魚雷作戰效能評估方法綜述

韓建立，郭 聚，李新成，宋 冰

（1.海軍航空大學，山東煙臺 264001；2. 65529部隊，遼寧遼陽 111000）

1868年，世界上第1枚魚雷問世，經歷了100多年的發展和兩次世界大戰的檢驗，魚雷以其使用范圍廣、隱蔽性強、攻擊目標種類多樣、毀傷效果好等特點，成為海戰中的克敵利器[1]。

隨著國內外對武器裝備作戰運用研究的關注，武器效能評估逐漸成為研究熱點。魚雷作戰效能是其作戰運用的基本依據，目前，其研究已取得部分成果，但在評估可靠性、模型精細度、指標體系構成等方面還有待完善。本文旨在闡述魚雷作戰效能定義，總結歸納現有評估方法特點，提出未來魚雷作戰效能評估的發展方向。

1 魚雷作戰效能評估綜述

1.1 效能概念

效能含義豐富、使用場景眾多。我國軍用標準《裝備費用效能分析》（GJB 1364—1992）中對效能的定義[2-4]為：“系統在規定條件下達到規定使用目標的能力的大小?！毙芨鶕煌芯糠较蚝脱芯繉哟慰煞譃閱雾椥?、系統效能和作戰效能，如圖1。裝備完成某一項功能的能力稱為單項效能；裝備完成某項任務的能力稱為系統效能；裝備在戰場環境的條件下完成某項任務的能力稱為作戰效能。系統效能和單項效能屬于裝備的固有屬性。作戰效能是裝備在具體作戰環境中完成任務的能力，是1種使用效能[5-7]。這3種效能實際上是不同層次的子系統效能：單項效能是基礎，系統效能是裝備完成任務的程度，作戰效能是在系統效能的基礎上加入具體戰場環境后完成任務能力的體現。

圖1 效能概念之間的關系Fig.1 Relationship between effectiveness concepts

1.2 魚雷作戰效能定義

參照我國軍用標準《魚雷通用規范》（GJB 531B—2012）對魚雷作戰效能的定義[8]為：“在想定的環境條件下，對指定目標實施攻擊命令，攻擊過程中目標會實施火力對抗和水聲對抗干擾等措施，在該條件下對目標毀傷能力的量度。魚雷的作戰效能由可用性、任務可信性及作戰能力組成?！逼渚唧w定義見表1。

表1 魚雷作戰效能Tab.1 Torpedo operational effectiveness

魚雷作戰效能評估應包含的要素，如圖2所示。

圖2 魚雷作戰效能評估包含要素Fig.2 Elements of torpedo operational effectiveness evaluation

對魚雷進行作戰效能評估時，考慮到實際作戰環境的復雜多變，需要提前對作戰條件進行詳細、嚴謹地預設。對不同類型魚雷或同型號不同方案魚雷進行評估擇優時，須在相同的作戰環境下進行評估，以確保評估的準確性、公平性、合理性[9]。

1.3 魚雷作戰效能量度

根據不同情況，作戰效能量度的表示分為物理量和概率[10]。對于互逆性和唯一性任務，采用概率形式；對于不明確或不具體的任務，采用物理量形式。以單一參數描述作戰效能，是最簡單理想的情況，但對于復雜裝備、任務，其內部關系復雜，須采用多參數量度形式。

雖然魚雷的性能指標繁多，但作為1種武器，其唯一的作戰任務就是摧毀目標。這一任務具有單一、明確的特點，有清晰的框架，并且結果具有互逆性。因此，魚雷作戰效能可以采用單參數“概率”的形式表示[11]。

2 魚雷作戰效能分析方法

作戰效能評估自20 世紀60 年代發展至今，產生了很多經典的武器作戰效能評估方法。隨著科學技術的發展，評估理論呈現多學科融合的態勢。魚雷作戰效能評估方法分類，如圖3所示。下面，重點分析具有代表性的魚雷作戰效能評估方法。

圖3 魚雷作戰效能評估方法分類Fig.3 Classification of torpedo operational effectiveness evaluation methods

2.1 專家評估法

該類方法通常需要專家對指標的權重或能力參數進行打分，適用于一些難以量化的指標。該方法的局限性在于受主觀因素影響較大，過于依賴專家的經驗，實際操作時往往因為專家觀點的不同而導致評估結果的不穩定。在評估中，可以通過選取多個專家、豐富專家的來源層次等方法減小因專家主觀因素導致評估結果不穩定的影響。涉及專家評估法的方法有層次分析法、模糊綜合評判法等，下面，以層次分析法為例介紹。

該方法由美國學者Thmoes L.Saaty 于20 世紀70年代提出，是1種對多屬性指標進行定量、定性分析的評估方法，但該方法將指標關系簡單地表述為由上至下的傳遞關系，不能體現指標之間的反饋、耦合等關系。

文獻[12]采用層次分析法建立了魚雷武器系統的作戰效能評估指標體系，通過專家評估法確定指標權重，運用模糊理論確定指標分數，最終對兩型魚雷進行評估，確定兩型魚雷作戰效能。

2.2 解析法

該類方法是根據魚雷作戰中的相關指標建立模型，對魚雷作戰效能進行評估。該類方法主要有WSEIAC法、灰色評估法、信息熵評估法等。

2.2.1 WSEIAC法

20世紀中期，美國武器效能咨詢委員會提出該方法后，多種相關方法不斷衍生。其基本模型為：

式（1）中：E為魚雷的作戰效能；可用度A有2種狀態a1、a2，分別對應任務來臨時魚雷處于正常狀態或故障狀態的概率；可信度D有4 種狀態d11、d12、d21、d22，分別為魚雷發射前后均處于正常狀態的概率，魚雷發射前正常、任務中故障的概率，魚雷發射前故障、任務中正常的概率，發射前后魚雷均處于故障狀態的概率；作戰能力C有2種狀態c1、c2，分別為處于正常狀態的魚雷完成任務的能力和處于故障狀態的魚雷完成任務的能力。

文獻[13]、文獻[14]均運用了該方法。該方法的優點是可以通過相對較小的計算量得到較為準確的評估結果，且考慮因素比較全面。但當作戰過程復雜，當A、D、C中各個指標的維數增大時，矩陣的求解會占用大量資源，在加入維修、多任務、敵方對抗等條件后，該方法的求解將極為困難。并且，將狀態之間的轉換以概率的形式體現也過于簡單。

2.2.2 灰色關聯法

含有未知的、不確定的信息的系統稱為灰色系統。該方法利用已有的小樣本數據進行建模，模擬系統自身規律，根據信息覆蓋的原則，使整個系統由“灰”變“白”?；疑P聯法的核心是通過比較曲線間的擬合程度來獲得序列間的關聯程度。

魚雷作戰效能綜合評估時，部分因素存在信息未知、模糊的情況，而灰色關聯法正適用于解決此類問題。文獻[15]使用了灰色關聯法，并結合層次分析法和專家打分法對魚雷作戰效能進行評估?；疑P聯法需要的信息量適中，對原始數據要求少，既能考慮人為因素，又能保留底層因素，適用性廣、實用性強。

2.2.3 信息熵評估法

該方法通過將信息熵函數進行變換，來獲得裝備效能評估模型，并利用模糊的自信息量表示各系統效能的評估結果。文獻[16]從潛射魚雷實際使用出發，通過信息熵法對潛射魚雷作戰效能進行評估，構建了該武器的效能評估模型。

2.3 作戰模擬法

作戰模擬法是指建立模型，最大限度還原真實作戰場景，并通過模型的運行情況，研究作戰效能。模型種類多樣，其規模大小可根據需要調整，復雜程度可按實際情況設置。在魚雷作戰效能評估中，對魚雷攻擊過程進行建模仿真是作戰模擬法的典型代表。

以現役主流航空反潛魚雷為例，其攻擊過程，如圖4所示。

圖4 航空反潛魚雷工作流程圖Fig.4 Workflow diagram of the aerial anti-submarine torpedo

準備段是指從地面準備到投放前所進行的發射前準備的過程；投放段是指當反潛機接收到潛艇的相關要素后抵達發射陣位，并將魚雷投入海中，包括從魚雷開始投放至接觸水面的過程；搜捕段是指魚雷入水后自導系統工作，魚雷進入搜索彈道尋找目標的過程；跟蹤段是指魚雷搜索到目標后對其進行跟蹤的過程；毀傷段是指魚雷爆炸以摧毀目標的過程。依據其建立的攻擊過程的仿真模型，可獲得其作戰效能。

在投放段，文獻[17]研究了雷傘系統在受到擾動時的俯仰角度的變化，討論了雷傘系統的主要參數對空間彈道穩定性的影響。研究表明，雷傘系統能抵抗小擾動，但大擾動的抑制能力較低；在雷傘系統主要參數中，系統的總重、外形、傘雷體積比是導致穩定性發生變化的參數。文獻[18]建立了魚雷六自由度彈道模型，并對降落傘、雷傘連接點等作了簡化處理，研究發現：降落傘可以滿足系統的減速要求，魚雷的入水速度較低時可以獲得較好的入水姿態；但投雷高度過低會導致魚雷俯仰角數值過低，造成跳彈。文獻[19-20]建立了魚雷空中彈道模型、落點位置解算模型，通過仿真得到了投雷高度、投雷速度和風速風向對魚雷落點的影響。

在搜捕段，文獻[21]對潛艇非規避航跡上的回波反射強度變化進行仿真，結果對研究反潛魚雷搜捕概率的影響因素提供了理論依據。文獻[22]建立了潛艇運動模型，以反潛魚雷進行螺旋搜索為例，建立反潛魚雷搜索發現目標模型，采用蒙特卡洛法進行仿真。得到自導作用搜索距離、水下目標運動狀態與反潛魚雷搜捕概率的關系。文獻[23]建立了聲吶浮標基于潛艇航深的檢測模型，討論了潛艇運動參數和海況對聲吶浮標搜捕概率的影響，對反潛魚雷搜捕目標有借鑒意義。

在跟蹤段，文獻[24]建立了固定提前角追蹤潛艇的數學模型，對雷目速度比、自導作用距離、接敵角等影響因素進行仿真，獲得各參數對追蹤概率的影響。文獻[25]仿真了benchmark 潛艇目標強度在魚雷采用3種典型追蹤方式下的過程，仿真結果表明：在采用固定提前角作為追蹤方式的情況下，目標強度隨著提前角的增大而降低。文獻[26]采用MATLAB 建立魚雷尾追彈道模型并仿真得到魚雷尾追彈道。

在毀傷段，文獻[27]在魚雷毀傷概率模型的基礎上加入命中概率、潛艇艙段毀傷程度、潛艇要害指數、毀傷效果累計系數等指標，對魚雷毀傷效果進行了較為全面的評估。

通過全過程的模型仿真，模擬再現了魚雷投放、入水、搜索、跟蹤、毀傷的全過程，可以為魚雷的實際作戰使用提供依據。

模型仿真法通過計算機仿真獲得了魚雷作戰效能評估數值，節省了因復雜繁瑣的實戰演練而消耗的時間和經費。但對于對抗條件、武器裝備協同的考慮卻不夠充分，細節也不夠統一，這是該方法應用于魚雷作戰效能評估時需要改進的地方。

2.4 試驗統計法

該方法是通過現場試驗的方法得到全面真實的試驗數據，對試驗數據進行統計分析，得到系統效能值。常用的方法有假設檢驗、參數估計、抽樣調查等。

試驗統計法是效能評估的最可靠方法之一，適合在大型實裝實彈演習時使用。該方法能準確得到裝備作戰效能，但試驗需要大量人力、物力、財力且耗時巨大，對一些在論證、研制初期的裝備難以進行評估。

2.5 新興評估方法

隨著信息化聯合作戰的不斷深入，戰場的復雜程度不斷提升，傳統評估方法已不能滿足現代戰場需求，于是各種智能算法被引入作戰效能評估中。以神經網絡為例，其具有自學習功能，通過對歷史數據的訓練得出結果，用戶將訓練結果與期望結果進行比對，調整優化各指標權重，最終獲得裝備的真實評價結果。該方法既能完成單個裝備的效能評估，也可完成多個裝備的效能比較分析，是作戰效能評估走向智能化的1個標志。文獻[28]運用神經網絡法對魚雷主要性能參數進行仿真優化。該方法計算時間明顯縮短，可進一步運用到復雜的多參數系統中。文獻[29]建立了基于神經網絡的魚雷作戰效能模糊綜合評價模型，克服了人為因素的干預，充分利用了專家的經驗使仿真結果可行有效。

3 魚雷作戰效能評估展望

3.1 將新理論與作戰效能評估相結合

魚雷作戰效能評估的原始資料有限，且分散難收集，在很多數據缺失的情況下，應充分運用智能學習算法，如神經網絡等，對數據信息進行深度挖掘，提取其中有用的部分進行歸納總結，提高魚雷效能評估的可靠性。不斷提高新數學理論、智能控制理論在評估中的應用比例，使魚雷評估朝著信息化、現代化的方向發展。

3.2 建立高精度動態模型

目前，對魚雷作戰效能評估的方法多為傳統的評估方法，這些經典的評估方法都屬于靜態分析，得到的效能指標只能反映魚雷的靜態能力屬性，其與實戰中的復雜作戰想定背景下的對抗條件屬性有一定區別，此類方法雖能滿足對魚雷武器裝備的初步總體論證需求，但不能很好地反映整個攻擊過程效能的波動情況，越發難以滿足貼近實戰化作戰的要求理念。在本文2.3中有大量運用仿真法評估魚雷作戰效能的實例，但模型主要集中于彈道仿真、自導模型檢測方面，且受限于文章篇幅，實例多是討論某一特殊情況對魚雷作戰效能的影響，其精度普遍不高，考慮戰場環境及潛艇目標的要素較少，對一些復雜過程只能通過簡化模型得到近似值。下一步要加強動態仿真模型的建立，不斷提高作戰模型的精度，完善對魚雷動態全過程能力屬性的評估。

3.3 多種方法對比分析

目前的研究多采用單一方法對某一魚雷進行分析和研究。這種單一對象、單一方法的作戰效能評估在可靠性、合理性和有效性上缺乏支撐?；诖?，在未來的評估中：一是要采用多方法評估，并對結果進行驗證、比對，進一步提高評估效果的合理性和科學性；二是要對輸入的原始數據、評估模型進行置信度檢驗，提高評估結果的真實性。

3.4 明確相關概念、統一評估指標

只有完善的指標體系和成熟的評估方法才能對評估結果進行比較分析，才能達到“以評領戰，以評促戰”的目的。魚雷作戰效能評估雖有明確定義，但在作戰效能評估中仍存在概念不統一的現象，如對“作戰效能”“系統效能”等概念的理解存在偏差。評估標準和方法的變化會影響評估結果的穩定性，使得不同評估結果缺乏對比性。這就要求規范描述作戰行動、作戰評估及作戰效能評估中涉及的相關概念，統一魚雷作戰效能評估指標體系（如規定目標潛艇性能參數、統一仿真模型等），以提高評估結果的通用性。

3.5 深入開展體系效能評估研究

進入21世紀，體系作戰被世界各國關注?，F代化戰爭中投入的裝備種類越來越多，裝備之間的協同作戰構成的體系對抗成為決定戰斗勝負的關鍵點。在此背景下，獨立研究裝備的作戰效能已不能全面衡量裝備效能，必須考慮裝備對體系作戰效能的提升能力，即體系貢獻率?，F代海戰中，魚雷因具有高效反潛的優勢，其作戰效能和體系貢獻率不斷提高，對其進行體系效能評估研究在裝備使用和發展中具有重要意義。