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虚拟现实作战系统互操作应用效能的仿真评估研究
2010年10月5日    评论:    分享:

    摘要:作战系统互操作是实现多军种联合作战并进而在战争中取得信息优势的关键技术。实现作战系统互操作必须解决的一个问题是互操作的应用效能评估,即评估互操作可以在何种程度上提升作战系统的应用效能。文章旨在通过对作战系统互操作应用效能评估方法进行仿真来证明评估指标体系和评估方法的有效性。仿真系统基于已建立的作战系统互操作的应用效能评估指标体系和综合评估方法,通过VC++进行了实现。文中给出了仿真评估的运算步骤和计算实例。仿真结果表明了该作战系统互操作应用效能评估方法的可行性。

    1 引言

    随着计算机和通信技术在军事领域的广泛应用,作战系统乃至更高层次系统间的互操作已经成为我国及世界各国的军事发展方向。互操作是指系统间以及时而连贯的方式实现对资源的共享,作战系统互操作应用效能是指作战系统在实现互操作后其效能的提升度,而作战系统互操作应用效能仿真评估即是对系统在实现互操作后的效能提升度进行数字仿真计算,通过对作战系统在互操作实现后其效能提升度的仿真计算,能够为作战系统互操作实现方案和技术的优劣作出正确评判,从而为作战系统互操作实现方案和技术的选择及改进提供科学依据。

    作战系统互操作应用效能评估不同于一般的作战系统效能评估。作战系统效能评估是对系统完成预定任务的满意度进行综合评价;而作战系统互操作应用效能评估是对系统在互操作实现后其效能的提升度进行综合评价。传统的评估方法如统计试验法、专家调查法、指数法、解析法、模糊评估法、层次分析法、SEA法 等侧重于评估单个作战系统的效能,对于效能的提升度则缺乏考虑。因此,为了解决作战系统互操作应用效能评估问题,本文首先提出了一个作战系统互操作应用效能评估指标体系,并进一步提出了一种综合评估方法。该方法将各一级指标视为评估对象的子对象,分别采用不同的评估方法对各子对象在互操作实现前后的效能进行测算,并将两种状态下的测算结果进行比较得出子对象的度量提升度,最后综合处理计算出实际评估对象的效能。经仿真实例分析,这种评估方法能有效地测算出作战系统互操作的应用效能,基本满足作战系统问互操作的应用效能评估需求。

    2 作战系统互操作应用效能仿真评估指标体系

    建立正确、科学的评估指标体系是有效进行仿真评估的前提和关键。从作战系统互操作的应用效能评估概念可知,作战系统互操作的应用效能实际上是通过作战系统在两种状态下的不同作战效能来得到反映的,但其评判对象并不是作战系统本身,而是系统的“互操作性”,因此,我们在遵循建立指标体系的普遍原则基础上,按照作战系统的战术、技术性能(即作战功能)和作战要求,运用主成份分析法确定主因子的原理 ’ ,即根据作战功能和作战要求,从所有因素集中确定出主因子,再结合层次化思想,并充分体现了互操作性的特征,建立图1所示的指标体系。

图1 作战系统互操作应用效能仿真计算指标体系
图1 作战系统互操作应用效能仿真计算指标体系

    3 作战系统互操作应用效能评估方法

    关于系统效能评估的常用方法有:统计试验法、专家调查法、指数法、解析法、模糊评估法、层次分析法、SEA法 ,然而由于这些方法都是针对不同系统效能特点(并非系统互操作应用效能)而提出的相应评估方法,故单凭这些方法中的任何一种均无法完成作战系统互操作应用效能的计算。

    为解决此问题,本文提出了一种综合评估方法,其基本思想是:将各一级指标视为评估对象的子对象,即把图1中“作战系统互操作的应用效能”的下一级指标视作评估子对象,分别采用不同的计算模型和方法对各子对象在互操作实现前后的效能进行计算,并将两种状态下的计算结果进行比较得出子对象的度量提升度,最后将所有子对象的度量提升度加权求和,从而运算出作战系统互操作应用效能。

    该方法分为两步进行:①子对象评估;②综合评估。

    3.1 子对象评估

    子对象评估旨在计算图1中“决策能力、攻击精度、生存能力、攻击火力、作战节奏、机动能力、信息安全”各子对象的度量提升度。由于各子对象特点不同,因此我们采用了不同的计算方法:

    ①对决策能力、攻击火力、攻击精度和作战节奏这几个定量子对象,用解析法直接求取它们在互操作实现前后两种状态下的度量值,进而运算出它们各自的度量提升度;

    ②对生存能力子对象,用线性数学相关理论运算出它在两种状态下的数学期望,进而求出度量提升度;

    ③ 对机动能力和信息安全这两个定性子对象,用模糊评估法算出它们在两种状态下的模糊向量,再对各评判等级按照100分制进行打分,将两种状态下的模糊向量转换成定量值,进而运算出度量提升度。

    3.1.1 基于解析法的子对象评估

    解析法用于计算决策能力、攻击火力、作战精度和作战节奏在互操作实现后的度量提升度。以“决策能力”为例,互操作实现前:

虚拟现实作战系统互操作应用效能的仿真评估研究

    互操作实现后有:

虚拟现实作战系统互操作应用效能的仿真评估研究

    (其中,虚拟现实作战系统互操作应用效能的仿真评估研究分别表示:决策能力的度量值;作战系统间的通信可靠性;作战系统间的通信误码率;单个系统内通信的可靠性;单个系统内通信的误码率;传感设备及时发现情报(目标)概率;传感设备及时发现情报(目标)正确率;系统及时获取情报(目标)的完备率;系统及时获取情报(目标)的正确率;融合设备处理数据信息的正确率)

    将上面求得的Ⅳ 在两种状态下的不同值相比减1,即可得Ⅳ 在实现互操后的度量提升度。

    攻击火力、作战精度和作战节奏子对象的度量提升度计算与此类似,在此不再赘述。

    3.1.2 基于排队理论的子对象评估

    “生存能力”子对象度量提升度的数学计算模型以排列理论为基础建立。假定一次损伤只毁伤作战系统的一个子系统。用下列公式分别计算出互操作实现前后直到完全失去作战能力时平均每个作战系统所能经受的毁伤次数的数学期望。其中, 参与实现互操作的作战系统个数;x,y,z分别为组成作战系统的指挥系统数、情报系统数和武器系统数。

虚拟现实作战系统互操作应用效能的仿真评估研究

图1 作战系统互操作应用效能仿真计算指标体系

    将计算出的实现互操作前后的R(n)相比再减1即为生存能力的度量提升度。

    3.1.3 基于模糊评估方法的子对象评估

    “机动能力”和“信息安全”两个子对象的决定因素既有定性的也有定量,运用模糊数学理论和方法 建立仿真计算的数学模型计算互操作实现后其度量提升度。确定5个等级,先用公式:

    其中i=1.2.3.4.5,,若 虚拟现实作战系统互操作应用效能的仿真评估研究,计算出通信接口数的模糊数,在充分利用专家评判的基础上,用公式:

虚拟现实作战系统互操作应用效能的仿真评估研究

    计算出每两个作战系统实现互操作后某项指标的模糊数,直至求出实现互操作后整个综合系统这项指标的模糊数, 然后用公式:

虚拟现实作战系统互操作应用效能的仿真评估研究

    计算出机动能力或信息安全在互操作实现前后的模糊数。对5个模糊评判等级打分,依次为100,80,60,40,20,用这些分值与机动能力或信息安全在互操作实现前后表示其度量值的模糊数相应模糊数等级值相乘再求和即为它们度量值的等效值,将两值相比减1即为其度量提升度。上述公式中, X1...x5,y1...y5, z1...z5 表示各模糊数相应模糊等级的值, k1.. k3,表示各模糊数的权重。

    3.2 综合评估

    根据前面所计算出的各一级指标的度量提升度及其权重,运用指数法的主要思想进行加权求和

虚拟现实作战系统互操作应用效能的仿真评估研究

    即为作战系统互操作性的应用效能E,其中Ai 、Fi。分别为各一级指标的权重和度量提升度,t为指标体系中一级指标的个数。

    4 作战系统互操作应用效能的仿真计算

    作战系统互操作应用效能的仿真计算实际上是一种数字仿真,它并不要求对所有参与实现互操作的复杂作战系统的详细内部结构进行全部的了解,只须清楚各个系统的作战参数,仿真时,用户只须录入每个作战系统的作战参数,即图1中的各个底层细化指标的值,程序便会按照一定的逻辑和计算公式最终运算并显示出互操作应用效能的值。其仿真流程如图2示。

    本文使用VC++实现了上述仿真评估模型。为整个仿真主程序建立一个主对话框类(如图3),并分别为各一级指标建立各自相应的子对话框类(如图4为决策能力对话框类),在子对话框类中分别实现相应子对象的度量提升度的计算,在主对话框类中对各子话框运算的结果加权求和综合运算出作战系统互操作的应用效能。仿真计算的具体步骤为:首先运行主对话框类,然后分别调用各子对话框类,完成各作战系统的底层细化指标值的录入并运算出各子对象度量提升度,最后,主对话框类再利用各子对话框类的运算结果加权求和综合运算出作战系统互操作的应用效能。同时表明,用ADAMS软件建立减振系统三维实体模型进行仿真设计,具有速度快、分析方便、便于实施和结果准确等特点,是理想的一种设计方法。

图2 仿真计算流程
图2 仿真计算流程

图3 仿真程序主界面
图3 仿真程序主界面

图4 决策能力仿真指标输入界面
图4 决策能力仿真指标输入界面

    假定有一个作战系统,它的作战参数即各底层细化指标值为,指挥系统数:1;情报系统数:2;武器系统数:3;传感设备及时发现情报(目标)的概率和及时发现情报(目标)的正确率均:0.8;通信可靠性(包括系统内和外):0.8;有、无线通信接口数均为:3;系统各组件的平均机动性能:80;系统各通信设备的平均安全性能:80;融合设备处理信息的正确率:0.8;武器系统的平均射程(米)、毁伤半径(米)、射击速度(发/分)、射击精度分别为:100、10、10、0.8。如果有1个或2个与该系统作战参数完全相同的作战系统与之实现互操作,根据上述仿真计算模型,利用编制的模拟软件计算,互操作应用效能分别为:0.334618、0.661856。这两个数值反映了在以上作战参数的条件下2个作战系统实现互操作后单个作战系统的作战效能约可提升33.5% ,3个作战系统实现互操作后单个作战系统的作战效能约可提升66.2% 。这说明了互操作应用效能较好,与实际情况相符。

    5 结束语

    经实例仿真计算证明,本文所提出的作战系统互操作应用效仿真计算模型是可行的,可为作战系统互操作的实现方案提供可行性依据。下一步工作将集中于把该评估方法实际应用于作战系统互操作中,以进一步确定综合评估步骤中各指标值的权重系数,完善作战系统互操作应用效能评估指标体系和评估方法。

标签:作战军事评估
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