜兼容性7 個(gè)指標(biāo)為評(píng)估的依據(jù)，并分別用I1，I2，I3，I4，I5，I6及I7來代表。并求出7 種指標(biāo)對(duì)內(nèi)部電磁兼容性的相對(duì)重要性。

通過評(píng)定結(jié)果如下:互調(diào)干擾與內(nèi)部電磁環(huán)境相比后者更重要一些，分?jǐn)?shù)比值為1:6;互調(diào)干擾與天線要求相比后者為略重要，分?jǐn)?shù)比值為1:3;互調(diào)干擾與分系統(tǒng)和設(shè)備電磁干擾相比稍微略重要一些，分?jǐn)?shù)比值為1:2;互調(diào)干擾與電網(wǎng)特性相比略重要一些，比值取為3:1;互調(diào)干擾與電搭接相比稍微略重要一些，比值取為2:1;互調(diào)干擾與頻譜兼容性相比，后者較重要一些，分?jǐn)?shù)比值取為3:1。構(gòu)建判斷矩陣如表1所示。

表1 判斷矩陣Tab.1 Estimating matrix

5.3 評(píng)估矩陣的計(jì)算

m 階方陣的解算步驟如下:

1)先求解矩陣各行的1/7 次方數(shù)值wi

w1=(1×1/3×1/3×1/2×2×2×3)1/7=0.943;

w2=(3×1×3×4×6×4×2)1/7=2.910;

w3=(3×1/3×1×2×4×3×1/2)1/7=1.43;

w4=(2×1/4×1/2×1×3×2×1/2)1/7=0.96;

w5=(1/2×1/6×1/4×1/3×1×1/2×1/3)1/7=0.380;

w6=(1/2×1/4×1/3×1/2×2×1×1/4)1/7=0.521;

w7=(1/3×1/2×2×2×3×4×1)1/7=1.345。

2)求上述計(jì)算結(jié)果之和∑wi

w總=w1+w2+w3+w4+w5+w6+w7=8.489。

3)各參數(shù)的重要性(或加權(quán)系數(shù))

互調(diào)干擾:

內(nèi)部電磁環(huán)境:

天線要求:

分系統(tǒng)和設(shè)備電磁干擾:

電網(wǎng)特性:

電搭接:

頻譜兼容性:

5.4 一致性檢驗(yàn)

由于評(píng)估打分的客觀性，需對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，步驟如下:

1)求出原矩陣與重要性分配值的乘積

結(jié)果:

X1=0.911;X2=2.55;X3=1.225;X4=0.8;X5=0.29;X6=0.39;X7=1.03。

2)求矩陣的最大特征根kmax

3)決定平均隨機(jī)一致性指標(biāo)(RI)。該指標(biāo)與矩陣階數(shù)，即參數(shù)量M 直接有關(guān)。由于上述評(píng)估方案m=7，所以RI=1.32。

4)求隨機(jī)一致性CR。如果CR ＜0.1 表示判斷矩陣有比較滿意的一致性。CR 的計(jì)算為:

CR=CI/RI=［(kmax－m)/(m－1)］/RI=0.1。CR 計(jì)算結(jié)果表明有較好的一致性結(jié)果。

通過將底層的各參數(shù)權(quán)重逐一乘上與其有關(guān)的上一層因素的權(quán)重，可計(jì)算出各參數(shù)對(duì)再上一層目標(biāo)的優(yōu)劣順序，即權(quán)重系數(shù)(見表2)。

表2 各指標(biāo)的權(quán)重Tab.2 The weight of targets

5.5 確定指標(biāo)大小

1)指標(biāo)值規(guī)范化

在艦船電磁兼容性評(píng)估中，有定量指標(biāo)，也有定性指標(biāo)，應(yīng)將艦船電磁兼容性指標(biāo)進(jìn)行合理的取值。定量指標(biāo)的值一般由實(shí)際測量得到，在難以測量時(shí)，也可用仿真和計(jì)算來得到。為了能夠?qū)υu(píng)估對(duì)象進(jìn)行多指標(biāo)的綜合評(píng)估，要將各種指標(biāo)值規(guī)范化，把不能相加或相乘的指標(biāo)值轉(zhuǎn)化成可以匯總相加或相乘的綜合指標(biāo)值。定性指標(biāo)值可以通過專家、相關(guān)人員定性評(píng)判然后量化的方法獲得，定量指標(biāo)值可以通過實(shí)船測量、試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)、報(bào)告分析等方法得到。

2)定性指標(biāo)值的量化

在艦船電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)體系中，有些指標(biāo)很難直接進(jìn)行定量描述，可通過“優(yōu)、良、差”等值進(jìn)行定性的判斷。定性的描述沒法利用數(shù)學(xué)這一定量計(jì)算的工具進(jìn)行處理，因此需要一個(gè)定性指標(biāo)量化的過程。進(jìn)行辨別時(shí)，使用5 ～9 個(gè)量化級(jí)別。把定性評(píng)判的語言值通過一個(gè)量化標(biāo)尺直接映射為定量的值。使用0.1 ～0.9 之間的數(shù)作為量化分?jǐn)?shù)，極端值0和1 通常不用。

為了避免僅以隸屬度0 或1 來選擇某一評(píng)判等級(jí)，可以利用模糊統(tǒng)計(jì)的方法確定定性指標(biāo)對(duì)評(píng)判等級(jí)的隸屬度向量，把歸一化的隸屬度向量和每一評(píng)判等級(jí)所對(duì)應(yīng)的量化值進(jìn)行加權(quán)就可以得到定性指標(biāo)的量化值。基本步驟如下:

1)確定評(píng)判等級(jí)V={V1，V2，…，Vm};

2)組織多個(gè)專家對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)判，假設(shè)專家對(duì)評(píng)判等級(jí)的評(píng)判頻數(shù)為U={U1，U2，…，Um}，則U 就是系統(tǒng)指標(biāo)對(duì)評(píng)判等級(jí)V 的隸屬度向量。

把每一評(píng)判等級(jí)的量化值與歸一化的隸屬度向量進(jìn)行加權(quán)。

5.6 指標(biāo)值確定

對(duì)該船內(nèi)部兼容性各個(gè)評(píng)估指標(biāo)的實(shí)際指標(biāo)進(jìn)行測量，并代入各個(gè)指標(biāo)大小的計(jì)算公式。下面探討將各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行合理的分值量化，力求準(zhǔn)確定量地給出內(nèi)部電磁環(huán)境各指標(biāo)的分值。并以內(nèi)部電磁環(huán)境中甲板下磁通密度為例來說明，各個(gè)指標(biāo)分值大小的確定方法。

有磁場敏感度要求的設(shè)備，其安裝位置處的磁通密度應(yīng)滿足下列要求:直流磁場的磁通密度不大于0.5 mT;交流磁場的磁通密度不大于0.1 mT。

直流磁通密度不大于0.5 mT，指標(biāo)大小取值10;交流磁場的磁通密度不大于0.1 mT，指標(biāo)大小取值10。大于上述值時(shí)指標(biāo)大小按線性規(guī)律計(jì)算，計(jì)算公式如下:

式中:φZ和φJ(rèn)分別為直流磁通密度和交流磁通密度指標(biāo)大小;φi為實(shí)測直流磁通密度或交流磁通密度大小;φ標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的直流或交流磁通密度值，對(duì)于直流磁通密度為0.5 mT，交流磁通密度為0.1 mT。

5.7 評(píng)估結(jié)果

依據(jù)提出的方法，將指標(biāo)大小與相應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，得到該船內(nèi)部兼容性評(píng)估結(jié)果十分制得分為:

φ=9×0.111+7×0.342+10×0.168+6×0.113+7×0.044+10×0.061+5×0.158=7.46。

依據(jù)評(píng)估方法計(jì)算結(jié)果表明該船內(nèi)部電磁兼容性良好。

6 結(jié) 語

在研究國外水面艦船電磁兼容性相關(guān)評(píng)估指標(biāo)的基礎(chǔ)上，吸取國內(nèi)艦船電磁兼容技術(shù)研究成果及型號(hào)工程研制的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)我國水面艦船電磁兼容的特點(diǎn)，確定評(píng)估指標(biāo)體系建立原則及方法。在層次分析法、目標(biāo)分解法的基礎(chǔ)上，提出了指標(biāo)體系綜合構(gòu)建法，并應(yīng)用于水面艦船電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建，首次提出包含五大類19 項(xiàng)指標(biāo)的水面艦船電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)體系，并結(jié)合電磁兼容性發(fā)展現(xiàn)狀，運(yùn)用比較分析法開展對(duì)指標(biāo)的分析，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行分析確定，并對(duì)體系進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合多種評(píng)估方法的特點(diǎn)和適用范圍分析，進(jìn)行水面艦船電磁兼容性評(píng)估方法的研究，提出并運(yùn)用多層次加權(quán)求和綜合方法對(duì)水面艦船電磁兼容性進(jìn)行計(jì)算和一致性驗(yàn)證，對(duì)水面艦船的電磁兼容性狀態(tài)進(jìn)行量化評(píng)估，為準(zhǔn)確掌握水面艦船電磁兼容性狀態(tài)提供技術(shù)支持。

［1］MIL- STD-464C，Electromagnetic environmental effects requirements for systems［S］.

［2］MIL-HDBK-237D，Electromagnetic environmental effects and spectrum supportability guidance for the acquisition process［S］.

［3］GJB1389A-2005，系統(tǒng)電磁兼容性要求(Electromagnetic compatibility requirements for systems)［S］.

［4］張勇，湯仕平，龔亞樵.艦船電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2011，33(3):95-97.

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［5］NAVSEA instruction 2450.2 OPR 06K2 Electromagnetic Compatibility［S］.

［6］張勇，施佳林.美國海軍艦船電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)分析及其啟示［J］.論證與研究，2011(6):50-52.