蘭小平,鄧偉倩*,盧大斌,李鳳霞,劉照茜
(1.中國兵器工業(yè)信息中心,北京 100089;2.瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點實驗室,北京 101200;3.哈爾濱龍江特種裝備有限公司,哈爾濱 150050)
自動步槍隨著新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝、新技術(shù)的發(fā)展而大量運用,向小口徑化、輕量化、通用化、槍族化、高精度化的方向發(fā)展,其戰(zhàn)斗力和系統(tǒng)效能更是產(chǎn)生了極大的飛躍[1]。針對自動步槍研究與創(chuàng)新系統(tǒng)效能評估方法,對于分析研究我軍和外軍的自動步槍的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能和系統(tǒng)效能,了解和掌握我軍自動步槍在世界上的技術(shù)先進性和所處的位置,清晰定位發(fā)展水平、頂層規(guī)劃路線,明確發(fā)展方向與重點等基礎(chǔ)工作,具有非常重要的理論意義和實際應用價值。
自動步槍系統(tǒng)效能是全面評估自動步槍優(yōu)劣最主要、最有效的手段,為論證設(shè)計、作戰(zhàn)運用、軍事部署提供依據(jù),是自動步槍在作戰(zhàn)對抗過程和作戰(zhàn)結(jié)果中判定作用的主要方法,對于全面搞好裝備建設(shè)和裝備論證具有十分重要的意義[2]。
對于評估指標體系,自動步槍系統(tǒng)效能評估指標體系是由一系列評估指標構(gòu)成。唐世慶、柯鏵等建立的指標體系主要考慮了機動性和火力性能指標[1-2];張靜等考慮了火力、機動、人機功效指標等[3];AYDOGAN 等主要考慮了命中概率、最大射程和戰(zhàn)斗射速等因素建立指標體系[4]。這些文獻建立的步槍指標體系只是側(cè)重火力性能和機動性指標或者指標細化不夠、體系不完備,不能對自動步槍的系統(tǒng)效能作出全面綜合的評估。
在自動步槍系統(tǒng)效能評估方法上,OKUL 等針對系統(tǒng)效能信息的不完備性,提出組合隨機多屬性效度分析和理想解排序的機槍動態(tài)效能評估方法[5]。王軍鵬對步兵班組武器、編配、人員綜合建立評估指標體系后,建立指數(shù)模型評估不同班組的作戰(zhàn)效能[6];張宇等針對地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng),以能力構(gòu)想為核心,基于感知、決策、行動作戰(zhàn)環(huán)路建立評估指標體系,基于作戰(zhàn)試驗獲取數(shù)據(jù),多維對比分析作戰(zhàn)效能[7];章勇等基于視景仿真對抗,建立數(shù)值仿真模型,評估槍械的作戰(zhàn)效能[8]。這些方法主要采用某一種方法進行作戰(zhàn)效能評估,存在著片面性和不合理性,而且數(shù)據(jù)來源是仿真數(shù)據(jù),對于系統(tǒng)效能評估并不適合。
針對自動步槍的系統(tǒng)效能大多注重單項性能指標的提升,尤其是直射距離、命中率、毀傷能力等火力性能指標,在作戰(zhàn)使用中暴露出來的可靠性不高、作戰(zhàn)環(huán)境適應性不強等問題比較突出,缺少從系統(tǒng)角度多種綜合作用下的系統(tǒng)效能評估。為解決上述問題,本文提出一種自動步槍系統(tǒng)效能評估框架,從評估指標體系、評估模型和評估結(jié)果等方面,從整個系統(tǒng)上提升其綜合作戰(zhàn)能力,采用多種評估模型,綜合提高評估的科學性、合理性,正確分析和評估自動步槍能力存在的薄弱環(huán)節(jié),為自動步槍武器裝備建設(shè)的發(fā)展目標和發(fā)展方向提供定量的數(shù)據(jù)支持。
自動步槍是指首發(fā)后靠火藥氣體壓力及彈簧的作用力完成推彈、閉鎖、擊發(fā)、退殼和供彈等一系列動作的連發(fā)步槍。
系統(tǒng)效能又稱綜合效能,指武器系統(tǒng)在一組特定任務(wù)要求的能力(度量);或者說是系統(tǒng)在規(guī)定條件下達到規(guī)定使用目標的能力?!耙?guī)定條件”指的是環(huán)境條件、時間、人員、使用方法等因素;“規(guī)定使用目標”指的是所要達到的目的;“能力”則是指達到目標的定量或定性程度[9]。
自動步槍系統(tǒng)效能評估是自動步槍在規(guī)定條件下完成特定任務(wù)的能力進行度量的過程。針對自動步槍全武器系統(tǒng)進行評估,反映的是整個自動步槍系統(tǒng)的效能,具有很強的實用價值,它分析因素全面,是系統(tǒng)地分析武器裝備完成任務(wù)的有力工具,自動步槍系統(tǒng)效能的這種“本領(lǐng)”,既取決于武器裝備本身的性能,又取決于武器裝備系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。
自動步槍系統(tǒng)效能評估框架如下頁圖1 所示,該框架分為4 部分:軍事需求分析、系統(tǒng)效能評估指標體系、評估模型、評估結(jié)果的綜合。評估的主要流程是在分析自動步槍的典型作戰(zhàn)和環(huán)境(山地和城市),總結(jié)其使用特點和環(huán)境要求的基礎(chǔ)上,構(gòu)建基于自動步槍戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能數(shù)據(jù)的系統(tǒng)效能評估指標體系,深入剖析自動步槍的性能數(shù)據(jù)和評估指標的關(guān)聯(lián)關(guān)系,確定各單項評估指標的聚合模型,根據(jù)需要選擇多種評估算法進行評估,將多個評估結(jié)果進行分析,再將評估結(jié)果進行組合,得到最終的評估結(jié)果。
圖1 自動步槍系統(tǒng)效能評估框架Fig.1 System effectiveness evaluation framework of automatic rifles
自動步槍系統(tǒng)效能的發(fā)揮與作戰(zhàn)樣式聯(lián)系緊密,其作戰(zhàn)的地形特征、自然環(huán)境與氣候特點都極大地限制或影響著自動步槍系統(tǒng)效能的發(fā)揮,其中,自動步槍使用最為典型的作戰(zhàn)樣式是山地作戰(zhàn)和城市作戰(zhàn),因此,自動步槍系統(tǒng)效能評估分析山地作戰(zhàn)和城市作戰(zhàn)對自動步槍的各種要求,匯總到自動步槍的系統(tǒng)效能評估中。
山地作戰(zhàn)對自動步槍最基本的要求就是能適應山地惡劣的自然環(huán)境,在作戰(zhàn)使用過程中可靠性高,易于日常維護[10]。
根據(jù)山地自然環(huán)境的特點以及作戰(zhàn)使用的方便性等因素,對自動步槍要求具有較高的首發(fā)命中率、較強的持續(xù)火力、操作簡便、便于偽裝、方便安裝觀瞄設(shè)備,以及高可靠性,維修保養(yǎng)簡單。山地作戰(zhàn)運動海拔差異大,要求自動步槍不能太重,外形尺寸不能太長,不僅要方便人員攜行,也要便于車輛運輸和補給。在高海拔地區(qū),士兵負荷越輕越好,自動步槍必須輕量化、精確化,以適應未來山地作戰(zhàn)的特點,減少山地對自動步槍的影響。
城市作戰(zhàn)是未來信息化作戰(zhàn)樣式中的非常重要的一種形式,它將在錯綜復雜、緊張激烈的戰(zhàn)場環(huán)境中展開,其城市建筑密集、街區(qū)復雜、地下設(shè)施完善,利于隱蔽,地形變化速度大。
城市作戰(zhàn)對自動步槍要求最好槍身短、重量輕、威力大,功能集成,武器模塊化、通用性強。作戰(zhàn)人員在巷戰(zhàn)中,甚至小房間、船艙、城市下水通道時,能夠迅速發(fā)揚火力,消滅敵人。還具有全天候作戰(zhàn)能力,瞄準裝置的體積和質(zhì)量更小。需要靈活便攜,射出的槍彈不反跳,實現(xiàn)拐彎瞄準和射擊等。
評估指標體系是對一系列評估指標要素,按照一定的結(jié)構(gòu)層次關(guān)系進行組合排列的有機的整體[11]。科學合理的系統(tǒng)效能評估指標體系是自動步槍整體綜合性能和作戰(zhàn)效能的集中體現(xiàn),是系統(tǒng)效能評估研究工作中最關(guān)鍵、最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。
根據(jù)自動步槍的作戰(zhàn)任務(wù)和作戰(zhàn)需求,結(jié)合作戰(zhàn)樣式分析以及對自動步槍的影響,基于自動步槍的戰(zhàn)技指標和性能參數(shù),建立自動步槍的系統(tǒng)效能評估指標體系,如圖2 所示,歸納為:機動能力、火力打擊能力、適應能力、生存能力、可靠性和壽命6個方面。
圖2 自動步槍系統(tǒng)效能評估指標體系Fig.2 Evaluation indicator system of automatic rifle system effectiveness
信息化作戰(zhàn)對單兵的集結(jié)、開進、展開、轉(zhuǎn)移提出了更高的要求,要求自動步槍輕便利于機動。自動步槍的機動性由自動步槍本身的長度、重量、人機工程特點、攜彈量、攜彈方式等因素共同決定??紤]到影響系統(tǒng)效能機動能力的重要性和指標數(shù)量,選取了全槍重、全槍長和攜彈量3 個指標。
自動步槍的火力打擊主要體現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)目標、命中目標和毀傷目標3 個方面?;鹆Υ驌趔w現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)目標的能力,發(fā)現(xiàn)后射擊才能命中目標,命中目標是射擊目標的結(jié)果,毀傷是命中效果的具體體現(xiàn)[12]。
發(fā)現(xiàn)目標能力選取晝間觀瞄放大倍數(shù)和夜視觀瞄放大倍數(shù)兩個指標評估。
命中目標能力主要考慮自動步槍的有效射程、戰(zhàn)斗射速、單發(fā)射擊精度、點射射擊精度共4個指標。
毀傷能力主要從彈頭的動能判斷毀傷能力的大小,主要由子彈的質(zhì)量、速度和射彈數(shù)量決定,依據(jù)系統(tǒng)效能評估的需要和評估的方便性選取身管口徑、射彈初速和彈夾容量作為評估指標。
適應能力是指自動步槍在作戰(zhàn)使用中對環(huán)境、人員、戰(zhàn)術(shù)、勤務(wù)、維修、保障等方面的適應能力。主要考慮人員適應性、環(huán)境適應性和戰(zhàn)術(shù)適應性3 個評估指標,可由專家給出等級評價。
生存能力指自動步槍在敵我對抗打擊下的生存情況。根據(jù)自動步槍的特點選擇膛口噪聲、膛口煙火兩個指標衡量。
自動步槍的可靠性主要描述在執(zhí)行任務(wù)過程中可靠工作能力的大小。自動步槍構(gòu)成相對簡單,其可靠性一般由故障率給出[13]。
自動步槍的壽命一般采用設(shè)計壽命指標衡量,一般為10 000~15 000 發(fā)。
自動步槍的評估模型是在建立評估指標體系的基礎(chǔ)上,根據(jù)評估指標數(shù)據(jù)采用一定的算法得到一維的評估結(jié)果。評估模型主要包含兩個方面:武器性能數(shù)據(jù)聚合為單項評估指標的聚合模型和基于各單項評估指標評估出系統(tǒng)效能的評估算法模型。
單項指標聚合模型主要是針對自動步槍的武器性能數(shù)據(jù),逐一落實評估指標數(shù)據(jù)的來源,明確處理方法和計算模式,同時落實由定性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為定量數(shù)據(jù)的方法[14]。在進行單項評估指標聚合時根據(jù)下層指標和上層指標的關(guān)系,采用“并”“與”“混”3 種方式進行聚合。
1)并聚合:也就是加權(quán)和,下層指標以不同的權(quán)重聚合到上層評估指標,任一指標相互獨立、并列存在,任一指標都是對上層指標的體現(xiàn),此時指標聚合關(guān)系記為“并聚合”,以⊕表示。例如,機動能力是由全槍重、全槍長和攜彈量3 個指標以“并”關(guān)系聚合。
2)與聚合:也就是加權(quán)積(冪函數(shù)法)。對于上層評估指標而言,雖然每個下層評估指標的權(quán)重不同,但都不可或缺,只要任意一個下層評估指標為0,都會導致上層系統(tǒng)效能評估指標為0,此種上下層指標的聚合關(guān)系稱為“與聚合”,以?表示。例如,火力打擊能力由發(fā)現(xiàn)目標、命中目標和毀傷目標以“與”關(guān)系聚合。
3)混聚合:此種指標聚合關(guān)系是“并聚合”、“與聚合”的混合,即一些指標為“并聚合”,另外一些指標“與聚合”。
自動步槍系統(tǒng)效能評估的單項指標聚合模型主要區(qū)分為機動能力聚合模型、火力打擊能力聚合模型、適應能力聚合模型、生存能力聚合模型、可靠性聚合模型、壽命聚合模型。
1)機動能力聚合模型
影響自動步槍機動能力的主要有全槍重、全槍長和攜彈量等因素,3 個因素沒有相互影響關(guān)系,因此,采用“并聚合”(加權(quán)和)方式建立自動步槍機動能力聚合模型,機動能力=全槍重⊕全槍長⊕攜彈量。
式中,N 為自動步槍的機動能力;G 為全槍重;L 為全槍長;Y 為攜彈量;G0、L0、Y0分別為參考型號自動步槍的指標;Gi、Li、Yi分別為某型步槍的各指標;ωg、ω1、ωy分別為全槍重、全槍長和攜彈量對于機動能力所占權(quán)值,可以由層次分析法確定。
2)火力打擊能力聚合模型
火力打擊能力= 發(fā)現(xiàn)目標能力?命中目標能力?毀傷目標能力=(晝間觀瞄放大倍數(shù)⊕夜視觀瞄放大倍數(shù))?(有效射程⊕戰(zhàn)斗射速⊕單發(fā)射擊精度⊕點射射擊精度)?(身管口徑⊕射彈初速⊕彈夾容量)。
3)適應能力聚合模型
適應能力=人員適應性⊕環(huán)境適應性⊕戰(zhàn)術(shù)適應性。
4)生存能力聚合模型
生存能力=膛口噪聲⊕膛口煙火。
5)可靠性聚合模型
可靠性=故障率。
6)壽命聚合模型
壽命=設(shè)計壽命。
根據(jù)自動步槍系統(tǒng)效能評估實際需求和特點,一級指標相互之間沒有相互聯(lián)系的物理關(guān)系,采用簡單的聚合算法會對評估結(jié)果產(chǎn)生影響,因此,期望篩選多種評估算法模型,相互彌補缺點、突顯優(yōu)點,實現(xiàn)優(yōu)勢互補,得到比較合理的評估結(jié)果。
采用的評估算法模型主要有:加權(quán)和法、加權(quán)積法、理想點法、模糊綜合評判法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、雷達圖法等[15-18]。
1)加權(quán)和法是一種最常被采用簡單易用,最易被理解的方法,適合各評估指標相互獨立,指標間完全可以互補償。
2)加權(quán)積適用各指標間有較強關(guān)聯(lián),符合“木桶原理”。
3)理想點法符合通常人們認識事物的方法,簡單實用,客觀性較好,適合于評估主體對評估指標沒有明顯偏好的體系。
4)模糊綜合評判法較好地解決了判斷的模糊性和不確定性問題,數(shù)學模型簡單,容易掌握,對因素、多層次的復雜問題評判比較好,但它并不能解決評估指標間相關(guān)造成的評估信息重復問題,其評估過程大量運用了人的主觀判斷。
5)灰色關(guān)聯(lián)分析法可以較好地解決評估指標難以準確量化和統(tǒng)計的問題,排除了人為因素帶來的影響,數(shù)據(jù)不必歸一化處理,可用原始數(shù)據(jù)進行直接計算,可靠性強,只要有代表性的少量樣本即可。
6)雷達圖法將多維空間點映射到二維空間,可以給出評價結(jié)論的直觀表達、易于操作,綜合了整體性和各指標均衡性。
針對需要評估的自動步槍型號種類、評估任務(wù)的需要、評估數(shù)據(jù)的數(shù)量等選擇幾種評估方法對評估對象進行評估,并得到多個評估結(jié)果。
評估結(jié)果的綜合是將得到的多個評估結(jié)果進行綜合從而得到一個評估結(jié)果的過程。首先對評估結(jié)果進行檢驗分析,其評估結(jié)果之間能夠相互印證,它們具有相容性和一致性,對它們的組合才是有效的。其次是將相容性一致的評估結(jié)果,通過適當?shù)姆椒ńM合成單一評估結(jié)果,作為最終的評估結(jié)果。評估結(jié)果的綜合比單一評估方法得到的評估結(jié)果更合理、更科學,因為它克服了單一評估方法的缺陷,同時吸收了多種評估方法的優(yōu)點,對被評對象作了更為全面、合理的評估,同時評估結(jié)果的排序結(jié)果更加趨于穩(wěn)定、一致,顯示出較強的合理性。
評估結(jié)果綜合的過程包括評估結(jié)果分析、評估結(jié)果組合兩個主要過程。
評估結(jié)果分析主要是對評估結(jié)果是否具有相容性和一致性進行分析,其基本思路是“少數(shù)服從多數(shù)”,也就是評估結(jié)果集有多數(shù)結(jié)果比較一致,少數(shù)結(jié)果不一致,組合時將一致的多個評估結(jié)果進行組合。評估結(jié)果分析主要采用肯德爾和諧系數(shù)法分析。
肯德爾和諧系數(shù)法就是按照被評估對象的評估結(jié)果所獲得的等級以及等級之間的差異,來衡量評估方法的評估結(jié)果的一致性[17]。如果多個評估結(jié)果計算的肯德爾和諧系數(shù)大,則表明多個評估方法的評估結(jié)果較一致;相反,肯德爾和諧系數(shù)小,則評估方法之間一致性較差,分歧較大,其準確性自然很低。
肯德爾和諧系數(shù)的計算公式:
肯德爾和諧系數(shù)的計算結(jié)果在(0,1)之間。從系統(tǒng)效能評估結(jié)果的準確性角度看,希望各種評估方法的結(jié)果最好趨于一致。而檢驗結(jié)果的一致性,則借助肯德爾和諧系數(shù)顯著性檢驗的臨界值來確定。
肯德爾和諧系數(shù)w 的顯著性檢驗步驟如下:
1)建立假設(shè)
H0:k 個變量不一致(w=0);
H1:k 個變量一致(w>0)。
2)確定檢驗統(tǒng)計量
當b≤7 時,檢驗統(tǒng)計量為
當b>7 時,檢驗統(tǒng)計量為
3)在α 顯著水平下進行統(tǒng)計決策
當b≤7 時,可以通過查詢肯德爾和諧系數(shù)臨界表的s*值,如果S≥s*,則拒絕H0;反之,則接受H0。
評估結(jié)果的組合是指將各種不同評估方法得到的評估結(jié)果,按照一定的方法或原則組合形成新的結(jié)果的過程。自動步槍系統(tǒng)效能評估結(jié)果的組合采用基于整體差異的評估結(jié)果組合方法,實例證明該方法組合結(jié)果精確、過程簡潔透明、易于實現(xiàn)[18]。
yij為第i 種評估方案在第j 種評估算法下的評估值,其中,i=1,2,…,k,j=1,2,…,b。
式中,xij為第i(i=1,2,…,k)個評估方案在第j(j=1,2,…,b)種評估方法下的評估值。
對于變量Z 的樣本方差為
計算各方案的組合評估值,并按組合評估值大小進行排序。
自動步槍評估指標體系是綜合集成山地和城市兩種典型環(huán)境下系統(tǒng)效能的構(gòu)成要素和特點建立的,因此,評估山地或城市作戰(zhàn)環(huán)境下的系統(tǒng)效能,可以根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境和評估指標的關(guān)系,采用層次分析法確定指標的權(quán)重,也就是說將作戰(zhàn)環(huán)境的影響反映在權(quán)重里,兩種環(huán)境下的評估過程相似,限于篇幅,僅就山地作戰(zhàn)環(huán)境下的自動步槍系統(tǒng)效能評估進行實例分析。
采用自動步槍系統(tǒng)效能評估框架,對于4 種典型國內(nèi)外自動步槍進行山地作戰(zhàn)環(huán)境下的系統(tǒng)效能評估,依據(jù)評估指標體系得到如下頁表1 所示的參數(shù)表。
表1 4 種自動步槍評估指標參數(shù)Table 1 Four kinds of evaluation indicator parameters of automatic rifles
4 種自動步槍系統(tǒng)效能評估的過程如下:
1)評估指標的數(shù)據(jù)處理
主要是對定性指標定量化,設(shè)定標準數(shù)據(jù),進行規(guī)范化處理形成規(guī)范化矩陣數(shù)據(jù)Y。
2)采用評估指標聚合算法模型
得到4 種自動步槍一級指標評估結(jié)果如表2所示。
表2 自動步槍系統(tǒng)效能一級指標評估結(jié)果Table 2 First-class indicator evaluation results of automatic rifle system effectiveness
3)采用評估算法模型
根據(jù)評估對象為4 個以及評估指標體系的各個指標關(guān)聯(lián)性不強,定量數(shù)據(jù)較多,故選用加權(quán)和法、理想點法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、雷達圖法等4 種評估算法進行自動步槍效能評估,結(jié)果如表3 所示,不難看到,采用的4 種評估算法得到的系統(tǒng)效能評估結(jié)果是不完全相同的,分析其原因,模型原理側(cè)重點不同,算法操作選取的方向各異,所以4 種算法系統(tǒng)效能的評估結(jié)果也不相同。
表3 自動步槍系統(tǒng)效能評估結(jié)果Table 3 Evaluation results of automatic rifle system effectiveness
4)評估結(jié)果的綜合
由公式計算出評估結(jié)果的肯德爾和諧系數(shù)為0.90,則4 種評估算法的評估結(jié)果集的一致性較好,滿足組合的條件。采用基于整體差異的評估結(jié)果組合方法進行組合得到4 種自動步槍(美M16A2、俄AK74、中××式、奧AUG)的評估結(jié)果為(0.83、0.68、0.82、0.76)。
通過對4 種自動步槍的評估結(jié)果分析綜合,得到評估結(jié)果可以看到,優(yōu)劣順序為:M16A2>中××式>奧AUG>俄AK74。從優(yōu)劣順序上看,與灰色關(guān)聯(lián)分析法完全一致;加權(quán)和法的M16A2 和中××式的評估結(jié)果完全相等;理想點法的M16A2、中××式的評估結(jié)果幾乎相等,而優(yōu)劣順序與綜合結(jié)果不同;雷達圖的M16A2、中××式和奧AUG 的評估結(jié)果幾乎相等。綜合后的結(jié)果兼容了4 種評估結(jié)果,相對而言更加合理。從軍事角度分析俄AK74 自動步槍主要是研制時間早,火力打擊能力較弱,精度較差,沒有配備觀瞄儀器,但可靠性好。從一級指標可以看出,俄AK74 貫徹了俄式輕武器強調(diào)可靠、簡單、實用,美M16A2 強調(diào)武器的精度和功能的擴展性,可靠性放到次要位置。而中××式是自動步槍融合了美俄的長處,因此,系統(tǒng)效能優(yōu)秀。奧AUG自動步槍也是處于美俄之間。可見綜合評估結(jié)果與自動步槍的性能對比分析結(jié)果比較一致。
自動步槍系統(tǒng)效能評估框架,主要對于多型自動步槍的系統(tǒng)效能評估給出了可行性的思路和方法指引,從軍事需求、評估指標體系、指標聚合、評估算法、評估結(jié)果的綜合等方面,給出了具體的方法,具有直觀、簡明、可靠等特點,對于指導自動步槍系統(tǒng)效能研究提供理論指導和實用參考。
今后在對自動步槍進行系統(tǒng)效能評估時,要根據(jù)自動步槍的使用環(huán)境和面臨的作戰(zhàn)使用問題,依據(jù)評估方法的特點而選取評估模型進行評估,尤其需要增加元評估研究,提高評估的信度和效度。