張 勇，劉俊偉，李 超，李建軒

(海軍裝備研究院，上海200235)

0 引 言

艦船是綜合作戰(zhàn)能力最強大的水面作戰(zhàn)平臺，在海軍轉(zhuǎn)型建設的推動下，電子信息技術(shù)廣泛應用于艦船裝備之中，艦船上裝備了大量雷達、通信、指揮控制等電子信息系統(tǒng)和武器。在未來信息化條件下聯(lián)合作戰(zhàn)中，隨著艦船裝備信息化程度的不斷提高和戰(zhàn)場電磁環(huán)境的日益嚴酷，艦船電磁兼容問題將更加突出。

艦船電磁兼容性的評估須由定性階段走向定量階段。電磁兼容性評估指標是評價艦船電磁兼容性能的基礎(chǔ)，是開展評估工作的主要依據(jù)。由于艦船電磁環(huán)境的復雜性，在研制過程中提出合理的電磁兼容性評估指標、進行科學的設計、評估和驗收，是水面艦船論證、研制中必須解決的重要問題。當前開展艦船電磁兼容性評估指標研究，以滿足目前大型艦船研制的迫切需要，保證艦船電磁兼容性工作順利進行，是非常及時和必要的。

1 國內(nèi)外電磁兼容性評估指標分析

由國外相關(guān)資料可以看出，美國在艦船的發(fā)展過程中十分重視發(fā)揮指標的作用，指標在美國艦船研制中扮演著舉足輕重的作用，美國艦船指標對于我國艦船電磁兼容評估指標研究具有重要的參考價值。

美國的電磁兼容研究起源于電子設備受到射頻干擾，為了解決日益嚴重的電磁兼容問題，從20世紀40年代開始美軍頒布了系列電磁兼容性指標要求，包括MIL-STD-461、MIL-STD-464 等軍用標準和艦船電子系統(tǒng)電磁兼容手冊等，開展艦船裝備的電磁兼容性研究和評估。在艦船裝備建造過程中美軍發(fā)布了指令指示和操作手冊，為艦船達到電磁兼容性提供技術(shù)指導，如:MIL-HDBK-237D。通過對美軍電磁兼容標準，指令指示等大量指標文件分析，得出以下結(jié)論:美軍艦船電磁兼容性評估指標文件內(nèi)容較全面、完整。作為美國海軍各類艦船研制通用技術(shù)要求的《艦船通用規(guī)范》，其在全文多個章節(jié)中提出了電磁兼容性指標，涉及到電磁干擾與控制指標、電磁輻射安全性指標等。作為系統(tǒng)電磁兼容性要求的MIL-STD-464C，是美軍系統(tǒng)級頂層的電磁兼容性評估指標文件。MIL-STD-461F 是設備及分系統(tǒng)電磁兼容性評估指標總要求文件。

美軍艦船電磁兼容性評估指標文件包括軍用標準、軍用規(guī)范、軍用技術(shù)手冊、指令指示文件等。美軍艦船電磁兼容性評估指標內(nèi)容從范圍上講，包括:電磁兼容性安裝質(zhì)量指標、電磁干擾與控制指標、電磁輻射危害指標等;從裝備層次上講，包括設備級、分系統(tǒng)級和平臺總體級;從研制過程講，包括了武器裝備論證、工程研制、生產(chǎn)、檢驗驗收和使用管理的全過程。通過綜合分析，美軍艦船電磁兼容性評估指標包括安裝質(zhì)量指標、電磁干擾指標、電磁輻射危害指標及電磁環(huán)境效應指標4 個方面。

我國軍用電磁兼容性工作開展于20世紀80年代初，電磁兼容性指標是參照美軍相關(guān)指標并結(jié)合我軍電磁兼容性工作的實踐進行制定。目前已制定了一批電磁兼容性軍用指標，但這些指標滿足設備和分系統(tǒng)等需求比較成熟，但要滿足系統(tǒng)級尤其是大型艦船復雜系統(tǒng)還是有較大差距，需要研究制定一批系統(tǒng)級電磁兼容性試驗評估方法標準。

2 艦船電磁兼容性評估要求

從海軍艦船實現(xiàn)防空作戰(zhàn)和反艦作戰(zhàn)等作戰(zhàn)使命任務出發(fā)，作戰(zhàn)過程中與電磁兼容性相關(guān)的能力體現(xiàn)在警戒探測能力、電子對抗能力、通信能力和武器能力等方面。根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務，4 個方面的能力體現(xiàn)又有不同。從艦船作戰(zhàn)使命出發(fā)，以作戰(zhàn)使用對艦船電磁兼容的需求為牽引，通過艦船論證、設計和檢驗驗收等階段的電磁兼容性指標要素分析，由作戰(zhàn)任務層向技術(shù)能力指標要求，再向電磁兼容性能指標分解層次，提出艦船電磁兼容評估要求，確定艦船電磁兼容性評估指標涵蓋內(nèi)容。

通過分析可知，艦船電磁兼容性評估要求主要包括以下內(nèi)容:

1)保證艦船上電氣、電子信息系統(tǒng)和武器裝備能兼容工作;

2)保證艦船上武器、燃油的安全;

3)保障艦員的安全，不受電磁輻射危害;

4)艦機適配，安全兼容工作。

3 艦船電磁兼容性評估指標體系

3.1 體系構(gòu)建方法

通過對目標分解法、多元統(tǒng)計法等體系構(gòu)建方法的研究和分析，提出評估指標體系綜合構(gòu)建法。通過系統(tǒng)分析確定評估指標體系建立的要求，從全系統(tǒng)全過程通盤控制體系建設的框架、結(jié)構(gòu)和指標要素問題，并應用于電磁兼容性評估指標體系構(gòu)建中，指標體系綜合構(gòu)建法如下:

1)通過目標分解法，圍繞正確反映艦船電磁兼容技術(shù)水平和狀態(tài)的任務出發(fā)，按系統(tǒng)工程原理，從頂層出發(fā)，逐級分層劃類進行分解，理清脈絡和相互關(guān)系，初擬出電磁兼容性的各基本要素，并進行定性分析，擬定指標體系框架。

2)對指標體系框架中各基本要素進行量化分析，對初擬指標進行進一步的深化和擴展。綜合總結(jié)我國艦船電磁兼容研制技術(shù)和國外艦船研制經(jīng)驗，通過調(diào)查研究及廣泛收集有關(guān)指標，利用比較歸納法進行歸類比較，按照電磁兼容性原理提出基本要素對應指標。

3)采用多元統(tǒng)計法中的聚類分析和主成分分析等方法，從基本要素的各種對應指標中確定關(guān)鍵性指標，完成指標體系構(gòu)建。

3.2 建立評估指標體系

根據(jù)評估指標體系建立方法和艦船電磁兼容性要素的分析，艦船電磁兼容性評估指標的分類以電磁兼容性要素本身為依據(jù)，結(jié)合水面艦船電磁兼容性要求，建立包括五大類19 項指標的水面艦船電磁兼容性評估指標體系(見圖1)。

圖1 水面艦船電磁兼容性評估指標體系Fig.1 Electromagnetic compatibility evaluating target system of surface naval ships

4 艦船電磁兼容性評估方法

4.1 評估方法

艦船電磁兼容性能如何量化評估是一個復雜的問題，水面艦船電磁兼容性評估體系指標多，影響因素也多，而且這些指標因素之間存在著復雜的相互關(guān)系，是多目標決策難題。

國內(nèi)外目前評估采用的主要方法有專家評定法、線性加權(quán)求和法、特爾斐法、層次分析法、模糊綜合評價方法或者它們的某種組合等。通過研究分析可知，對于艦船電磁兼容性指標體系這樣一個多層次、不對稱、多指標、多制約的復雜指標體系而言，絕大多數(shù)方法都不太適合，直接解決多目標問題比較困難，單目標問題相對較容易解決。因此，采用把多目標分解成單目標，然后再綜合成總目標用系統(tǒng)工程的方法，把艦船電磁兼容性指標歸納為若干評估要素并按層次結(jié)構(gòu)排列對評價指標進行加權(quán)評分求出總分是一種基本的方法。

根據(jù)國內(nèi)外多種評估方法，結(jié)合艦船電磁兼容的特點，提出一種系統(tǒng)、簡潔而且實用的艦船電磁兼容評估方法，即多層次加權(quán)求和綜合方法。該方法運用定量和定性分析相結(jié)合，評估水面艦船電磁兼容性能。

4.2 評估流程

對評估過程來說，首先是引進和確定評估指標，然后用該評估指標對評估對象進行評估，確定其價值，評估的一般流程如圖2所示。

圖2 評估基本流程Fig.2 Evaluating basic procedure

5 評估應用實例

利用前面分析提出的綜合評估法進行某型艦船內(nèi)部兼容性評估。以“內(nèi)部電磁兼容性I”為例，運用指標綜合法分析“內(nèi)部電磁兼容性I”指標權(quán)重，采用評價一致性方法進行檢驗，檢驗評估方法的合理性。

5.1 確定評估指標

依據(jù)前面的評估指標體系，構(gòu)建某型艦船內(nèi)部兼容性評估指標如圖3所示。

圖3 內(nèi)部電磁兼容性評估指標圖Fig.3 Evaluating target chart of internal electromagnetic compatibility

5.2 評估矩陣的建立

為評估電磁兼容性能，以圖3 為例，選取互調(diào)干擾、內(nèi)部電磁環(huán)境、天線要求、分系統(tǒng)和設備電磁干擾、電網(wǎng)特性、電搭接及頻譜兼容性7 個指標為評估的依據(jù)，并分別用I1，I2，I3，I4，I5，I6及I7來代表。并求出7 種指標對內(nèi)部電磁兼容性的相對重要性。

通過評定結(jié)果如下:互調(diào)干擾與內(nèi)部電磁環(huán)境相比后者更重要一些，分數(shù)比值為1:6;互調(diào)干擾與天線要求相比后者為略重要，分數(shù)比值為1:3;互調(diào)干擾與分系統(tǒng)和設備電磁干擾相比稍微略重要一些，分數(shù)比值為1:2;互調(diào)干擾與電網(wǎng)特性相比略重要一些，比值取為3:1;互調(diào)干擾與電搭接相比稍微略重要一些，比值取為2:1;互調(diào)干擾與頻譜兼容性相比，后者較重要一些，分數(shù)比值取為3:1。構(gòu)建判斷矩陣如表1所示。

表1 判斷矩陣Tab.1 Estimating matrix

5.3 評估矩陣的計算

m 階方陣的解算步驟如下:

1)先求解矩陣各行的1/7 次方數(shù)值wi

w1=(1×1/3×1/3×1/2×2×2×3)1/7=0.943;

w2=(3×1×3×4×6×4×2)1/7=2.910;

w3=(3×1/3×1×2×4×3×1/2)1/7=1.43;

w4=(2×1/4×1/2×1×3×2×1/2)1/7=0.96;

w5=(1/2×1/6×1/4×1/3×1×1/2×1/3)1/7=0.380;

w6=(1/2×1/4×1/3×1/2×2×1×1/4)1/7=0.521;

w7=(1/3×1/2×2×2×3×4×1)1/7=1.345。

2)求上述計算結(jié)果之和∑wi

w總=w1+w2+w3+w4+w5+w6+w7=8.489。

3)各參數(shù)的重要性(或加權(quán)系數(shù))

互調(diào)干擾:

內(nèi)部電磁環(huán)境:

天線要求:

分系統(tǒng)和設備電磁干擾:

電網(wǎng)特性:

電搭接:

頻譜兼容性:

5.4 一致性檢驗

由于評估打分的客觀性，需對計算結(jié)果進行一致性檢驗，步驟如下:

1)求出原矩陣與重要性分配值的乘積

結(jié)果:

X1=0.911;X2=2.55;X3=1.225;X4=0.8;X5=0.29;X6=0.39;X7=1.03。

2)求矩陣的最大特征根kmax

3)決定平均隨機一致性指標(RI)。該指標與矩陣階數(shù)，即參數(shù)量M 直接有關(guān)。由于上述評估方案m=7，所以RI=1.32。

4)求隨機一致性CR。如果CR ＜0.1 表示判斷矩陣有比較滿意的一致性。CR 的計算為:

CR=CI/RI=［(kmax－m)/(m－1)］/RI=0.1。CR 計算結(jié)果表明有較好的一致性結(jié)果。

通過將底層的各參數(shù)權(quán)重逐一乘上與其有關(guān)的上一層因素的權(quán)重，可計算出各參數(shù)對再上一層目標的優(yōu)劣順序，即權(quán)重系數(shù)(見表2)。

表2 各指標的權(quán)重Tab.2 The weight of targets

5.5 確定指標大小

1)指標值規(guī)范化

在艦船電磁兼容性評估中，有定量指標，也有定性指標，應將艦船電磁兼容性指標進行合理的取值。定量指標的值一般由實際測量得到，在難以測量時，也可用仿真和計算來得到。為了能夠?qū)υu估對象進行多指標的綜合評估，要將各種指標值規(guī)范化，把不能相加或相乘的指標值轉(zhuǎn)化成可以匯總相加或相乘的綜合指標值。定性指標值可以通過專家、相關(guān)人員定性評判然后量化的方法獲得，定量指標值可以通過實船測量、試驗統(tǒng)計、報告分析等方法得到。

2)定性指標值的量化

在艦船電磁兼容性評估指標體系中，有些指標很難直接進行定量描述，可通過“優(yōu)、良、差”等值進行定性的判斷。定性的描述沒法利用數(shù)學這一定量計算的工具進行處理，因此需要一個定性指標量化的過程。進行辨別時，使用5 ～9 個量化級別。把定性評判的語言值通過一個量化標尺直接映射為定量的值。使用0.1 ～0.9 之間的數(shù)作為量化分數(shù)，極端值0和1 通常不用。

為了避免僅以隸屬度0 或1 來選擇某一評判等級，可以利用模糊統(tǒng)計的方法確定定性指標對評判等級的隸屬度向量，把歸一化的隸屬度向量和每一評判等級所對應的量化值進行加權(quán)就可以得到定性指標的量化值?；静襟E如下:

1)確定評判等級V={V1，V2，…，Vm};

2)組織多個專家對系統(tǒng)指標進行評判，假設專家對評判等級的評判頻數(shù)為U={U1，U2，…，Um}，則U 就是系統(tǒng)指標對評判等級V 的隸屬度向量。

把每一評判等級的量化值與歸一化的隸屬度向量進行加權(quán)。

5.6 指標值確定

對該船內(nèi)部兼容性各個評估指標的實際指標進行測量，并代入各個指標大小的計算公式。下面探討將各個指標進行合理的分值量化，力求準確定量地給出內(nèi)部電磁環(huán)境各指標的分值。并以內(nèi)部電磁環(huán)境中甲板下磁通密度為例來說明，各個指標分值大小的確定方法。

有磁場敏感度要求的設備，其安裝位置處的磁通密度應滿足下列要求:直流磁場的磁通密度不大于0.5 mT;交流磁場的磁通密度不大于0.1 mT。

直流磁通密度不大于0.5 mT，指標大小取值10;交流磁場的磁通密度不大于0.1 mT，指標大小取值10。大于上述值時指標大小按線性規(guī)律計算，計算公式如下:

式中:φZ和φJ分別為直流磁通密度和交流磁通密度指標大小;φi為實測直流磁通密度或交流磁通密度大小;φ標為標準規(guī)定的直流或交流磁通密度值，對于直流磁通密度為0.5 mT，交流磁通密度為0.1 mT。

5.7 評估結(jié)果

依據(jù)提出的方法，將指標大小與相應的權(quán)重進行計算，得到該船內(nèi)部兼容性評估結(jié)果十分制得分為:

φ=9×0.111+7×0.342+10×0.168+6×0.113+7×0.044+10×0.061+5×0.158=7.46。

依據(jù)評估方法計算結(jié)果表明該船內(nèi)部電磁兼容性良好。

6 結(jié) 語

在研究國外水面艦船電磁兼容性相關(guān)評估指標的基礎(chǔ)上，吸取國內(nèi)艦船電磁兼容技術(shù)研究成果及型號工程研制的經(jīng)驗，針對我國水面艦船電磁兼容的特點，確定評估指標體系建立原則及方法。在層次分析法、目標分解法的基礎(chǔ)上，提出了指標體系綜合構(gòu)建法，并應用于水面艦船電磁兼容性評估指標體系構(gòu)建，首次提出包含五大類19 項指標的水面艦船電磁兼容性評估指標體系，并結(jié)合電磁兼容性發(fā)展現(xiàn)狀，運用比較分析法開展對指標的分析，對指標進行分析確定，并對體系進行優(yōu)化。結(jié)合多種評估方法的特點和適用范圍分析，進行水面艦船電磁兼容性評估方法的研究，提出并運用多層次加權(quán)求和綜合方法對水面艦船電磁兼容性進行計算和一致性驗證，對水面艦船的電磁兼容性狀態(tài)進行量化評估，為準確掌握水面艦船電磁兼容性狀態(tài)提供技術(shù)支持。

［1］MIL- STD-464C，Electromagnetic environmental effects requirements for systems［S］.

［2］MIL-HDBK-237D，Electromagnetic environmental effects and spectrum supportability guidance for the acquisition process［S］.

［3］GJB1389A-2005，系統(tǒng)電磁兼容性要求(Electromagnetic compatibility requirements for systems)［S］.

［4］張勇，湯仕平，龔亞樵.艦船電磁兼容性標準體系的構(gòu)建［J］.艦船科學技術(shù)，2011，33(3):95-97.

ZHANG Yong，TANG Shi-ping，GONG Ya-jiao，Research on designing sustem of EMC standard for naval ship［J］.Ship Science and Technology，2011，33(3):95-97.

［5］NAVSEA instruction 2450.2 OPR 06K2 Electromagnetic Compatibility［S］.

［6］張勇，施佳林.美國海軍艦船電磁兼容性標準分析及其啟示［J］.論證與研究，2011(6):50-52.