蔡忠義，金建剛，周彥卿，周立坤

（1.空軍工程大學(xué)裝備管理與無人機工程學(xué)院，西安 710051；2.空軍工程大學(xué)研究生院，西安 710051；3.解放軍95910部隊，甘肅 酒泉 735018）

0 引言

作戰(zhàn)試驗是指在近似實戰(zhàn)環(huán)境和對抗條件下，對裝備完成作戰(zhàn)使命任務(wù)的作戰(zhàn)效能和適用性等進行考核與評估的裝備試驗活動［1］。其中，作戰(zhàn)適用性是指裝備作戰(zhàn)使用的滿意程度，是影響裝備作戰(zhàn)效能發(fā)揮的重要因素，主要由裝備的戰(zhàn)備完好性、任務(wù)成功性和服役期限等體現(xiàn)。作戰(zhàn)適用性與可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性、運輸性、標準化、適配性、人機工效、兼容性，以及戰(zhàn)時使用率、訓(xùn)練要求、綜合保障要素、文件記錄要求等因素有關(guān)［2］。

美國空軍對于作戰(zhàn)適用性的研究開始于20 世紀80 年代，在1995 年頒布了《作戰(zhàn)適用性試驗與評價（99-104）》手冊，用于指導(dǎo)空軍進行作戰(zhàn)適用性試驗與評價工作，后續(xù)還進行了內(nèi)容更新。我國裝備作戰(zhàn)適用性試驗起步相對較晚，曾天翔等較早研究了軍用飛機作戰(zhàn)適用性技術(shù)發(fā)展趨勢［3］；國防科技大學(xué)武小悅教授系統(tǒng)闡述了裝備試驗與評價的理論、方法體系［4］。

對于作戰(zhàn)適用性評估的研究，主要集中在作戰(zhàn)適用性評估指標體系構(gòu)建、指標賦權(quán)和評估方法的選取［5-6］。孫庶琿等從可用性、可靠性、維修性、保障性、安全性、測試性等方面，建立了18 個分項指標，但指標信息完全依賴于專家判斷，并沒有利用裝備實際使用保障數(shù)據(jù)，過于主觀［7］；張宇等將作戰(zhàn)適用性評估問題單純看作是一個多屬性群決策問題，采用直覺模糊決策方法來開展裝備作戰(zhàn)適用性評估，但忽略了裝備作戰(zhàn)試驗過程中產(chǎn)生的大量有用試驗數(shù)據(jù)，與裝備作戰(zhàn)試驗的實際目的不一致［8］；李皆喬等采用博弈論綜合賦權(quán)方法來確定指標權(quán)重，對于提高指標賦權(quán)的可信性有一定幫助［9］。

針對現(xiàn)有研究的不足，結(jié)合當前我軍作戰(zhàn)試驗的做法和經(jīng)驗，采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與綜合評價相結(jié)合的方法，提出了一種基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)和專家判斷的新機作戰(zhàn)適用性評估方法。

1 新機作戰(zhàn)適用性評估指標體系

通過分析影響飛機作戰(zhàn)適用性的相關(guān)因素，識別出影響飛機作戰(zhàn)適用性的關(guān)鍵指標；結(jié)合飛機型號研制總要求、作戰(zhàn)試驗方案，區(qū)分為裝備系統(tǒng)作戰(zhàn)適應(yīng)性和單裝作戰(zhàn)適用性，進一步細分，前者包括部署能力、出動能力、戰(zhàn)備能力、訓(xùn)練能力；后者包括可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容性、人機功效。具體指標體系如圖1所示，各指標量化方法及分項指標如表1所示。

表1 新機作戰(zhàn)適用性評估指標量化方法Table 1 The quantitative method for evaluating indexes of newaircraft operational applicability

圖1 新機作戰(zhàn)適用性評估指標體系Fig.1 Evaluation index system of new aircraft operational applicability

2 新機作戰(zhàn)適用性評估指標權(quán)重確定

目前，在多指標賦權(quán)問題中廣泛采用專家群賦權(quán)方法，來提高賦權(quán)的科學(xué)性和準確性。

首先，邀請多位專家組成專家群對多個待賦權(quán)指標按照一定的評分標準進行打分，給出評分判斷矩陣，計算出各專家的排序向量（即各專家對于待賦權(quán)指標的賦權(quán)結(jié)果）。然后，運用灰色聚類分析理論，將各專家的排序向量轉(zhuǎn)變?yōu)閷＜胰夯疑P(guān)聯(lián)矩陣，從而對專家進行聚類，將意見相近的專家聚為同一類；依據(jù)類容量（類中專家人數(shù)多少）來計算出專家所在類的類間權(quán)重。然后，依據(jù)專家的排序向量，運用熵權(quán)原理，計算出每個專家的熵權(quán)，即為專家的類內(nèi)權(quán)重，則專家的最終權(quán)重就等于類間權(quán)重與類內(nèi)權(quán)重的乘積。最后，將各專家的權(quán)重與其對應(yīng)的排序向量進行綜合集結(jié)，從而確定待評估指標的最終權(quán)重結(jié)果。這樣使得專家群中灰色關(guān)聯(lián)度較高，共識一致，數(shù)目較多的類別間獲得較大的權(quán)重；在同一類中的專家，邏輯合理，評價清晰，不確定性小的專家獲得較大的權(quán)重。指標賦權(quán)流程如圖2所示。基于熵權(quán)和灰色聚類的指標賦權(quán)具體方法詳見文獻［10］。

圖2 指標賦權(quán)流程Fig.2 The process of index weighting

3 新機作戰(zhàn)適用性評估指標計算

3.1 定性指標綜合評價

基于飛機在執(zhí)行任務(wù)過程中記錄的各類問題、故障等數(shù)據(jù)和飛行員、維修人員評述，采用專家綜合評判、問卷調(diào)查、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等方法，定性評估表1中定性指標實現(xiàn)情況。

3.2 定量指標統(tǒng)計計算

1）再次出動準備時間

主要是結(jié)合用戶單位承擔(dān)的戰(zhàn)訓(xùn)任務(wù)，統(tǒng)計典型任務(wù)場景下不同外掛構(gòu)型（掛載方案）、構(gòu)型轉(zhuǎn)換以及戰(zhàn)時保障條件下，編隊出動時再次出動準備時間數(shù)據(jù)，以反映出新機作戰(zhàn)出動能力。

2）出動架次率

主要是度量飛機在規(guī)定的使用及維修保障條件下，每架飛機每天能夠出動的次數(shù)，也稱單機出動率或戰(zhàn)斗出動強度，其計算公式為：

式中，TFL表示飛機每個日歷時間的小時數(shù)，一般取24 h；TDU為飛機平均每次任務(wù)時間；TGM為飛機平均每次任務(wù)地面滑行時間；TTA為飛機再次出動準備時間；TCM為飛機每次出動架次的平均修復(fù)時間；TPM為飛機每次出動架次的平均預(yù)防性維修時間；TAB為飛機每次出動架次的平均戰(zhàn)斗損傷修理時間。

該指標統(tǒng)計信息時，需在具體任務(wù)背景下，考慮飛機出動規(guī)模、戰(zhàn)斗值班狀態(tài)、武器掛載方案，以及外掛構(gòu)型轉(zhuǎn)換等各種復(fù)雜情況，對出動架次率的影響。

3）裝備完好率

通過統(tǒng)計參試飛機完好架日和不完好架日情況，計算裝備完好率的公式如下：

式中，TMC表示飛機累計完好架日；TNMC表示飛機累計不完好架日。

4）戰(zhàn)斗等級轉(zhuǎn)進時間

主要統(tǒng)計完成戰(zhàn)斗等級三轉(zhuǎn)一、二轉(zhuǎn)一、一轉(zhuǎn)起飛的時間，以衡量新機戰(zhàn)備能力。

5）MFHBF

通過統(tǒng)計參試飛機飛行時間和故障數(shù)據(jù)，計算出飛機MFHBF單側(cè)置信下限值，具體公式如下：

式中，Tf為飛機總飛行時間；r為飛機責(zé)任故障數(shù)；C表示置信度（根據(jù)工程經(jīng)驗取80%）；是自由度為2r+2 的卡方分布1-C上側(cè)分位數(shù)，可通過查表獲取。

6）MTBCF

通過統(tǒng)計飛機平臺的總工作時間和嚴重故障數(shù)據(jù)，分別計算出整機MTBCF 的單側(cè)置信下限值，具體公式如下：

7）MR

通過計算出飛機MTBCF的單側(cè)置信下限值，計算出飛機MR的單側(cè)置信下限值，具體公式如下：

式中，MTBCFL為平均嚴重故障間隔時間單側(cè)置信下限值；Δt為新機研制總要求中規(guī)定的任務(wù)時間。

8）MTTR

通過統(tǒng)計飛機的部隊級修復(fù)次數(shù)和修復(fù)時間，計算出部隊級MTTR的樣本均值和方差如下：

式中，Tci為第i次部隊級修復(fù)性維修時間；nc為部隊級修復(fù)性維修總次數(shù)。

MTTR的判定規(guī)則如下：

若

9）DMMH∕FH

通過統(tǒng)計飛機預(yù)防性維修性時間和修復(fù)性維修時間，計算出飛機部隊級DMMH∕FH 的點估計值，具體公式如下：

式中，MDMMH為飛機平臺的直接維修工時總數(shù)，包括外場級預(yù)防性維修性數(shù)據(jù)（包括部隊飛行機務(wù)準備、外場周期性工作等）工時總數(shù)和修復(fù)性維修工時總數(shù)；Tf為飛機總飛行小時數(shù)。

10）FDR

通過統(tǒng)計具體任務(wù)系統(tǒng)的故障次數(shù)、BIT 故障檢測次數(shù)和借助地面維修檢測設(shè)備的故障檢測次數(shù)，計算出FDR 的點估計值和單側(cè)置信下限值，具體公式如下：

點估計：

式中，ND為正確檢測到的故障數(shù)；N為實際發(fā)生的故障數(shù)。

單側(cè)置信下限值γFDL：

式中，C為置信度，一般取80%；FD=N-ND表示故障檢測失敗的次數(shù)。

γFDL可通過查閱二項分布單側(cè)置信下限表獲知。若估計的下限值大于或等于最低可接受值，即符合研制總要求而接收，否則拒絕。

11）FIR

通過統(tǒng)計具體任務(wù)系統(tǒng)的故障檢測次數(shù)和正確隔離到規(guī)定LRU∕LRM 的故障數(shù)，計算出FIR 的點估計值和單側(cè)置信下限值，具體公式如下：

式中，NI為正確隔離到規(guī)定LRU∕LRM 的故障數(shù)；ND為正確檢測到的故障數(shù)。

單側(cè)置信下限值γFIL：

式中，F(xiàn)I=ND-NI表示故障隔離失敗的次數(shù)。

若估計的下限值大于或等于最低可接受值，即符合研制總要求而接收，否則拒絕。

12）FAR

通過統(tǒng)計具體任務(wù)系統(tǒng)的虛警次數(shù)和故障指示次數(shù)，計算出虛警率的點估計值和單側(cè)置信上限值，具體公式如下：

點估計：

式中，NFA為虛警次數(shù)，包括BIT 和測試設(shè)備指示故障而實際無故障發(fā)生（假報）、A發(fā)生故障卻指示B故障（錯報）；NF為真實故障指示次數(shù)。

單側(cè)置信上限值γFAU：

其中，RL為故障指示成功率下限值，其公式如下：

式中，NA=NF+NFA表示故障指示次數(shù)，包括故障指示正確次數(shù)（真實故障指示次數(shù)）和故障指示失敗次數(shù)（虛警次數(shù)）。

若估計的γFAU上限值等于最大可接受值，即符合研制總要求而接收，否則拒絕。

13）使用可用度（AO）

式中，MTBM表示平均維修間隔時間；MDT表示平均不能工作時間。

14）保障裝設(shè)備滿足率

式中，NSEA和NSEN分別表示能夠提供的保障設(shè)備數(shù)和實際擁有的保障設(shè)備數(shù)。

15）備件滿足率

式中，NSA和NSN分別表示能夠提供的備件數(shù)和實際擁有的備件數(shù)。

4 新機作戰(zhàn)適用性評估信息采集與處理

4.1 信息采集

由參試單位組成專門的數(shù)據(jù)收集與處理小組，進行外場跟飛，了解掌握飛機及地面裝（設(shè)）備使用等情況，對重要的維修保障工作記錄操作過程、時間及結(jié)果，并進行視頻、照相管理；定期收集整理《外場質(zhì)量控制軟件》等數(shù)據(jù)庫；查閱維護工作登記、履歷本、各類維修工作卡片、飛行計劃科目及實施情況；對總線、飛參等客觀記錄數(shù)據(jù)，全部從總線、飛參解析軟件中提取，最大限度保證數(shù)據(jù)采集與處理的準確性。此外，收集用戶單位日常戰(zhàn)備、專項驗證、演習(xí)等保障數(shù)據(jù)，包括機動轉(zhuǎn)場部署、快速出動、等級轉(zhuǎn)進、工具設(shè)備使用等，充實作戰(zhàn)保障數(shù)據(jù)樣本量。

4.2 信息處理

1）多源數(shù)據(jù)融合

為提高評估結(jié)果準確性，廣泛收集同型機用戶單位的同類數(shù)據(jù)，最大限度充實數(shù)據(jù)樣本量，與作戰(zhàn)試驗數(shù)據(jù)進行多源數(shù)據(jù)融合分析。該方法主要應(yīng)用于再次出動準備時間的評估。

2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析是通用質(zhì)量特性評估應(yīng)用最多的處理方法，通過日常對故障、誤飛、影響任務(wù)、提前返航、使用保障事件的時間次數(shù)、維修保障事件的時間次數(shù)、飛機完好架日和不完好架日、維修停飛、缺備件停飛等各類數(shù)據(jù)統(tǒng)計，按照評估樣本判據(jù)和指標計算方法，給出評估結(jié)果。該方法廣泛應(yīng)用于可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性以及裝備完好率的評估。

3）仿真測算分析

個別試驗評估項目受組織實施難度大、保障資源有限、安全風(fēng)險高、數(shù)據(jù)采集難等因素制約，采取仿真測算方法，根據(jù)作戰(zhàn)試驗任務(wù)和積累的大量保障數(shù)據(jù)，充分考慮各種外場保障要素和部隊實際情況對計算模型的影響，完善修正仿真模型參數(shù)，分析計算出評估結(jié)果。該方法主要應(yīng)用于出動架次率和使用可用度的評估。

4）問卷調(diào)查統(tǒng)計

難以單純依靠試驗和數(shù)據(jù)分析評估的項目，采用問卷調(diào)查統(tǒng)計方法，制作問卷調(diào)查表，組織填寫，增加多樣化評價和樣本量，最后進行統(tǒng)計分析，給出定量與定性評估結(jié)果。該方法主要應(yīng)用于保障裝（設(shè)）備評價。

5）數(shù)據(jù)平滑處理

原始數(shù)據(jù)中很多數(shù)據(jù)需要進行平滑處理，剔除數(shù)據(jù)中的異常值，確保按模型計算的準確度。針對該類型數(shù)據(jù)，通常采用“3σ 準則”，計算出該段數(shù)據(jù)的標準差σ，每一個數(shù)據(jù)與均值的差的絕對值與3倍標準差σ 比較，若大于3σ 則剔除。該方法主要應(yīng)用于飛機外場MTTR、DMMH∕FH等評估。

6）數(shù)據(jù)歸約處理

有的評估指標數(shù)據(jù)采集周期長、工作量大，為節(jié)省人力物力、提高工作效率，采用數(shù)據(jù)歸約處理方法，在保證計算精度的前提下，盡量降低數(shù)據(jù)的采樣率。該方法主要應(yīng)用于維修性評估，如評估周期內(nèi)的預(yù)防性維修時間（包括飛行前準備、再次出動準備、飛行后檢查、周期性工作等），統(tǒng)計一定次數(shù)的各類預(yù)防性維修項目時間，確定不同項目的平均時間，根據(jù)各項目總次數(shù)得出累計耗時。

7）總線數(shù)據(jù)解析

通用質(zhì)量特性評估大部分數(shù)據(jù)需要人工記錄，但有的數(shù)據(jù)通過人工采集和總線數(shù)據(jù)均可記錄，為確保數(shù)據(jù)精確，優(yōu)先使用飛機總線數(shù)據(jù)。該方法主要應(yīng)用于戰(zhàn)斗等級轉(zhuǎn)進時間的評估。

5 新機作戰(zhàn)適用性評估信息采集與處理

一般來說，指標中，可能含有“極大型”指標、“極小型”指標、“居中型”指標和“區(qū)間型”指標。因此，必須在綜合集結(jié)前，將評估指標的類型作一致化處理，都轉(zhuǎn)化為極大型指標，具體轉(zhuǎn)化方式如下：

1）對于極小型指標X，令

2）對于居中型指標X，令

式中，m為指標X的一個允許下界；M為指標x的一個允許上界。

3）對于區(qū)間型指標X，令

式中，［q1，q2］為指標X的最佳穩(wěn)定區(qū)間；M，m分別為X的允許上、下界。

再進行無量綱化處理后，采用線性加權(quán)模型進行綜合集結(jié)，具體公式如下：

式中，Y記為某型飛機作戰(zhàn)適用性綜合評估值；Y1、Y2分別表示裝備體系、單裝作戰(zhàn)適用性評估值；各分項指標的評估值記為Xij、對應(yīng)的權(quán)重值記為ωij。

6 實例分析

以某型飛機為例，通過收集作戰(zhàn)試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合本領(lǐng)域?qū)＜遗袛啵治鲈u價該型飛機作戰(zhàn)適用性情況。

6.1 指標權(quán)重確定

邀請本領(lǐng)域4 位同行專家，按照AHP 層次分析法的評分標準，對上述12個指標及其對應(yīng)的分項指標進行打分，采用基于熵權(quán)和灰色聚類的指標賦權(quán)具體方法，進行指標權(quán)重確定，結(jié)果如表2所示。

表2 某型飛機作戰(zhàn)適用性評估結(jié)果Table 2 The evaluation results of a certain aircraft operational applicability

6.2 指標計算及信息收集與處理

定量指標通過統(tǒng)計裝備實際使用保障數(shù)據(jù)，依據(jù)指標統(tǒng)計計算公式，得到原始評估數(shù)據(jù)；定性指標均設(shè)定為極大型指標，采用相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜以冢?，1）取值范圍內(nèi)進行打分，給出原始評估數(shù)據(jù)；對照飛機型號研制總要求，經(jīng)一致化、無量綱化、脫密處理后，得到處理后的各指標評估數(shù)據(jù)，進一步得到各分項指標評估結(jié)果，如表2所示。

6.3 指標信息綜合集結(jié)

采用線性加權(quán)模型，計算得到該型飛機作戰(zhàn)適用性評估值為0.705，基本滿足作戰(zhàn)使用要求。其中，裝備系統(tǒng)作戰(zhàn)適用性評估值為0.280，單裝作戰(zhàn)適用性評估值為0.425，反映出新機作戰(zhàn)試驗階段對于裝備體系作戰(zhàn)運用還需進一步驗證；而單機通用質(zhì)量特性已得到充分驗證，作戰(zhàn)適用性表現(xiàn)相對較好。從分項指標結(jié)果看，X4（訓(xùn)練能力）評估結(jié)果較好，得益于空、地勤模擬訓(xùn)練能夠滿足作戰(zhàn)使用需要，機載嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)能支持飛行員開展各種作戰(zhàn)訓(xùn)練，與實際情況一致；X84（技術(shù)資料齊套性）評估結(jié)果較差，主要是因為飛機能力漸進式提升，技術(shù)狀態(tài)更新較快，技術(shù)資料更新相對滯后，不能滿足用戶需求。

7 結(jié)論

本文從影響新機作戰(zhàn)適用性的主要因素出發(fā)，構(gòu)建了新機作戰(zhàn)適用性評估指標體系；從新機作戰(zhàn)試驗的實際做法和經(jīng)驗出發(fā)，分別采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和專家判斷的方法，來確定定量指標和定性指標評估信息；采用基于熵權(quán)和灰色聚類的指標賦權(quán)方法，確定各分項指標權(quán)重。結(jié)合實例分析，驗證了本文方法的科學(xué)性，與新機作戰(zhàn)適用性試驗與評估實際情況相符，具有一定的工程實用價值。