抗沖擊瓦結(jié)構(gòu)艦船毀傷效能評(píng)估研究

侯代文， 張永坤， 張 虹， 邵建軍

(大連旅順91439部隊(duì)， 遼寧大連 116041)

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抗沖擊瓦結(jié)構(gòu)艦船毀傷效能評(píng)估研究

侯代文， 張永坤， 張 虹， 邵建軍

(大連旅順91439部隊(duì)， 遼寧大連 116041)

摘要：針對(duì)艦船毀傷效能評(píng)估問題，進(jìn)行了抗沖擊瓦結(jié)構(gòu)艦船毀傷效能評(píng)估方法研究。研究結(jié)果顯示，炸藥爆炸威力及目標(biāo)易損性構(gòu)成了不可偏廢型艦船毀傷效能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，爆炸威力賦值可通過炸藥TNT當(dāng)量及艦船排水量計(jì)算得出，抗沖擊瓦抗毀傷性能評(píng)估值可采用灰色層次分析法計(jì)算，采用文中給出的毀傷效能計(jì)算方法能夠?qū)崿F(xiàn)抗沖擊瓦結(jié)構(gòu)艦船毀傷效能的量化評(píng)估。

關(guān)鍵詞：抗沖擊瓦； 艦船； 毀傷效能評(píng)估； 灰色層次分析法

1引 言

艦船毀傷效能評(píng)估是再次實(shí)施打擊前必須進(jìn)行的工作，受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。采用系統(tǒng)工程方法開展毀傷評(píng)估主要包括評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建和評(píng)估模型的建立兩個(gè)步驟。針對(duì)已經(jīng)建立的指標(biāo)體系，開展毀傷效能評(píng)估需要選擇適當(dāng)?shù)脑u(píng)估方法、建立正確的評(píng)估模型，進(jìn)而求出綜合評(píng)估結(jié)果。因此，如何選擇合理的評(píng)估方法、建立適當(dāng)?shù)脑u(píng)估模型就決定了毀傷效能評(píng)估的客觀程度。當(dāng)前評(píng)估系統(tǒng)效能的方法主要包括試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法、專家調(diào)查法、指數(shù)法、解析法、層次分析法、數(shù)值模擬法等〔1-2〕。層次分析法具有精度高、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，在艦船毀傷評(píng)估中得到廣泛應(yīng)用〔3-5〕，但對(duì)模糊問題的處理精度較差?；疑到y(tǒng)理論在評(píng)估過程中可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)目標(biāo)的確切描述，并在坦克作戰(zhàn)效能評(píng)估及魚雷武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評(píng)估中得到有效應(yīng)用〔6-7〕。

抗沖擊瓦技術(shù)的應(yīng)用提高了艦船的抗毀傷能力，成為艦船毀傷研究的熱點(diǎn)之一，而運(yùn)用灰色評(píng)估理論，進(jìn)行抗沖擊瓦艦船毀傷效能的評(píng)估至今未見報(bào)道。因此，本文基于灰色層次分析法進(jìn)行水下爆炸沖擊后抗沖擊瓦艦船毀傷效能評(píng)估方法研究，并給出毀傷效能的量化評(píng)估結(jié)果。

2毀傷評(píng)估指標(biāo)類型的確定

系統(tǒng)效能指標(biāo)是系統(tǒng)對(duì)完成特定任務(wù)程度的定量描述,是評(píng)價(jià)、比較系統(tǒng)效能的具體尺度。由于系統(tǒng)不同或評(píng)估要求和側(cè)重點(diǎn)的不同,系統(tǒng)效能指標(biāo)也存在較大差異。效能指標(biāo)必須準(zhǔn)確反映系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)既定目標(biāo)的程度, 選擇適當(dāng)?shù)男苤笜?biāo)是系統(tǒng)效能分析的首要問題。由于大量隨機(jī)因素的存在,系統(tǒng)完成特定任務(wù)的能力隨機(jī)性較強(qiáng),因此,需要用體現(xiàn)系統(tǒng)目的的各種概率指標(biāo)作為衡量系統(tǒng)效能的量度指標(biāo)。關(guān)于各分指標(biāo)的綜合評(píng)估方法，對(duì)于相互獨(dú)立型指標(biāo)：

(1)

式中：y為指標(biāo)的綜合評(píng)估值；Xi為第i個(gè)指標(biāo)的評(píng)估值；Wi為第i個(gè)指標(biāo)相對(duì)于y的權(quán)重系數(shù)；m為指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

對(duì)于相互不可偏廢型指標(biāo)：

(2)

對(duì)于可相互代換型指標(biāo)：

(3)

由于艦船毀傷效能評(píng)估中各項(xiàng)指標(biāo)相互獨(dú)立，采用相互獨(dú)立型指標(biāo)評(píng)估模型計(jì)算綜合評(píng)估結(jié)果。

艦船毀傷效能主要由戰(zhàn)斗部爆炸威力指標(biāo)及目標(biāo)易損性指標(biāo)構(gòu)成。根據(jù)系統(tǒng)學(xué)原理分析，戰(zhàn)斗部爆炸威力指標(biāo)及目標(biāo)易損性指標(biāo)的倒數(shù)構(gòu)成相互不可偏廢型指標(biāo)，即毀傷效能評(píng)估U可由下式表示：

U=U1/U2

(4)

式中：U1為爆炸威力TNT當(dāng)量毀傷賦值；U2為目標(biāo)易損性評(píng)估值。

將艦船目標(biāo)易損性看作相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，各艦船受爆炸沖擊后的定量評(píng)估指標(biāo),構(gòu)成毀傷評(píng)估的主體部分，最后運(yùn)用相互獨(dú)立型指標(biāo)綜合評(píng)估模型，即可求得全艦受爆炸沖擊后的毀傷評(píng)估值。

3艦船毀傷效能評(píng)估應(yīng)用研究

灰色系統(tǒng)理論通過對(duì)不完整或信息未知的不確定系統(tǒng)數(shù)據(jù)的研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)目標(biāo)的確切描述?；疑到y(tǒng)理論的特點(diǎn)是模型使用生成的數(shù)據(jù)序列，即使用的數(shù)據(jù)是經(jīng)過還原后的數(shù)據(jù)。由于灰色系統(tǒng)理論應(yīng)用數(shù)據(jù)生成手段弱化了系統(tǒng)的隨機(jī)性，使紊亂的原始序列呈現(xiàn)某種規(guī)律，建模后還能進(jìn)行殘差辨識(shí)，即使較少的歷史數(shù)據(jù)任意隨機(jī)分布也能得到較高的預(yù)測精度，解決了信息缺失時(shí)層次分析法元素取值難以確定的問題。抗沖擊瓦結(jié)構(gòu)艦船目標(biāo)易損性由多種因素構(gòu)成，運(yùn)用灰色層次分析的方法，在不完全毀傷因素信息的情況下，可較好解決基于毀傷判據(jù)庫的目標(biāo)功能毀傷評(píng)估問題，對(duì)目標(biāo)易損性指標(biāo)可采用灰色層次分析法得出。

3.1戰(zhàn)斗部爆炸威力賦值方法分析

戰(zhàn)斗部水下爆炸毀傷能力最強(qiáng)的目標(biāo)是無防護(hù)或輕防護(hù)水面艦船結(jié)構(gòu)。水面艦艇受到攻擊時(shí)，船體結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生破口損傷，因此戰(zhàn)斗部的毀傷能力應(yīng)該體現(xiàn)為水中兵器攻擊目標(biāo)船，造成船體結(jié)構(gòu)破損后的總縱強(qiáng)度損失的能力，即當(dāng)艦船受攻擊后的總縱剩余強(qiáng)度不能保證艦船在一定級(jí)別風(fēng)浪下漂浮時(shí)，艦船就會(huì)完全沉沒。如果將致無防護(hù)艦船受攻擊并在艦船底中部爆炸后總縱剩余強(qiáng)度不能保證艦船在一定級(jí)別風(fēng)浪下漂浮，艦船完全沉沒時(shí)所需的戰(zhàn)斗部爆炸當(dāng)量賦值為100，其他情況應(yīng)以此為基準(zhǔn)增減賦值。研究結(jié)果表明，水下爆炸致艦船總縱剩余強(qiáng)度損失與艦船排水量有如下的函數(shù)關(guān)系：

me1=c1Δ

(5)

式中：me1為戰(zhàn)斗部爆炸毀傷TNT當(dāng)量；Δ為艦船正常排水量；c1為系數(shù)。

從式(5)可以看出，戰(zhàn)斗部裝藥量爆炸毀傷能力與目標(biāo)艦船排水量成正比。研究還顯示，5000t級(jí)驅(qū)逐艦在500kgTNT當(dāng)量炸藥最理想條件水下爆炸作用下，其艦體結(jié)構(gòu)破損剩余強(qiáng)度能保證艦船在一定級(jí)別風(fēng)浪下漂浮。據(jù)此可認(rèn)為，將比例系數(shù)認(rèn)為是毀傷系數(shù)，上述工況就是水面艦艇的毀傷閾值，即5000t級(jí)驅(qū)逐艦的TNT當(dāng)量毀傷閾值是500kgTNT，根據(jù)式(5)算得毀傷系數(shù)c=1.0×10-4。則對(duì)于無防護(hù)水面艦船在船中底部爆炸威力TNT當(dāng)量毀傷賦值U1可按下式計(jì)算：

(6)

式中：me為戰(zhàn)斗部裝藥TNT當(dāng)量。

3.2毀傷等級(jí)的確定〔8-9〕

炸藥在艦船龍骨下方爆炸時(shí)，爆炸沖擊波載荷直接引起艦船結(jié)構(gòu)總縱彎曲動(dòng)響應(yīng)而造成的總縱強(qiáng)度毀傷。艦船結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度毀傷嚴(yán)重時(shí)將直接造成艦船結(jié)構(gòu)的縱向折斷破壞。這是艦艇最嚴(yán)重、也是最理想的毀傷模式。相應(yīng)地，毀傷等級(jí)可采用破損船體梁相對(duì)剩余強(qiáng)度閾值及其結(jié)構(gòu)完好性等級(jí)進(jìn)行判定。按破損船體梁相對(duì)剩余強(qiáng)度閾值及其結(jié)構(gòu)完好性等級(jí)評(píng)定，將艦船毀傷等級(jí)分為5級(jí)，并進(jìn)行了毀傷等級(jí)量化賦值，具體如表1所示。

A類：艦艇沉沒、斷裂或因嚴(yán)重火災(zāi)失控棄船，完全喪失生命力，為徹底毀傷。

B類：艦艇無作戰(zhàn)機(jī)動(dòng)能力，漂浮水面仍具有不沉性，基本喪失生命力，為嚴(yán)重毀傷。

表1　艦艇毀傷評(píng)判等級(jí)分值

C類：艦體或主要設(shè)備系統(tǒng)遭受破壞，但仍具有不沉性；在30min內(nèi)修復(fù)后，仍具有手動(dòng)操作下的艦艇機(jī)動(dòng)能力和主要的防御作戰(zhàn)能力，具有基本的生命力，為中度毀傷。

D類：艦體或主要設(shè)備系統(tǒng)遭受局部破壞，但仍具有不沉性：在30min內(nèi)修復(fù)后，仍具有手動(dòng)操作下的艦艇機(jī)動(dòng)能力和主要的防御作戰(zhàn)能力，具有完全的生命力，為輕度毀傷。

E類：艦艇完好，損失基本可忽略，為0毀傷。

3.3毀傷評(píng)估實(shí)例

基于層次分析法建立抗沖擊瓦結(jié)構(gòu)艦船抗毀傷性能的指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)，得到各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重值，根據(jù)參評(píng)者給出的評(píng)估指標(biāo)值矩陣按照灰色灰類的確定方法計(jì)算灰色評(píng)估系數(shù)，再根據(jù)評(píng)估指標(biāo)值矩陣得到評(píng)估權(quán)向量及權(quán)矩陣，計(jì)算得到不同指標(biāo)的最大灰色評(píng)估權(quán)并建立評(píng)估權(quán)矩陣，最后根據(jù)層次分析法得到的綜合權(quán)重值與評(píng)估權(quán)矩陣列向量的轉(zhuǎn)置，進(jìn)行乘積可得評(píng)估目標(biāo)的抗毀傷性能評(píng)估值。根據(jù)爆炸威力賦值及目標(biāo)抗毀傷性能評(píng)估值，可得到目標(biāo)毀傷的綜合評(píng)估值，具體步驟如下：

(1) 建立抗沖擊瓦結(jié)構(gòu)艦船抗毀傷性能評(píng)估指標(biāo)體系。在深入調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用層次分析法原理，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行逐層分解，使同層次之間的元素含義互不交叉，相鄰上下層元素之間為包含關(guān)系，形成如圖1所示的遞階層次結(jié)構(gòu)，所求的評(píng)估指標(biāo)列在最底層。

圖1　抗沖擊瓦抗毀傷性能指標(biāo)體系Fig.1　The index system on damage performance of anti-shock layer structure

(2) 根據(jù)戰(zhàn)斗部爆炸當(dāng)量及目標(biāo)艦船排水量確定戰(zhàn)斗部爆炸威力賦值。假設(shè)戰(zhàn)斗部裝藥TNT當(dāng)量為370kg，艦船排水量為4000t，并將數(shù)值代入式(3)得到U1=92.5。

(3) 確定U2各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。利用“1～9”標(biāo)度法，由專家對(duì)上下層之間的關(guān)系進(jìn)行定性填表打分，計(jì)算相鄰層次下層元素對(duì)上層元素貢獻(xiàn)的權(quán)重，并計(jì)算底層元素對(duì)于目標(biāo)的組合權(quán)重W=(ω1,ω2,……ωn)T。

總指標(biāo)對(duì)分指標(biāo)層的判斷矩陣為：

分目標(biāo)對(duì)底層指標(biāo)的判斷矩陣為：

經(jīng)計(jì)算，指標(biāo)層元素對(duì)總指標(biāo)的權(quán)重為：

W=(0.2730,0.1360,0.1360,0.0910,0.0450,0.0450,0.1360,0.0680,0.0680)T

(4) 各指標(biāo)效用評(píng)估值的確定。基于灰色理論，可求得評(píng)估指標(biāo)值矩陣DJI，DJI表示評(píng)估者I對(duì)受評(píng)對(duì)象J給出的評(píng)估指標(biāo)值矩陣。邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?名，對(duì)底層的指標(biāo)進(jìn)行打分，目標(biāo)易損性指標(biāo)集由多種因素構(gòu)成，各因素間可判斷為相互獨(dú)立型指標(biāo)。由于目標(biāo)易損性與爆炸威力是相互間矛與盾不可偏廢的關(guān)系，前述爆炸威力的賦值方法是在目標(biāo)易損性最薄弱環(huán)節(jié)得到，由于抗沖擊瓦技術(shù)的應(yīng)用，艦船抗毀傷能力提高，則根據(jù)目標(biāo)特性的倒數(shù)相互不可偏廢的關(guān)系可得出，毀傷效能最嚴(yán)重的目標(biāo)特性最小閾值為“1”，設(shè)數(shù)值分布在1～2區(qū)間評(píng)價(jià)目標(biāo)的抗毀傷性能。數(shù)值1表示毀傷程度最嚴(yán)，數(shù)值2表示抗毀傷性能最強(qiáng)。目標(biāo)易損性按1～2的數(shù)值區(qū)間由專家打分；采用2分制，打分結(jié)果如下：

(5) 確定評(píng)估灰類。這里，將目標(biāo)易損性指標(biāo)定義為抗毀傷強(qiáng)度指標(biāo)，根據(jù)灰色理論也可將其按抗毀傷強(qiáng)度等級(jí)分為5類, 表2為抗沖擊瓦結(jié)構(gòu)艦艇抗毀傷能力評(píng)判等級(jí)分值及評(píng)估灰類賦值，其相應(yīng)的灰數(shù)及白化權(quán)函數(shù)如下。

A類：抗毀傷性能最強(qiáng)(K=1), 設(shè)定灰數(shù)θ1∈[1.95, ∞]；

B類：抗毀傷性能較強(qiáng)(K=2)，設(shè)定灰數(shù)θ2∈[0, 1.75, 3.50]；

C類：抗毀傷性能一般(K=3)，設(shè)定灰數(shù)θ3∈[0, 1.45, 2.90]；

D類：抗毀傷性能較差(K=4)，設(shè)定灰數(shù)θ4∈[0, 1.20, 2.40]；

E類：抗毀傷性能最低(K=5)，設(shè)定灰數(shù)θ5∈[0, 1.05, 1.15]。

(6) 計(jì)算底層指標(biāo)的評(píng)估權(quán)向量，構(gòu)成評(píng)估權(quán)矩陣：

(7) 計(jì)算目標(biāo)抗毀傷性能評(píng)估值P=WT×σT=(0.26510.28990.25890.18550)。

根據(jù)灰色等級(jí)值化向量D=(1.95，1.75，1.45，1.20，1.05)，計(jì)算可得到抗沖擊瓦抗毀傷性能評(píng)估值U2=P×DT=1.62。

(8) 進(jìn)行綜合評(píng)估。將U1、U2代入式(4)得到抗沖擊瓦結(jié)構(gòu)艦船毀傷綜合評(píng)估值57，參照毀傷等級(jí)賦值，該抗沖擊瓦結(jié)構(gòu)艦船的毀傷等級(jí)為中度毀傷。

4結(jié) 論

(1)在全面分析效能評(píng)估方法的基礎(chǔ)上，采用灰色層次分析法進(jìn)行抗沖擊瓦結(jié)構(gòu)艦艇的毀傷評(píng)估研究，確立了毀傷等級(jí)分類判斷標(biāo)準(zhǔn)、毀傷評(píng)估數(shù)學(xué)模型及開展毀傷評(píng)估的基本步驟。

(2)根據(jù)試驗(yàn)炸藥TNT當(dāng)量及艦艇排水量可計(jì)算得出爆炸威力評(píng)估值，采用灰色層次分析法可得出抗沖擊瓦結(jié)構(gòu)艦船抗毀傷性能評(píng)估值。

(3)根據(jù)確立的模型可評(píng)估出抗沖擊瓦結(jié)構(gòu)艦艇爆炸毀傷效能。

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Damage effectiveness assessment of warship with anti-shock layer structure

HOU Dai-wen, ZHANG Yong-kun, ZHANG Hong, SHAO Jian-jun

(Unit 91439, PLA, Dalian 116041， Liaoning， China)

ABSTRACT：Evaluation index value calculation method of warship with anti-shock layer structure method was studied aiming at warship damage effectiveness evaluation. Results showed that explosive power and target vulnerability constituted ship damage effect evaluation index system, the explosive power assignment could be calculated through explosive TNT equivalent displacement and damage effect of anti-shock layer could be achieved utilizing the gray analytic hierarchy process. Quantitative evaluation of warship damage effect of anti-shock layer structure was given with the method proposed in the paper.

KEY WORDS:Anti-shock layers； Warship； Damage assessment; Gray analytic hierarchy process

中圖分類號(hào)：TD235.2； U674

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.01.003

作者簡介：侯代文(1972-)，男，博士、高級(jí)工程師，主要從事數(shù)據(jù)處理、效能評(píng)估研究。E-mail： hodevin@gmail.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.61303192)

收稿日期：2015-11-23

文章編號(hào)：1006-7051(2016)01-0014-04