李 磊，石 全，李 兵，姬利娟，張 偉

(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)， 石家莊 050003； 2. 32142部隊，河北 保定 071000；3.中部戰(zhàn)區(qū)陸軍保障部， 石家莊 050081)

戰(zhàn)場毀傷評估(BDA)工作開展由來已久，美國從上世紀70年代就展開了相應(yīng)的研究，多年的研究積累使得美軍在收集目標(biāo)毀傷信息、建立毀傷評估模型、開展毀傷評估試驗、優(yōu)化毀傷評估方法、研發(fā)毀傷評估系統(tǒng)和制定毀傷評估標(biāo)準規(guī)范等BDA工作上形成了系列成果。近些年來，無論從技術(shù)上還是應(yīng)用上，美軍在這方面的研究又有新發(fā)展，據(jù)同領(lǐng)域?qū)W者研究發(fā)現(xiàn)，美軍衛(wèi)星、雷達成像等偵察手段的分辨率不斷提高，基于圖像變化檢測的目標(biāo)識別、信息提取和智能分析技術(shù)已經(jīng)成熟應(yīng)用；無人偵察機大、中、小、微型靈活組合，偵察監(jiān)視范圍遠、中、近程梯次搭配、覆蓋全球；多型導(dǎo)彈發(fā)射后能夠依托自身毀傷評估發(fā)射機回傳目標(biāo)的毀傷信息；各軍兵種毀傷評估系統(tǒng)進行整合聚合，形成標(biāo)準統(tǒng)一的毀傷測試評估平臺[1]。

相比軍事強國，國內(nèi)BDA的研究還處于初級階段，盡管近些年有一些研究成果，但也僅停留在“百家爭鳴”和“各自為戰(zhàn)”。頂層規(guī)劃設(shè)計不夠、缺乏標(biāo)準規(guī)范、基礎(chǔ)平臺缺失和毀傷數(shù)據(jù)不足等突出問題嚴重制約了BDA工作的發(fā)展。

目前，陸軍三代裝備特別是主戰(zhàn)裝備都已發(fā)展成為機電一體的武器系統(tǒng)，功能組成復(fù)雜，技術(shù)含量高，單體設(shè)備之間上下傳遞關(guān)系，左右級聯(lián)關(guān)系都互為影響。除了機械應(yīng)力構(gòu)造的易損性影響之外，電子設(shè)備的易損性對裝備功能的影響越來越大?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭中特別注重制電磁權(quán)的爭取，迫使裝備首先面臨電磁脈沖武器的攻擊和干擾，裝備中電子設(shè)備的毀傷對裝備功能的發(fā)揮一定程度起決定作用，實戰(zhàn)中已經(jīng)有裝備還沒進入主陣地便“耳鳴眼花”和“腦脹心悸”[2]。

1 問題提出與建模

1.1 功能毀傷問題分析

與裝備物理毀傷相比，裝備功能毀傷涵蓋的內(nèi)容更加豐富立體。從完成一次作戰(zhàn)任務(wù)考慮，廣義的裝備功能毀傷概念不僅包含裝備自身自然故障引起功能減退、作戰(zhàn)環(huán)境引起的裝備功能受限、裝備遭敵打擊后引起功能驟降，而且包含由于人員訓(xùn)練水平不達標(biāo)、人員誤操作、干擾指揮口令誤導(dǎo)等引起的裝備正常功能發(fā)揮受阻。這使得廣義的裝備功能毀傷評估研究起來過于龐雜，影響因素不能完全做到可控可述可量化，反映的毀傷情況具有偶然性，一般規(guī)律難總結(jié)，研究意義不大。本文研究的裝備功能毀傷是一個狹義的概念，它假設(shè)一次作戰(zhàn)任務(wù)中，裝備已經(jīng)根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境的要求進行戰(zhàn)前的調(diào)配、保養(yǎng)和檢測，自然故障和環(huán)境影響忽略不計；裝備操作人員業(yè)務(wù)精湛、精神飽滿，能夠達到遂行作戰(zhàn)任務(wù)要求，人為因素影響忽略不計；從裝備戰(zhàn)技性能著眼，只考慮完成一次作戰(zhàn)任務(wù)裝備自身所具備的總體功能，在戰(zhàn)場遭敵設(shè)障、打擊、干擾后裝備功能的減退、下降乃至喪失的情況。這樣限定有利于分析總結(jié)遭敵直接威脅下裝備功能毀傷評估的一般規(guī)律，對指導(dǎo)裝備設(shè)計、運用和使用有重要意義[3]。

相比物理毀傷，功能毀傷評估更為繁復(fù)。首先是毀傷傳遞比較復(fù)雜。區(qū)別于物理毀傷(包括破片侵徹、沖擊波毀傷、沖擊振動毀傷、溫壓燒毀等)，功能毀傷的表現(xiàn)形式是功能衰減或喪失，但毀傷傳遞的描述卻各有不同，有些映射關(guān)系很抽象，不是物理毀傷中的簡單邏輯關(guān)系或者賦權(quán)關(guān)系能夠解決的；其次是毀傷具有耦合性。特別是裝備中的相互連接的電子組件，很難獨立受到毀傷，往往是組件A影響組件B，組件B影響組件C，那么組件A必然對組件C有影響。顯然裝備系統(tǒng)越繁雜，這類耦合毀傷關(guān)系影響越大，只有充分考慮和理清這些關(guān)系，才能避免實際毀傷值被低估。

為了解決上述問題，本文提出遂行一次作戰(zhàn)任務(wù)中裝備的總功能(Total Function，TF)作為評估目標(biāo)，通過將總功能逐層分解，分析毀傷傳遞關(guān)系，引入解釋結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建出裝備功能毀傷評估模型。

1.2 功能分解方案

裝備總功能的分解是建立在遂行作戰(zhàn)任務(wù)的基礎(chǔ)上，對應(yīng)的是裝備需要完成的總?cè)蝿?wù)。相應(yīng)的子功能對應(yīng)子任務(wù)，設(shè)備功能對應(yīng)設(shè)備任務(wù)，組件功能對應(yīng)著底層支撐服務(wù)組件[5]。具體功能分解模型見如圖1所示。

圖1 裝備功能分解模型框圖

第一層是根據(jù)裝備遂行作戰(zhàn)任務(wù)需要的支撐子任務(wù)情況，將總功能分解為子功能層，則總功能可表述為

TF=(VST，VT，M，ω，φ(ΔM)，ARM)

(1)

其中，VST表示裝備遂行一次作戰(zhàn)任務(wù)總功能標(biāo)準值，也就是未受到敵打擊時的裝備總功能的量化描述值；VT表示總功能綜合評估值，就是考慮子層和同層毀傷影響下的量化描述值；M={m1，m2，…，mn}為子任務(wù)集向量；ω表示總功能標(biāo)準值在子任務(wù)上權(quán)重占比分配向量；φ(ΔM)表示子任務(wù)對總功能的毀傷傳遞關(guān)系，ΔM={Δm1，Δm2，…，Δmn}為各子任務(wù)綜合毀傷值向量；ARM表示子任務(wù)個體mi之間的毀傷影響關(guān)系矩陣，其描述為

(2)

矩陣元素aij=γij(Δmj)表示單個子任務(wù)毀傷值Δmj對其他子任務(wù)的影響系數(shù)。定義

Δmi=VST·ωi-Vm

(3)

式(3)表示單個子功能毀傷值為子功能標(biāo)準值減去子功能評估值。則

VT=VST-φ(ΔM)

(4)

式(4)表示總功能綜合評估值為其總功能標(biāo)準值減去子任務(wù)毀傷傳遞值。

第二層分解是將各子功能分解為設(shè)備功能層，子功能表述為

m=(Vm，Vdm，S，v，φ(Δs)，ARS)

(5)

其中，Vm表示子功能綜合評估值；Vdm表示子功能下層評估值，即只考慮下層毀傷影響的評估值；S={s1，s2，…，sn}表示完成子任務(wù)需要的設(shè)備集；v表示子功能標(biāo)準值在各個設(shè)備上的權(quán)重占比分配向量；ARS表示各個設(shè)備si之間的毀傷影響關(guān)系矩陣。

同理

VDM=VST·ω-φ(Δs)

(6)

子功能綜合評估值為下層傳遞毀傷與同層毀傷影響的毀傷之和

(7)

所以

(8)

第三層分解是將設(shè)備功能分解為組件功能，其表述為

s=(Vs，Vds，C，λ，φ(Δc)，ARC)

(9)

其中，Vs表示設(shè)備功能綜合評估值；Vds表示設(shè)備降階評估值；C={c1，c2，…，cn}表示設(shè)備的組件集；λ是設(shè)備功能標(biāo)準值在各組件上的權(quán)重占比分配向量；ARC表示各個組件ci之間的毀傷影響關(guān)系矩陣，描述同式(2)。

同理

VDS=VST·ωm·v-φ(Δc)

(10)

(11)

設(shè)備組件c=(Vc，Vdc)是功能分解的最底層，也是基礎(chǔ)層，Vc表示組件功能綜合評估值，Vdc表示組件下層評估值。需要明確的是，本文中組件的含義既包括噴油泵、傳動軸、電路板等硬件，也包括數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器、防火墻等軟件[6]。

2 毀傷傳遞分析

2.1 上下層級之間毀傷傳遞

本文所指的毀傷傳遞關(guān)系是指φ的函數(shù)表達式，這是一個開放的架構(gòu)，在熟知先驗知識的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的裝備受到敵不同的打擊后選用調(diào)用不同的φ的函數(shù)關(guān)系式，本文研究4種簡單常見的函數(shù)關(guān)系：

邏輯判斷常見于物理毀傷傳遞，通常指某個設(shè)備的重要組件為“0-1”組件，那么當(dāng)該重要組件失能時，整個設(shè)備失效。這種情況存在比較常見，比如電子設(shè)備電源供電組件毀傷，設(shè)備不能供電，自然設(shè)備就失效。設(shè)對某設(shè)備si進行毀傷評估時，cj是其關(guān)鍵核心組件，則cj對si的毀傷傳遞關(guān)系可描述為

(12)

從式(12)可以看出：當(dāng)Δcj為1時，無論其他組件毀傷傳遞值φi≠j(Δcj)為何值，其評估值Vsi都為0。

線性傳遞關(guān)系是指一定倍數(shù)的線性毀傷傳遞。比如，液壓頂桿變形后對裝備車身的支撐力可近似看成線性降低；服務(wù)器個數(shù)受損造成運算服務(wù)能力降低等。線性毀傷傳遞關(guān)系可描述為

Vsi=VST·ωp·vi-φl≠j(Δcl)-μ·Δcj

(13)

式(13)中，μ為調(diào)節(jié)系數(shù)(μ>0)，整式表示Δcj對si的毀傷傳遞為其他組件毀傷傳遞φl≠j(Δcl)后的線性疊加。

當(dāng)組件毀傷后，設(shè)備性能發(fā)生指數(shù)衰減時，就呈現(xiàn)出指數(shù)衰減傳遞關(guān)系。例如裝備中電子設(shè)備組件受到電磁干擾時，會造成信號傳遞和設(shè)備功能的迅速衰減。指數(shù)衰減傳遞關(guān)系可描述為

Vsi=VST·ωp·vi-φl≠j(Δcl)-

VST·ωp·vi·λk·e-η(Δcj)

(14)

式(14)表示當(dāng)cj對si的毀傷傳遞為其他組件毀傷傳遞φl≠j(Δcl)后再乘以指數(shù)衰減系數(shù)，其中η為調(diào)節(jié)系數(shù)(η>0)。

門限判別關(guān)系是指下層組件毀傷未達到門限時，毀傷傳遞關(guān)系為線性減弱或指數(shù)衰減，達到或超出門限時，則會引起上層設(shè)備立即失效。例如通信設(shè)備組件受到電磁脈沖武器攻擊時，瞬時高功率微波脈沖帶有足夠大的能量，沒有達到門限時，對通信設(shè)備的通信質(zhì)量造成指數(shù)衰減影響，超過門限，則通信設(shè)備失能，通信能力喪失。其傳遞關(guān)系為

(15)

2.2 同層級之間毀傷傳遞

為了解決同層組件之間的毀傷影響問題，引入解釋結(jié)構(gòu)模型中可達矩陣[4]來分析Δci影響Δcj，Δcj影響Δck，從而Δci影響Δck這一關(guān)系。設(shè)某設(shè)備由m個組件構(gòu)成，則

(16)

為毀傷影響關(guān)系矩陣，把矩陣中非0元素換成1，得到毀傷影響關(guān)系矩陣的鄰接矩陣：

(17)

其中，元素Sij表示組件之間的關(guān)系，0為沒關(guān)系，1為有關(guān)系，根據(jù)解釋結(jié)構(gòu)模型中可達矩陣計算法則，當(dāng)

(S+I)n+1=(S+I)n

(18)

則稱R=(S+I)n為其可達矩陣，rij為1表示組件ci與cj之間存在可達路徑，即它們之間有影響。由此可進一步得到毀傷影響關(guān)系矩陣為

(19)

這樣計算得到的毀傷關(guān)系影響矩陣考慮了同一層級組件間的毀傷影響關(guān)系，防止了對綜合毀傷評估值的低估[5]。

3 裝備功能毀傷樹構(gòu)建

構(gòu)建裝備功能毀傷樹，把各階層毀傷傳遞關(guān)系直觀的反映到毀傷樹結(jié)構(gòu)中，將為計算綜合評估值奠定邏輯基礎(chǔ)[6]。本模型中，毀傷樹結(jié)構(gòu)由裝備總功能、子功能、設(shè)備功能和組件功能4層組成，同層之間的毀傷影響關(guān)系使用毀傷影響關(guān)系矩陣來運算，上下級之間的毀傷傳遞關(guān)系連接符號如圖2所示。

圖2 上下級間毀傷關(guān)系圖示

下面給出某復(fù)雜裝備經(jīng)過打擊后的裝備功能的毀傷樹結(jié)構(gòu)(圖3)，通過毀傷樹可分析計算一次打擊后，裝備總功能、子功能或者設(shè)備功能的毀傷評估[7]。

圖3 某裝備毀傷樹結(jié)構(gòu)示意圖

由圖3可知，裝備在遂行作戰(zhàn)任務(wù)中遭敵打擊后，設(shè)備功能毀傷評估的計算方法可歸納如下[8]：

第3步計算設(shè)備集S功能毀傷下層評估值為

VDS=VST·ωm·v-φ(Δc)

(20)

其中，根據(jù)毀傷樹結(jié)構(gòu)和毀傷傳遞關(guān)系，得出s1的降階評估值為

(21)

第5步計算設(shè)備集S的功能毀傷綜合評估值為

(22)

4 算例分析

下面，以陸軍某型指控裝備功能毀傷評估為算例，來驗證本文評估方法的有效性。如圖4所示，將該型指控裝備按照一次作戰(zhàn)任務(wù)中需要的裝備總功能進行分解，第1層分為偵察預(yù)警、指揮控制、攔截打擊等8個子功能[9]，這和裝備擔(dān)負的作戰(zhàn)子任務(wù)一一對應(yīng)；第2層分為指控計算機、顯示器、系統(tǒng)控制設(shè)備、通信網(wǎng)關(guān)等18個關(guān)鍵設(shè)備，這些設(shè)備的選取主要考慮對子功能的毀傷傳遞關(guān)系和其對任務(wù)影響的關(guān)鍵程度，子功能支撐的設(shè)備很多，這里選取關(guān)鍵設(shè)備的過程實際上是做了一個簡化處理；第3層分為態(tài)勢數(shù)據(jù)口、檢測數(shù)據(jù)庫、算法數(shù)據(jù)庫等20余項關(guān)鍵組件[10](包含有獨立功能的硬件模塊、數(shù)據(jù)庫和軟件程序)，這些組件的選取一方面考慮對設(shè)備層關(guān)鍵設(shè)備的影響，一方面考慮裝備在作戰(zhàn)任務(wù)中被敵攻擊后相關(guān)組件的相對脆弱性和易損性[11]。

圖4 某型指控裝備功能分解結(jié)構(gòu)框圖

假設(shè)某型指控裝備在遂行一次作戰(zhàn)任務(wù)重中遭受敵電磁脈沖彈遠距離爆炸攻擊后，裝備外觀無損傷，但該指控裝備內(nèi)部通過天線前門耦合和通過車廂窗戶、孔縫后門耦合均進入部分高功率電磁脈沖能量，引起了部分電子組件、設(shè)備內(nèi)部電場磁場發(fā)生變化，產(chǎn)生瞬間大電流和高電壓，進而造電子組件、電子設(shè)備的毀傷。這里假設(shè)指控服務(wù)器組受到不同程度毀傷，其中以指控服務(wù)器組受損服務(wù)器數(shù)量x1占服務(wù)器總數(shù)x0的百分比Δc=x1/x0作為評估參數(shù)[12]，該型指控裝備毀傷樹結(jié)構(gòu)和傳遞關(guān)系參數(shù)設(shè)置如圖5所示，基于先驗知識分別設(shè)置ARM、ARS和ARC的值如下：

圖5 某型指控裝備功能毀傷樹結(jié)構(gòu)框圖

通過計算，可以得出評估值如表1所示。通過分析表1的評估結(jié)果可知，當(dāng)受損服務(wù)器占服務(wù)器總數(shù)的百分比不斷增加時，裝備的功能毀傷也越來越嚴重，并且通過本模型計算的評估結(jié)果說明指控服務(wù)器組所服務(wù)支撐的設(shè)備層信息處理機、指控計算機、車載數(shù)傳設(shè)備等設(shè)備和子功能層的偵察預(yù)警、指揮控制、信息處理等子功能是該指控裝備的核心功能，對整個裝備功能的影響起主導(dǎo)作用，這和已知的指控裝備戰(zhàn)場毀傷有關(guān)常識規(guī)律高度契合，驗證了這種評估方法的有效性[13-14]。

表1 某型指控裝備功能毀傷評估結(jié)果

5 結(jié)束語

本文從功能衰減的角度入手，提出了一種復(fù)雜裝備功能毀傷評估的方法，相對于常用的層次分析法、模糊評判法和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等評估方法，該方法使得內(nèi)部各層級間邏輯關(guān)系更為緊密和有效，避免了對實際毀傷值的低估；毀傷值以單一數(shù)值輸出，簡單直觀，更有利于指揮員決策；毀傷評估研究從功能逐層分解到關(guān)鍵部件和組件，技術(shù)上實現(xiàn)定性與定量分析相結(jié)合，增加了評估工作的可行性、有效性和可信度。通過對算例的方法運用和結(jié)果分析，可以得到進一步啟示。不妨將這種評估方法作為一種開放的架構(gòu)，可根據(jù)不同裝備的毀傷邏輯關(guān)系傳遞不同、解釋結(jié)構(gòu)模型的選擇和改進，預(yù)設(shè)各種參數(shù)可述可控的邏輯傳遞關(guān)系和解釋結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，在一個毀傷評估平臺上進行模塊化抽組調(diào)用，實現(xiàn)對多種復(fù)雜裝備功能毀傷的評估分析?？蓪⒋朔椒ê蛯哟畏治龇?、模糊評判法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等方法一起集成，對探索構(gòu)建統(tǒng)一標(biāo)準規(guī)范的毀傷評估系統(tǒng)平臺起到一種算法和方法的支撐作用。