改进ADC法在无人侦察机作战试验阶段作战效能评估应用

美军的“全球鹰”和“捕食者”等无人侦察机多次在局部战争中发挥关键目标侦察作用，说明其作战效能满足作战任务需要并经受住了实战的考验，而对无人机最早进行作战效能考核的节点是在作战试验阶段。现今判断武器装备的价值已不再依据单项性能的优劣，而是其满足实际作战需求的程度。在美军装备试验中，前者主要通过研制试验来回答，而后者则主要通过作战试验来回答。

武器装备作战效能评估的意义是反映装备的真实作战能力，可以为装备发展决策提供有效的技术支持。针对无人机系统效能评估的研究非常多，文献[1-2]给出了无人侦察机多种载荷两两协同的侦察效能评估方法，为决策者提供最优的侦察载荷协同方案；文献[3]参考当前无人机系统相关的仿真系统和环境设计了一个本体模型，然后通过对本体模型转换，建立了基于SMP2的无人机系统效能仿真模型框架评估作战效能；文献[4]以ADC模型为基础，结合产品分解结构(PBS)提出PBS-ADC模型，实现了无人侦察机系统研发阶段的效能评估；文献[5]从生成性能、侦察性能和稳定性等无人侦察机的本身能力出发建立指标体系，并提出了一种基于熵权的组合赋权方法。然而现阶段评估方法多是对无人侦察机的固有能力、载荷协同能力等系统效能进行分析，且多是在研发阶段、列装使用阶段的侦察效能评估，但是对作战试验阶段的无人侦察机作战效能评估缺乏相关研究，作战试验是检验武器装备作战效能的关键环节，因此本文选择这一阶段的无人侦察机作战效能作为研究对象。

1 改进ADC效能评估模型与指标体系

1.1 ADC模型基本原理及改进

传统ADC模型是通过武器系统的可用性、可信度、能力矩阵三大要素评价武器装备系统效能，其模型具体表达式为：

式(1)中：A为系统可用性(Availability)矩阵；D为可信度(Dependability)矩阵；C为能力(Capability)矩阵。

根据无人侦察机作战试验过程，其作战效能与人为因素、环境因素存在一定的依赖关系。相对研发阶段和列装应用阶段，无人侦察机作战试验阶段具有如下特点：试验环境为模拟战场对抗环境，操作人员为常规作战人员，在常规保障流程下运用相关战术、战法完成试验任务。ADC模型是基于理想状态下的理论分析，已经不能全面地反映装备系统的作战效能。为确保无人侦察机系统的作战需求和任务描述映射于系统效能指标的完整性和可测性，以及其作战效能分析模型评估结果的真实性和客观性，对传统ADC模型进行改进，既考虑无人侦察机系统中各个分系统串并联关系，也包含影响作战试验结果的对抗环境、战术运用能力、作战保障能力等试验条件，从而为作战试验阶段的作战效能全面评估奠定坚实的基础。为此，结合文献[6]改进传统ADC模型为：

式(2)中：EB=A·D·C为无人侦察机系统的基本效能；

为战场环境对抗效能，其中G为环境影响参数、T为战术运用系数、S为作战保障能力系数。

1.2 改进后的作战效能评估指标体系

在无人机系统《试验鉴定主计划(TEMP)》中，美军关注的作战效能核心是关键作战问题(COI)[7]，如：无人机系统能否在某项任务中及时获取并传回侦察、监视的目标信息？有效战位时间是多少？而后围绕COI解析出下层作战效能指标，包括任务成概率、情报价值、生存性、有效工作时间等。

根据无人侦察机作战试验阶段的操作实施特点，结合其系统性能[8-9]和改进的ADC模型指标[6]，建立作战试验阶段的无人侦察机作战效能评估指标体系，构建后的指标体系可以与美军无人机TEMP作战效能指标内容互相映射，如图1所示。

2 评估模型指标分析

2.1 可用性A分析

无人侦察机可用性A表示在作战试验阶段执行战场侦察任务之前的状态，是其可承担任务状态程度的度量。无人侦察机系统执行任务时，飞行器子系统、地面站子系统、发射和回收装置、有效载荷、数据链路等呈串联关系，即其中一个分系统完全故障任务就无法完成。有效载荷子系统一般包含电子信号侦察设备、合成孔径雷达和CCD相机，有任意侦察设备工作即可继续执行任务，它们之间呈并联关系，依此构建可靠性框图，如图2。

假设各子系统互不影响，分析无人机可靠性框图(图2)，可得系统共8种工作状态[10]，如表1所示。

无人侦察机可用性A用平均故障时间(MTBF)除以平均故障间隔时间与平均故障修复时间(MTTR)之和来计算。Ai、MTBFi、MTTRi分别表示图2中各分系统的可用性、平均故障间隔时间与平均故障修复时间，则有：

式(3)中，i为图2各部分序号。对于表2中的8种工作状态，无人侦察机可用性矩阵为：

2.2 可信性D分析

无人侦察机可信性D是指在可用性A已确定的条件下，在作战试验阶段的任务实施过程中，无人机各子系统正常工作且能完成侦察任务的能力。设无人侦察机系统运行过程中子系统的故障分布时间服从指数分布，由系统故障率、平均故障时间等参数表示可信性函数为：

式(5)中，Ti为无人侦察机在作战试验中执行任务期间各子系统的工作周期。

d11表示无人侦察机系统从开始工作到任务结束过程中所有部件均保持正常的概率[11]：

无人侦察机系统由多个子系统或串联或并联组成，如果并联子系统出现故障或者失效等情况，可能会使整个系统的工作能力降维，但是依然可以根据有效载荷性能完成部分侦察任务[12]。然而在试验过程中，由于无人侦察机在使用时无法修理，出现故障的串联子系统不可能恢复至正常状态，因此其可信度矩阵为三角阵，根据式(5)-(6)可得到可信性参数矩阵为：

2.3 作战能力C分析

无人侦察机能力矩阵C反应的是无人机系统在不同状态条件下，完成侦察任务的能力度量，反映了系统性能与实战能力要求之间的符合程度。

对于作战能力C的建模方法有很多种，其中文献[13]采用了武器装备系统性能指标综合评价和专家打分相结合的方法，根据性能指标对于作战任务完成作用权重的不同，通过专家打分的方式给予性能指标一定的加权和评判值。无人侦察机分为各子系统模块，对应各个子系统功能分类构建性能指标如图1，进而在8种工作状态下各子系统性能指标的作用程度不同，在专家确定评判值和权重后确定能力矩阵。

各种工作状态中无人侦察机作战能力为：

式(8)中：λi为第Ci指标的权重；Qi为第Ci指标的评判值。

综上，可得能力矩阵C为：

式(9)中：C1为全系统无故障时的能力；C2为第一个并联分系统电子信号侦察设备出现故障时的作战能力；C8为串联系统故障时的作战能力，即C8=0。

2.4 战场对抗环境G分析

无人侦察机战场对抗环境G是指在作战试验中构建逼真的战场环境，充分考核无人机系统在此条件下的作战效能发挥程度。从普遍适用性的研究范围考虑，图1中指标是作战试验环境中的一般对抗环境因素，没有细化到对抗装备的具体型号、作用方式和干扰程度。

由线性加权法得到战场对抗环境因素G为[14]：

式(10)中：Pij为战场对抗环境指标中各个因素的具体分值；φi与φij为相应的权重值。

2.5 战术运用能力T分析

无人侦察机战术运用能力T反应的是操作人员按照无人机作战流程和方式，在作战试验中完成侦察任务的能力度量，同时检验无人侦察机与其他配合试验装备系统的互联互通能力，主要由无人侦察机系统操作人员的满编率、能力发挥程度以及试验时装备系统之间的互操作性，如图1所示。战术运用能力T的表达式为：

式(11)中：T1为操作人员满编率；T2为操作能力发挥度量；T3为参与配合试验的装备系统(非测试装备)与无人机系统间互操作性程度；ω为由专家打分确定的各项指标权重。

人员满编率T1表达式为：

式(12)中：H1为参与作战试验的无人机操作人数；H0为计划编制人数。

参试操作人员能力发挥主要由通过培训后的操作能力水平和人装结合程度表示，在作战试验环境中，新装备提供的操作设计、工作环境、人机交互等因素是否符合人员正常操作习惯也是装备重点考察内容，同时人装结合程度会直接影响到操作能力的实际发挥情况，为此参试人员操作能力发挥T2表达式为：

式(13)中：T21为试验过程中人装结合不同程度的比例；T22为不同结合程度中人员操作能力实际发挥程度的矩阵；T23为发挥出训练能力水平的评价值。

① 操作装备的人装结合感受度比例T21的表达式为：

式(14)中，ti为不同人装结合度感受的人员概率，由试验鉴定部门得到参与试验的操作人员评价后统计确定。

② 在试验过程中，操作人员状态随装备系统的各种因素条件影响而变化，不能保证稳定操作，因此平时训练水平在试验中发挥程度会有起伏，如表2所示，不同结合度感受人员操作训练水平发挥程度矩阵T22的表达式为：

式(15)中，tij表示在作战试验中第i种人装结合感受程度人员发挥出的j类型水平的概率。由操作人员对照平时训练成果评价试验中自身完成任务情况以及专家评判共同确定。

③ 发挥操作能力的评价值T23表达式为：

式(16)中，zj为人员发挥出j类型水平的分值。由参与试验的操作人员所属单位军事主管部门根据以往参演经验、训练考核成绩和专家评判共同确定。

3) 互操作性T3表达式为：

式(17)中：T31、T32分别为无人侦察机编组飞行时的协同水平和模拟作战中与其他装备间的配合能力，由试验鉴定部门根据试验过程中的实际具体情况确定；ω31、ω32为各自指标权重。

2.6 作战保障能力S分析

无人侦察机作战保障能力S表示保障人员维修、维护、补给等能力，以及相关保障设备的配套性和数质量对作战试验中系统效能发挥的影响作用，主要影响因素包括参与保障人员的满编率、保障能力发挥程度，以及保障设备的完备率，如图1所示。作战保障能力S与战术运用能力T分别代表无人侦察机对抗效能中完全不同的内在涵义，但是运算模型基本相同，作战保障能力S的表达式为：

式(18)中：S1为保障人员满编率；S2为保障能力发挥度量；S3为保障设备完备率(非测试装备)；ε为由专家打分确定的各项指标权重。

人员满编率S1表达式为：

式(19)中：F1为参与作战试验的保障人数； F0为计划编制人数。

保障能力发挥S2表达式为：

式(20)中：S21为参试保障人员中不同人装结合感受度的比例；S22为不同感受度人员发挥保障技术水平的矩阵；S23为发挥保障技术水平的评价值。

① 保障装备的人装结合度感受人员比例S21的表达式为：

式(21)中，si为不同人装结合感受度的人员概率。由试验鉴定部门得到参与试验的保障人员评价后统计确定。

② 不同心理素质人员发挥保障技术水平的程度矩阵S22的表达式为：

式(22)中，sij表示在作战试验中第i种人装集合感受程度人员发挥出的j类型水平的概率。由保障人员结合平时训练成果评价试验中自身完成任务情况和专家评判共同确定。

③ 发挥战术效力的评价值S23表达式为：

式(23)中，bj为人员发挥出j类型水平的分值。由参与试验的保障人员所属单位军事主管部门根据以往参演经验、训练考核成绩和专家评判共同确定。

保障设备完备率S3表达式为：

式(24)中：S31、S32分别为无人侦察机维修、保养等保障设备的配套程度和数量，由试验鉴定部门和参试保障人员根据试验过程中的无人侦察机保障情况确定；ε31、ε32为各自指标权重。

3 算例分析

以某型号无人侦察机为研究对象，利用改进后的ADC模型对其作战试验阶段的作战效能进行评估，本例只用作模型的运用说明。在作战试验中，某型无人侦察机在模拟对抗环境中完成某地域的目标侦察作战任务，该任务具有以下特点：① 操作、保障人员：选用的参试人员来自某典型作战部队，操作和保障能力属于适中水平[15]；② 敌方特点：侦察探测和联合毁伤等能力突出，干扰拦截我无人侦察机的威胁较大；③ 自然、电磁环境：气象环境复杂，战场环境存在电磁干扰比较严重。

3.1 计算可用性A分析和可信性D

结合文献[4-5]中无人侦察机子系统与部件的可信性数据(见表3)，假设在作战试验中发射和回收装置任务周期为0.5 h，其他子系统为4 h。

根据无人侦察机子系统7类装置的平均故障间隔时间和平均故障修复时间，使用式(3)～式(7)计算得到无人侦察机可用性A和可信性D分别为：

3.2 计算作战能力C

按无人侦察机子系统的相应能力列出性能指标，并通过专家为无人机系统不同工作状态下的性能指标赋分和权重建立作战能力矩阵[13]，如表4所示。

使用式(8)～式(9)，得到作战能力C为：

3.3 计算战场对抗环境G

结合试验经验和无人侦察机任务实际，并根据文献[14]算例，得到战场对抗环境系数G的各层权重及相关参数值，如表5所示。使用式(10)计算得到无人侦察机的战场对抗环境系数G为：

3.4 计算战术运用能力T

通常无人侦察机系统操作人员数量较少，在作战试验中挑选的参试操作人员可以达到编制人数，因此H1=H0，使用式(12)得到人员满编率T1为：

假设人装结合感受度评语取 “好、中、差”三种等级并根据试验经验赋分，使用式(14)得到操作装备的人装结合感受度比例T21为：

参试操作人员在作战试验中发挥水平评语取“超常、正常、失常”三种等级，不同人装结合感受度人员发挥操作能力水平的不同概率见表6，

使用式(15)，得到不同感受度人员训练水平发挥程度矩阵T22为：

在试验中选用的操作人员能力应为普遍水平，如选用“金牌操作员”会对装备评价产生偏差[16]，因此根据试验经验对操作人员发挥操作能力“超常、正常、失常”取评价值，使用式(16)，得到发挥操作能力的评价值T23为：

使用式(13)，参试人员操作能力发挥T2为：

假设编队飞行能力T31，与其他装备间的配合能力T32的评分分别为“0.89，0.88”，各自指标权重ω31、ω32为“0.6，0.4”，使用式(17)，得到互操作性T3为：

操作人员满编率T1，操作能力发挥T2，互操作性T3的各项指标权重ω分别为“0.17，0.45，0.38”，使用式(11)，得到无人侦察机战术运用能力T为：

3.5 计算作战保障能力S

作战保障能力S与战术运用能力T运算模型相似，省略其中相同计算过程。参与作战试验的保障人员基本可以满足编制人数，使用式(19)得到人员满编率S1为：

使用式(21)得到保障人员的人装结合感受度比例S21为：

不同人装结合感受度人员在作战试验中发挥保障能力水平的不同概率，使用式(22)，得到不同感受度人员训练水平发挥程度矩阵S22为：

使用式(23)，得到保障能力的评价值S23为：

使用式(20)，参试人员保障能力发挥S2：

假设保障设备配套率S31，配套保障设备数量满足度S32的评分分别为“0.88，0.86”，各自指标权重ε31、ε32为“0.55，0.45”，使用式(24)，得到保障设备完备率S3为：

保障人员满编率S1，保障能力发挥S2，保障设备完备率S3的各项指标权重ε分别为“0.18，0.43，0.39”，使用式(18)，得到无人侦察机作战保障能力S为：

3.6 计算作战试验阶段作战效能EO

应用得到的可用性A、可信性D、作战能力C、战场对抗环境G、战术运用能力T、作战保障能力S，使用式(2)，得到无人侦察机作战试验阶段的作战效能EO为：

在作战试验中实战因素需要考虑的更为全面，与系统基本效能EB=A·D·C=0.826 6相比，引入对抗效能后的无人侦察机作战效能EO=0.600 4，虽然效能评估结果有所下降，但更能反映无人侦察机实际的作战能力，有利于辅助试验鉴定部门做出决策。

4 结论

从装备试验新模式的特点和要求出发，综合考虑参试人员和战场对抗环境对无人侦察机作战效能发挥的作用和影响，同时兼顾战时作战和保障的分工不同，改进了传统ADC模型。运用模型得到的评估结果可为无人侦察机系统的改进方向、战术保法研究提供参考。

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