自动步枪系统效能评估框架研究*

兰小平，邓伟倩*，卢大斌，李凤霞，刘照茜

（1.中国兵器工业信息中心，北京 100089；2.瞬态冲击技术重点实验室，北京 101200；3.哈尔滨龙江特种装备有限公司，哈尔滨 150050）

0 引言

自动步枪随着新材料、新结构、新工艺、新技术的发展而大量运用，向小口径化、轻量化、通用化、枪族化、高精度化的方向发展，其战斗力和系统效能更是产生了极大的飞跃［1］。针对自动步枪研究与创新系统效能评估方法，对于分析研究我军和外军的自动步枪的战术技术性能和系统效能，了解和掌握我军自动步枪在世界上的技术先进性和所处的位置，清晰定位发展水平、顶层规划路线，明确发展方向与重点等基础工作，具有非常重要的理论意义和实际应用价值。

自动步枪系统效能是全面评估自动步枪优劣最主要、最有效的手段，为论证设计、作战运用、军事部署提供依据，是自动步枪在作战对抗过程和作战结果中判定作用的主要方法，对于全面搞好装备建设和装备论证具有十分重要的意义［2］。

对于评估指标体系，自动步枪系统效能评估指标体系是由一系列评估指标构成。唐世庆、柯铧等建立的指标体系主要考虑了机动性和火力性能指标［1-2］；张静等考虑了火力、机动、人机功效指标等［3］；AYDOGAN 等主要考虑了命中概率、最大射程和战斗射速等因素建立指标体系［4］。这些文献建立的步枪指标体系只是侧重火力性能和机动性指标或者指标细化不够、体系不完备，不能对自动步枪的系统效能作出全面综合的评估。

在自动步枪系统效能评估方法上，OKUL 等针对系统效能信息的不完备性，提出组合随机多属性效度分析和理想解排序的机枪动态效能评估方法［5］。王军鹏对步兵班组武器、编配、人员综合建立评估指标体系后，建立指数模型评估不同班组的作战效能［6］；张宇等针对地面无人作战系统，以能力构想为核心，基于感知、决策、行动作战环路建立评估指标体系，基于作战试验获取数据，多维对比分析作战效能［7］；章勇等基于视景仿真对抗，建立数值仿真模型，评估枪械的作战效能［8］。这些方法主要采用某一种方法进行作战效能评估，存在着片面性和不合理性，而且数据来源是仿真数据，对于系统效能评估并不适合。

针对自动步枪的系统效能大多注重单项性能指标的提升，尤其是直射距离、命中率、毁伤能力等火力性能指标，在作战使用中暴露出来的可靠性不高、作战环境适应性不强等问题比较突出，缺少从系统角度多种综合作用下的系统效能评估。为解决上述问题，本文提出一种自动步枪系统效能评估框架，从评估指标体系、评估模型和评估结果等方面，从整个系统上提升其综合作战能力，采用多种评估模型，综合提高评估的科学性、合理性，正确分析和评估自动步枪能力存在的薄弱环节，为自动步枪武器装备建设的发展目标和发展方向提供定量的数据支持。

1 自动步枪系统效能评估框架

1.1 自动步枪系统效能

自动步枪是指首发后靠火药气体压力及弹簧的作用力完成推弹、闭锁、击发、退壳和供弹等一系列动作的连发步枪。

系统效能又称综合效能，指武器系统在一组特定任务要求的能力（度量）；或者说是系统在规定条件下达到规定使用目标的能力。“规定条件”指的是环境条件、时间、人员、使用方法等因素；“规定使用目标”指的是所要达到的目的；“能力”则是指达到目标的定量或定性程度［9］。

自动步枪系统效能评估是自动步枪在规定条件下完成特定任务的能力进行度量的过程。针对自动步枪全武器系统进行评估，反映的是整个自动步枪系统的效能，具有很强的实用价值，它分析因素全面，是系统地分析武器装备完成任务的有力工具，自动步枪系统效能的这种“本领”，既取决于武器装备本身的性能，又取决于武器装备系统的组成结构。

1.2 评估框架

自动步枪系统效能评估框架如下页图1 所示，该框架分为4 部分：军事需求分析、系统效能评估指标体系、评估模型、评估结果的综合。评估的主要流程是在分析自动步枪的典型作战和环境（山地和城市），总结其使用特点和环境要求的基础上，构建基于自动步枪战术技术性能数据的系统效能评估指标体系，深入剖析自动步枪的性能数据和评估指标的关联关系，确定各单项评估指标的聚合模型，根据需要选择多种评估算法进行评估，将多个评估结果进行分析，再将评估结果进行组合，得到最终的评估结果。

图1 自动步枪系统效能评估框架Fig.1 System effectiveness evaluation framework of automatic rifles

2 自动步枪系统效能评估军事需求分析

自动步枪系统效能的发挥与作战样式联系紧密，其作战的地形特征、自然环境与气候特点都极大地限制或影响着自动步枪系统效能的发挥，其中，自动步枪使用最为典型的作战样式是山地作战和城市作战，因此，自动步枪系统效能评估分析山地作战和城市作战对自动步枪的各种要求，汇总到自动步枪的系统效能评估中。

2.1 山地作战

山地作战对自动步枪最基本的要求就是能适应山地恶劣的自然环境，在作战使用过程中可靠性高，易于日常维护［10］。

根据山地自然环境的特点以及作战使用的方便性等因素，对自动步枪要求具有较高的首发命中率、较强的持续火力、操作简便、便于伪装、方便安装观瞄设备，以及高可靠性，维修保养简单。山地作战运动海拔差异大，要求自动步枪不能太重，外形尺寸不能太长，不仅要方便人员携行，也要便于车辆运输和补给。在高海拔地区，士兵负荷越轻越好，自动步枪必须轻量化、精确化，以适应未来山地作战的特点，减少山地对自动步枪的影响。

2.2 城市作战

城市作战是未来信息化作战样式中的非常重要的一种形式，它将在错综复杂、紧张激烈的战场环境中展开，其城市建筑密集、街区复杂、地下设施完善，利于隐蔽，地形变化速度大。

城市作战对自动步枪要求最好枪身短、重量轻、威力大，功能集成，武器模块化、通用性强。作战人员在巷战中，甚至小房间、船舱、城市下水通道时，能够迅速发扬火力，消灭敌人。还具有全天候作战能力，瞄准装置的体积和质量更小。需要灵活便携，射出的枪弹不反跳，实现拐弯瞄准和射击等。

3 自动步枪系统效能评估指标体系

评估指标体系是对一系列评估指标要素，按照一定的结构层次关系进行组合排列的有机的整体［11］。科学合理的系统效能评估指标体系是自动步枪整体综合性能和作战效能的集中体现，是系统效能评估研究工作中最关键、最基础的环节。

根据自动步枪的作战任务和作战需求，结合作战样式分析以及对自动步枪的影响，基于自动步枪的战技指标和性能参数，建立自动步枪的系统效能评估指标体系，如图2 所示，归纳为：机动能力、火力打击能力、适应能力、生存能力、可靠性和寿命6个方面。

图2 自动步枪系统效能评估指标体系Fig.2 Evaluation indicator system of automatic rifle system effectiveness

3.1 机动能力

信息化作战对单兵的集结、开进、展开、转移提出了更高的要求，要求自动步枪轻便利于机动。自动步枪的机动性由自动步枪本身的长度、重量、人机工程特点、携弹量、携弹方式等因素共同决定。考虑到影响系统效能机动能力的重要性和指标数量，选取了全枪重、全枪长和携弹量3 个指标。

3.2 火力打击能力

自动步枪的火力打击主要体现在发现目标、命中目标和毁伤目标3 个方面。火力打击体现在发现目标的能力，发现后射击才能命中目标，命中目标是射击目标的结果，毁伤是命中效果的具体体现［12］。

发现目标能力选取昼间观瞄放大倍数和夜视观瞄放大倍数两个指标评估。

命中目标能力主要考虑自动步枪的有效射程、战斗射速、单发射击精度、点射射击精度共4个指标。

毁伤能力主要从弹头的动能判断毁伤能力的大小，主要由子弹的质量、速度和射弹数量决定，依据系统效能评估的需要和评估的方便性选取身管口径、射弹初速和弹夹容量作为评估指标。

3.3 适应能力

适应能力是指自动步枪在作战使用中对环境、人员、战术、勤务、维修、保障等方面的适应能力。主要考虑人员适应性、环境适应性和战术适应性3 个评估指标，可由专家给出等级评价。

3.4 生存能力

生存能力指自动步枪在敌我对抗打击下的生存情况。根据自动步枪的特点选择膛口噪声、膛口烟火两个指标衡量。

3.5 可靠性

自动步枪的可靠性主要描述在执行任务过程中可靠工作能力的大小。自动步枪构成相对简单，其可靠性一般由故障率给出［13］。

3.6 寿命

自动步枪的寿命一般采用设计寿命指标衡量，一般为10 000～15 000 发。

4 自动步枪评估模型

自动步枪的评估模型是在建立评估指标体系的基础上，根据评估指标数据采用一定的算法得到一维的评估结果。评估模型主要包含两个方面：武器性能数据聚合为单项评估指标的聚合模型和基于各单项评估指标评估出系统效能的评估算法模型。

4.1 单项指标聚合模型

单项指标聚合模型主要是针对自动步枪的武器性能数据，逐一落实评估指标数据的来源，明确处理方法和计算模式，同时落实由定性数据转换为定量数据的方法［14］。在进行单项评估指标聚合时根据下层指标和上层指标的关系，采用“并”“与”“混”3 种方式进行聚合。

1）并聚合：也就是加权和，下层指标以不同的权重聚合到上层评估指标，任一指标相互独立、并列存在，任一指标都是对上层指标的体现，此时指标聚合关系记为“并聚合”，以⊕表示。例如，机动能力是由全枪重、全枪长和携弹量3 个指标以“并”关系聚合。

2）与聚合：也就是加权积（幂函数法）。对于上层评估指标而言，虽然每个下层评估指标的权重不同，但都不可或缺，只要任意一个下层评估指标为0，都会导致上层系统效能评估指标为0，此种上下层指标的聚合关系称为“与聚合”，以⊗表示。例如，火力打击能力由发现目标、命中目标和毁伤目标以“与”关系聚合。

3）混聚合：此种指标聚合关系是“并聚合”、“与聚合”的混合，即一些指标为“并聚合”，另外一些指标“与聚合”。

自动步枪系统效能评估的单项指标聚合模型主要区分为机动能力聚合模型、火力打击能力聚合模型、适应能力聚合模型、生存能力聚合模型、可靠性聚合模型、寿命聚合模型。

1）机动能力聚合模型

影响自动步枪机动能力的主要有全枪重、全枪长和携弹量等因素，3 个因素没有相互影响关系，因此，采用“并聚合”（加权和）方式建立自动步枪机动能力聚合模型，机动能力=全枪重⊕全枪长⊕携弹量。

式中，N 为自动步枪的机动能力；G 为全枪重；L 为全枪长；Y 为携弹量；G0、L0、Y0分别为参考型号自动步枪的指标；Gi、Li、Yi分别为某型步枪的各指标；ωg、ω1、ωy分别为全枪重、全枪长和携弹量对于机动能力所占权值，可以由层次分析法确定。

2）火力打击能力聚合模型

火力打击能力= 发现目标能力⊗命中目标能力⊗毁伤目标能力=（昼间观瞄放大倍数⊕夜视观瞄放大倍数）⊗（有效射程⊕战斗射速⊕单发射击精度⊕点射射击精度）⊗（身管口径⊕射弹初速⊕弹夹容量）。

3）适应能力聚合模型

适应能力=人员适应性⊕环境适应性⊕战术适应性。

4）生存能力聚合模型

生存能力=膛口噪声⊕膛口烟火。

5）可靠性聚合模型

可靠性=故障率。

6）寿命聚合模型

寿命=设计寿命。

4.2 评估算法模型

根据自动步枪系统效能评估实际需求和特点，一级指标相互之间没有相互联系的物理关系，采用简单的聚合算法会对评估结果产生影响，因此，期望筛选多种评估算法模型，相互弥补缺点、突显优点，实现优势互补，得到比较合理的评估结果。

采用的评估算法模型主要有：加权和法、加权积法、理想点法、模糊综合评判法、灰色关联分析法、雷达图法等［15-18］。

1）加权和法是一种最常被采用简单易用，最易被理解的方法，适合各评估指标相互独立，指标间完全可以互补偿。

2）加权积适用各指标间有较强关联，符合“木桶原理”。

3）理想点法符合通常人们认识事物的方法，简单实用，客观性较好，适合于评估主体对评估指标没有明显偏好的体系。

4）模糊综合评判法较好地解决了判断的模糊性和不确定性问题，数学模型简单，容易掌握，对因素、多层次的复杂问题评判比较好，但它并不能解决评估指标间相关造成的评估信息重复问题，其评估过程大量运用了人的主观判断。

5）灰色关联分析法可以较好地解决评估指标难以准确量化和统计的问题，排除了人为因素带来的影响，数据不必归一化处理，可用原始数据进行直接计算，可靠性强，只要有代表性的少量样本即可。

6）雷达图法将多维空间点映射到二维空间，可以给出评价结论的直观表达、易于操作，综合了整体性和各指标均衡性。

针对需要评估的自动步枪型号种类、评估任务的需要、评估数据的数量等选择几种评估方法对评估对象进行评估，并得到多个评估结果。

5 评估结果的综合

评估结果的综合是将得到的多个评估结果进行综合从而得到一个评估结果的过程。首先对评估结果进行检验分析，其评估结果之间能够相互印证，它们具有相容性和一致性，对它们的组合才是有效的。其次是将相容性一致的评估结果，通过适当的方法组合成单一评估结果，作为最终的评估结果。评估结果的综合比单一评估方法得到的评估结果更合理、更科学，因为它克服了单一评估方法的缺陷，同时吸收了多种评估方法的优点，对被评对象作了更为全面、合理的评估，同时评估结果的排序结果更加趋于稳定、一致，显示出较强的合理性。

评估结果综合的过程包括评估结果分析、评估结果组合两个主要过程。

5.1 评估结果分析

评估结果分析主要是对评估结果是否具有相容性和一致性进行分析，其基本思路是“少数服从多数”，也就是评估结果集有多数结果比较一致，少数结果不一致，组合时将一致的多个评估结果进行组合。评估结果分析主要采用肯德尔和谐系数法分析。

肯德尔和谐系数法就是按照被评估对象的评估结果所获得的等级以及等级之间的差异，来衡量评估方法的评估结果的一致性［17］。如果多个评估结果计算的肯德尔和谐系数大，则表明多个评估方法的评估结果较一致；相反，肯德尔和谐系数小，则评估方法之间一致性较差，分歧较大，其准确性自然很低。

肯德尔和谐系数的计算公式：

肯德尔和谐系数的计算结果在（0，1）之间。从系统效能评估结果的准确性角度看，希望各种评估方法的结果最好趋于一致。而检验结果的一致性，则借助肯德尔和谐系数显著性检验的临界值来确定。

肯德尔和谐系数w 的显著性检验步骤如下：

1）建立假设

H0：k 个变量不一致（w=0）；

H1：k 个变量一致（w＞0）。

2）确定检验统计量

当b≤7 时，检验统计量为

当b＞7 时，检验统计量为

3）在α 显著水平下进行统计决策

当b≤7 时，可以通过查询肯德尔和谐系数临界表的s*值，如果S≥s*，则拒绝H0；反之，则接受H0。

5.2 评估结果组合

评估结果的组合是指将各种不同评估方法得到的评估结果，按照一定的方法或原则组合形成新的结果的过程。自动步枪系统效能评估结果的组合采用基于整体差异的评估结果组合方法，实例证明该方法组合结果精确、过程简洁透明、易于实现［18］。

yij为第i 种评估方案在第j 种评估算法下的评估值，其中，i=1，2，…，k，j=1，2，…，b。

式中，xij为第i（i=1，2，…，k）个评估方案在第j（j=1，2，…，b）种评估方法下的评估值。

对于变量Z 的样本方差为

计算各方案的组合评估值，并按组合评估值大小进行排序。

6 实例分析

自动步枪评估指标体系是综合集成山地和城市两种典型环境下系统效能的构成要素和特点建立的，因此，评估山地或城市作战环境下的系统效能，可以根据作战环境和评估指标的关系，采用层次分析法确定指标的权重，也就是说将作战环境的影响反映在权重里，两种环境下的评估过程相似，限于篇幅，仅就山地作战环境下的自动步枪系统效能评估进行实例分析。

采用自动步枪系统效能评估框架，对于4 种典型国内外自动步枪进行山地作战环境下的系统效能评估，依据评估指标体系得到如下页表1 所示的参数表。

表1 4 种自动步枪评估指标参数Table 1 Four kinds of evaluation indicator parameters of automatic rifles

4 种自动步枪系统效能评估的过程如下：

1）评估指标的数据处理

主要是对定性指标定量化，设定标准数据，进行规范化处理形成规范化矩阵数据Y。

2）采用评估指标聚合算法模型

得到4 种自动步枪一级指标评估结果如表2所示。

表2 自动步枪系统效能一级指标评估结果Table 2 First-class indicator evaluation results of automatic rifle system effectiveness

3）采用评估算法模型

根据评估对象为4 个以及评估指标体系的各个指标关联性不强，定量数据较多，故选用加权和法、理想点法、灰色关联分析法、雷达图法等4 种评估算法进行自动步枪效能评估，结果如表3 所示，不难看到，采用的4 种评估算法得到的系统效能评估结果是不完全相同的，分析其原因，模型原理侧重点不同，算法操作选取的方向各异，所以4 种算法系统效能的评估结果也不相同。

表3 自动步枪系统效能评估结果Table 3 Evaluation results of automatic rifle system effectiveness

4）评估结果的综合

由公式计算出评估结果的肯德尔和谐系数为0.90，则4 种评估算法的评估结果集的一致性较好，满足组合的条件。采用基于整体差异的评估结果组合方法进行组合得到4 种自动步枪（美M16A2、俄AK74、中××式、奥AUG）的评估结果为（0.83、0.68、0.82、0.76）。

通过对4 种自动步枪的评估结果分析综合，得到评估结果可以看到，优劣顺序为：M16A2＞中××式＞奥AUG＞俄AK74。从优劣顺序上看，与灰色关联分析法完全一致；加权和法的M16A2 和中××式的评估结果完全相等；理想点法的M16A2、中××式的评估结果几乎相等，而优劣顺序与综合结果不同；雷达图的M16A2、中××式和奥AUG 的评估结果几乎相等。综合后的结果兼容了4 种评估结果，相对而言更加合理。从军事角度分析俄AK74 自动步枪主要是研制时间早，火力打击能力较弱，精度较差，没有配备观瞄仪器，但可靠性好。从一级指标可以看出，俄AK74 贯彻了俄式轻武器强调可靠、简单、实用，美M16A2 强调武器的精度和功能的扩展性，可靠性放到次要位置。而中××式是自动步枪融合了美俄的长处，因此，系统效能优秀。奥AUG自动步枪也是处于美俄之间。可见综合评估结果与自动步枪的性能对比分析结果比较一致。

7 结论

自动步枪系统效能评估框架，主要对于多型自动步枪的系统效能评估给出了可行性的思路和方法指引，从军事需求、评估指标体系、指标聚合、评估算法、评估结果的综合等方面，给出了具体的方法，具有直观、简明、可靠等特点，对于指导自动步枪系统效能研究提供理论指导和实用参考。

今后在对自动步枪进行系统效能评估时，要根据自动步枪的使用环境和面临的作战使用问题，依据评估方法的特点而选取评估模型进行评估，尤其需要增加元评估研究，提高评估的信度和效度。