潛艇魚雷攻擊目標(biāo)作戰(zhàn)能力評估方法研究

張永峰，曲 豐

(中國人民解放軍91388部隊(duì), 廣東 湛江 524022)

潛艇魚雷攻擊目標(biāo)作戰(zhàn)能力評估方法研究

張永峰，曲 豐

(中國人民解放軍91388部隊(duì), 廣東 湛江 524022)

構(gòu)建了魚雷攻擊目標(biāo)作戰(zhàn)能力與作戰(zhàn)效能之間的指標(biāo)體系圖，利用結(jié)構(gòu)方程模型方法對兩者間的相關(guān)性進(jìn)行了分析，給出了潛艇攻擊目標(biāo)作戰(zhàn)能力的評估方法和評估步驟，對于開展專項(xiàng)作戰(zhàn)能力評估具有一定的借鑒價(jià)值。

武器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)；作戰(zhàn)能力；作戰(zhàn)效能

魚雷武器系統(tǒng)作為潛艇兵力隱蔽攻擊目標(biāo)的核心系統(tǒng)，主要以魚水雷為武器,是一個(gè)包括武器平臺、探測、火控、發(fā)射、跟蹤裝置和相關(guān)軟件、作戰(zhàn)人員等要素的作戰(zhàn)綜合體[1]。對于如此復(fù)雜的工程系統(tǒng)，如何體現(xiàn)和最大化其整體作戰(zhàn)能力,是武器系統(tǒng)論證、設(shè)計(jì)、研制關(guān)心的重大問題。如何反映和評估魚雷武器系統(tǒng)實(shí)際作戰(zhàn)能力，是武器系統(tǒng)檢驗(yàn)和試驗(yàn)需要解決的關(guān)鍵問題。

反映武器系統(tǒng)能力的指標(biāo)主要有作戰(zhàn)效能指標(biāo)和作戰(zhàn)能力指標(biāo)，二者既有區(qū)別又有聯(lián)系。系統(tǒng)作戰(zhàn)效能是指在給定威脅、條件、環(huán)境和作戰(zhàn)方案下，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)特定作戰(zhàn)任務(wù)目標(biāo)的有效程度，是一個(gè)動態(tài)的概念；系統(tǒng)作戰(zhàn)能力是指系統(tǒng)完成其任務(wù)使命的“本領(lǐng)”或潛力，是系統(tǒng)的整體特性和固有屬性，是一個(gè)靜態(tài)的概念。系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力與武器裝備的種類(品種)、數(shù)量(規(guī)模)、品質(zhì)(戰(zhàn)技性能)和結(jié)構(gòu)關(guān)系(相互依賴、相互支撐和信息交聯(lián))有關(guān)；系統(tǒng)作戰(zhàn)效能不僅與這些因素有關(guān)，還與作戰(zhàn)條件、環(huán)境、作戰(zhàn)方案以及對手武器裝備、作戰(zhàn)方案、打擊目標(biāo)等有關(guān)。從這個(gè)意義上講，系統(tǒng)作戰(zhàn)能力是系統(tǒng)的固有屬性，是作戰(zhàn)效能的基礎(chǔ)；而作戰(zhàn)效能是作戰(zhàn)能力的發(fā)揮和外在實(shí)現(xiàn)[2-4]。目前，國內(nèi)關(guān)于武器系統(tǒng)效能評估方法已經(jīng)很多,研究領(lǐng)域也涉及到導(dǎo)彈、雷達(dá)、火炮、魚雷武器系統(tǒng)等武器裝備[5-7 ]，取得了很好的結(jié)果，但對于武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力評估研究較少。本文從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，構(gòu)建了魚雷武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的結(jié)構(gòu)體系,借鑒結(jié)構(gòu)方程模型(Structural Equation Modeling，SEM)分析方法，建立系統(tǒng)作戰(zhàn)能力與作戰(zhàn)效能的定量關(guān)系模型，給出相應(yīng)的評估方法。

1 魚雷武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力與作戰(zhàn)效能

1.1 作戰(zhàn)能力指標(biāo)解析

魚雷武器系統(tǒng)攻擊目標(biāo)的作戰(zhàn)流程主要分為警戒探測、跟蹤識別、目標(biāo)指示、射擊參數(shù)解算、魚雷攻擊等，因此攻擊目標(biāo)的作戰(zhàn)能力可分為信息獲取能力、指揮決策能力、系統(tǒng)保障能力和射擊命中能力，涵蓋了前端傳感器的探測、指控系統(tǒng)的目標(biāo)指示和要素解算、后端武器的發(fā)控和命中目標(biāo)、系統(tǒng)可用性和可靠性等關(guān)鍵作戰(zhàn)要素。從整個(gè)攻擊目標(biāo)的作戰(zhàn)流程來看，能否有效命中目標(biāo)是攻擊目標(biāo)任務(wù)完成好壞的關(guān)鍵，可以將射擊命中能力作為衡量各種作戰(zhàn)方案優(yōu)劣的重要依據(jù)和最終指標(biāo)。

系統(tǒng)的各種作戰(zhàn)能力指標(biāo)之間存在邏輯關(guān)聯(lián)性，這種相互關(guān)聯(lián)性主要體現(xiàn)在射擊命中能力和其他作戰(zhàn)能力指標(biāo)的關(guān)系以及其他作戰(zhàn)能力指標(biāo)之間的相互關(guān)系。第一種關(guān)聯(lián)性主要通過魚雷武器系統(tǒng)攻擊作戰(zhàn)流程體現(xiàn)。命中目標(biāo)是魚雷攻擊作戰(zhàn)流程的重要環(huán)節(jié)和最終環(huán)節(jié)，因此射擊命中能力指標(biāo)是系統(tǒng)作戰(zhàn)能力評估的核心指標(biāo)。該指標(biāo)的順利完成受到系統(tǒng)中其他幾種作戰(zhàn)能力指標(biāo)的共同影響。射擊命中能力指標(biāo)對其他幾種作戰(zhàn)能力指標(biāo)也有一定程度的影響，但與其他幾種作戰(zhàn)能力指標(biāo)的共同作用相比，這種影響可以在作戰(zhàn)能力指標(biāo)體系中不進(jìn)行體現(xiàn)。第二種關(guān)聯(lián)性主要通過魚雷武器系統(tǒng)各分系統(tǒng)的功能關(guān)系體現(xiàn)。信息獲取能力與指揮決策能力相互影響；指揮決策能力與系統(tǒng)保障能力作為影響魚雷攻擊目標(biāo)能力全局的重要因素，與體系中其他指標(biāo)互有關(guān)聯(lián)。

1.2 作戰(zhàn)效能與作戰(zhàn)能力指標(biāo)體系構(gòu)建

在作戰(zhàn)能力分析的基礎(chǔ)上，按照系統(tǒng)作戰(zhàn)效能與作戰(zhàn)能力指標(biāo)的定性關(guān)系，可以建立兩者間的定量關(guān)系模型，魚雷武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力指標(biāo)由信息獲取能力、指揮決策能力、系統(tǒng)保障能力和射擊命中能力四項(xiàng)作戰(zhàn)能力指標(biāo)組成，因此魚雷武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能與作戰(zhàn)能力的定性關(guān)系也要通過反映這四個(gè)作戰(zhàn)能力的作戰(zhàn)效能指標(biāo)建立。這些作戰(zhàn)效能指標(biāo)選擇須滿足以下三點(diǎn)[8]：

1) 作戰(zhàn)效能指標(biāo)要盡可能直觀，易于理解。不應(yīng)采用過于抽象的效能指標(biāo)。

2) 作戰(zhàn)效能指標(biāo)要便于獲取，物理意義清晰。作戰(zhàn)效能指標(biāo)與作戰(zhàn)能力指標(biāo)存在較為明顯的聯(lián)系，且可以通過仿真或?qū)嵑皆囼?yàn)的方法得到它們之間的定量關(guān)系。

3) 作戰(zhàn)效能指標(biāo)能夠較全面反映相應(yīng)的作戰(zhàn)能力指標(biāo)。每個(gè)作戰(zhàn)能力指標(biāo)含義都是“多維”的，選擇多個(gè)效能指標(biāo)要盡可能真實(shí)體現(xiàn)作戰(zhàn)能力指標(biāo)的全部含義，且各指標(biāo)需要盡可能相互獨(dú)立、有代表性。

按以上原則，建立魚雷武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力指標(biāo)體系中作戰(zhàn)能力指標(biāo)與作戰(zhàn)效能指標(biāo)間的定性關(guān)系，如圖1所示。

其中，信息獲取能力指系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的能力，包括發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、識別目標(biāo)和跟蹤、測量目標(biāo)等過程，主要由反映系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下探測不同目標(biāo)的最大距離、測向誤差、測距誤差及發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率等表征，分別對應(yīng)最大探測距離、方位測量精度、距離測量精度和有效探測率等效能指標(biāo)；指揮決策能力指系統(tǒng)對所戰(zhàn)場信息態(tài)勢的綜合處理判斷能力，包括戰(zhàn)場目標(biāo)態(tài)勢的綜合分析及輔助決策處理等過程，主要由反映系統(tǒng)對數(shù)據(jù)信息響應(yīng)的快速性、目標(biāo)運(yùn)動參數(shù)解算的準(zhǔn)確性和攻擊方案決策的可信性等表征，分別對應(yīng)要素解算精度、輔助決策可信度和系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間等效能指標(biāo)。系統(tǒng)保障能力是指平臺及武器系統(tǒng)各裝備組成對作戰(zhàn)使用的保障支持能力，主要由反映裝備可靠性的可用性、可信性、維修性及平臺噪聲水平等表征，分別對應(yīng)系統(tǒng)保障性和平臺噪聲級等效能指標(biāo)；射擊命中能力指系統(tǒng)導(dǎo)引魚雷武器對目標(biāo)的最終攻擊能力，包括系統(tǒng)對魚雷的控制、魚雷對目標(biāo)的搜索、跟蹤及攻擊命中等過程，主要由反映系統(tǒng)與魚雷結(jié)合使用時(shí)導(dǎo)引參數(shù)解算正確性、武器自身的搜索、跟蹤及自導(dǎo)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)性能等表征，分別對應(yīng)射擊導(dǎo)引參數(shù)解算精度、自導(dǎo)作用距離、搜索扇面角和魚雷機(jī)動性等效能指標(biāo)。

圖1 作戰(zhàn)效能與作戰(zhàn)能力指標(biāo)體系關(guān)系

2 魚雷武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的SEM方法建模

2.1 SEM方法的基本思想及概念

SEM方法是一種新型多元統(tǒng)計(jì)分析方法，其基本思想是在顯變量和潛變量定性關(guān)系模型的基礎(chǔ)上，通過利用顯變量的觀測數(shù)據(jù)將該定性關(guān)系模型轉(zhuǎn)換為定量關(guān)系模型，并對該定量關(guān)系模型不斷進(jìn)行修正直到符合一定的擬合標(biāo)準(zhǔn)。其中潛變量是指蘊(yùn)含在某個(gè)對象中的固有屬性，該固有屬性可以通過顯變量的測量結(jié)果表現(xiàn)。比如：潛艇魚水雷武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力就可以看成是潛變量，而反映作戰(zhàn)能力的作戰(zhàn)效能指標(biāo)就是可以測量的顯變量，因此可以通過研究作戰(zhàn)效能指標(biāo)對系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力進(jìn)行評估。目前SEM方法已成為通用的、主要的線性統(tǒng)計(jì)建模技術(shù)，廣泛應(yīng)用于心理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會學(xué)和行為科學(xué)等領(lǐng)域。

SEM方法中變量有兩種分類[9-10]，一是顯變量與潛變量，二是內(nèi)生變量與外生變量[10-11]。顯變量是指可以直接觀測或度量的變量，比如系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能指標(biāo)；潛變量是指不能被直接觀測的因素或特性，是一種無法用現(xiàn)存的方法直接測量的客觀存在，但它可以通過顯變量體現(xiàn)和間接測量，比如需要評估的系統(tǒng)作戰(zhàn)能力指標(biāo)。內(nèi)生變量是指在一個(gè)假定的因果關(guān)系模型中，受其他變量影響或被其他變量說明的變量，也稱因變量；外生變量是指只影響其他變量而不受其他變量影響的變量，也稱自變量。

2.2攻擊目標(biāo)作戰(zhàn)能力評估SEM方法的基本形式

根據(jù)圖1 所示魚雷武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力指標(biāo)與作戰(zhàn)效能關(guān)系以及SEM方法的基本原理，建立變量對應(yīng)關(guān)系，見表1。

表1 各類變量對應(yīng)關(guān)系

SEM方法包括測量模型與結(jié)構(gòu)模型兩部分，將測量方程和結(jié)構(gòu)方程關(guān)系反映到同一張表中，形成如圖2所示的系統(tǒng)攻擊目標(biāo)作戰(zhàn)能力評估的SEM方法。

圖2 系統(tǒng)攻擊目標(biāo)作戰(zhàn)能力評估的SEM方法

則模型的測量方程見式(3)～式(6)：

X=Λxξ+δ

(3)

(4)

Y=Λyη+ε

(5)

(6)

模型的結(jié)構(gòu)方程為：

(7)

使用θ代表上述方程中需要估計(jì)的未知參數(shù)，則SEM方法的協(xié)方差矩陣可表示為∑(θ)，在θ估計(jì)出來前，協(xié)方差矩陣∑(θ)是無法得到的。通常將樣本測量指標(biāo)數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣記為S，使S-∑(θ)最小，進(jìn)而求出參數(shù)θ的估計(jì)值，最后得到測量方程和結(jié)構(gòu)方程中的系數(shù)估計(jì)值。

3 基于SEM方法的系統(tǒng)作戰(zhàn)能力評估

3.1 方案想定的原則及數(shù)據(jù)獲取方式

魚雷武器系統(tǒng)作戰(zhàn)使用受作戰(zhàn)環(huán)境、武器選擇使用、戰(zhàn)術(shù)策略等諸多方面的影響，表現(xiàn)出來的攻擊目標(biāo)能力相差甚遠(yuǎn)，但是使用魚雷的作戰(zhàn)攻擊流程基本相同，包含反映作戰(zhàn)效能的要素也基本一致，因此在能力評估數(shù)據(jù)獲取中盡可能設(shè)置不同的攻擊作戰(zhàn)方案，涵蓋不同樣式下作戰(zhàn)案例，以此便可取得多樣作戰(zhàn)行動中各階段關(guān)鍵效能數(shù)據(jù)。需要注意的是，作戰(zhàn)方案要盡能窮盡系統(tǒng)的各種使用方式，這樣每個(gè)方案的關(guān)鍵數(shù)據(jù)對于結(jié)構(gòu)模型參數(shù)的估計(jì)才非常充分，建立的模型才非常科學(xué)、準(zhǔn)確。但是不可否認(rèn)，效能數(shù)據(jù)中有許多是概率類的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，單次或數(shù)次海上實(shí)航試驗(yàn)難以滿足此類指標(biāo)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)要求，通常需要借助解析的方法實(shí)現(xiàn)，因此評估中通常采取實(shí)航、仿真與專家評分相結(jié)合的方法。

3.2利用SEM方法模型進(jìn)行系統(tǒng)作戰(zhàn)能力評估的步驟

對魚雷武器系統(tǒng)進(jìn)行作戰(zhàn)能力評估，可按照圖3所示步驟進(jìn)行。

1) 指標(biāo)體系構(gòu)建。首先對系統(tǒng)作戰(zhàn)能力指標(biāo)進(jìn)行分析，按照作戰(zhàn)效能與作戰(zhàn)能力的聯(lián)系，建立相對應(yīng)的關(guān)系，如圖1所示。

2) SEM方法模型構(gòu)建和識別。在作戰(zhàn)效能與作戰(zhàn)能力指標(biāo)定性關(guān)系分析的基礎(chǔ)上，利用SEM方法構(gòu)建評估模型，如圖2所示，進(jìn)行模型識別檢驗(yàn)。

圖3 利用SEM方法模型的作戰(zhàn)能力評估流程

主要檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械奈粗獏?shù)是否可以進(jìn)行估計(jì)，通常使用T規(guī)則進(jìn)行驗(yàn)證：在SEM方法中，共有(p+q)個(gè)可測變量，可以得到(p+q)(p+q+1)/2個(gè)不同的含有未知參數(shù)的方程。因此只要待估計(jì)的未知參數(shù)的個(gè)數(shù)滿足式(8)，SEM方法就可識別。

(8)

式中：t是待估計(jì)的未知參數(shù)個(gè)數(shù)；p是內(nèi)生可測變量個(gè)數(shù)；q是外生可測變量個(gè)數(shù)。

3) 數(shù)據(jù)獲取及標(biāo)準(zhǔn)化。對作戰(zhàn)任務(wù)及方案進(jìn)行想定，基于任務(wù)想定開展系統(tǒng)作戰(zhàn)任務(wù)試驗(yàn)(包括仿真試驗(yàn))獲得系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理。

4) SEM方法模型的參數(shù)估計(jì)。將作戰(zhàn)效能指標(biāo)的協(xié)方差矩陣輸入系統(tǒng)作戰(zhàn)能力評估的SEM方法中，利用極大似然法、最小二乘法等對模型的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。

5) SEM方法模型的評估與修正。對構(gòu)建的SEM方法模型進(jìn)行參數(shù)估計(jì)后，就需要對估計(jì)的參數(shù)以及由此得到的SEM方法進(jìn)行評估，直至得到滿意的SEM方法模型。常用的檢驗(yàn)方法通常包括參數(shù)的顯著性和合理性檢驗(yàn)、擬合程度(χ2統(tǒng)計(jì)量)檢驗(yàn)、近似誤差均方根(RMSEA)檢驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)擬合指數(shù)(NFI)，非標(biāo)準(zhǔn)化擬合指數(shù)(NNFI)、比較擬合指數(shù)(CFI)。表2為擬合參數(shù)的評估標(biāo)準(zhǔn)。

表2 擬合參數(shù)的評估標(biāo)準(zhǔn)

6) 求解作戰(zhàn)能力指標(biāo)值并給出評估結(jié)論。模型參數(shù)估計(jì)及評估完成以后，便可得到系統(tǒng)作戰(zhàn)效能與作戰(zhàn)能力指標(biāo)的定量關(guān)系模型，利用該模型便可求解系統(tǒng)作戰(zhàn)能力指標(biāo)值，給出評估結(jié)論。

4 結(jié)論

1) 由于SEM方法是一種基于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方法，利用SEM方法進(jìn)行作戰(zhàn)能力評估，對專家知識依賴度相對較低，且具備對所構(gòu)建模型的擬合評估功能，因此依據(jù)該方法建立的魚雷武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能和作戰(zhàn)能力指標(biāo)定量關(guān)系模型有較強(qiáng)的說服力。

2) 由于該模型評估依賴于指標(biāo)體系的構(gòu)建和作戰(zhàn)數(shù)據(jù)的獲取，因此建立系統(tǒng)作戰(zhàn)效能與作戰(zhàn)能力指標(biāo)之間的定量關(guān)系模型、獲取可信的基于大想定集下的系統(tǒng)作戰(zhàn)任務(wù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)是此種方法的核心。

3) 下一步需在體系構(gòu)建合理性和數(shù)據(jù)獲取可行性方面深入研究。依托大型作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)、結(jié)合實(shí)航取得的數(shù)據(jù)對模型、參數(shù)進(jìn)行修正，進(jìn)一步提高該方法在實(shí)際應(yīng)用中的科學(xué)性和可行性。

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(責(zé)任編輯周江川)

ResearchonOperationalCapabilityEvaluationMethodofSubmarineTorpedoAttackingSurfaceTarget

ZHANG Yongfeng, QU Feng

(The No. 91388thTroop of PLA, Zhanjiang 524022, China)

The paper constructs an index system between operational capability and operational effectiveness of torpedo attacking targets, and the correlation between them was analyzed by structural equation modeling method. The method and procedure to evaluate the operational capability of submarine’s attacking targets is given, which has certain reference value for carrying out special operations capability evaluation.

weapons system; structural equation model; operational capability; operational effectiveness

2017-07-14；

2017-08-10

張永峰(1977—)，男，碩士，高級工程師，主要從事武器系統(tǒng)試驗(yàn)技術(shù)研究。

裝備理論與裝備技術(shù)

10.11809/scbgxb2017.11.002

本文引用格式：張永峰，曲豐.潛艇魚雷攻擊目標(biāo)作戰(zhàn)能力評估方法研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(11):9-12.

formatZHANG Yongfeng, QU Feng.Research on Operational Capability Evaluation Method of Submarine Torpedo Attacking Surface Target[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):9-12.

E211

A

2096-2304(2017)11-0009-04