基于改進(jìn)ADC法的高空氣象探測(cè)系統(tǒng)效能評(píng)估

昝興海，郭延松，馬　林

(沈陽(yáng)炮兵學(xué)院， 沈陽(yáng)　110867)

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基于改進(jìn)ADC法的高空氣象探測(cè)系統(tǒng)效能評(píng)估

昝興海，郭延松，馬林

(沈陽(yáng)炮兵學(xué)院， 沈陽(yáng)110867)

摘要：針對(duì)遂行高空氣象探測(cè)任務(wù)的高空氣象探測(cè)系統(tǒng)缺乏有效定量評(píng)估模型的問(wèn)題，結(jié)合高空氣象探測(cè)系統(tǒng)的單元組成及特點(diǎn)，構(gòu)建了基于灰色理論層次分析法的ADC靜態(tài)作戰(zhàn)性能評(píng)估模型，并對(duì)系統(tǒng)的可用性、可靠性和系統(tǒng)能力進(jìn)行了具體分析；通過(guò)實(shí)例計(jì)算分析，該模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況下專家評(píng)估所得的結(jié)論相符，為定量評(píng)估高空氣象探測(cè)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能提供了一種有效途徑。

關(guān)鍵詞：效能評(píng)估；氣象探測(cè)；ADC法

本文引用格式：昝興海，郭延松，馬林.基于改進(jìn)ADC法的高空氣象探測(cè)系統(tǒng)效能評(píng)估[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(6):61-64.

Citationformat:ZANXing-hai,GUOYan-song,MALin.EffectivenessEvaluationofAerologicalSoundingSystemBasedontheImprovedADCMethod[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(6):61-64.

隨著火炮遠(yuǎn)程打擊精度以及全天候作戰(zhàn)要求的不斷提高，戰(zhàn)場(chǎng)氣象保障的地位日益突出。作為遂行高空氣象探測(cè)任務(wù)的高空氣象探測(cè)系統(tǒng)，其作戰(zhàn)效能的高低決定著氣象保障的精度和效率，日益受到人們的關(guān)注和重視，而其究竟效能如何，尚缺乏有效的定量評(píng)價(jià)模型。

ADC方法是一種常用的武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評(píng)估方法[1-2]，通過(guò)對(duì)影響待評(píng)估武器系統(tǒng)完成所賦予使命任務(wù)起重要作用的3個(gè)性能要素即可用性A、可靠性D和系統(tǒng)能力C進(jìn)行綜合分析，確定耦合方式，求算武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能值。系統(tǒng)狀態(tài)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移率[3]、能力指標(biāo)[4]等因素選擇的差異，都會(huì)引起評(píng)估結(jié)果的不同[5-8]?；诖?，本文綜合應(yīng)用灰色理論和ADC方法，結(jié)合某高空氣象探測(cè)系統(tǒng)各單元組成，對(duì)其進(jìn)行效能評(píng)估研究，為氣象探測(cè)系統(tǒng)效能評(píng)估探索一種有效途徑，以期為氣象分隊(duì)作戰(zhàn)訓(xùn)練提供一定的參考。

1　運(yùn)行狀態(tài)描述

高空氣象探測(cè)系統(tǒng)主要用于遂行高空氣象探測(cè)任務(wù)，為氣象保障提供及時(shí)、準(zhǔn)確的高空氣象情報(bào)資料。該系統(tǒng)既可采用數(shù)字常規(guī)方法獨(dú)力完成高空氣象探測(cè)任務(wù)，又能作為氣象分隊(duì)信息分發(fā)和指揮中心與高空氣象探測(cè)雷達(dá)配套使用，是氣象分隊(duì)組織高空氣象探測(cè)的機(jī)動(dòng)式工作平臺(tái)。系統(tǒng)可完成探測(cè)前地面準(zhǔn)備、探測(cè)所在區(qū)域地面和高空氣象信息，自動(dòng)、實(shí)時(shí)進(jìn)行探空測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)處理和通信管理，以有線通信、無(wú)線通信和衛(wèi)星通信等多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提供高空氣象探測(cè)報(bào)告等工作。

根據(jù)功能模塊和作業(yè)流程，高空氣象探測(cè)系統(tǒng)一般分為以下幾個(gè)組成部分，如圖1所示。

其中制氫灌球單元主要用于野外作業(yè)氫氣的制取、氣球準(zhǔn)備等探測(cè)前的準(zhǔn)備工作；地面觀測(cè)單元主要用于地面氣象要素的獲?。换鶞y(cè)單元和高空氣象要素探測(cè)單元主要用于探空儀的基值測(cè)定及溫壓濕數(shù)據(jù)接收；高空風(fēng)觀測(cè)單元主要用于測(cè)風(fēng)經(jīng)緯儀仰角方位角數(shù)據(jù)的接收和處理；數(shù)據(jù)處理單元主要用于彈道數(shù)據(jù)的處理及氣象通報(bào)的編制；通信單元主要用于高空氣象探測(cè)報(bào)告等信息的通信傳輸。

系統(tǒng)工作狀態(tài)是指系統(tǒng)在運(yùn)行之前或運(yùn)行之中發(fā)生的事件所形成的可分解的不同狀態(tài)。通常，某個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)包含正常和故障兩個(gè)可能狀態(tài)。對(duì)于高空氣象探測(cè)系統(tǒng)而言，根據(jù)其遂行探測(cè)保障任務(wù)程度的不同，可將地面觀測(cè)、探空、測(cè)風(fēng)等分為正常、故障、局部故障狀態(tài)。其中正常工作狀態(tài)是指該系統(tǒng)能夠完成所有的綜合探測(cè)保障任務(wù)；故障狀態(tài)是指該系統(tǒng)完全無(wú)法遂行探測(cè)保障；局部故障狀態(tài)是指該系統(tǒng)能夠完成綜合探測(cè)中的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)保障功能。具體包含：綜合探測(cè)正常；地面觀測(cè)數(shù)據(jù)故障，探空及測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)正常；探空數(shù)據(jù)故障，地面觀測(cè)及測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)正常；測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)故障，地面觀測(cè)及探空數(shù)據(jù)正常；地面觀測(cè)及探空數(shù)據(jù)故障，測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)正常地面觀測(cè)及測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)故障，探空數(shù)據(jù)正常；探空及測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)故障，地面觀測(cè)數(shù)據(jù)正常；系統(tǒng)故障。對(duì)應(yīng)各工作狀態(tài)，各功能單元運(yùn)行狀態(tài)如表1所示。

2　作戰(zhàn)效能評(píng)估模型分析

2.1可用性A分析

系統(tǒng)的可用性表示待評(píng)估武器系統(tǒng)的可用度，是對(duì)系統(tǒng)在開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)時(shí)處于可工作狀態(tài)或可承擔(dān)任務(wù)狀態(tài)程度的量度，可用平均故障間隔時(shí)間(MTBF)除以平均故障間隔時(shí)間與平均故障修復(fù)時(shí)間(MTTR)之和來(lái)計(jì)算。

以Ai、MTBFi、MTTRi表示圖1中高空氣象探測(cè)系統(tǒng)第i個(gè)單元的可用度、平均故障間隔時(shí)間、平均故障修復(fù)時(shí)間，則：

Ai=MTBFi/(MTBFi+MTTRi)

(1)

表1　高空氣象探測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)

2.2可靠性D分析

可靠性矩陣D以有效向量A為基礎(chǔ)，是對(duì)武器系統(tǒng)在開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)處于某一狀態(tài)而結(jié)束時(shí)處于另一狀態(tài)的轉(zhuǎn)移性指標(biāo)的表述?？尚刨囆猿Ｓ霉收下?、可信賴性函數(shù)和平均故障間隔時(shí)間等度量指標(biāo)進(jìn)行表示，反映了武器系統(tǒng)可靠性的好壞。若武器系統(tǒng)有n個(gè)可能狀態(tài)，則可靠性矩陣D是n×n階概率轉(zhuǎn)移矩陣。對(duì)于高空探測(cè)系統(tǒng)而言，對(duì)應(yīng)的8種工作狀態(tài)D為8×8矩陣。由于系統(tǒng)在使用過(guò)程中無(wú)法修理，如果開(kāi)始處于故障狀態(tài)，使用過(guò)程中不可能再開(kāi)始工作，因此，其可信度矩陣應(yīng)為三角陣。

(2)

設(shè)系統(tǒng)中各單元故障分布時(shí)間服從指數(shù)分布，則各單元可靠度可表示如下：

Ri=exp(-Ti/MTBFi)

(3)

其中：Ti為系統(tǒng)執(zhí)行單次氣象保障任務(wù)期間各單元的工作周期。由此可得可靠性矩陣D中各元素：

2.3能力矩陣C分析

能力矩陣C表示武器系統(tǒng)的固有能力，是對(duì)系統(tǒng)在不同狀態(tài)條件下完成使命任務(wù)能力的量度，反映了設(shè)計(jì)能力與作戰(zhàn)實(shí)際要求能力之間的符合程度[6]。對(duì)于高空氣象探測(cè)系統(tǒng)，其固有能力主要包括：氣象探測(cè)能力、時(shí)空覆蓋能力、數(shù)據(jù)通信能力、機(jī)動(dòng)保障能力、安全防護(hù)能力等。文中結(jié)合灰色理論通過(guò)灰色層權(quán)分析法對(duì)各項(xiàng)能力進(jìn)行評(píng)估分析，具體步驟如下：

1) 根據(jù)系統(tǒng)固有能力各子因素的權(quán)重構(gòu)造兩兩比較矩陣U(5×5階)，矩陣中各元素?cái)?shù)據(jù)應(yīng)來(lái)自軍事專家調(diào)查數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，且滿足T.L.Saaty提出的1～9標(biāo)度。

2) 求取矩陣U特征向量ω并進(jìn)行歸一化，判斷矩陣是否滿足一致性指標(biāo)。

3) 由該領(lǐng)域軍事專家及部隊(duì)指揮人員共m名成立專家組，對(duì)系統(tǒng)在某一工作狀態(tài)下固有能力5個(gè)子因素進(jìn)行打分(1～10分)并組成指標(biāo)評(píng)估樣本矩陣G(5×m)。為減少專家對(duì)不同指標(biāo)認(rèn)識(shí)的主觀性誤差，提高專家權(quán)重的可信度，專家組人數(shù)不宜過(guò)少，一般以10～50人[7]為宜，若進(jìn)一步增加，由于灰色理論對(duì)專家打分權(quán)重尚需進(jìn)一步的聚類分析，因此對(duì)可信度提高影響不大。

4) 確定評(píng)估灰類，一般為簡(jiǎn)化計(jì)算，可將其分為“優(yōu)”、“良”、“中”、“差”4個(gè)評(píng)分灰類，其相應(yīng)的灰系及白化權(quán)函數(shù)如圖2所示。

第1類“優(yōu)”，設(shè)定灰數(shù)⊕1∈[6,9,∞)，白化函數(shù)如圖2的f1；第2類“良”，設(shè)定灰數(shù)⊕2∈[0,7,10]，白化函數(shù)如圖2的f2；第3類“中”，設(shè)定灰數(shù)⊕3∈[0,5,9]，白化函數(shù)如圖2的f3；第4類“差”，設(shè)定灰數(shù)⊕4∈[0,3,6]，白化函數(shù)如圖2的f4。

圖2　灰系及白化權(quán)函數(shù)

5) 計(jì)算灰度評(píng)估系數(shù)、評(píng)估權(quán)向量，構(gòu)建權(quán)矩陣R。

對(duì)于高空氣象探測(cè)系統(tǒng)某一工作狀態(tài)下第i(i=1,2,3,4,5)個(gè)評(píng)估指標(biāo)，第j(j=1,2,3,4)個(gè)評(píng)估灰類的灰色評(píng)估系數(shù)記為ni,j，評(píng)估灰類的總灰色評(píng)估系數(shù)記為ni，屬于第j個(gè)評(píng)估灰類的灰色評(píng)估權(quán)記為ri,j，則：

(4)

其中，gi,k為指標(biāo)評(píng)估樣本矩陣G各元素。由此根據(jù)各元素值ri,j構(gòu)建權(quán)矩陣R。

6) 確定“優(yōu)”、“良”、“中”、“差”4個(gè)評(píng)分灰類的效能值，構(gòu)建效能值向量σ，計(jì)算在某一工作狀態(tài)下高空氣象探測(cè)系統(tǒng)的固有能力分效能：

(5)

7) 重復(fù)步驟3)到6)，分別計(jì)算各工作狀態(tài)下高空氣象探測(cè)系統(tǒng)的固有能力分效能，并組成能力矩陣：

(6)

2.4效能計(jì)算

根據(jù)高空氣象探測(cè)系統(tǒng)可用性、可靠性及能力向量的分析，可通過(guò)下式計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能：

(7)

3　實(shí)例計(jì)算

對(duì)于高空氣象探測(cè)系統(tǒng)，其各功能模塊參數(shù)如表2所示。

表2　高空氣象探測(cè)系統(tǒng)各單元性能

由此可得其可用度及可靠度矩陣：

為提高指標(biāo)權(quán)重的可信性，文中一方面采用模糊原理，通過(guò)兩兩比較的相對(duì)尺度來(lái)確定各指標(biāo)的重要性，同時(shí)由一組裝備論證專家、兩組軍事氣象領(lǐng)域?qū)＜?、兩組部隊(duì)指揮人員等不同單位的15名專家成立專家組，通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)多年使用的統(tǒng)計(jì)分析，各固有能力指標(biāo)層兩兩比較打分如表3。

表3　高空氣象探測(cè)系統(tǒng)固有能力指標(biāo)層兩兩比較打分

計(jì)算可得：歸一化向量ω=[0.263 20.210 50.210 50.157 90.157 9]，特征值λmax=5，CI=0，CR=0，因此該矩陣具有滿意的一致性。

以系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下為例，5組專家組成的評(píng)估組對(duì)該系統(tǒng)固有能力打分如表4所示。

表4　正產(chǎn)工作狀態(tài)下系統(tǒng)固有能力專家打分

計(jì)算可得：

設(shè)定裝備屬于“優(yōu)”類的平均效能值為0.9，“良”類的平均效能值為0.7，“中”類的平均效能值為0.5，“差”類的平均效能值為0.3，即σ=[0.9,0.7,0.5,0.3]T，由式(5)計(jì)算可得：C1=0.811 5。

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析可看出，該高空氣象探測(cè)系統(tǒng)效能介于優(yōu)和良之間，具備較好完成綜合探測(cè)及補(bǔ)充探測(cè)保障任務(wù)的能力，與實(shí)際情況下專家評(píng)估所得的結(jié)論相符。在實(shí)際使用中，裝備狀態(tài)變化除了自身各單元本身性能外，還可能由于操作員的誤操誤判及惡劣氣候、復(fù)雜電磁環(huán)境等干擾的影響使裝備狀態(tài)發(fā)生改變。因此各矩陣還應(yīng)根據(jù)具體的作戰(zhàn)環(huán)境做出適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化；同時(shí)，為得到更為全面客觀的裝備綜合效能，還應(yīng)根據(jù)裝備屬性和任務(wù)，建立更為全面的技術(shù)戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)。

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(責(zé)任編輯周江川)

doi:10.11809/scbgxb2016.06.014

收稿日期：2015-12-16；修回日期：2016-01-19

作者簡(jiǎn)介：昝興海(1985—)，男，碩士，講師，主要從事彈道氣象研究。

中圖分類號(hào)：TN958.97

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-2304(2016)06-0061-05

EffectivenessEvaluationofAerologicalSoundingSystemBasedontheImprovedADCMethod

ZANXing-hai,GUOYan-song,MALin

(ShenyangArtilleryAcademyofPLA,Shenyang110867,China)

Abstract:Aiming at the problem that the aerological sounding system for high-altitude air sounding lacks effective and quantitative evaluation model, the paper proposed a static campaign efficiency evaluation model based on grey theory of the improved ADC method, combined with the composing and features of the system. The usability, reliability and capability were comprehensively analyzed. According to the actual calculation and analysis, the evaluation results proposed by the model and the experts can achieve a good agreement, which presents an effective method for the campaign efficiency evaluation of the air sounding system.

Key words:efficiency evaluation; air sounding; ADC model