地面電子對(duì)抗裝備損傷結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建方法研究*

劉飛，蘇周，姜思宇，蔡志成

(空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019)

0 引言

融合多個(gè)作戰(zhàn)單元、聚集多種武器系統(tǒng)、充分發(fā)揮作戰(zhàn)效能的“體系作戰(zhàn)”已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的主要樣式[1-3]。地面電子對(duì)抗裝備作為破壞敵方作戰(zhàn)體系的指揮控制、信息感知、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ艿摹袄麆Α蔽淦?，極易遭受打擊和摧毀。裝備一旦遭到攻擊就會(huì)有不同程度的損傷。要想持續(xù)發(fā)揮地面電子對(duì)抗裝備的“利劍”功能，對(duì)敵方作戰(zhàn)體系造成持續(xù)的破壞，則要對(duì)戰(zhàn)損裝備實(shí)施及時(shí)有效的戰(zhàn)場(chǎng)搶修[4-5]?？焖俚膽?zhàn)場(chǎng)損傷定位，精準(zhǔn)的損傷等級(jí)判定，以及充足的搶修備件供應(yīng)，可以讓裝備戰(zhàn)場(chǎng)搶修的針對(duì)性更強(qiáng)，以致達(dá)到事半功倍的效果。不管是戰(zhàn)場(chǎng)損傷的快速定位，損傷等級(jí)的精準(zhǔn)判定，還是搶修備件的需求分析，都需要對(duì)裝備的結(jié)構(gòu)有一個(gè)規(guī)范化的描述模型，來提高損傷定位的效率和損傷分析的精度。

目前，地面電子對(duì)抗裝備損傷結(jié)構(gòu)模型的研究尚沒有公開文獻(xiàn)可供查閱，其他軍兵種裝備的損傷結(jié)構(gòu)模型研究，大多屬于建立指定型號(hào)裝備的三維物理結(jié)構(gòu)模型，用于實(shí)彈實(shí)裝試驗(yàn)分析[6-7]。因此，為規(guī)范構(gòu)建電子對(duì)抗裝備損傷模型，提高其損傷定位效率和分析精度，本文擬基于某型地面電子對(duì)抗裝備的物理結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)，結(jié)合破片攻擊造成裝備模塊單元的關(guān)聯(lián)損傷關(guān)系，研究地面電子對(duì)抗裝備規(guī)范化的損傷模型構(gòu)建方法。

1 裝備結(jié)構(gòu)分析

某型地面電子對(duì)抗裝備是一種典型的大型復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，對(duì)其結(jié)構(gòu)的分析是模型構(gòu)建的基礎(chǔ)，可以從功能結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)2個(gè)角度進(jìn)行分析。

1.1 功能結(jié)構(gòu)分析

從功能結(jié)構(gòu)上看，裝備整機(jī)系統(tǒng)包括若干分系統(tǒng)(機(jī)柜)，每個(gè)分系統(tǒng)包括若干子系統(tǒng)(分機(jī))，每個(gè)子系統(tǒng)包括若干功能單元。由于這種地面復(fù)雜的電子裝備一般都采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所以在結(jié)構(gòu)上都具有一定的相對(duì)獨(dú)立性[8-10]。因此，地面電子對(duì)抗裝備在結(jié)構(gòu)上可以認(rèn)為是一種樹狀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 裝備功能結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Equipment function structure diagram

顯然，整機(jī)系統(tǒng)、分系統(tǒng)、子系統(tǒng)的功能分別由所屬的下一層級(jí)結(jié)構(gòu)的功能組合而成，各分系統(tǒng)、子系統(tǒng)和功能單元之間具有很強(qiáng)的邏輯性和層次性。具體表現(xiàn)在2個(gè)方面：一是屬于同一個(gè)層級(jí)結(jié)構(gòu)下的下一層級(jí)結(jié)構(gòu)之間有相互功能關(guān)聯(lián)性，如在搜索接收機(jī)子系統(tǒng)的功能單元層級(jí)，對(duì)于信號(hào)處理流程，前一級(jí)的功能單元與后續(xù)功能單元的功能就有強(qiáng)烈的關(guān)聯(lián)性；二是下一層級(jí)結(jié)構(gòu)的功能影響本級(jí)結(jié)構(gòu)的功能，如在分析接收機(jī)子系統(tǒng)中，中頻功能單元的正常與否直接反饋到分析接收機(jī)的正常與否。因此，地面電子對(duì)抗裝備在功能上可以認(rèn)為是一種反饋樹狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 裝備功能邏輯示意圖Fig.2 Equipment function logic diagram

1.2 物理結(jié)構(gòu)分析

從物理結(jié)構(gòu)上看，裝備整機(jī)由若干機(jī)柜(物理構(gòu)件)按照一定的布局設(shè)計(jì)構(gòu)成，每個(gè)物理構(gòu)件又由若干分機(jī)或單元模塊按照一定的排列組合而成，機(jī)柜、分機(jī)、單元模塊之間通過線纜連接。因此，地面電子對(duì)抗裝備的物理結(jié)構(gòu)具有一定的隨機(jī)性，不同地面電子對(duì)抗裝備的物理結(jié)構(gòu)有較大差別，這給裝備結(jié)構(gòu)的分析帶來較大困難。但是可以通過戰(zhàn)時(shí)導(dǎo)(炸)彈的破片和爆轟波對(duì)裝備的損傷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將裝備物理結(jié)構(gòu)對(duì)裝備性能的影響轉(zhuǎn)到功能結(jié)構(gòu)上，建立裝備功能邏輯之外的各層次單元之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

通過計(jì)算機(jī)模擬仿真，以地面電子對(duì)抗裝備各組成單元命中破片數(shù)作為試驗(yàn)指標(biāo)，采用類似于靜爆實(shí)彈試驗(yàn)的方法在裝備周圍設(shè)置若干炸點(diǎn)[11-13]，如圖3所示。

圖3 計(jì)算機(jī)模擬靜爆試驗(yàn)示意圖Fig.3 Computer simulation static explosion experiment

通過模擬仿真獲得彈藥在各炸點(diǎn)位置處引爆后裝備各組成單元的命中破片數(shù)。假設(shè)地面電子對(duì)抗裝備的底層組成功能單元數(shù)為l，設(shè)置炸點(diǎn)數(shù)為m，若在每個(gè)炸點(diǎn)上進(jìn)行n次爆炸仿真試驗(yàn)，則可得各功能單元在m個(gè)炸點(diǎn)位置爆炸所擊中的平均破片數(shù)分別為

(1)

式中：Yijk表示裝備的第k個(gè)功能單元在第j個(gè)炸點(diǎn)第i次爆炸中被擊中的破片數(shù)，其中，i=1,2,…,n，j=1,2,…,m，k=1,2,…,l。

由此第p個(gè)功能單元與第q個(gè)功能單元(p,q=1,2,…,l)被擊中破片數(shù)的相關(guān)系數(shù)為[14]

(2)

(3)

最后，得到各組成單元被擊中破片數(shù)的相關(guān)系數(shù)矩陣為

(4)

顯然，式中有rpp=1，rpq=rqp。

|rpq|越小說明兩部件損傷之間的線性相關(guān)性越不明顯；|rpq|越大兩部件損傷之間的線性相關(guān)性就越顯著。因此，根據(jù)檢驗(yàn)水平α及樣本容量可查得相應(yīng)rα的值，當(dāng)|rpq|>rα?xí)r，則認(rèn)為效果顯著，相關(guān)性較強(qiáng)；當(dāng)|rpq|≤rα?xí)r，則認(rèn)為效果不顯著，相關(guān)性較弱。依據(jù)該原則，若裝備結(jié)構(gòu)中某些部件之間的損傷相關(guān)系數(shù)超過臨界值，則為這些部件之間建立邏輯關(guān)系。因此，地面電子對(duì)抗裝備的物理結(jié)構(gòu)可轉(zhuǎn)化為如圖4所示的功能單元關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖4 裝備損傷關(guān)聯(lián)示意圖Fig.4 Equipment damage correlation diagram

2 規(guī)范化損傷結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

地面電子對(duì)抗裝備的功能結(jié)構(gòu)及功能邏輯、物理結(jié)構(gòu)及關(guān)聯(lián)關(guān)系為其損傷定位和損傷分析提供了基礎(chǔ)框架和基本邏輯，比較接近于人類認(rèn)識(shí)事物的思維方式，但是這種框架和邏輯存在層次不齊、邏輯復(fù)雜的問題，不能直接引入計(jì)算機(jī)專家系統(tǒng)、人工智能等現(xiàn)代智能化手段進(jìn)行后續(xù)的損傷定位、損傷評(píng)估、損傷修復(fù)等工作。因此，需要在前述框架和邏輯的基礎(chǔ)上，為裝備構(gòu)建規(guī)范化的損傷結(jié)構(gòu)模型。

2.1 裝備損傷結(jié)構(gòu)規(guī)范

為建立統(tǒng)一規(guī)范的可描述損傷結(jié)構(gòu)模型，需要確立規(guī)范化處理措施。

規(guī)范1：對(duì)于功能結(jié)構(gòu)層次未達(dá)到4層的，采取底層復(fù)制的方法補(bǔ)充拓展到4層，此種結(jié)構(gòu)稱為裝備標(biāo)準(zhǔn)層次結(jié)構(gòu)。

規(guī)范2：對(duì)于非底層的邏輯關(guān)系，衍變至底層邏輯關(guān)系，方法是所屬下一層級(jí)的所有部件存在對(duì)應(yīng)的邏輯關(guān)系。

規(guī)范3：對(duì)于雙向關(guān)聯(lián)關(guān)系，變?yōu)?個(gè)單向邏輯關(guān)系。

規(guī)范4：在規(guī)范化過程中，2個(gè)底層功能單元的同向邏輯關(guān)系只需標(biāo)記1次。

2.2 裝備損傷結(jié)構(gòu)模型

為闡述問題方便，對(duì)圖1,2,4的層次分別定義為A,B,C,D層，每層的功能部件按照從左到右的順序定義為1,2,3，…。這樣每個(gè)功能部件可以通過層次加序號(hào)的形式進(jìn)行描述，如第2層第3個(gè)部件可以描述為B3。

根據(jù)規(guī)范1，圖1中B2可以復(fù)制到C,D層，C3可以復(fù)制D層，如圖5所示。

圖5 裝備功能結(jié)構(gòu)補(bǔ)充拓展示意圖Fig.5 Equipment function structure supplement and development diagram

重新對(duì)圖5進(jìn)行編號(hào)，根據(jù)規(guī)范2，圖5中C1和C2存在從C1到C2的邏輯關(guān)系，則衍變?yōu)镈1到D3,D1到D4,D2到D3，D2到D4的邏輯關(guān)系；B2和B3存在從B2到B3的邏輯關(guān)系，則衍變?yōu)镈5到D6,D5到D7,D5到D8,D5到D9的邏輯關(guān)系；C4和C5存在雙向關(guān)聯(lián)關(guān)系，則衍變?yōu)镈6和D7,D6和D8的雙向關(guān)聯(lián)關(guān)系，如圖6所示。

圖6 邏輯及關(guān)聯(lián)關(guān)系向底層衍變示意圖Fig.6 Evolution of logic and relationship to the bottom

根據(jù)規(guī)范3，將圖6中的雙向關(guān)聯(lián)關(guān)系D1和D2,D6和D7,D6和D8，變?yōu)閺腄1到D2的邏輯關(guān)系、從D2到D1的邏輯關(guān)系、從D6到D7的邏輯關(guān)系、從D7到D6的邏輯關(guān)系、從D6到D8的邏輯關(guān)系、從D8到D6的邏輯關(guān)系。然后根據(jù)規(guī)范4進(jìn)行整理，最終形成裝備損傷結(jié)構(gòu)模型，該模型由標(biāo)準(zhǔn)裝備層級(jí)結(jié)構(gòu)和底層單向邏輯關(guān)系構(gòu)成，如圖7所示。

圖7 裝備損傷結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Equipment damage structure diagram

2.3 模型的數(shù)學(xué)描述

對(duì)于規(guī)范化的裝備損傷結(jié)構(gòu)模型，可以進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。若稱地面電子對(duì)抗裝備系統(tǒng)層次模型中每個(gè)組成單元為元素，依據(jù)圖論理論[15-16]，則由某一個(gè)元素生成的下一層所有元素稱為該元素的子元素，而該元素稱為它們的父元素，同一層次的元素又稱為同代元素，父元素相同的元素之間又稱為兄弟元素。所有元素都源自根元素，不再生成其他元素的稱為葉元素，所以根元素沒有父元素，葉元素沒有子元素。圖5所示的模型中根元素為裝備整機(jī)系統(tǒng)，葉元素為各功能單元。從裝備整機(jī)開始依次定義為第1層、第2層、……，每一層的組成元素有2個(gè)排序號(hào)，一個(gè)是元素在同代元素中的總排序號(hào)，另一個(gè)是在兄弟元素中的排序號(hào)。

(5)

由此，可以計(jì)算出該元素在同代元素中的總排序號(hào)k*為

(6)

裝備系統(tǒng)所有元素邏輯關(guān)系的集合為

(7)

(8)

(9)

3 應(yīng)用分析

為地面電子對(duì)抗裝備系統(tǒng)建立規(guī)范化結(jié)構(gòu)層次模型和數(shù)學(xué)描述模型，不僅可以反映各組成單元的層級(jí)遺傳關(guān)系，還有利于計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速損傷定位，開展戰(zhàn)場(chǎng)損傷修復(fù)。

以某型地面電子對(duì)抗裝備為例，其裝備功能邏輯關(guān)系和裝備損傷關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖8所示。

圖8 某型裝備功能邏輯和損傷關(guān)聯(lián)圖Fig.8 Equipment function logic and damage correlation diagram

3.1 構(gòu)建裝備損傷結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)裝備損傷結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建規(guī)范和損傷結(jié)構(gòu)模型數(shù)學(xué)描述要求，建立某型地面電子對(duì)抗裝備規(guī)范化損傷結(jié)構(gòu)模型如圖9所示。

圖9 某型裝備規(guī)范化損傷結(jié)構(gòu)模型Fig.9 Equipment standardization damage structure model

3.2 快速損傷定位

根據(jù)式(7)及其說明，按照從左至右，圖9的底層邏輯關(guān)系可以用矩陣表示為

通過底層邏輯關(guān)系矩陣可以看出：

(1) 矩陣對(duì)角線的數(shù)據(jù)全為1，這是約定元素自己與自己產(chǎn)生邏輯關(guān)系形成的；

(2) 存在關(guān)于對(duì)角線對(duì)稱的“1”的對(duì)應(yīng)2個(gè)元素有雙向的邏輯關(guān)系，如b2,4=b4,2=1，說明D2和D4存在雙向的邏輯關(guān)系；

(3) 矩陣每行上除對(duì)角線位置的“1”的個(gè)數(shù)表明與該行對(duì)應(yīng)元素產(chǎn)生邏輯關(guān)系元素的個(gè)數(shù)。

當(dāng)裝備某個(gè)功能單元未能正常工作時(shí)，則需要進(jìn)行損傷定位?？梢酝ㄟ^檢查與該功能單元相關(guān)的邏輯關(guān)系鏈路，確定損傷位置。

邏輯關(guān)系鏈路的生成方法是①從對(duì)角線元素開始，尋找對(duì)應(yīng)列上其他為“1”的元素；②然后跳到該元素行對(duì)應(yīng)的對(duì)角線元素，再尋找該對(duì)角線元素對(duì)應(yīng)列上其它為“1”的元素；③重復(fù)第②步直至結(jié)束，由此得到的一個(gè)邏輯關(guān)系鏈路。邏輯關(guān)系鏈路可以按照該方法通過軟件算法快速生成。

戰(zhàn)時(shí)，裝備D6功能單元未能正常工作，軟件算法按照尋找路徑：b6,6→b5，6→b5,5→b4,5→b4,4→b2,4→b2,2→b2,1→b1,1，得到D1→D2→D4→D5→D6的邏輯關(guān)系鏈路。通過檢測(cè)邏輯關(guān)系鏈路，可以確定故障位置為功能單元D1，D2，D4，D5，D6中的元素組合。

4 結(jié)束語

首先從物理結(jié)構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)對(duì)地面電子對(duì)抗裝備進(jìn)行層次分解，建立裝備層次結(jié)構(gòu)的功能邏輯關(guān)系，為裝備結(jié)構(gòu)分析提供研究框架；然后通過計(jì)算機(jī)模擬仿真，建立裝備的損傷關(guān)聯(lián)關(guān)系，并在結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)則下，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范化裝備損傷結(jié)構(gòu)模型；再基于圖論理論，建立裝備規(guī)范化損傷結(jié)構(gòu)模型的數(shù)學(xué)描述模型，為裝備損傷分析提供理論基礎(chǔ)；最后基于本文構(gòu)建的規(guī)范化裝備損傷結(jié)構(gòu)模型，給出裝備快速損傷定位和規(guī)范化損傷數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用場(chǎng)景。綜上所述，本文提出的構(gòu)建地面電子對(duì)抗裝備的損傷結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建方法，可以為裝備的損傷分析和損傷修復(fù)提供良好的研究對(duì)象和理論依據(jù)。