机动性预测与分级：多轴汽车的实用技术

第四部分的内容主要是在明确任务的层面上进行了设定。本部分主要讨论如何将这些任务和环境同机动性联系起来，进而对车辆的机动性能进行预测和分级。

对轮式战术车辆来讲，机动性分级具有特殊重要的意义。首先，它是制订战术技术要求的依据；其次，它是车辆技术采用的依据。毫无疑问，为了获得适应能力强、机动性能优秀的车辆，就要付出成本的代价，这就需要从战场任务的角度将需求说清楚。所谓战术机动性的分级就是从车辆完成任务的“强度”出发，规定车辆所要达到的机动性等级，为制订战术技术指标和研制要求提供依据。

以下结合具体的实例，从相关的一些基本概念入手进行阐述。

（一）机动性预测的方法

在机动性预测的方法中，起重要作用的是机动性模型，如NRMM。该模型是一个对车辆在道路和越野条件进行机动性能分析预测的综合软件包。经过多年的改进，目前使用的是NRMMⅡ（1992）。该模型作为美国陆军和北约成员军队进行机动性评估的标准分析模型。

（二）任务评估速度和任务强度分级

根据地面严酷度指标，ERDC提出了相对任务强度指标（Mission Severity Rating，MSR）或任务强度指数（Mission Severity Index，MSI）的概念。例如美军根据MSR的不同定义了战术高（Tactical High）、战术标准（Tactical Standard）、战术支援（Tactical Support）等不同任务水平。

为了确定任务强度等级，首先要做以下的工作：

1.确定典型试验车型

任务强度分级只有根据各种典型车型制订的才具有广泛适用性，美军所用的试验车辆均为目前装备的主力车型，包括轮式和履带车辆，见表4-7。

表4-7 任务强度指标（MSR）分析使用的车辆

（续）

2.任务场境和任务评估速度

进行任务强度分析需要和机动性挂钩，就需要考虑车辆在不同地面的行驶车速。美军称为机动性评估速度，由此，可以导出任务评估速度（Mission Rating Speed，MRS）。也就是我们所说的加权统计速度，或平均技术速度。在同一条件（不同地面组合以及不同严酷度）下，评估速度越低，说明行驶的难度越大。

假设考核行程为L，考核总时间为∑i_jL/v_j，若令任务评估速度MRS=v，那么

式中 v——任务评估速度（平均技术速度，km/h）；

k——地面类型数；

i_j——不同路面的权重，注意∑i_j=1；

v_j——不同路面的行驶速度。

美军常将不同的道路（地面）按行驶的条件从易到难进行排列，并用参数VY来表示在“相对较好的”那些道路所占总里程的比例上的综合平均速度。例如：V90就是表示在90%的“相对较好的”道路上的平均速度。

用机动性评估速度可以导出任务评估速度，从而可对车辆通过不同地面时的机动性能进行量化评价和比较。导出时要同时考虑车辆在四种地面的比例分配和每种地面的严酷度指标。地面严酷度指标是根据每种地面对车辆的通过平均速度的影响不同而专门设计的。

首先对各种任务需要设计不同的任务场境（Scenario），任务场境包含两方面的内容：一是根据任务模式设置不同比例的地面，如主路、次路、便道和越野的比例；二是根据每种地面上的严酷度水平（Challenge Level）不同而设计。显然，任务场境的设定要比任务模式更加具体，并且与车辆的速度密切相关。实际上一种地面的严酷度水平主要是根据车辆行驶在该类不同等级的地面上对行驶速度的影响而设定的。一般来讲，对于一个特定的车辆，在主路的行驶速度高于在次路上的行驶速度；在次路的行驶速度高于在便道上的行驶速度；在便道的行驶速度高于在越野地面上的行驶速度。也就是说，越野行驶的难度高于其他道路。进一步，在每种地面上，又可根据对车速的影响分为不同的难度（严酷度）。如果把整个场境按难度级别设定的话，最小难度的场境就是在主路上最小严酷度水平地面上行驶，最大难度的场境就是越野地面上的最大严酷度水平下的场境（按0到100%计）。

为了表示任务的严酷程度，设计了一个0到1（或0%到100%）的数来代表任务强度指标（MSR），并指定最严酷的情况为：全部为越野路，并且全部是在最高的难度水平行驶时，任务的强度为1；全部为主路，并且最小难度水平最低时，任务的强度为0。

3.速度合成和任务强度分析

然后，要使用NRMM程序和统计的方法计算所谓的合成速度模式（Composite SpeedProfile）。合成速度模式是通过对多种车辆在不同的场境以及在不同的地区行驶性能的综合统计的结果。

图4-4是绘制的合成速度模式图。该图显示了这些车辆在四种地面下的合成速度统计结果。为了将四个速度量再进行合成，需要进行“正规化（也称归一化）”处理，将速度量变为0到1的数，做法是将每个速度除以每条曲线的最大速度。这样就得到了经过正规化处理的合成速度图（图4-5）。

为了计算方便，可以用曲线拟合的方法对数据进行处理。拟合方程的选择是人为的，方程中的参数用最小二乘法进行优选后得到。ERDC建议用式（4-2）来预测道路（主路、次路和便道）行驶的统计速度，用式（4-3）来预测越野地面行驶的合成速度。拟合的结果如图4-5虚线所示。从图中可以看出，车辆在越野地面上行驶与在各种道路上行驶随地面条件不同，变化速率也不同，前者行驶速度下降明显较快。

图4-4 合成速度

图4-5 正规化后的合成速度

式中 a、b——曲线拟合系数，见表4-8；

D——地面难度系数（以百分比表示的难度水平）；

S/S_MAX——速度比。

表4-8 曲线拟合系数

为了研究地面比例与不同地面上的合成速度对总体机动性能的影响，可以采取以下思路计算总体合成速度：

设路径总长为L，各分段里程为主路l₁、次路l₂、便道l₃、越野l₄，比例为i₁=l₁/L、i₂=l₂/L、i₃=l₃/L、i₄=l₄/L，并满足i₁+i₂+i₃+i₄=1。

各分段时间为主路t₁、次路t₂、便道t₃、越野t₄。

各分段速度为主路v₁、次路v₂、便道v₃、越野v₄，该速度可由NRMM计算得到。

这样，总体平均速度可按下式计算：

v=L/t （4-4）

其中，总时间t为

从而有

如果不考虑地面严酷度，则

v_max=v₁，对应MSI=0%（i₁=100%）(www.xing528.com)

v_min=v₄，对应MSI=100%（i₄=100%）

由此可知：

或

v=f（MSI）

其中，任务强度指数与任务场境的对应关系为

MSI～i₁，i₂，i₃，i₄

如果考虑地面严酷度D，则

其中，地面难度指数D₁、D₂、D₃、D₄为0%～100%的数。

从以上公式可知，v是多参数变量。

令：

v_max=v₁，对应MSI=0%（i₁=100%，D₁=0%）

v_min=v₄，对应MSI=100%（i₄=100%，D₄=100%）

则有

或

v=f（MSI）

即，任务强度指数与任务场境的对应关系为

MSI～i₁，i₂，i₃，i₄，D₁，D₂，D₃，D₄

从中可以看出，总体平均速度v在v_max和v_min之间，这样就可以根据v在v_max和v_min之间的相对位置确定任务强度指标MSR（MSI）的大小（按百分计），从而得到一个综合的任务强度和指数MRS～MSI的统计结果。

如果还要考虑气候的影响以及车辆单车或挂车的影响，情况将更加复杂，总之MRS～MSI是一个离散变量。

注意：任务强度的分级是一个相对的量，主要由各种车辆在各种道路上行驶的平均技术速度确定。

美军对大量数据分析的部分结果见表4-9。表中给出了标准的任务场境和对应的MSR数值。

表4-9 不同的任务模式和对应的任务强度指标

表4-9中显示对应战术标准（Tactical Standard）的任务水平要求的地面比例为20%主路、50%次路、15%便道和15%越野，且对应的地面严酷度分别为100%、100%、100%、80%，任务强度指标（MSR）为14.4；高战术性的车辆，地面比例为10%主路、30%次路、10%便道和50%越野，且对应的地面严酷度分别为100%、100%、100%、90%，任务强度指标（MSR）为44.4。

美军将表4-9中所列的三个任务水平作为标准固定下来。其中，各个典型任务水平和对应的任务强度指标（MSR）分别为：战术支援，MSR=5.5；战术标准，MSR=14.4；战术高，MSR=44.4。在分析具体某车辆的任务模式和机动性等级时作为参照基准。

值得指出的是，在实际中，任务模式（地面比例和难度水平）是多种多样的，远远超出表4-9所列的几种，按照上述分析方法对应每种任务模式任务强度指标（MSR）是唯一的。但反之却不成立，即对应一个任务强度指标（MSR），任务场境可以是多个！例如表4-10所示就是不同的任务场境，但MSR相近的情况。

表4-10 不同任务场境具有相似MSR

图4-6 轮式和履带战术车辆的任务强度指标

至于为什么将战术标准MSR确定为14.4？以下解释可以提供一定的根据：

图4-6所示为相似重量和尺寸的轮式车辆和履带车辆在多种任务场境下速度变化的结果。从中明显可以看出在低的MSR区域，轮式车辆的机动性能明显比履带式车辆优秀；而在高的MSR区域履带车辆具有优势。由于两种车辆速度的变化趋势不同（轮式车辆受地面环境影响比履带大），两个拟合曲线有一个交叉点。也就是说从机动性角度分析在该点以左，轮式车辆要好，该点以右履带车辆占优。而该点所对应的MSR点恰好与美军所定的战术标准点（MSR=14.4）相近。回顾战术标准点的定义：该点为“短时”越野行驶的机动性水平对应点。由此可知，越过该点将面临更加多的越野行驶路段，任务强度增大，对轮式车辆来说必须采取一定的措施，才能与主战装备履带式战术车辆的机动性能接近或匹配。可以预测高机动性战术车辆的变化趋势更加接近于履带车辆的变化趋势。

4.任务强度分析与机动性等级的关系

众所周知，车辆在不同地面行驶的机动性是衡量车辆整体性能的最重要的方面。在任务模式的制订过程中，也与机动性密切相关。从MRS～MSI图可以看出，所谓高机动的战术车辆应具备两点：一是需要在各种任务场境，尤其是在较严酷的任务场境下完成战术任务，在MRS～MSI图上表示为可以跨越的MSI范围较大，如可以达到任务强度为战术高的等级；二是在各任务强度尤其是高任务强度条件下具有较高的平均速度，在MRS～MSI图上用MRS表示。为了方便常常用对应几个标准的任务场境下的最低速度要求来表示。

这就不难理解在美军未来战术车辆的研制要求中，对机动性提出了如下要求的含义：

美军对FTTS MSV的机动性提出的要求：即该车辆在满载和带拖挂的情况下，在下述地区的任务评估速度（MRS）值满足表4-11的要求。

表4-11 FTTS MSV的任务评估速度要求

5.一些启示

1）为了使战术技术指标建立在较合理的基础上，美军十分重视在任务层次上的研究，并建立起一套科学的分析方法，将复杂的军事需求，转化为量化的任务模式，为战技指标的制订提供了科学坚实的基础。

2）在任务模式的制订过程中，重点放在机动性的预测与评价上，定义了不同地面的特征，提出了任务评估速度（MRS）、任务严酷度指标（MSR）、地面严酷度水平等重要的概念，并给出了标准的任务水平分类标准，使得任务的描述更加清晰。

3）形成了一整套制订任务模式的方法。该方法吸收了最先进的技术和多年的研究积累经验，具有很强的操作性，确保了分析结论的真实性和可信性。

4）在任务模式制订的组织方面，充分调动了国家各个部门和方面的资源和技术优势（如战区各种地理信息的获取），涉及单位密切的协调，使得分析工作在广度、深度以及效率等方面都达到了较高水准。

5）美军之所以取得如此成果，并始终处于前沿领域，显然，对人才的重视和充足的研究资金保证也是重要的因素。

6）我军关于车辆系统任务模式的研究有很大差距，导致了车辆的指标论证和考评方法仍然沿用多年的习惯。例如：无论对于不同车辆都用同一任务水平进行考核，这显然缺乏合理性。而美军基于战术背景，至少设立了战术支援、战术标准和高战术性三级水平；每个标准对应不同的任务水平（如各种地面的比例和严酷度不同）和相应的考核方法。

7）我军在一些影响车辆战技指标制订的关键性的基础工作缺乏。例如：典型道路的分类多年未加修改，有些地方明显含混不清，主要有两个方面：一是界限不清，例如所谓“乡村土路”“凹凸不平路面”“越野地面”“山区路面”等概念相互交叉难以区分；二是没有进行科学的定量描述，在考核与分析时具有较大的随意性，尤其是越野地面的定义十分含混。

8）对任务水平的分析离不开机动性能的分析，美国和北约经过多年的研究已形成了NRMM分析工具，该程序将地面和车辆有机地结合起来，对车辆在不同环境的机动性能进行预测和评估。而国内在这方面的研究严重滞后，体现在指标体系方面，无论是何种机动性的车辆看不出有什么区别。应重视该领域的研究工作，如目前较薄弱的软地面通过性、弯道行驶稳定性和越野平顺性等方面的理论、试验和技术的研究需要大大加强。

9）在组织方面，缺乏统一协调和资源共享，许多信息难以得到充分的利用，甚至重复劳动，使研究工作进展缓慢。应采取适当的措施，调动军内和地方各方面的积极性和资源，推进该领域的研究工作。