劉 闖 陳松輝

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院 廣州 510430)

基于改進(jìn)ADC模型的某型兩棲突擊車作戰(zhàn)效能評(píng)估*

劉 闖 陳松輝

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院 廣州 510430)

在傳統(tǒng)ADC模型的基礎(chǔ)上,通過分析對(duì)抗條件下戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的對(duì)抗效能及加入修正因子,提出一種改進(jìn)的ADC模型,建立某型兩棲突擊車作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系;通過利用計(jì)算機(jī)仿真生成實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下動(dòng)態(tài)變量,計(jì)算平均效能值,使效能評(píng)估的結(jié)果更科學(xué)和符合實(shí)戰(zhàn)的效果。

改進(jìn)ADC模型; 兩棲突擊車; 作戰(zhàn)效能; 評(píng)估

Class Number TP391

1 引言

作戰(zhàn)效能評(píng)估是衡量武器系統(tǒng)關(guān)于作戰(zhàn)能力的一種度量,是從總體上描述一種武器在特定作戰(zhàn)環(huán)境下完成預(yù)定作戰(zhàn)任務(wù)的實(shí)際能力[1],是武器研制、使用武器所追求的總目標(biāo)。某型兩棲突擊車作戰(zhàn)效能評(píng)估是從兩棲突擊車戰(zhàn)術(shù)使用角度,對(duì)武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的一種定量表達(dá)方式,是登陸作戰(zhàn)或島礁作戰(zhàn)中兩棲裝甲裝備火力運(yùn)用的主要依據(jù),其現(xiàn)實(shí)意義是不言而喻的。

2 ADC作戰(zhàn)效能模型

ADC效能模型是20世紀(jì)60年代中期美國(guó)工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會(huì)(WSEIAC)提出的面向武器系統(tǒng)效能進(jìn)行評(píng)估的方法[2]。該模型在武器系統(tǒng)級(jí)或戰(zhàn)技指標(biāo)評(píng)估領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,并且取得了很多有針對(duì)性的成果。ADC方法進(jìn)行效能評(píng)估的基本原理可以概括為:首先對(duì)影響待評(píng)估武器系統(tǒng)完成所賦予使命任務(wù)起重要作用的三個(gè)性能要素A,D,C進(jìn)行分析;然后按照A,D,C三者之間的依存關(guān)系,確定它們之間的藕合方式;最后,根據(jù)公式E=A·D·C求算該武器系統(tǒng)完成所賦予使命任務(wù)的能力,即通常意義上的該武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能值[3]。兩棲突擊車作戰(zhàn)效能是指系統(tǒng)在作戰(zhàn)條件下,完成一定作戰(zhàn)任務(wù)要求程度的量度,是兩棲突擊車系統(tǒng)的可用性(Availability)、可信性(Dependability),作戰(zhàn)能力(Capability)的函數(shù)。作戰(zhàn)過程是人與系統(tǒng)、環(huán)境等因素交互的過程。目前,大量對(duì)武器系統(tǒng)的效能評(píng)估都是基于理想狀態(tài)下的理論分析,還沒有一種通用的模型來反映大量的隨機(jī)因素。故在綜合考慮實(shí)際作戰(zhàn)過程的基礎(chǔ)上,對(duì)進(jìn)攻條件下兩棲突擊車系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評(píng)估體系進(jìn)行初步分析,對(duì)傳統(tǒng)的ADC模型進(jìn)行改進(jìn)和拓展,利用計(jì)算機(jī)仿真的方法模擬實(shí)戰(zhàn)條件下對(duì)兩棲突擊車系統(tǒng)效能指標(biāo)的影響。

3 改進(jìn)的ADC作戰(zhàn)效能模型

由于兩棲突擊車在攻防對(duì)抗條件下各種突防和毀傷能力對(duì)作戰(zhàn)效能影響較大。為計(jì)入戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境變化對(duì)武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的影響,把兩棲突擊車在攻防對(duì)抗的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下完成規(guī)定任務(wù)的能力稱之為作戰(zhàn)效能[4],由兩部分組成: 1) 系統(tǒng)自身的基本作戰(zhàn)效能Eb,即A,D,C的乘積; 2) 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)抗效能Ec,可用射前的生存能力Ps和攻擊目標(biāo)的機(jī)動(dòng)能力(機(jī)動(dòng)可靠性)Pk來度量。在實(shí)際作戰(zhàn)運(yùn)用中,研究?jī)蓷粨糗嚨淖鲬?zhàn)效能還要考慮以下兩個(gè)方面因素:一是環(huán)境因素,天氣的好壞、風(fēng)浪及潮汐的大小都對(duì)兩棲突擊車的機(jī)動(dòng)和瞄準(zhǔn)精度造成影響,進(jìn)一步會(huì)影響到對(duì)目標(biāo)的命中概率和殺傷概率;二是人的因素,指揮人員和操作人員的心理素質(zhì)、技術(shù)素質(zhì)在作戰(zhàn)過程中對(duì)戰(zhàn)斗的結(jié)果也起著決定性的作用。則兩棲突擊車改進(jìn)的ADC的作戰(zhàn)效能模型可表示為

(1)

δi(i=1,2,3)為諸修正因子。δ1為環(huán)境因子,δ2為人員心理素質(zhì)因子,δ3為人員技術(shù)素質(zhì)因子。其中δ1,δ2屬于外延不確定的參數(shù),o<δ1<1,o<δ2≤1,δ3是由操縱人員的平均技術(shù)水準(zhǔn)決定的設(shè)計(jì)值,當(dāng)人員素質(zhì)更高時(shí),可能達(dá)到超過設(shè)計(jì)指標(biāo)的操縱質(zhì)量,因而δ3可大于1[5]。

根據(jù)上述模型,兩棲突擊車系統(tǒng)在作戰(zhàn)使用時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境與作戰(zhàn)效能的關(guān)系可歸結(jié)為六個(gè)評(píng)估要素,其相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 評(píng)估要素關(guān)系圖

4 作戰(zhàn)效能指標(biāo)的計(jì)算

4.1 兩棲突擊車系統(tǒng)可用性向量A

系統(tǒng)的可用性是表示待評(píng)估武器系統(tǒng)的可用度(有效性)指標(biāo),是對(duì)系統(tǒng)在開始執(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,通常用該系統(tǒng)在開始執(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)的概率表示。兩棲突擊車系統(tǒng)可分為防護(hù)子系統(tǒng)、火控子系統(tǒng)、行動(dòng)子系統(tǒng)。在完成作戰(zhàn)任務(wù)的過程中,防護(hù)子系統(tǒng)出現(xiàn)故障的可能性幾乎不存在,因此只需考慮火控子系統(tǒng)、行動(dòng)子系統(tǒng)的故障率對(duì)系統(tǒng)投入運(yùn)行狀態(tài)的影響。開始執(zhí)行任務(wù)時(shí)兩棲突擊車系統(tǒng)的行動(dòng)子系統(tǒng)和火控子系統(tǒng)都有“工作”和“故障”這兩種狀態(tài),所以兩棲突擊車系統(tǒng)共有四種初始狀態(tài),如表1所示。

表1 兩棲突擊車的四種初始狀態(tài)

設(shè)系統(tǒng)處于以上四種狀態(tài)下的概率分別為a1、a2、a3、a4,則系統(tǒng)的可用度為

A=[a1,a2,a3,a4]

(2)

若MTBFX為行動(dòng)子系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間,MTTRX為行動(dòng)子系統(tǒng)的平均故障維修時(shí)間,λ1為行動(dòng)子系統(tǒng)的平均故障率,μ1為行動(dòng)子系統(tǒng)的維修率;設(shè)MTBFH火控子系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間,MTTRH為火控子系統(tǒng)的平均故障維修時(shí)間,λ2為火控子系統(tǒng)的平均故障率,μ2為火控子系統(tǒng)維修率;設(shè)行動(dòng)子系統(tǒng)和火控子系統(tǒng)的可用度分別為aX、aH,則

(3)

(4)

因行動(dòng)與火控子系統(tǒng)構(gòu)成的系統(tǒng)完好性是串聯(lián)關(guān)系,可得:

(5)

(6)

(7)

(8)

4.2 兩棲突擊車系統(tǒng)的可信性矩陣D

由上述分析可知,兩棲突擊車系統(tǒng)在作戰(zhàn)過程中有四個(gè)狀態(tài),且在戰(zhàn)斗過程中,故障一般都無法維修,即子系統(tǒng)由故障狀態(tài)轉(zhuǎn)移到工作狀態(tài),因此,兩棲突擊車系統(tǒng)的可信性矩陣是一個(gè)4×4的上三角矩陣:

(9)

式中dij(i=1,2,3,4;j=1,2,3,4)為系統(tǒng)由狀態(tài)i轉(zhuǎn)移到狀態(tài)j的概率。

設(shè)兩棲突擊車行動(dòng)子系統(tǒng)和火控子系統(tǒng)的故障分布均服從指數(shù)分布,兩棲突擊車進(jìn)行攻擊的時(shí)間為T,得出每個(gè)系統(tǒng)在進(jìn)行攻擊期間的可信度為

RX=e-λ1T

(10)

RH=e-λ2T

(11)

期間兩個(gè)系統(tǒng)故障均不可修復(fù),即μ1=0,μ2=0,子系統(tǒng)由故障狀態(tài)轉(zhuǎn)移到正常工作狀態(tài)的概率為零,可得

d11=RX×RH=e-λ1T·e-λ2T=e-(λ1+λ2)T

(12)

d12=RX×(1-RH)=e-λ1T·(1-e-λ2T)

(13)

d13=(1-RX)×RH=(1-e-λ1T)·e-λ2T

(14)

d14=(1-RX)×(1-RH)=(1-e-λ1T)·(1-e-λ2T)

(15)

d22=RX×1=e-λ1T

(16)

d23=(1-RX)×0=0

(17)

d24=(1-RX)×1=1-e-λ1T

(18)

d33=1×RH=e-λ2T

(19)

d34=1×(1-RH)=1-e-λ2T

(20)

d44=1×1=1

(21)

4.3 兩棲突擊車系統(tǒng)能力向量C

作戰(zhàn)能力是武器系統(tǒng)的固有能力,能力向量C是對(duì)系統(tǒng)在各種不同狀態(tài)條件下完成所賦予使命任務(wù)能力的量度,在很大程度上由所評(píng)價(jià)的裝備系統(tǒng)的目標(biāo)、任務(wù)以及系統(tǒng)的特性來確定[6]。兩棲突擊車系統(tǒng)的能力指消滅目標(biāo)的能力,即對(duì)抗最終結(jié)果敵目標(biāo)被消滅的概率?？纱_定能力矩陣C:

C=[c1,c2,c3,c4]T

(22)

其中,ci表示兩棲突擊車系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)過程中,在狀態(tài)i下完成任務(wù)的概率。令兩棲突擊車系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率為Pf,命中目標(biāo)的概率為Pm,毀傷目標(biāo)的概率Ph,所以ci=Pf(i)·Pm(i)·Ph(i)。由實(shí)際情況可得c1=Pf·Pm·Ph,c2=c3=c4=0。

4.3.1 兩棲突擊車命中目標(biāo)的概率Pm

命中概率是預(yù)期命中彈數(shù)與發(fā)射彈數(shù)的比值,主要受射擊距離、瞄準(zhǔn)點(diǎn)位置、目標(biāo)大小、彈丸彈道特性等因素影響。這里主要采用多項(xiàng)式計(jì)算命中概率[7],其表達(dá)式為

Pm=k0+k1×D+k2×D2+k3×D3+k4×D4

(23)式中ki為系數(shù),D為射擊距離(km)。由文獻(xiàn)[7]中可查得:k0=0.867492,k1=0.588854,k2=-0.78919,k3=0.28108,k4=-0.033861,則

Pm= 0.867492+0.588854×D-0.78919×D2

+0.28108×D3-0.033861×D4

(24)

4.3.2 兩棲突擊車毀傷目標(biāo)的概率Ph

毀傷概率是命中目標(biāo)時(shí)目標(biāo)被摧毀的概率[8]。主要受彈丸威力、目標(biāo)防護(hù)力、命中部位等因素影響。假設(shè)目標(biāo)無毀傷積累,兩棲突擊車對(duì)單目標(biāo)的毀傷概率表達(dá)式為

(25)

式中ω表示毀傷目標(biāo)所需的炮彈命中數(shù)的屬性期望,即平均必須命中數(shù);n為炮彈數(shù)。

4.4 兩棲突擊車生存概率Ps

兩棲突擊車生存概率為其未被發(fā)現(xiàn)的概率和被發(fā)現(xiàn)而未被毀傷的概率之和[9],因此,兩棲突擊車在機(jī)動(dòng)過程中的生存概率的計(jì)算公式為

(26)

+0.102283×D3-0.018042×D4

(27)

=1-[1-(1.297198-0.719959×D-0.037356

×D2+0.102283×D3-0.018042×D4)/ω]n

(28)

4.5 兩棲突擊車機(jī)動(dòng)可靠性Pk

兩棲突擊車機(jī)動(dòng)可靠性Pk是其機(jī)動(dòng)能力的體現(xiàn),主要表現(xiàn)在行動(dòng)子系統(tǒng)的可靠性,由式(10)可得:

Pk=RX=e-λ1T

(29)

5 計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)

由于兩棲突擊車系統(tǒng)在不同的距離上對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、命中、毀傷概率不同,對(duì)兩棲突擊車系統(tǒng)的生存能力的影響也不同,因此對(duì)兩棲突擊車能力向量參數(shù)的確定是對(duì)兩棲突擊車作戰(zhàn)效能評(píng)估的關(guān)鍵,因?yàn)閮蓷粨糗囅到y(tǒng)能力參數(shù)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的量,與作戰(zhàn)條件緊密相關(guān),因此,通過計(jì)算機(jī)仿真的方法來對(duì)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的確定,更能客觀、合理地評(píng)估兩棲突擊車系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。

5.1 仿真想定

作戰(zhàn)想定:戰(zhàn)斗中,在兩棲突擊車進(jìn)攻的正面內(nèi),設(shè)想只有一個(gè)目標(biāo),為掩體里的坦克,戰(zhàn)斗的結(jié)束條件是目標(biāo)被消滅或兩棲突擊車被擊毀,對(duì)抗開始時(shí),雙方均在對(duì)方武器有效射程內(nèi)。

1) 兩棲突擊車系統(tǒng)每次射擊動(dòng)作作為一次對(duì)抗,每次對(duì)抗各發(fā)射兩發(fā)炮彈,若目標(biāo)未消滅,則進(jìn)入下次對(duì)抗,因此,戰(zhàn)斗過程由N次對(duì)抗組成,從一次對(duì)抗結(jié)束到下一次對(duì)抗開始之間的距離為100m;

2) 在狀態(tài)2、3、4下,由于行動(dòng)子系統(tǒng)和火控子系統(tǒng)的故障,兩棲突擊車系統(tǒng)無法消滅目標(biāo),該狀態(tài)下的作戰(zhàn)效能為0;

3) 目標(biāo)為掩體里的坦克,假設(shè)偽裝較好,兩棲突擊車對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率Pf隨著距離目標(biāo)的距離減小而增大,是關(guān)于目標(biāo)距離的一個(gè)減函數(shù),設(shè)Pf=1.0-0.3·D。

4) 設(shè)毀傷目標(biāo)所需的炮彈命中數(shù)ω為2,兩棲突擊車被毀傷所需的炮彈命中數(shù)ω為3;

5) 設(shè)環(huán)境因子:δ1=0.8;人員心理素質(zhì)因子:δ2=0.9;人員技術(shù)素質(zhì)因子:δ3=1.0。

5.2 仿真流程

仿真流程如圖2所示。

圖2 仿真流程

從仿真可見,其效能的值是通過多次仿真計(jì)算出的平均值,結(jié)果更加可靠。狀態(tài)判斷是計(jì)算機(jī)根據(jù)開始的參數(shù)輸入為依據(jù);抽取ξ1、ξ2、ξ3的過程是計(jì)算機(jī)產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)的過程,ξ1、ξ2、ξ3在[0,l]上均勻分布,模擬兩棲突擊車是否被命中及命中目標(biāo)的概率;命中概率模塊、毀傷概率模塊是根據(jù)前述公式、條件編的計(jì)算機(jī)程序;如果計(jì)算機(jī)生成的隨機(jī)數(shù)小于命中概率模塊、毀傷概率模塊計(jì)算的值,則表示命中、毀傷[10]。

5.3 仿真實(shí)現(xiàn)及比較

利用Vc++編程可實(shí)現(xiàn)兩棲突擊車系統(tǒng)對(duì)抗仿真過程,(由于篇幅有限,僅列出兩棲突擊車系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評(píng)估結(jié)果界面)仿真結(jié)果顯示如圖3所示。

圖3 仿真結(jié)果

假設(shè)人員心理素質(zhì)因子δ2=1.0,人員技術(shù)素質(zhì)因子δ3=1.2,如圖4,此時(shí):E′=0.2632。

圖4 仿真結(jié)果

當(dāng)采用n輛兩棲突擊車編組對(duì)目標(biāo)射擊時(shí),作戰(zhàn)效能為

En=1-(1-E)n

(30)

當(dāng)n=4,E=0.5850;n=5,E=0.6670;n=6,E=0.7327。可以看出,在集火射擊的情況下,隨著n的不斷增大作戰(zhàn)效能也在增大。

6 結(jié)語(yǔ)

該模型對(duì)兩棲突擊車系統(tǒng)的效能評(píng)估結(jié)果接近實(shí)際,更為客觀和科學(xué),為兩棲突擊車系統(tǒng)指揮人員、決策部門提供了可靠的預(yù)測(cè),對(duì)武器系統(tǒng)的評(píng)估有一定借鑒意義。通過仿真計(jì)算可以得出,單輛兩棲突擊車的作戰(zhàn)效能并不高。在有目標(biāo)指示和人員心理、技術(shù)素質(zhì)因子提高的情況下,作戰(zhàn)效能提高幅度很大。當(dāng)采用適當(dāng)編組集火射擊時(shí)作戰(zhàn)效能提高非常明顯。建議在兩棲突擊車實(shí)施作戰(zhàn)中采取以下措施:一是建立指揮信息系統(tǒng)網(wǎng),加強(qiáng)目標(biāo)情況指示,提高發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的能力,如建立數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)目標(biāo)指示、登陸步兵在作戰(zhàn)過程中進(jìn)行引導(dǎo)射擊等;二是從實(shí)戰(zhàn)出發(fā)科學(xué)施訓(xùn),增強(qiáng)指揮員和炮手心理素質(zhì),提高指揮人員的指揮能力和炮手的操作水平;三是靈活編組采取集火射擊的方法,提高對(duì)目標(biāo)的作戰(zhàn)效能。

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Amphibious Assault Vehicle Operational Effectiveness Evaluation Based on Improved ADC Model

LIU Chuang CHEN Songhui

(Naval Marine Academy, Guangzhou 510430)

Based on traditional ADC model, an improved ADC model is proposed though analysis of antagonized effectiveness under battleground circumstance and add correction factors. An effectiveness evaluation index system of amphibious assault vehicle is establishied. By computer simulation, uncertainty variable under actual combat is generated, and the average effectiveness is calculated which makes the evaluation result more scientific and more accordance with actual combat.

improved ADC model, amphibious assault vehicle, operational effectiveness, efficiency evaluate

2013年7月3日,

2013年8月26日

劉闖,男,碩士研究生,研究方向:海軍陸戰(zhàn)隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)應(yīng)用。陳松輝,男,教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:海軍陸戰(zhàn)隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2014.01.033