張永利 周榮坤 計(jì)文平 傅成彬

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院 北京 100041)

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基于模糊綜合評(píng)判法的航母編隊(duì)艦載機(jī)群體系作戰(zhàn)效能評(píng)估*

張永利 周榮坤 計(jì)文平 傅成彬

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院 北京 100041)

對(duì)航空編隊(duì)艦載機(jī)群體系作戰(zhàn)效能進(jìn)行評(píng)估,分析影響艦載機(jī)群體系作戰(zhàn)效能的主要因素,建立艦載機(jī)群體系作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系,給出艦載機(jī)群體系作戰(zhàn)效能評(píng)估模型。采用AHP確定系統(tǒng)性能指標(biāo)權(quán)重,利用模糊綜合評(píng)判法評(píng)價(jià)性能指標(biāo)。結(jié)果表明此方法可以科學(xué)合理地對(duì)航母編隊(duì)艦載機(jī)群體系作戰(zhàn)效能進(jìn)行評(píng)估,為艦載機(jī)群體系作戰(zhàn)效能評(píng)估提供新的研究視角。

航母編隊(duì); 艦載機(jī)群; 層次分析法; 模糊綜合評(píng)判; 效能評(píng)估

Class Number TN953

1 引言

2013年11月26日,中國(guó)第一艘航母“遼寧”艦從青島某軍港起航,前往南海附近海域開(kāi)展科研試驗(yàn)和軍事訓(xùn)練活動(dòng),并首次組織了作戰(zhàn)系統(tǒng)綜合測(cè)試[1]。

航母編隊(duì)要奪取海上制空權(quán),必須擁有足夠數(shù)量的戰(zhàn)斗機(jī);要想有效打擊毀傷對(duì)方,還需要一定數(shù)量的攻擊機(jī)。另外,航母編隊(duì)需要提前發(fā)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的目標(biāo),并承擔(dān)一定的空中引導(dǎo)和指揮,需要配備艦載預(yù)警機(jī)。而且航母編隊(duì)由于艦艇數(shù)目眾多,航行速度快,噪聲大,容易被敵潛艇偵測(cè)和反擊,因此需要艦載反潛機(jī)[2]。未來(lái)我國(guó)也將研制艦載無(wú)人機(jī),編入航母編隊(duì)。

“尼米茲”級(jí)航母是世界上最大的航母,搭載戰(zhàn)斗機(jī)的數(shù)量也是世界上最多的,包括兩個(gè)F/A-18C/D“大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)中隊(duì),兩個(gè)F/A-18E/F“超級(jí)大黃蜂”戰(zhàn)斗攻擊機(jī)中隊(duì),一個(gè)E-2C/D“鷹眼”預(yù)警機(jī)中隊(duì),一個(gè)EA-6B“徘徊者”戰(zhàn)術(shù)電子戰(zhàn)中隊(duì),和一個(gè)SH-3“海王”或SH-60F“海鷹”反潛直升機(jī)中隊(duì)等,可以24小時(shí)不停頓進(jìn)行戰(zhàn)斗巡邏[3]。

航母上不同種類、不同用途的機(jī)種,將它們組合和編配在一起,協(xié)調(diào)行動(dòng),必須遵循“合理、足夠、高效”的原則。20世紀(jì)90年代,美國(guó)、俄羅斯和一些西方國(guó)家從單純研究單武器裝備發(fā)展到研究武器裝備作戰(zhàn)系統(tǒng),對(duì)作戰(zhàn)效能評(píng)估形成系統(tǒng)化、自動(dòng)化和智能化[4]。國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)80年代開(kāi)始,相繼開(kāi)展多機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)研究工作[5～6]。但是對(duì)于多機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能研究則處于起步階段[7]。對(duì)航母編隊(duì)艦載機(jī)群的效能進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)估可以提高航母編隊(duì)整體作戰(zhàn)效果,所以對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行研究是很有意義和必要的。

2 構(gòu)建航母編隊(duì)艦載機(jī)群體系作戰(zhàn)效能評(píng)估體系

2.1 評(píng)估指標(biāo)體系建立原則

航母編隊(duì)艦載機(jī)群體系作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)的選取,需要綜合考慮多種影響因素,遵循系統(tǒng)性、簡(jiǎn)明性、客觀性、時(shí)效性、可測(cè)性、完備性、獨(dú)立性、一致性原則[8],使得艦載機(jī)群體系作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建既相對(duì)簡(jiǎn)單,又能全面而真實(shí)地反映系統(tǒng)的效能。

2.2 影響評(píng)估指標(biāo)體系的主要因素

為了將多層次、多因素的評(píng)估問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)的量化處理,采用模糊綜合評(píng)判法構(gòu)建航母編隊(duì)艦載機(jī)群效能評(píng)估指標(biāo)體系2級(jí)評(píng)判模型,有兩個(gè)層次,即能力層和技術(shù)指標(biāo)層。能力層的因素集包含以下六個(gè)方面:協(xié)同情報(bào)處理能力、協(xié)同指控處理能力、協(xié)同打擊處理能力、協(xié)同電子干擾能力、數(shù)據(jù)鏈信息支持能力、抗毀生存能力;技術(shù)指標(biāo)層有19個(gè)指標(biāo)。

2.2.1 協(xié)同情報(bào)處理能力

協(xié)同情報(bào)處理能力通過(guò)多平臺(tái)多源情報(bào)數(shù)據(jù)共享和融合以及通用處理和顯示架構(gòu),在機(jī)群全網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量態(tài)勢(shì)統(tǒng)一和共享以及多層級(jí)態(tài)勢(shì)信息生成和評(píng)估。

2.2.2 協(xié)同指控處理能力

協(xié)同指控處理能力通過(guò)基于統(tǒng)一態(tài)勢(shì)和指控條令的戰(zhàn)術(shù)評(píng)估結(jié)果,和基于任務(wù)的全局資源優(yōu)化調(diào)度和管理,為作戰(zhàn)人員提供決策能力,以及對(duì)武器資源、傳感器資源、通信資源的管理和調(diào)度能力,實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器到武器的自動(dòng)化管理。

2.2.3 協(xié)同打擊處理能力

協(xié)同打擊處理能力通過(guò)進(jìn)行武器狀態(tài)控制、武器交接控制、目標(biāo)指示、近空火力支援等,實(shí)現(xiàn)智能化協(xié)同武器控制,構(gòu)建傳感器到武器的打擊信息支持通路,為機(jī)載或艦載武器系統(tǒng)提供打擊態(tài)勢(shì),利用SAR、ESM、紅外、光電等傳感器信息,提供對(duì)地/海目標(biāo)的快速瞄準(zhǔn)信息,同時(shí),支持對(duì)跨平臺(tái)作戰(zhàn)武器的遠(yuǎn)程目指、中繼制導(dǎo)等過(guò)程中的武器控制管理。

2.2.4 協(xié)同電子干擾能力

協(xié)同電子干擾能力通過(guò)實(shí)現(xiàn)頻譜感知、高精度的時(shí)間同步、動(dòng)態(tài)調(diào)整各節(jié)點(diǎn)用頻等功能,統(tǒng)一協(xié)調(diào)、規(guī)劃和使用頻譜資源,分時(shí)、分頻、分空間使用頻譜資源。在壓制干擾敵方電子設(shè)備的同時(shí),最大限度地令我方電子設(shè)備正常工作,支持干擾環(huán)境下的協(xié)同電子火力打擊。

2.2.5 數(shù)據(jù)鏈信息支持能力

數(shù)據(jù)鏈信息支持能力指標(biāo)下層指標(biāo)為三個(gè):數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)性能指標(biāo)、數(shù)據(jù)鏈裝備單元性能指標(biāo)和數(shù)據(jù)鏈的信息優(yōu)勢(shì)指標(biāo)。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)性能指標(biāo)從整體上評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的性能,數(shù)據(jù)鏈裝備單元性能指標(biāo)反映了數(shù)據(jù)鏈的固有性能,數(shù)據(jù)鏈信息優(yōu)勢(shì)指標(biāo)主要是指數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)對(duì)信息優(yōu)勢(shì)的影響。

2.2.6 抗毀生存能力

武器裝備的生存能力依賴于敵方攻擊武器的性能、攻擊策略和雷達(dá)裝備的生存性能及機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)特性,是多種因素綜合的結(jié)果?？梢詫⑾嚓P(guān)因素分為兩大部分:外部攻擊因素(攻擊模式、攻擊策略)和系統(tǒng)內(nèi)部生存因素(機(jī)動(dòng)性、隱蔽性、防護(hù)性、轉(zhuǎn)換性、維修性等)。此外,機(jī)動(dòng)策略(如作戰(zhàn)原則、方法與陣地相配套的布局、機(jī)動(dòng)路線等)也影響武器裝備生存能力。

航母編隊(duì)艦載機(jī)群體系作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 模糊綜合評(píng)判法評(píng)估步驟

航母編隊(duì)艦載機(jī)群效能評(píng)估體系需要綜合考慮各方面的信息,涉及到很多不確定因素,難以精確描述,模糊綜合評(píng)判法在定性分析影響系統(tǒng)效能的各指標(biāo)因素的基礎(chǔ)上,定量對(duì)各指標(biāo)因素做出綜合決策。其特點(diǎn)是按多項(xiàng)模糊的準(zhǔn)則參數(shù)對(duì)被選方案進(jìn)行綜合評(píng)判,再根據(jù)綜合評(píng)判結(jié)果對(duì)各備選方案進(jìn)行比較排序,選出最好的方案。與綜合評(píng)判有關(guān)的有限論域有準(zhǔn)則論域和評(píng)語(yǔ)等級(jí)論域兩種。對(duì)各指標(biāo)建立評(píng)語(yǔ)集,分為四個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)(很好,好,一般,差),對(duì)應(yīng)評(píng)分集為{1 0.8 0.6 0.4}。

模糊綜合評(píng)判法的數(shù)學(xué)模型由因素集、評(píng)判集和模糊矩陣三個(gè)要素組成,過(guò)程如下[9～11]:

圖1 航母編隊(duì)艦載機(jī)群體系作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)結(jié)構(gòu)圖

1) 確定因素集U={u1,u2,…,un},此處ui(i=1,2,…,n)表示影響事物評(píng)判值的第i個(gè)因素。

2) 確定因素評(píng)判集V={v1,v2,…,vm},此處vj(j=1,2,…,m)表示影響事物評(píng)判值的第j個(gè)等級(jí)。

3) 單因素評(píng)判,對(duì)單個(gè)因素Ri(i=1,2,…,n)評(píng)判,得到單因素評(píng)判模糊矩陣R:

5) 綜合評(píng)判,可得綜合評(píng)判B=W°R=(b1,b2,…,bm)。其中°表示合成運(yùn)算。對(duì)于合成運(yùn)算,典型模型有“加權(quán)平均型”、“主因素決定型”、“混合型”三種算法[12]。其中加權(quán)平均型對(duì)所有因素依權(quán)重大小均衡兼顧,比較適合于要求整體指標(biāo)的情況。故這里采用加權(quán)平均型算法。加權(quán)平均型是按線性代數(shù)里普通矩陣的運(yùn)算進(jìn)行,即

4 使用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重

確定權(quán)重的方法很多,本文采用應(yīng)用廣泛的層次分析法來(lái)量化指標(biāo)權(quán)重[13]。根據(jù)Saaty表度法,對(duì)航母編隊(duì)艦載機(jī)群效能評(píng)估指標(biāo)體系同一層級(jí)的各元素進(jìn)行兩兩比較,構(gòu)造判斷矩陣,確定相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重。

表1 第一層指標(biāo)體系權(quán)重U1,U2,U3,U4,U5,U6計(jì)算

λ=6.1232,C.I=0.0246;RI=1.26;CR=CI/RI=0.0246/1.26=0.0195。

從計(jì)算結(jié)果看出,CR<0.1,表明上述判斷一致性可以接受,即權(quán)重值W=(0.3794,0.248,0.1604,0.1024,0.0655,0.0434)T是可以接受的。同理可得第二層各元素的權(quán)重,并分別對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn),得到各評(píng)判指標(biāo)的權(quán)重。

表2 第二層指標(biāo)體系權(quán)重U11,U12,U13,U14計(jì)算

λ=4.0310,C.I=0.031;RI=0.89;CR=CI/RI=0.031/0.89=0.0348。

從計(jì)算結(jié)果看出,CR<0.1,表明上述判斷一致性可以接受,即權(quán)重值W1=(0.4658,0.2771,0.1611,0.096)T是可以接受的。

表3 第二層指標(biāo)體系權(quán)重U21,U22,U23計(jì)算

λ=3.0092,C.I=0.0092;RI=0.52;CR=CI/RI=0.0092/0.52=0.0177。

從計(jì)算結(jié)果看出,CR<0.1,表明上述判斷一致性可以接受,即權(quán)重值

W2=(0.5390,0.2973,0.1638)T

是可以接受的。

表4 第二層指標(biāo)體系權(quán)重U31,U32,U33,U34計(jì)算

從計(jì)算結(jié)果看出,,表明上述判斷一致性可以接受,即權(quán)重值是可以接受的。

表5 第二層指標(biāo)體系權(quán)重C41,C42計(jì)算

λ=2,C.I=0;從計(jì)算結(jié)果看出,CR<0.1,表明上述判斷一致性可以接受,即權(quán)重值

W4=(0.6667,0.3333)T

是可以接受的。

表6 第二層指標(biāo)體系權(quán)重C51,C52,C53計(jì)算

λ=3.0092,C.I=0.0092;RI=0.52;CR=CI/RI=0/0.52=0。從計(jì)算結(jié)果看出CR<0.1,表明上述判斷一致性可以接受,即權(quán)重值

W5=(0.5714,0.2857,0.1429)T

是可以接受的。

表7 第二層指標(biāo)體系權(quán)重U61,U62,U63計(jì)算

λ=3.0183,C.I=0;RI=0.52;CR=CI/RI=0.0183/0.52=0.0352。

從計(jì)算結(jié)果看出,CR<0.1,表明上述判斷一致性可以接受,即權(quán)重值

W6=(0.6232,0.2395,0.1373)T

是可以接受的。

5 評(píng)判航母編隊(duì)艦載機(jī)群體系作戰(zhàn)效能評(píng)估體系

航母編隊(duì)艦載機(jī)群體系作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系分為兩個(gè)層次,第一層6個(gè)指標(biāo),第二層19個(gè)指標(biāo)。根據(jù)層次分析法,已經(jīng)確定各指標(biāo)的權(quán)重。由專家意見(jiàn),影響艦載機(jī)群系統(tǒng)效能各個(gè)指標(biāo)的模糊評(píng)語(yǔ)如表8所示。

表8 艦載機(jī)群體系作戰(zhàn)效能指標(biāo)等級(jí)評(píng)語(yǔ)表

由上面計(jì)算所得的Ui的指標(biāo)權(quán)重Wi和評(píng)語(yǔ)集合V,被評(píng)判對(duì)象相對(duì)于各個(gè)指標(biāo)的模糊評(píng)語(yǔ),即Ui×V上的模糊矩陣是Ri,進(jìn)行下列模糊變換:Bi=Wi·Ri(i=1,2,…,n)。

對(duì)于第一層各個(gè)指標(biāo)U的模糊評(píng)語(yǔ)Bi(i=1,2,…,4):B1=W1·R1= (0.1767 0.1051 0.0611 0.0364)

=(0.1684 0.1102 0.0698 0.0416)

歸一化計(jì)算可得

B1=(0.4319 0.2826 0.1789 0.1066)

同理可得B2,B3,B4,B5,B6的值:

B2=(0.2867 0.2703 0.2133 0.2297)

B3=(0.3641 0.2721 0.2359 0.1279)

B4=(0.3330 0.4000 0.1667 0.1000)

B5=(0.3571 0.3000 0.2429 0.1000)

B6=(0.3616 0.3000 0.1623 0.1761)

由以上結(jié)果看出,該指標(biāo)體系在協(xié)同情報(bào)處理能力、協(xié)同指控處理能力、協(xié)同打擊處理能力、協(xié)同電子干擾能力、數(shù)據(jù)鏈信息支持能力、抗毀生存能力六項(xiàng)指標(biāo)中好與較好的隸屬度分別是0.7144、0.5569、0.6362、0.7333、0.6571、0.6616,評(píng)判結(jié)果比較客觀。

將Bi合成一級(jí)評(píng)判矩陣B=[B1B2B3B4B5B6],則被評(píng)判問(wèn)題相對(duì)于全部指標(biāo)的二級(jí)評(píng)判矩陣為(按加權(quán)型算法計(jì)算):

A=W×B=(0.3668 0.2918 0.1988 0.1426)

這一評(píng)估結(jié)果表明航母編隊(duì)艦載機(jī)群作戰(zhàn)能力,37%的人認(rèn)為是很好,29%的人認(rèn)為是好,20%的人認(rèn)為是一般,14%的人認(rèn)為是差。將模糊評(píng)語(yǔ)A轉(zhuǎn)化為總得分。對(duì)若干個(gè)方案進(jìn)行排序,則需將綜合評(píng)語(yǔ)A再綜合為一個(gè)數(shù)。為此采用加權(quán)平均法對(duì)每個(gè)等級(jí)與權(quán)重分?jǐn)?shù)賦值V情況如表9所示。

表9 等級(jí)與權(quán)重值分?jǐn)?shù)設(shè)定情況

從而得到航母編隊(duì)艦載機(jī)群體系作戰(zhàn)效能評(píng)估方案得分為

=77.66

對(duì)于其它的航母編隊(duì)艦載機(jī)群體系作戰(zhàn)效能系統(tǒng),可以按照上述方法進(jìn)行同樣的綜合評(píng)判,最后根據(jù)評(píng)判結(jié)果選出較優(yōu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)語(yǔ)

從分析和計(jì)算過(guò)程可以看出,通過(guò)對(duì)航母編隊(duì)艦載機(jī)群效能系統(tǒng)的主要因素進(jìn)行分析,建立航母編隊(duì)艦載機(jī)群效能評(píng)估體系模型,采用層次分析法與模糊綜合評(píng)判法相結(jié)合,對(duì)航母編隊(duì)艦載機(jī)群體系作戰(zhàn)效能進(jìn)行評(píng)估,為航母編隊(duì)艦載機(jī)群作戰(zhàn)系統(tǒng)的構(gòu)成與優(yōu)化提供定量依據(jù)。研究過(guò)程發(fā)現(xiàn),由于航母編隊(duì)艦載機(jī)群作戰(zhàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,各項(xiàng)指標(biāo)體系有待商榷,尚需進(jìn)一步探討和細(xì)化。

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Efficiency Evaluation for Carrier Formation Swarming Aircraft Based on Fuzzy Synthetic Evaluation Method

ZHANG Yongli ZHOU Rongkun JI Wenping FU Chengbin

(China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041)

In order to evaluate the operational efficiency for carrier formation swarming aircraft, the paper establishes a system with models based on parameters to analyze effectiveness about major factors of the swarming aircraft. The AHP method is used to calculate the weight of each parameter. The fuzzy synthetic evaluation method is applied to access the operational performance. The result demonstrates that the method is feasible to deliver a scientific evaluation and presents a new perspective to judge the efficiency of swarming aircrafts.

carrier formation, swarming aircraft, AHP, fuzzy synthetic evaluation, efficiency evaluation

2015年4月7日,

2015年5月26日

張永利,女,博士,高級(jí)工程師,研究方向:空基信息系統(tǒng)總體、無(wú)人機(jī)、信息融合技術(shù)。周榮坤,男,碩士,工程師,研究方向:空基信息系統(tǒng)總體、無(wú)人機(jī)、計(jì)算機(jī)軟件。計(jì)文平,男,博士,高級(jí)工程師,研究方向:目標(biāo)識(shí)別技術(shù)。傅成彬,男,碩士,工程師,研究方向:目標(biāo)識(shí)別技術(shù)。

TN953

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.031