楊哲, 李曙林, 周莉,2, 尹俊杰

(1.空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院, 陜西 西安 710038;2.中國(guó)人民解放軍 95118部隊(duì), 湖北 當(dāng)陽(yáng) 444100)

網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下作戰(zhàn)體系生存力綜合權(quán)衡設(shè)計(jì)

楊哲1, 李曙林1, 周莉1,2, 尹俊杰1

(1.空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院, 陜西 西安 710038;2.中國(guó)人民解放軍 95118部隊(duì), 湖北 當(dāng)陽(yáng) 444100)

針對(duì)體系作戰(zhàn)已成為現(xiàn)代空戰(zhàn)的主要作戰(zhàn)模式,研究了體系生存力綜合權(quán)衡設(shè)計(jì)的方法。提出了網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)條件下作戰(zhàn)體系生存力的概念,基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論建立了體系作戰(zhàn)的網(wǎng)絡(luò)模型;根據(jù)體系作戰(zhàn)的特點(diǎn)研究了體系生存力的評(píng)估方法,并以單位費(fèi)用獲得的生存力為基礎(chǔ)對(duì)體系生存力設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合權(quán)衡。仿真結(jié)果表明,所提方法可用于指導(dǎo)作戰(zhàn)體系生存力設(shè)計(jì)。

網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn); 體系生存力; 評(píng)估; 綜合權(quán)衡

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)具有作戰(zhàn)領(lǐng)域多維化、作戰(zhàn)力量聯(lián)合化的特點(diǎn),作戰(zhàn)行動(dòng)主要體現(xiàn)為體系與體系的對(duì)抗,作戰(zhàn)形態(tài)也正由平臺(tái)中心戰(zhàn)向網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)轉(zhuǎn)變[1]。因此,迫切需要開(kāi)展對(duì)武器裝備體系生存力的相關(guān)研究。提高作戰(zhàn)體系的生存力,可以通過(guò)提高作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的生存力、增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的作戰(zhàn)效能、提高節(jié)點(diǎn)間戰(zhàn)場(chǎng)信息互通和共享程度等措施實(shí)現(xiàn),但這必然會(huì)以增加費(fèi)用為代價(jià),因此,體系生存力設(shè)計(jì)是一個(gè)效益與代價(jià)的綜合權(quán)衡過(guò)程,要對(duì)上述增強(qiáng)措施進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)和權(quán)衡才能獲得效益最大的體系生存力設(shè)計(jì)方案。

目前在飛機(jī)生存力的權(quán)衡設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的成果[2],但尚未發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)條件下作戰(zhàn)體系生存力權(quán)衡設(shè)計(jì)相關(guān)的文獻(xiàn)。本文從作戰(zhàn)體系生存力的概念、網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、作戰(zhàn)體系生存力綜合權(quán)衡設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了研究及仿真分析,以指導(dǎo)作戰(zhàn)體系生存力設(shè)計(jì)。

1 作戰(zhàn)體系生存力概念的提出

體系作戰(zhàn)是現(xiàn)代空戰(zhàn)的主要作戰(zhàn)模式,因此有必要延伸飛機(jī)生存力的概念,提出作戰(zhàn)體系生存力的概念。

飛機(jī)生存力是指飛機(jī)躲避或承受人為敵對(duì)環(huán)境的能力,即飛機(jī)不被擊中或擊中后能繼續(xù)執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)的能力,與飛機(jī)的敏感性、易損性、作戰(zhàn)能力、戰(zhàn)傷搶修性有關(guān)[3]。對(duì)應(yīng)于飛機(jī)生存力,體系生存力是指在網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)條件下,武器裝備體系經(jīng)過(guò)對(duì)抗后能繼續(xù)執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)的能力,即體系不被威脅殺傷、殺傷后能通過(guò)體系重組迅速恢復(fù)戰(zhàn)斗力的能力,與作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)生存力、體系作戰(zhàn)能力和體系重組能力有關(guān)。

2 網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

2.1 作戰(zhàn)體系的網(wǎng)絡(luò)化抽象

在圖論中,網(wǎng)絡(luò)是由節(jié)點(diǎn)集V和邊集E組成的圖F=(V,E),E中每條邊都有V中一對(duì)點(diǎn)與之相對(duì)應(yīng),網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建最終歸結(jié)為節(jié)點(diǎn)和邊的生成和演化規(guī)則。本文把各個(gè)作戰(zhàn)個(gè)體看作節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)之間的信息交流看作邊,這樣網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)就抽象為一張有N個(gè)節(jié)點(diǎn)和M條邊的無(wú)權(quán)、無(wú)向、稀疏連通圖。

2.2 網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建

2.2.1 模型構(gòu)建原理分析

(1)節(jié)點(diǎn)的分類。體系作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)種類繁多,類型各異,對(duì)于空戰(zhàn),體系中節(jié)點(diǎn)主要包括預(yù)警機(jī)、雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)、探測(cè)偵察衛(wèi)星、有人/無(wú)人偵察飛機(jī)、指揮中心、網(wǎng)絡(luò)通信基站、通信衛(wèi)星、各類殲擊機(jī)等。因此從宏觀上將節(jié)點(diǎn)劃分為傳感器節(jié)點(diǎn)、指揮控制節(jié)點(diǎn)和火力打擊節(jié)點(diǎn)3類。

(2)節(jié)點(diǎn)間連接的原則和假設(shè)。指揮控制節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)指揮控制節(jié)點(diǎn)間的組織協(xié)同,并與傳感器節(jié)點(diǎn)和火力打擊節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)信息交流;不同的傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以實(shí)現(xiàn)探測(cè)信息的共享,不同的火力打擊節(jié)點(diǎn)之間可以實(shí)現(xiàn)火力打擊信息的共享。

(3)節(jié)點(diǎn)間連接方法的具體化。指揮控制節(jié)點(diǎn)具有縱向指揮和全局性的特點(diǎn),同時(shí)由于作戰(zhàn)形勢(shì)的多變性,該類節(jié)點(diǎn)還存在一定的動(dòng)態(tài)隨機(jī)指揮;因此指揮控制節(jié)點(diǎn)的連接方式主要為全局范圍內(nèi)的擇優(yōu)連接,同時(shí)存在小概率的隨機(jī)連接。擇優(yōu)連接是指新加入的節(jié)點(diǎn),選擇與網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)中度數(shù)[4]最大的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接;隨機(jī)連接是指新加入的節(jié)點(diǎn),隨機(jī)選擇與網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的某個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。由于體系作戰(zhàn)中網(wǎng)絡(luò)被劃分為執(zhí)行不同任務(wù)的多個(gè)作戰(zhàn)單元,因此,傳感器節(jié)點(diǎn)和火力打擊節(jié)點(diǎn)主要采用與同類節(jié)點(diǎn)的單元內(nèi)擇優(yōu)連接,和與小概率的單元外隨機(jī)連接的方式。

2.2.2 模型構(gòu)建算法

將指揮控制節(jié)點(diǎn)稱為重要節(jié)點(diǎn),傳感器節(jié)點(diǎn)和火力打擊節(jié)點(diǎn)統(tǒng)稱為一般節(jié)點(diǎn),基于2.2.1節(jié)的分析,建立如下的網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建算法:

(1)設(shè)節(jié)點(diǎn)總數(shù)為N,由少量的全互連節(jié)點(diǎn)開(kāi)始(N0個(gè)),每間隔時(shí)間t加入1個(gè)新節(jié)點(diǎn)。當(dāng)N0+t×1≥N時(shí),程序結(jié)束;

(2)以概率Pz加入重要節(jié)點(diǎn),且該節(jié)點(diǎn)帶Nz(Nz0.5)與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擇優(yōu)連接,以概率1-Pz1與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)連接;

(3)以概率Py=1-Pz加入一般節(jié)點(diǎn),且以概率Pyc和1-Pyc將一般節(jié)點(diǎn)分別設(shè)定為傳感器節(jié)點(diǎn)和火力打擊節(jié)點(diǎn),兩種節(jié)點(diǎn)分別帶Nyc和Nyh(Nyc0.5)在d<3的局域內(nèi)與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接,連接方式為混合連接,即以概率Pyn1(Pyn1>0.5)進(jìn)行擇優(yōu)連接,以概率1-Pyn1進(jìn)行隨機(jī)連接;以概率Pyw=1-Pyn在d≥3的局域外與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接,連接方式仍然為混合連接,即以概率Pyw1(Pyw1>0.5)進(jìn)行擇優(yōu)連接,以概率1-Pyw1進(jìn)行隨機(jī)連接。

定義N×N階矩陣,如果節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間有邊,則矩陣元素aij=1,否則aij=0,該矩陣即為作戰(zhàn)體系的連接矩陣。在MATLAB中編程實(shí)現(xiàn)上述算法生成該矩陣,并導(dǎo)入到Ucinet6.0[5]軟件中,即可進(jìn)行作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)、最大連通度、網(wǎng)絡(luò)效率[6]、作戰(zhàn)環(huán)[7]數(shù)量等相關(guān)拓?fù)湫阅艿挠?jì)算。

3 作戰(zhàn)體系生存力綜合權(quán)衡設(shè)計(jì)方法

3.1 作戰(zhàn)體系生存力的度量

3.1.1 評(píng)估指標(biāo)體系的建立

由第1節(jié)的分析可知,作戰(zhàn)體系生存力的影響因素主要包括體系中節(jié)點(diǎn)的生存力、體系的作戰(zhàn)能力以及體系的重組能力。

(1)節(jié)點(diǎn)生存力。節(jié)點(diǎn)的生存力主要與節(jié)點(diǎn)的敏感性和易損性有關(guān),為便于研究,設(shè)定所有節(jié)點(diǎn)的生存力相等。

(2)體系作戰(zhàn)能力。關(guān)于體系作戰(zhàn)能力的度量,文獻(xiàn)[7]提出了作戰(zhàn)環(huán)的概念,即將作戰(zhàn)過(guò)程抽象成一個(gè)傳感器單元發(fā)現(xiàn)目標(biāo),然后將目標(biāo)信息傳給指揮控制單元,指揮控制單元對(duì)形勢(shì)進(jìn)行分析后指揮火力打擊單元對(duì)目標(biāo)實(shí)施軍事行動(dòng)的環(huán)路。因此,一個(gè)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中一方所能形成的作戰(zhàn)環(huán)數(shù)量,可以反映該方的作戰(zhàn)能力。另外,在每一次作戰(zhàn)循環(huán)中,節(jié)點(diǎn)的作戰(zhàn)效能必然對(duì)體系的作戰(zhàn)能力產(chǎn)生影響。由于該部分內(nèi)容不是本文的研究重點(diǎn),因此將其設(shè)為定值。

(3)體系重組能力。體系重組能力是指作戰(zhàn)體系被攻擊后,通過(guò)調(diào)配作戰(zhàn)資源,產(chǎn)生新的作戰(zhàn)環(huán)路,重新構(gòu)成作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行作戰(zhàn)的能力。本文選用聚類系數(shù)、最大連通度和網(wǎng)絡(luò)效率3個(gè)參數(shù)來(lái)表征體系重組能力,關(guān)于3個(gè)參數(shù)的計(jì)算公式參見(jiàn)文獻(xiàn)[4,6]。

3.1.2 評(píng)估指標(biāo)的聚合

采用權(quán)重系數(shù)法[2]對(duì)體系生存力進(jìn)行評(píng)估,其函數(shù)表達(dá)式為:

ei=ω1ei1+ω2ei2+…+ωmeim

(1)

式中,ei為第i層指標(biāo)的目標(biāo)評(píng)估指標(biāo);eik,ωk(k=1,2,…,m)分別為第i層指標(biāo)值和指標(biāo)權(quán)重。

3.1.3 評(píng)估指標(biāo)權(quán)重的確定

采用區(qū)間層次分析法(interval-based AHP,IAHP)[8]的主觀賦權(quán)法和信息熵[9]客觀賦權(quán)法相結(jié)合的方法,來(lái)確定體系生存力各評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重。兩種評(píng)估方法的理論和計(jì)算過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[8-9]。其中,主觀權(quán)重與客觀權(quán)重相結(jié)合的計(jì)算式為:

3.2 作戰(zhàn)體系生存力綜合權(quán)衡

作戰(zhàn)體系生存力設(shè)計(jì)方案對(duì)體系生存力的影響可以根據(jù)評(píng)估指標(biāo)的改變量來(lái)確定。假設(shè)有n種生存力設(shè)計(jì)方案,第i種設(shè)計(jì)方案Ti對(duì)第j個(gè)評(píng)估指標(biāo)ej的改變量為rij,則體系生存力設(shè)計(jì)方案對(duì)體系生存力各指標(biāo)的影響如表1所示。

表1 體系生存力設(shè)計(jì)方案對(duì)體系生存力各指標(biāo)的影響Table 1 Effect of systems survivability design schemes on systems survivability

由表1和式(1)可以得出采用第i種設(shè)計(jì)方案Ti時(shí)體系生存力值PSi。設(shè)該項(xiàng)設(shè)計(jì)方案所需的費(fèi)用Qi=單個(gè)節(jié)點(diǎn)費(fèi)用qi×節(jié)點(diǎn)總數(shù)N,則根據(jù)“單位費(fèi)用獲得的生存力”的思想[10],標(biāo)準(zhǔn)化后采用第i種設(shè)計(jì)方案單位費(fèi)用獲得的體系生存力PQi為:

(2)

4 仿真試驗(yàn)及結(jié)果分析

假設(shè)由100個(gè)武器裝備組成的作戰(zhàn)體系參與作戰(zhàn),體系中包含指揮控制節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)和火力打擊節(jié)點(diǎn),體系中所有節(jié)點(diǎn)在敵方單枚導(dǎo)彈打擊下的生存力P0均為0.5。敵方可發(fā)射50枚制導(dǎo)導(dǎo)彈對(duì)體系進(jìn)行攻擊,攻擊方式為蓄意攻擊。

現(xiàn)有將體系中節(jié)點(diǎn)生存力P0增大到0.6, 0.7, 0.8, 0.9和分別在P0為0.5和0.8時(shí),為體系中各節(jié)點(diǎn)增加2條邊、4條邊、6條邊共10種體系生存力設(shè)計(jì)方案,每種設(shè)計(jì)方案所需費(fèi)用代價(jià)Qi不同。

將上述實(shí)際作戰(zhàn)問(wèn)題抽象為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)模型,即設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)N=100,N0=10,Pz=0.1,Nz=5,Pz1=0.7,Pyc=0.5,Nyc=2,Nyh=1,Pyn=0.7,Pyn1=0.7,Pyw1=0.7,節(jié)點(diǎn)作戰(zhàn)效能取0.6,權(quán)衡系數(shù)λ取0.6。

基于Ucinet6.0軟件得到上述體系作戰(zhàn)的網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示,其中“■”,“●”,“▲”分別代表指揮控制節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)、火力打擊節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)敵方具有信息優(yōu)勢(shì)時(shí),則采用蓄意攻擊,即敵方導(dǎo)彈首先攻擊體系中重要性最高的節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)度最高的節(jié)點(diǎn)),若度數(shù)最高的節(jié)點(diǎn)被摧毀后,剩余導(dǎo)彈繼續(xù)攻擊次重要節(jié)點(diǎn),以此持續(xù)進(jìn)行。經(jīng)計(jì)算,得到10種體系生存力設(shè)計(jì)方案對(duì)各指標(biāo)的影響如表2所示。對(duì)表2的10種方案采用3.1.2節(jié)和3.1.3節(jié)的方法進(jìn)行評(píng)估;采用專家評(píng)價(jià)法得到體系生存力、體系作戰(zhàn)能力、體系重組能力各指標(biāo)的區(qū)間數(shù)判斷矩陣如表3～表5所示;最后取體系生存力評(píng)估區(qū)間值的中間值,得到10種設(shè)計(jì)方案的體系生存力和綜合權(quán)衡評(píng)估值如表6所示,體系生存力評(píng)估值的柱狀圖如圖2所示。所得的評(píng)估結(jié)果為各設(shè)計(jì)方案的相對(duì)值,無(wú)實(shí)際物理意義。

圖1 體系作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.1 Net model of system warfare

方 案節(jié)點(diǎn)生存力作戰(zhàn)環(huán)數(shù)量節(jié)點(diǎn)作戰(zhàn)效能聚類系數(shù)最大連通度網(wǎng)絡(luò)效率費(fèi)用Qi/萬(wàn)元原方案T00.5460.60.0150.620.1095Q0增大節(jié)點(diǎn)生存力T10.6550.60.0200.760.1792Q1T20.71560.60.0840.870.2783Q2T30.82760.60.1560.950.3603Q3T40.95840.60.3270.990.4341Q4加2條邊T50.5480.60.1130.790.2054Q5加4條邊T60.51210.60.0820.830.2689Q6加6條邊T70.52440.60.2140.820.2918Q7加2條邊T80.86300.60.3510.970.4415Q8加4條邊T90.812550.60.3770.970.4838Q9加6條邊T100.818000.60.3910.970.4936Q10

表3 體系生存力各指標(biāo)的區(qū)間數(shù)判斷矩陣Table 3 Interval number judgment matrix of indexes for system survivability

表4 體系作戰(zhàn)能力各指標(biāo)的區(qū)間數(shù)判斷矩陣Table 4 Interval number judgment matrix of indexes for system combat capability

表5 體系重組能力各指標(biāo)的區(qū)間數(shù)判斷矩陣Table 5 Interval number judgment matrix of indexes for system reconstruction capability

表6 蓄意攻擊下體系生存力及綜合權(quán)衡評(píng)估值Table 6 System survivability and synthetic tradeoff values in deliberate attacks

續(xù)表6

圖2 蓄意攻擊下各設(shè)計(jì)方案體系生存力評(píng)估值Fig.2 Evaluation values of system survivability of the design schemes in deliberate attacks

由圖2可以看出,在敵方蓄意攻擊下,體系生存力隨著節(jié)點(diǎn)生存力的增大而增大,隨著節(jié)點(diǎn)連接邊數(shù)的增多而增大。在節(jié)點(diǎn)生存力較小(為0.5)時(shí),增大節(jié)點(diǎn)的生存力比增加節(jié)點(diǎn)的邊數(shù)獲得的體系生存力增加值大,而當(dāng)節(jié)點(diǎn)生存力較大(為0.8)時(shí),增加節(jié)點(diǎn)邊數(shù)的方案可以獲得更大的體系生存力增加值。這主要是因?yàn)楫?dāng)節(jié)點(diǎn)生存力較小時(shí),體系被敵方導(dǎo)彈摧毀的節(jié)點(diǎn)數(shù)量較大,且被摧毀的節(jié)點(diǎn)主要是度數(shù)相對(duì)最高的重要節(jié)點(diǎn),造成網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生大量的孤立節(jié)點(diǎn),因此即使增加節(jié)點(diǎn)的連接邊也很難使體系生存力有較大提高;當(dāng)節(jié)點(diǎn)生存力較大時(shí),體系被敵方導(dǎo)彈摧毀的節(jié)點(diǎn)較少,此時(shí)增加節(jié)點(diǎn)的連接邊可以有效提高網(wǎng)絡(luò)的作戰(zhàn)能力和重組能力。

另外,從表6還可以看出,若在實(shí)際中搜集到或通過(guò)費(fèi)用預(yù)測(cè)等手段得到了每種方案的費(fèi)用值,則可根據(jù)表6的綜合權(quán)衡值PQi進(jìn)行各方案的綜合權(quán)衡,從而選出最優(yōu)的方案,實(shí)現(xiàn)效益的最大化。

5 結(jié)論

(1)本文提出的網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)條件下作戰(zhàn)體系生存力的概念,拓展了生存力的研究領(lǐng)域,為作戰(zhàn)體系生存力研究提供了一種思路;

(2)體系生存力評(píng)估與綜合權(quán)衡方法全面反映了影響體系生存力的主要因素,該方法既可評(píng)估體系的生存力,也可用于體系生存力設(shè)計(jì)方案的比較,因此對(duì)作戰(zhàn)體系的總體設(shè)計(jì)產(chǎn)生積極的影響;

(3)體系作戰(zhàn),應(yīng)重視對(duì)信息域及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的保護(hù)。

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Synthetictradeoffdesignofoperationssystemssurvivabilityinnetworkcentricwarfare

YANG Zhe1, LI Shu-lin1, ZHOU Li1,2, YIN Jun-jie1

(1.Aeronautics and Astronautics Engineering College, AFEU, Xi’an 710038, China;2.95118 Unit of the PLA, Dangyang 444100, China)

Since system warfare is the major war mode at present, the method of synthetic tradeoff design of operations systems survivability was studied. The concept of operations systems survivability in network centric warfare was proposed, the network model of systems warfare was established based on the theory of complex network, the evaluation method of systems survivability was studied based on the characteristics of the systems warfare, and the method of synthetic tradeoff design of systems survivability was gained based on the effectiveness got in cost unit. Simulation results show that the method can be used to instruct the design of systems survivability.

network centric warfare; systems survivability; evaluation; synthetic tradeoff

V221

A

1002-0853(2013)05-0472-05

2013-01-30;

2013-05-12; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間:2013-08-21 16:14

863計(jì)劃項(xiàng)目資助(2009AA04Z406)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助(61172083)

楊哲(1984-)，男，遼寧葫蘆島人，博士研究生，研究方向?yàn)轱w機(jī)生存力設(shè)計(jì)。

(編輯：李怡)