面向任務的軍機作戰(zhàn)有效性試飛設(shè)計與評估

(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

0 引言

裝備作戰(zhàn)效能是一個內(nèi)涵豐富、包容性高的概念，其定義為在預期或規(guī)定的作戰(zhàn)使用環(huán)境以及所考慮的組織、戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)、生存能力和威脅等條件下，由有代表性的人員使用該裝備完成規(guī)定任務的能力。裝備作戰(zhàn)效能評估有助于充分發(fā)揮現(xiàn)役裝備的作戰(zhàn)能力和作戰(zhàn)潛力，進一步提出新型裝備合理可行的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標，對武器裝備研制技術(shù)發(fā)展具有非常重要的意義。

軍機試驗與鑒定的作用是盡早發(fā)現(xiàn)、解決新機設(shè)計缺陷，檢查各項戰(zhàn)技指標的符合性，對其作戰(zhàn)有效性和適用性進行評估，并最終確認裝備能否勝任作戰(zhàn)任務要求。軍機試驗與鑒定工作可分為研制試驗與鑒定(DT&E)和使用試驗與鑒定(OT&E)2個階段，OT&E是指在逼真的戰(zhàn)場環(huán)境下，由典型作戰(zhàn)人員操作，針對裝備作戰(zhàn)效能測試而開展的陣地試驗以及對上述測試結(jié)果所進行的評估，裝備的作戰(zhàn)有效性評估主要是在OT&E階段完成的。OT&E的類型包括仿真、地面試驗、飛行試驗等多種，其中飛行試驗是OT&E中耗費最大，耗時最長也是組織最為復雜的一類試驗。由于不同作戰(zhàn)任務對裝備的功能、性能要求存在差異，因此裝備的飛行試驗作戰(zhàn)有效性評估應面向特定任務開展。另外，裝備作戰(zhàn)效能評估方法是多種多樣的，根據(jù)評估目的及角度的不同，在選取評估方法時是有所差異的。

本文參考美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架(DoDAF)規(guī)范化結(jié)構(gòu)框架，結(jié)合軍機作戰(zhàn)使用想定環(huán)境，設(shè)計了基于組件和交戰(zhàn)行為時序描述的作戰(zhàn)想定設(shè)計方法，完成特定想定的推薦試驗點集，輔助完成完成試驗點綜合設(shè)計,開發(fā)了專用軟件，實現(xiàn)了作戰(zhàn)有效性向裝備指標的映射以及面向任務的綜合試飛，通過DoDAF多視圖定義方法及裝備體系任務模型的定義，輔助完成軍機使用試飛科目規(guī)劃，提出了一種基于5步法面向任務的軍機作戰(zhàn)有效性試飛設(shè)計與評估方法，結(jié)果驗證了該評估方法的正確性及有效性，可以用于支持軍機使用試飛的設(shè)計與評估工作。

1 基于DoDAF的使用試飛設(shè)計

1.1 試飛科目設(shè)計

作戰(zhàn)任務是指在一定的環(huán)境和時間條件下，為達成特定作戰(zhàn)目標而由各作戰(zhàn)功能單元共同進行的一系列相互關(guān)聯(lián)的作戰(zhàn)活動的有序集合[1]。由于交戰(zhàn)過程具有高度復雜性、系統(tǒng)性及強隨機性等因素，因此對軍機作戰(zhàn)任務的描述往往十分籠統(tǒng)，不夠精確，給作戰(zhàn)有效性評估試飛的科目設(shè)計帶來了很大難度。

美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架[2](DoD Architecutre Framework，DoDAF)是由美國國防部的US Undersecretary of Defense for Business Transformation工作小組所制定的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框架，其前身是C4ISR體系結(jié)構(gòu)框架。DoDAF通過定義作戰(zhàn)視圖(OV)、系統(tǒng)和服務視圖(SV)、技術(shù)和標準視圖(TV)以及總體結(jié)構(gòu)視圖(AV)，各個視圖之間相互聯(lián)系，應用多視圖建模思想分析復雜系統(tǒng)的一種方法，可以運用于復雜軍事任務的分析與描述。通過DoDAF多視圖定義方法，輔助完成軍機使用試飛科目規(guī)劃。依據(jù)DoDAF裝備體系任務模型的定義，對復雜軍事任務的描述應包括任務目標、任務裝備、任務活動以及任務活動間關(guān)系4個方面。即對于任何一個作戰(zhàn)任務，都可以被形式化描述為一個四元組：

OT={TO,TE,TA,TR}

其中：TO={TO1,TO2,…,TOn}，表示作戰(zhàn)任務的目標集合；TE={TE1,TE2,…,TEn}，表示作戰(zhàn)任務的裝備集合；TA={TA1,TA2,…,TAn}，表示作戰(zhàn)任務的活動集合；TR={TR1,TR2,…,TRn}，表示作戰(zhàn)任務的活動間關(guān)系集合[3]。

直接在作戰(zhàn)任務層面對作戰(zhàn)有效性進行評估，特別是定量評估的難度特別大，為實現(xiàn)對新機作戰(zhàn)有效性進行科學準確的評估，應首先完成作戰(zhàn)任務層面向裝備指標層面的映射。基于DoDAF的軍機使用試飛設(shè)計就是以DoDAF開發(fā)的作戰(zhàn)任務體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)作戰(zhàn)任務向裝備指標需求的映射，其設(shè)計過程可具體分為作戰(zhàn)任務分析(OTA)、功能節(jié)點分析以及指標需求邊界分析等3個步驟。

第一，作戰(zhàn)任務分析(OTA)是從DoDAF體系結(jié)構(gòu)中的AV-1和OV-1模型提取與作戰(zhàn)使命、作戰(zhàn)任務相關(guān)的信息，確定作戰(zhàn)任務需求，并完成作戰(zhàn)任務的細化分析和定義；

第二，功能節(jié)點分析是根據(jù)DoDAF體系結(jié)構(gòu)中的SV-4以及SV-5中相關(guān)信息，把作戰(zhàn)任務需求分配到各個功能模塊，完成體系能力需求向子能力需求的映射；

第三，指標需求邊界分析是通過DoDAF獲取體系結(jié)構(gòu)中的SV-1、WSV-1以及WSV-2中相關(guān)信息，把各個功能節(jié)點的任務轉(zhuǎn)化為具體的、可測的功能/性能指標要求，并最終完成子能力需求向?qū)嶓w需求的映射[4-5]。

依據(jù)上述理論，按照DoDAF框架對作戰(zhàn)任務進行層次分解，利用自頂向下的科目設(shè)置原則，將試飛科目依次規(guī)劃為“典型作戰(zhàn)剖面、基本戰(zhàn)術(shù)動作以及具體指標測量等3類，實現(xiàn)軍機作戰(zhàn)能力從作戰(zhàn)域向裝備指標域的映射。

1.2 基于組件和交戰(zhàn)行為時序描述的作戰(zhàn)想定設(shè)計

作戰(zhàn)想定是對交戰(zhàn)雙方的企圖、態(tài)勢以及作戰(zhàn)發(fā)展情況的設(shè)想和假定。作戰(zhàn)想定是使用試飛開展的基礎(chǔ)和前提。作戰(zhàn)過程涉及內(nèi)容繁多，把靜態(tài)的軍事作戰(zhàn)概念模型轉(zhuǎn)化為可重用性較高的模型組件，對作戰(zhàn)過程設(shè)計具有重要意義。

依據(jù)綜合試飛的原則，在一次典型作戰(zhàn)任務試飛中可以結(jié)合完成多個戰(zhàn)術(shù)動作試飛以及功能性能驗證試飛科目，也可以在同一個架次中進行多個關(guān)聯(lián)子任務的驗證，如雷達空空模式和空空武器的使用等，這樣可以進一步提高試飛的綜合程度。

根據(jù)前期規(guī)劃好的試飛動作點，識別并定義出各動作點的關(guān)鍵屬性，并構(gòu)建動作點數(shù)據(jù)庫。設(shè)計智能化的基于動作點關(guān)鍵屬性的動作點檢索算法，為面向使用的試飛設(shè)計提供支持。數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容應該包括試驗點所屬任務階段、飛行高度、飛行速度、發(fā)動機推力、飛機構(gòu)型、耗時、動作、配試條件、前置科目要求等等。此外還應包括COI、MOE、MOP三者之間的對應關(guān)系，及其和各試驗點的對應關(guān)系，便于進行科目綜合。

圖1 作戰(zhàn)剖面設(shè)計軟件界面

設(shè)計開發(fā)了面向任務的綜合試飛輔助設(shè)計系統(tǒng)軟件，通過對數(shù)據(jù)庫中的動作點進行智能化篩選，實現(xiàn)特定想定的推薦試驗點集，輔助完成完成試驗點綜合設(shè)計。作戰(zhàn)過程設(shè)計內(nèi)容繁多，把靜態(tài)的軍事作戰(zhàn)概念模型轉(zhuǎn)化為可重用性較高的模型組件，對作戰(zhàn)過程設(shè)計具有重要意義。利用建模技術(shù)，完成機載武器設(shè)備(雷達、光雷、電臺、導航設(shè)備、武器等)、配試資源(目標機、靶機、地面雷達、通信指揮所、試驗空域等)的模型化描述，進行分類編號，完成作戰(zhàn)想定組件設(shè)計。對電磁環(huán)境、氣象環(huán)境、威脅環(huán)境進行了組件式建模，完成組件設(shè)計。將設(shè)計完成的作戰(zhàn)想定組件錄入數(shù)據(jù)庫，并設(shè)計開發(fā)了基于組件和交戰(zhàn)行為時序描述的作戰(zhàn)剖面設(shè)計軟件。

2 軍機作戰(zhàn)效能試飛評估技術(shù)

通過DoDAF框架對作戰(zhàn)任務進行層次分解，實現(xiàn)了軍機作戰(zhàn)能力從作戰(zhàn)域向裝備指標域的映射。在其基礎(chǔ)上，通過設(shè)計面向任務的軍機作戰(zhàn)有效性試飛評估方法，解決軍機作戰(zhàn)效能定量評估的問題。本文提出了基于5步法的軍機作戰(zhàn)效能定量試飛評估方法其核心是在面向特定任務的情況下，確定被試裝備完成作戰(zhàn)任務應具備的某個或幾個關(guān)鍵性能指標，進而將其進一步分解，實現(xiàn)被試裝備效能指標與功能指標的分解映射，通過確定關(guān)鍵性能指標評價函數(shù)、綜合效能評價函數(shù)及相關(guān)計算，進而實現(xiàn)裝備作戰(zhàn)效能的評估量化分級，最終完成軍機作戰(zhàn)效能試飛評估。

該評估方法主要通過被試武器試飛任務否決項的制定、關(guān)鍵作戰(zhàn)要點(COIs)的確定、對一個或多個COIs對用的MOE/MOP的分解、確定COI關(guān)鍵性能指標評價函數(shù)、綜合效能評價函數(shù)及相關(guān)計算5個步驟來完成，軍用飛機作戰(zhàn)有效性試飛評估流程如圖2所示。

圖2 軍機作戰(zhàn)效能試飛評估流程圖

2.1 否決項的制定

否決項的制定，即如被試武器系統(tǒng)不滿足某關(guān)鍵性能指標或關(guān)鍵系統(tǒng)屬性(KPP、KSA)則就無法具備某項作戰(zhàn)能力，立即終止試驗。例如美國全球鷹無人機BLOCK 30所定義的KPP包括了續(xù)航時間、全球部署能力、實時操作能力、網(wǎng)絡就緒能力以及態(tài)勢感知能力等5項[6]。KPP和KSA指標在試驗初期就應進行評定。

2.2 關(guān)鍵作戰(zhàn)要點(COI)的制定

COI是指影響作戰(zhàn)有效性的相互獨立的若干關(guān)鍵指標，可以根據(jù)具體任務的不同，進行設(shè)置，COI通常是一個問句，同時一個作戰(zhàn)任務可以包括1個或多個COIs[7]。COI是判斷裝備面向特定任務是否具備完成能力的關(guān)鍵性指標，軍機作戰(zhàn)有效性或作戰(zhàn)效能取決于COI的符合程度，通過COI分析模型目標值確定完成任務能力的定量評估。

2.3 COIs對應的MOE/MOP分解

COIs的分解是將被試對象的關(guān)鍵指標進行進一步分解，設(shè)定包括COI、MOE、MOP三者之間的對應關(guān)系，即是將被試對象的效能指標與固有性能指標進行映射，把各個COI關(guān)鍵指標轉(zhuǎn)化為具體的、可測的功能/性能指標要求，便于確定關(guān)鍵性能指標評價函數(shù)及綜合效能評價函數(shù)，COIs的分解過程可通過多被試對象的多個維度進行。

以某型軍機雷達隱身空戰(zhàn)作戰(zhàn)效能分析為例，該雷達適應性指標(COI-1)分解如圖3所示，將該指標分解為探測能力(MOE-1)、跟蹤能力(MOE-2)、抗干擾能力(MOE-3)，再通過每項MOE指標進行二次分解為多個MOP指標，進而實現(xiàn)效能指標與固有性能指標的分解映射。

圖3 典型COI及MOE、MOP分解圖

2.4 作戰(zhàn)有效性評估

裝備作戰(zhàn)效能評估指標是多種多樣的,根據(jù)所研究對象的具體情況,可以選擇不同的效能指標。在基于特定試飛任務的情況下，本文所述作戰(zhàn)有效性或作戰(zhàn)效能取決于1個或多個COIs的符合程度，可以用任務能力水平(MCL)進行定量評價。通過設(shè)置目標值、支持任務完成的最低要求以及否決點，將其劃分為3個等級。100分表明裝備滿足COI分析模型中全部目標值，80分對應于臨界值，而50分對應于不具備此項任務，MCL任務能力等級水平如圖4及表1所示。

圖4 MCL等級示意圖

任務能力水平范圍全任務能力80100部分任務能力50<80非任務能力0<50

其中，全任務能力代表最高水平，MCL至少為80分。一個系統(tǒng)被定為具備全任務能力意味著這個系統(tǒng)針對某特定任務而言已經(jīng)達到了初始作戰(zhàn)能力；部分任務能力代表中間水平，MCL在50到80之間，意味著有部分任務能力仍達不到初始作戰(zhàn)要求，這樣描述僅適用于現(xiàn)有任務能力存在且可以量化的；非任務能力代表最低水平，MCL低于50。非任務能力系統(tǒng)不會改善目前的任務能力，一個分數(shù)少于50的系統(tǒng)仍可通過其他方面是來證明自身價值，如更低的成本或先進的技術(shù)[8]。

2.5 MCL的計算

為每個COI構(gòu)建數(shù)學函數(shù)用于推導MCL。針對軍機典型任務，可以構(gòu)造分段線性函數(shù)。需要一定的數(shù)據(jù)點以確定函數(shù)關(guān)系，包括代表目標、初始、現(xiàn)有能力值和確定零點的值。給出了COI分析模型示例和構(gòu)建分段線性函數(shù)所需的參數(shù)值。

下式為一個MCL解析模型構(gòu)建實例：

Pmission=Pd*Pa|d*Pj*R*Ao

其中：Pd為探測概率,Pa|d為電子攻擊指定目標的概率,Pj為干擾概率，RAo為可靠性，PmissionAo為作戰(zhàn)有效性，Pmission為任務成功概率。

完成對多COIs的評估，必須給出一個整體綜合結(jié)論，如OE 需要應用權(quán)重的方法來平衡多個相互競爭的目標。為了正確進行加權(quán)，COIs必須是互斥的。因為一個系統(tǒng)的單項功能通常不依賴于彼此，設(shè)置互斥性應該不難。例如，一個人空中救援任務結(jié)果通常不會受一個對地攻擊任務結(jié)果的影響。

對于此項任務，每個MOE將與其對應的MCL值相關(guān)聯(lián)(由決策模型確定)，MCL的權(quán)重要與對應的MOE有相同的權(quán)重；也就是說，w1對應于MOE1和MCL1，w2對應于MOE2和MCL2，w3對應于MOE3和MCL3等。一旦對應于某個MOE的MCL值確定下來，MCL相應的加權(quán)可通過下面的等式計算：

Pmission=∑wkMCLk;∑wk=1

如果這是單一的任務，計算出來的Pmission就是OE的結(jié)果，當0≤OE<50時為非任務能力，當50≤OE<80時為部分任務能力，當80≤OE≤100時為完全任務能力。

當存在多任務時，每個任務有其自己的MOE權(quán)重，每個任務的加權(quán)通過相應的任務水平的權(quán)重wi來計算，所有任務水平的權(quán)重總和同樣等于1。方程如下：

OE=∑wi(Pmission)i,∑wi=1

如本例所示，MCL的函數(shù)只在某一個水平下確定，即某一個任務水平。然后，確定相應的權(quán)重并采用規(guī)定的求和方法，最終確定總體任務能力[9-10]。

3 試飛應用

在某型軍用飛機OT&E使用試飛階段，利用本文所述方法開展了雷達隱身空戰(zhàn)任務作戰(zhàn)效能評估。基于作戰(zhàn)任務想定，利用本文設(shè)計的作戰(zhàn)剖面設(shè)計軟件，綜合考慮復雜環(huán)境影響因素，共篩選了多個試驗點集，完成了綜合試飛科目的設(shè)計。

在評估過程中，將COI分解為3項MOE及7項MOP指標，確定了關(guān)鍵性能指標評價函數(shù)及綜合效能評價函數(shù)，通過MCL計算，完成了該軍用飛機雷達隱身空戰(zhàn)作戰(zhàn)效能的評估量化分級，最終完成軍機作戰(zhàn)效能試飛評估，確定該軍用飛機雷達隱身空戰(zhàn)過程中作戰(zhàn)任務完成能力，評估結(jié)果如表2所示，評估結(jié)果表明該軍用飛機雷達具備隱身空空作戰(zhàn)完全任務能力。

表2 某軍機雷達隱身空空作戰(zhàn)任務能力評估

4 結(jié)束語

本文完成了基于DoDAF的軍機使用試飛作戰(zhàn)有效性評估流程的正向設(shè)計，實現(xiàn)了作戰(zhàn)有效性向裝備指標的映射以及面向任務的綜合試飛，提出了基于5步法的軍機作戰(zhàn)效能定量評估方法，解決了軍機作戰(zhàn)有效性定量評估的問題。該方法在某型軍機雷達隱身空戰(zhàn)過程中作戰(zhàn)任務完成能力進行了應用，結(jié)果表明該方法對軍機作戰(zhàn)有效性評估有較強的應用價值，有效降低了軍機使用試飛的設(shè)計與評估工作難度。同時，為面向任務的軍機作戰(zhàn)有效性評估工作提供了理論基礎(chǔ)，對未來其他型號航空武器裝備作戰(zhàn)效能評估的研究提供了一定的參考與借鑒。