張宇，黃建新

(北京系統(tǒng)工程研究所 復(fù)雜系統(tǒng)仿真總體重點實驗室，北京 100101)

應(yīng)用OODA環(huán)模型研究裝備對體系貢獻(xiàn)程度*

張宇，黃建新

(北京系統(tǒng)工程研究所 復(fù)雜系統(tǒng)仿真總體重點實驗室，北京 100101)

針對裝備優(yōu)化問題，研究裝備對體系的貢獻(xiàn)作用和貢獻(xiàn)程度。引入OODA環(huán)理論，分析了基于OODA環(huán)的作戰(zhàn)體系對抗過程，將體系對抗抽象為兩大OODA環(huán)之間的對抗。然后著重分析了裝備對體系的貢獻(xiàn)程度，其中主要分析基于OODA環(huán)的裝備體系結(jié)構(gòu)，并依據(jù)裝備到OODA環(huán)整體能力的映射過程,建立了基于OODA環(huán)的體系能力評估模型，最后對一個案例進(jìn)行評估與分析，驗證了模型的可行性。

OODA環(huán)；裝備；體系對抗；能力評估；建模；貢獻(xiàn)程度

0 引言

在科技發(fā)展日新月異的今天，現(xiàn)代戰(zhàn)爭已成為作戰(zhàn)體系與體系之間的對抗，作為作戰(zhàn)體系重要組成實體的裝備在體系中的重要性日益增強(qiáng)。但體系結(jié)構(gòu)及其對抗過程均十分復(fù)雜，眾多裝備在當(dāng)中相互關(guān)聯(lián)發(fā)揮著不同的功能作用，由此，分析體系對抗過程，研究裝備在體系對抗中的貢獻(xiàn)機(jī)理，對有針對性地提升裝備戰(zhàn)技性能和優(yōu)化裝備體系結(jié)構(gòu)有著十分重要的意義。以往，評價裝備的優(yōu)劣，主要是從系統(tǒng)層面比較單個裝備系統(tǒng)的綜合性能指數(shù)，而本文則將裝備系統(tǒng)放入體系當(dāng)中，評價其對整個裝備體系能力指數(shù)的貢獻(xiàn)。

近年來，OODA環(huán)模型被廣泛用于體系的相關(guān)研究中，國內(nèi)外一些研究人員建立了大量基于OODA環(huán)的指揮控制模型和體系對抗模型，為體系研究提供了許多新的思路和方法，如黃建明建立的作戰(zhàn)對抗系統(tǒng)動力學(xué)模型[1]、張昱提出的武器裝備體系建模方法[2]等，但大多是反映了體系對抗過程，鮮有從裝備角度分析裝備對體系的貢獻(xiàn)作用。美國空軍遠(yuǎn)程火力打擊基于OODA環(huán)建立了發(fā)現(xiàn)-交戰(zhàn)的鏈路，并建立了體系動量模型(體系動量表示為作戰(zhàn)半徑、任務(wù)性能和鏈路速度三者的乘積)來度量任務(wù)鏈的性能，從一定程度上可以分析裝備對體系的貢獻(xiàn)。本文采用理論與建模相結(jié)合的分析方法，引入OODA環(huán)理論，在分析作戰(zhàn)體系對抗過程的基礎(chǔ)上，建立了基于OODA環(huán)的裝備體系能力評估模型，并著重分析了裝備對體系的貢獻(xiàn)作用和機(jī)理。

1 基于OODA環(huán)的體系對抗分析

1.1 OODA環(huán)的基本理論

OODA環(huán)模型是由美國空軍上校John Boyd于1987年提出的一種作戰(zhàn)模型，如圖1所示，它將作戰(zhàn)過程簡化抽象為由觀察(Observe，O)—判斷(Orient, O)—決策(Decide, D)—行動(Act, A)4個環(huán)節(jié)構(gòu)成的作戰(zhàn)回路[3-6]，其中：

“O”，利用各類偵察探測裝備對戰(zhàn)場環(huán)境進(jìn)行觀察和感知，從戰(zhàn)場環(huán)境中搜集目標(biāo)的位置、狀態(tài)、屬性等信息；

“O”，將觀察環(huán)節(jié)收集到的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和融合，并對當(dāng)前的戰(zhàn)場態(tài)勢進(jìn)行評估；

“D”，依據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢制定行動計劃和方案；

“A”，依據(jù)計劃方案或上級命令指示實施相應(yīng)行動。

圖1 OODA作戰(zhàn)環(huán)示意圖Fig.1 Schematic diagram of OODA loop

實際上，一個復(fù)雜的作戰(zhàn)體系對抗過程是由多個層級的OODA環(huán)并行、嵌套、迭代組合而成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)[3-4]，但從總體層面上看,整個作戰(zhàn)過程最終可抽象為一個大的OODA環(huán)。為了簡化分析，將這個環(huán)抽象為由觀察、判斷、決策、行動4個節(jié)點集以及環(huán)節(jié)與環(huán)節(jié)之間的通信鏈路組成[7-8]，其中每個環(huán)節(jié)是由一個或多個功能屬性相同的子節(jié)點組成的節(jié)點集。

1.2 基于OODA環(huán)的體系對抗分析

若將體系對抗抽象成兩大OODA環(huán)的對抗，則在體系對抗過程中，體系中的各個實體通過執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)構(gòu)成OODA環(huán)的各個節(jié)點集，實體與實體、節(jié)點與節(jié)點之間再通過通信傳輸連接成整個作戰(zhàn)閉環(huán)，具體對抗過程如圖2所示。

圖2 基于OODA環(huán)的體系對抗示意圖Fig.2 Schematic diagram of SoS confrontation based on OODA loop

對于這些實體，文獻(xiàn)[7-8]從體系中抽象出4類實體集，即目標(biāo)實體集(targets)、偵察探測實體集(sensors)、判斷決策實體集(deciders)、攻擊實體集(attackers)，本文就此抽象出第5類實體集，即用于以上實體間通信傳輸?shù)耐ㄐ沛溌穼嶓w集(communications)。

觀察節(jié)點(O)：偵察探測實體從環(huán)境中探測目標(biāo)實體信息；

判斷節(jié)點(O)：偵察探測實體將探知的情報數(shù)據(jù)傳送給指揮決策實體進(jìn)行融合和判斷；

決策環(huán)節(jié)(D)：指揮決策實體依據(jù)判斷結(jié)果形成行動方案并將方案信息傳送給火力打擊實體；

行動節(jié)點(A)：火力打擊實體依據(jù)行動方案對目標(biāo)實施相應(yīng)(打擊)行動。

節(jié)點與節(jié)點之間的通信鏈路則體現(xiàn)為相互關(guān)聯(lián)的實體與實體之間的通信傳輸。

2 裝備對體系的貢獻(xiàn)程度分析

2.1 基于OODA環(huán)的裝備體系分析

由于裝備(系統(tǒng))是體系中4類實體集(sensors, deciders, attackers, communications)的重要組成部分，因此若不考慮人的因素，可將上述實體視作相應(yīng)的裝備(系統(tǒng))。由此，一個完整的作戰(zhàn)裝備體系可分為以下幾個類別，如圖3所示，這些裝備(系統(tǒng))通過執(zhí)行任務(wù)成為了OODA環(huán)相應(yīng)節(jié)點集的子節(jié)點。

圖3 基于OODA的裝備體系分類Fig.3 Classification of WSoS based on OODA loop

偵察探測類裝備，主要指用于偵察、預(yù)警、探測、監(jiān)視等裝備實體，如預(yù)警機(jī)、偵察飛機(jī)、雷達(dá)、偵察衛(wèi)星、各類聲、光、電探測設(shè)備與儀器等，對應(yīng)于OODA環(huán)中的觀察環(huán)節(jié)(O)，主要任務(wù)是發(fā)現(xiàn)并獲取目標(biāo)信息數(shù)據(jù)。

指控決策類裝備，主要指用于輔助指揮員進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、情報分析以及指控決策等裝備實體，如指揮自動化系統(tǒng)、情報處理系統(tǒng)等，對應(yīng)于OODA環(huán)中的判斷環(huán)節(jié)(O)和決策環(huán)節(jié)(D)，主要任務(wù)是進(jìn)行情報數(shù)據(jù)的融合處理，并輔助指揮員指揮決策，形成行動方案。

火力打擊類裝備，主要指用于實施軟、硬攻擊的武器裝備系統(tǒng)或平臺，如各類作戰(zhàn)飛機(jī)、艦艇，戰(zhàn)斗車輛，各類導(dǎo)彈、炮彈以及用于電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)等武器裝備，對應(yīng)于OODA環(huán)中的行動環(huán)節(jié)(A)，主要任務(wù)是依據(jù)行動方案對目標(biāo)實施相應(yīng)行動(如打擊、壓制等)。

通信傳輸類裝備，指用于保障通信傳輸?shù)母黝愌b備、設(shè)備和線路，如通信衛(wèi)星、各類通信系統(tǒng)、通信電臺等，對應(yīng)于OODA環(huán)中的通信鏈路，主要任務(wù)是保障節(jié)點與節(jié)點間快速高效的通信傳輸。

其他保障類裝備在體系中發(fā)揮著直接或間接作用，主要體現(xiàn)為維持了整個體系對抗的穩(wěn)定性和持續(xù)性。在分析其具體的貢獻(xiàn)作用時，可以以其保障服務(wù)對象為參考，劃分到相應(yīng)的裝備種類中去。

2.2 基于OODA環(huán)的裝備貢獻(xiàn)機(jī)理分析與建模

由于將整個體系對抗過程抽象為OODA環(huán)的對抗，則若不考慮人的因素，整個裝備體系的作戰(zhàn)能力可以通過OODA環(huán)的整體能力指數(shù)來度量。因而，分析裝備及其性能參數(shù)對體系的影響可轉(zhuǎn)化為分析其對OODA環(huán)的整體能力指數(shù)的影響[6-7，9]。

OODA環(huán)的整體能力由觀察、判斷、決策、行動4個環(huán)節(jié)的能力以及環(huán)節(jié)間的通信鏈路的能力共同決定。而各環(huán)節(jié)的能力由執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)的裝備(系統(tǒng))的性能決定，裝備系統(tǒng)的性能又進(jìn)一步由該裝備的主要性能指標(biāo)決定，裝備性能到OODA環(huán)整體能力的聚合過程如圖4所示。該圖實際上反映了裝備對體系的貢獻(xiàn)機(jī)理，通過分析研究整個映射過程，可以建立裝備體系能力評估模型[8，10-15]。

圖4 裝備性能到OODA環(huán)能力的聚合過程Fig.4 Polymerization process of equipment performance to capability of OODA loop

裝備綜合性能指數(shù)可由該裝備的各項主要性能指標(biāo)以一定的方法聚合而成，價值中心法、指數(shù)法等[10-11]，由于不同的裝備(系統(tǒng))的特點屬性不同，所采用的具體聚合方法也有所不同，此處用一個函數(shù)表示：

Cj=Fj(p1,p2，…,pM),

(1)

式中：Cj為第j個裝備系統(tǒng)的綜合性能指數(shù)(無量綱值)；Fj(p)為該裝備性能指數(shù)聚合函數(shù)；pM為該裝備第M個性能指標(biāo)的指標(biāo)值；M為性能指標(biāo)個數(shù)。

對于觀察節(jié)點，通常有多個裝備系統(tǒng)同時對目標(biāo)信息進(jìn)行觀察，探測到的目標(biāo)信息則匯聚到上級信息處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。數(shù)據(jù)融合主要對應(yīng)于判斷節(jié)點，它是將大量情報信息進(jìn)行篩選和再處理的復(fù)雜過程。數(shù)據(jù)融合后，觀察節(jié)點和判斷節(jié)點的能力可整體表示為

(2)

由于R(x)難以度量，可用融合系數(shù)來衡量數(shù)據(jù)融合程度，該系數(shù)可由判斷節(jié)點的能力MOr來表示，它主要由指控決策裝備中的信息數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的性能決定。數(shù)據(jù)融合之前，若多個裝備系統(tǒng)同時對同一目標(biāo)探測，則觀察系統(tǒng)之間相互獨立，觀察節(jié)點的能力理論上取決于觀察性能最高的系統(tǒng)。又由于多個裝備系統(tǒng)同時觀察時，整個觀察節(jié)點的觀察能力有所提高，主要體現(xiàn)為整體發(fā)現(xiàn)定位概率的提高：

(3)

基于以上分析，觀察節(jié)點和判斷節(jié)點的能力可分別表示為

(4)

MOr=1+βCOr，

(5)

若不考慮人的因素，決策節(jié)點的能力主要取決于指控決策裝備中相應(yīng)輔助決策系統(tǒng)的性能。由于一次具體行動方案的直接決策節(jié)點通常只有一個，則決策節(jié)點的能力指數(shù)可表示為

MD=CD，

(6)

式中：MD為判斷節(jié)點的能力指數(shù)；CD為該決策裝備系統(tǒng)的性能指數(shù)。

對于行動節(jié)點，由于打擊毀傷能力和效果可以疊加，因而其節(jié)點能力可表示為多個攻擊打擊類裝備能力的累加[10]，即行動節(jié)點的能力指數(shù)可表示為

(7)

對于通信鏈路，若由多個通信裝備系統(tǒng)組合而成，則通信鏈路的整體能力指數(shù)可表示為多個系統(tǒng)性能指數(shù)的聚合：

(8)

由于整個OODA環(huán)由通信鏈路將4個節(jié)點串接而成，則OODA的的整體能力指數(shù)可表示為如下表達(dá)式：

EOODA=(MObMOrMDMA)1/4MC.

(9)

若以O(shè)ODA環(huán)的整體能力指數(shù)來衡量，裝備體系的作戰(zhàn)能力，將前面各式帶入式(9)，可得裝備體系作戰(zhàn)能力模型表示為

(1+β(FOr(p1,…,pM)))FD(p1,…,pM)·

(10)

該模型實際上是一種基于能力指數(shù)的體系能力評估模型，能從邏輯意義上反映不同裝備系統(tǒng)及其性能指標(biāo)對裝備體系整體能力的貢獻(xiàn)作用和大小。式(10)中，若對某個裝備Cj(或其某項性能指標(biāo)pji)求偏導(dǎo)數(shù)，則所得數(shù)值為該裝備系統(tǒng)(或指標(biāo))對體系整體作戰(zhàn)能力的影響程度，該值越大，說明該裝備系統(tǒng)(或指標(biāo))變化對體系整體能力的影響越大。

3 案例分析

假設(shè)紅方體系擬對藍(lán)方某目標(biāo)實施打擊行動，構(gòu)建紅方裝備體系，并利于一定的聚合方法得到各裝備系統(tǒng)的無量綱性能指數(shù)如表1所示，具體聚合方法根據(jù)不同系統(tǒng)單元各有不同，此處不再詳述。

現(xiàn)研究打擊裝備系統(tǒng)數(shù)量與性能對體系整體能力的影響，在其他系統(tǒng)單元性能指數(shù)不變的情況下，根據(jù)式(10)的度量模型，打擊單元1和2性能指數(shù)C1和C2對體系能力影響可量化為

E=0.84(0.783N1C1+0.783N2C2)1/4，

(11)

若對式(11)中的C1和C2求偏導(dǎo)數(shù)，可得打擊單元1和2的對體系能力的影響程度為

(12)

(13)

在N1,C1,N2,C2取不同方案值的情況下，通過式(11)～(13)可計算出體系整體能力指數(shù)和打擊單元的數(shù)量、性能對體系能力的影響程度如表2所示。

表2 打擊單元對體系能力的影響

從表2可以看出，打擊系統(tǒng)的數(shù)量越多、性能越強(qiáng)，體系的整體能力就越大，相應(yīng)系統(tǒng)對體系的貢獻(xiàn)也越大。如對比方案2和方案3可以看出，打擊單元3比打擊單元2對體系能力的貢獻(xiàn)更大。其次，打擊單元數(shù)量越多，則該系統(tǒng)單元對體系能力的影響程度(偏導(dǎo)數(shù))越大，當(dāng)數(shù)量一定時系統(tǒng)的性能越好，對體系能力的影響程度反而越小。這說明，當(dāng)打擊單元的性能處于較低的水平時，提升系統(tǒng)性能值能較快提升體系的整體能力，但當(dāng)其性能已處于較高水平時，再提升其性能值對體系整體能力的提升效率變得很低。因此在構(gòu)建裝備體系時不僅要考慮裝備系統(tǒng)的性能問題還應(yīng)考慮數(shù)量問題，性能與數(shù)量可以相互彌補。同時，在研究提升裝備系統(tǒng)性能指標(biāo)時，不能盲目求高求大，而應(yīng)尋找能夠滿足需求的最合適的指標(biāo)值。

4 結(jié)束語

本文引入OODA環(huán)理論，分析了基于OODA環(huán)的作戰(zhàn)體系對抗過程，將體系對抗簡化為兩大OODA環(huán)之間的對抗。然后，著重分析了裝備對體系的貢獻(xiàn)機(jī)理，其中主要分析了基于OODA環(huán)的裝備體系種類劃分，并依據(jù)裝備系統(tǒng)性能指數(shù)到OODA環(huán)整體能力的映射關(guān)系建立了基于OODA環(huán)的體系能力評估模型，最后對一個案例進(jìn)行評估與分析，所得結(jié)論與實際情況基本相符，從而驗證了上述模型的可行性。

[1] 黃建明,高大鵬.基于OODA環(huán)的作戰(zhàn)對抗系統(tǒng)動力學(xué)模型[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2012,24(3):561-564. HUANG Jian-ming, GAO Da-peng. Combat Systems Dynamics Model with OODA Loop [J]. Journal of System Simulation,2012,24(3):561-564.

[2] 張昱,張明智,楊鏡宇,等.一種基于OODA環(huán)的武器裝備體系建模方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2013,25(sl):6-11. ZHANG Yu, ZHNAG Ming-zhi, YANG Jing-yu, et al. Modeling Method for Weapon System of Systems Based on OODA Loop[J]. Journal of System Simulation, 2013,25(sl):6-11.

[3] 朱剛,譚賢四,王紅,等.復(fù)雜信息關(guān)系集成的指揮控制模型[J].復(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜性科學(xué),2015,12(1):53-61. ZHU Gang, TAN Xian-si, WANG Hong, et al. Command and Control Model Based on Complex Information Relation Integration[J]. Complex System and Complex Science,2015,12(1):53-61.

[4] 楊耀華,王維平,包戰(zhàn).面向作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)的層次化涌現(xiàn)建模方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2011,23(12):2777-2782. YANG Yao-hua, WANG Wei-ping, BAO Zhan. Hierarchic Emergence Approach for Networked Combat Model[J]. Journal of System Simulation,2011, 23(12): 2777-2782.

[5] 孫瑞,王智學(xué),姜志平,等.外軍指揮控制過程模型剖析[J].艦船電子工程,2012,32(5):12-14. SUN Rui, WANG Zhi-xue, JIANG Zhi-ping, et al. Analysis of the Foreign Military Command and Control Process Model[J]. Ship Electronic Engineering,2012, 32(5):12-14.

[6] Berndt Brehmer. The Dynamic OODA Loop: Amalgamating Boyd’s OODA Loop and the Cybermetic Approch to command and Conrrol[C]∥10th International Command and Control Research and Technology Symposium The Future of C2, 2007,5.

[7] 張明智,馬力,季明.網(wǎng)絡(luò)化體系對抗OODA指揮循環(huán)時測建模及試驗[J].指揮與控制學(xué)報,2015,1(1):50-55. ZHANG Ming-zhi, MA Li, JI Ming. Networked System-of-systems Combat OODA Command Circulation Time Measuring Modeling and Experiment[J].Journal of Command and Control, 2015,1(1):50-55.

[8] 譚躍進(jìn),張小可,楊克巍.武器裝備體系網(wǎng)絡(luò)化描述與建模方法[J].系統(tǒng)管理學(xué)報,2012,21(6):781-786. TAN Yue-jin, ZHANG Xiao-ke, YANG Ke-wei. Research on Networked Description and Modeling Method of Armament System-of-Systems[J]. Journal of Systems & Management, 2012,21(6):781-786.

[9] 朱江,蔡蔚,聞傳花,等.基于OODA指揮控制環(huán)的作戰(zhàn)仿真試驗[J].指揮控制與仿真,2015,37(3):112-115. ZHU Jiang, CAI Wei, WEN Chuan-hua, et al. OODA C2Loop Based on Combat Simulation Experiment[J]. Command Control & Simulation,2015,37(3):112-115.

[10] 宋天莉.裝備體系能力指標(biāo)體系研究及評估方法初探[C]∥體系能力評估方法交流文集,2013,8:27-29.SONG Tian-li. Pilot Research on Capability Index System and Evaluation Method of WSOS[C]∥Collected Works of SOS Capability Evaluation Method,2013,8:27-29.[11] 張迪,郭齊勝，李智國.基于ANP的武器裝備體系能力有限層次評估方法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2015,37(4): 817-823. ZHANG Di, GUO Qi-sheng, LI Zhi-guo. Capability Limited-Hierarchy Evaluation of Weapon Equipment System Based on ANP[J]. Systems Engineering and Electronics,2015,37(4):817-823.

[12] 曹建軍,馬海洲,蔣德瓏.武器裝備體系評估建模研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報,2015,27(1): 37-42. CAO Jian-jun, MA Hai-zhou, JIANG De-long. Research on Modeling of Weapons System of Systems Evaluation [J]. Journal of System Simulation, 2015, 27(1): 37-42.

[13] BLASCH E P, BRETON R, VALIN P, et al. User Information Fusion Decision Making Analysis with the C-OODA Model[C]∥2011 Proceeding of the 14th International Conference on.IEEE,2011:1-8

[14] 管清波,于小紅.新型武器裝備體系貢獻(xiàn)度評估問題探析[J].裝備學(xué)院學(xué)報,2015,26(3):1-5. GUAN Qing-bo, YU Xiao-hong. Research on Evaluation of Equipment’s Contribution to System Warfighting[J]. Journal of Equipment Academy,2015, 26(3):1-5.

[15] 侯思祥,王錦華.基于海軍武器裝備體系結(jié)構(gòu)視圖的能力評估研究[J].國防科技,2014,35(4):50-53. HOU Si-xiang, WANG Jin-hua.Study on Evaluation of Naval Weapon and Equipment Combating System of System Capability Based on Architecture Framework [J]. National Defense Science & Technology, 2014,35(4): 50-53.

Study on Contribution Degree of Equipment to System of Systems Using OODA Loop Model

ZHANG Yu, HUANG Jian-xin

(Beijing Institute of System Engineering, National Key Laboratory for Complex Systems Simulation, Beijing 100101, China)

For the equipment optimization issues, the contribution degree of equipment to system-of-systems (SoS) is studied. The observe orient decide act(OODA) loop theory is introduced to analyze the process of SoS confrontation. The concept of SoS confrontation is abstracted into the confrontation between two OODA loops. Then, the contribution degree of equipment to SoS is analyzed, which includes the analysis of the structure of the weapon system of systems(WSoS) based on OODA loop. A capability evaluation model of WSoS based on OODA loop is put forward. Also, a small case is studied to verify the feasibility of the model.

observe orient decide act(OODA) loop; equipment; system-of-systems(SoS) confrontation; capability evaluation; modeling; contribution degree

2016-05-09；

2016-06-20 作者簡介：張宇(1987-)，男，四川什邡人。碩士生，主要研究方向為裝備論證與仿真。

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.02.028

E917

A

1009-086X(2017)-02-0177-06

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