陳秋麗,羅承昆,劉穎,張洋銘

(軍事科學(xué)院 系統(tǒng)工程研究院 系統(tǒng)總體研究所，北京 100101)

0 引言

當前，以對作戰(zhàn)體系貢獻率為評價標準，研究武器裝備立項論證與建設(shè)發(fā)展已取得顯著成效，為武器裝備體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化和作戰(zhàn)效能提升提供了重要支撐。其中，基于作戰(zhàn)環(huán)的裝備體系評估方法最具代表性[1-2]。該方法將我方單個裝備歸類為偵察(S)、決策(D)、影響(I)3類節(jié)點，將敵方目標設(shè)定為目標(T)節(jié)點，結(jié)合OODA(observation，orientation，decision，action)作戰(zhàn)環(huán)理論[3]，融入裝備多樣性及其之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)關(guān)系，從體系結(jié)構(gòu)、作戰(zhàn)能力、作戰(zhàn)效能等多個維度對裝備體系貢獻率進行評估分析[4]。文獻[5]首次對作戰(zhàn)環(huán)進行了定義，并根據(jù)有無某裝備時體系效能變化來計算裝備體系貢獻率。文獻[6-8]對作戰(zhàn)環(huán)的能力進行度量，基于作戰(zhàn)環(huán)數(shù)量進行裝備體系貢獻率評估。上述研究對開展裝備體系貢獻率評估具有重要的借鑒意義，但大多基于作戰(zhàn)任務(wù)構(gòu)建靜態(tài)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，沒有考慮時空變化對作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)影響，存在“坦克”打“飛機”等不符合實際的打擊鏈路，評估結(jié)果的可信度較低。

由于高新科技已經(jīng)滲透到現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的各個方面，如何合理規(guī)劃技術(shù)發(fā)展并加快其在裝備領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，進而提升體系作戰(zhàn)效能，已經(jīng)成為裝備技術(shù)建設(shè)發(fā)展過程中亟待解決的問題。因此，急需開展技術(shù)貢獻率評估，更好地滿足武器裝備機械化信息化智能化融合發(fā)展需求?，F(xiàn)有技術(shù)貢獻率評估方法主要有證據(jù)推理[9]、灰靶理論[10]、群體決策[11]、價值中心法[12]、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析[13]等，其基本思路主要是面向武器裝備體系運用背景，先分析技術(shù)對應(yīng)裝備的體系貢獻率，再分析技術(shù)對裝備的支撐程度，進而綜合計算得到技術(shù)對體系的貢獻率。

基于上述分析，本文提出一種考慮時空因素的美航母作戰(zhàn)體系技術(shù)貢獻率評估方法。首先，基于OODA作戰(zhàn)環(huán)理論，構(gòu)建考慮時空因素的美航母作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型；然后，提出基于自信息量的作戰(zhàn)體系效能評估方法，結(jié)合技術(shù)對裝備戰(zhàn)技指標的支撐程度，建立技術(shù)貢獻率評估模型；最后，以美航母防空反導(dǎo)作戰(zhàn)體系為例進行分析，驗證所提方法的性能。

1 考慮時空因素的美航母作戰(zhàn)體系建模

1.1 作戰(zhàn)環(huán)基礎(chǔ)理論

基于作戰(zhàn)環(huán)的裝備體系貢獻率評估方法充分考慮了OODA理論在作戰(zhàn)過程中的運用，在開展作戰(zhàn)體系建模時將敵我雙方裝備分為偵察、指控、影響、目標4類，結(jié)合作戰(zhàn)應(yīng)用場景，構(gòu)建偵察節(jié)點(S)、指控節(jié)點(D)、影響節(jié)點(I)和目標類節(jié)點(T)。作戰(zhàn)環(huán)示意圖如圖1所示，其中：

圖1 作戰(zhàn)環(huán)示意圖Fig.1 Diagrams of the operation loop

(1) 偵察節(jié)點(S)主要對應(yīng)于具備預(yù)警、偵察和監(jiān)視等功能的裝備，如雷達、偵察衛(wèi)星、預(yù)警機、偵察機等；

(2) 決策節(jié)點(D)主要對應(yīng)于具備指揮控制功能的裝備，如C4ISR、航空信息中心等；

(3) 影響節(jié)點(I)主要對應(yīng)于具備火力打擊和干擾毀傷等功能的裝備，如殲擊機、導(dǎo)彈、火炮等；

(4) 目標節(jié)點(T)主要對應(yīng)于作戰(zhàn)任務(wù)要求打擊的敵方目標，如敵方的重心裝備、機場等基礎(chǔ)設(shè)施，以及敵機、導(dǎo)彈等動態(tài)目標。

1.2 考慮時空因素的美航母作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型

美航母作戰(zhàn)體系由于其作戰(zhàn)范圍覆蓋廣、裝備手段選項多，即使相同的作戰(zhàn)任務(wù)，也因時間和空間的關(guān)系可分為多個層次，如偵察預(yù)警分為遠程預(yù)警、中程預(yù)警、近程預(yù)警等，反潛作戰(zhàn)分為空中反潛作戰(zhàn)行動、水面反潛作戰(zhàn)行動、水下反潛作戰(zhàn)行動等。因此，需針對相同任務(wù)的不同階段，充分考慮任務(wù)隨時空發(fā)展的動態(tài)變化，構(gòu)建梯次作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型，避免出現(xiàn)作戰(zhàn)體系建模不符合實際的問題。

以防空反導(dǎo)為例，該作戰(zhàn)任務(wù)是美航母作戰(zhàn)體系為奪取和保持區(qū)域內(nèi)的制空權(quán)，采取的以抗擊和消滅敵方來襲飛機與導(dǎo)彈為主的一系列防御性作戰(zhàn)行動。在不考慮時空因素時，防空反導(dǎo)作戰(zhàn)想定為：艦載預(yù)警機(S1)，艦載電子戰(zhàn)飛機(S2)及對空搜索雷達(S3)對敵方目標信息進行偵察并傳回航母指控中心(D1)；航母指控中心向艦載戰(zhàn)斗轟炸機(I1)、“標準”系列艦空導(dǎo)彈(I2)及近程火炮(I3)下達攻擊指令，打擊敵方轟炸機(T1)和導(dǎo)彈(T2)等目標，實現(xiàn)有效防御。未考慮時空因素的防空反導(dǎo)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型，如圖2所示。

圖2 未考慮時空因素的防空反導(dǎo)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.2 Network model of air defense and anti-missile combat without considering time and space factors

事實上，航母作戰(zhàn)體系采用梯次防空[14]，根據(jù)作戰(zhàn)范圍可劃分防空反導(dǎo)、中程防空反導(dǎo)和近程防空反導(dǎo)。

(1) 遠程防空反導(dǎo)是向易遭受攻擊的危險方向派出預(yù)警機和電子戰(zhàn)飛機，用于偵察監(jiān)視敵情，由航母指控中心承擔指揮任務(wù)，必要時前出1～2架艦載戰(zhàn)斗轟炸機進行空中巡邏和攻擊。該梯次的防空最遠邊界約為700～1 000 km，其作戰(zhàn)想定為：艦載預(yù)警機(S1)和艦載電子戰(zhàn)飛機(S2)對遠距離敵方目標信息進行偵察并傳回航母指控中心(D1)；隨后，航母指控中心向艦載戰(zhàn)斗轟炸機(I1)下達攻擊指令，打擊遠距離敵方轟炸機(T1)和導(dǎo)彈(T2)等目標，實現(xiàn)有效防御。通過對遠程防空反導(dǎo)作戰(zhàn)的典型裝備和關(guān)聯(lián)關(guān)系進行抽象，可構(gòu)建其網(wǎng)絡(luò)模型如圖3所示。

圖3 遠程防空反導(dǎo)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.3 Network model of long-range air defense and anti-missile combat

(2) 中程防空反導(dǎo)是由航母指控中心承擔指揮任務(wù)，使用對空搜索雷達提供早期預(yù)警，運用值班戰(zhàn)斗轟炸機及“標準”系列艦空導(dǎo)彈對突防敵機和導(dǎo)彈進行攔截。該梯次的防空最遠邊界約為350～400 km，其作戰(zhàn)想定為：對空搜索雷達(S3)對中程范圍內(nèi)的敵方目標信息進行偵察并傳回航母指控中心(D1)；隨后，航母指控中心指揮值班艦載戰(zhàn)斗轟炸機(I1)或“標準”系列艦空導(dǎo)彈(I2)進行攻擊，打擊敵方轟炸機(T1)和導(dǎo)彈(T2)等目標。通過對中程防空反導(dǎo)作戰(zhàn)的典型裝備和關(guān)聯(lián)關(guān)系進行抽象，可構(gòu)建其網(wǎng)絡(luò)模型如圖4所示。

圖4 中程防空反導(dǎo)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.4 Network model of medium-range air defense and anti-missile combat

(3) 近程防空反導(dǎo)防御是由航母指控中心承擔指揮任務(wù)，依次使用值班戰(zhàn)斗轟炸機、“標準”系列艦空導(dǎo)彈和“密集陣”近程火炮攔截。該梯次的防空攔截半徑約為250 km，其作戰(zhàn)想定為：對空搜索雷達(S3)對近程范圍內(nèi)的敵方目標信息進行偵察并傳回航母指控中心(D1)；隨后，航母指控中心指揮值班艦載戰(zhàn)斗轟炸機(I1)、“標準”系列艦空導(dǎo)彈(I2)和近程火炮(I3)進行攻擊，打擊突防導(dǎo)彈(T2)等目標。通過對近程防空反導(dǎo)作戰(zhàn)的典型裝備及其之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進行抽象，可構(gòu)建其網(wǎng)絡(luò)模型如圖5所示。

圖5 近程防空反導(dǎo)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.5 Network model of short-range air defense and anti-missile combat

通過上述分析，本文構(gòu)建的考慮時空因素的美航母防空反導(dǎo)作戰(zhàn)概念視圖，如圖6所示。

圖6 考慮時空因素的美航母防空反導(dǎo)作戰(zhàn)概念視圖Fig.6 Conceptual view of US aircraft carrier air defense and anti-missile operations considering time and space factors

有效的空中防御必須以有效的早期空中預(yù)警為前提，因此對于遠程、中程、近程防空反導(dǎo)作戰(zhàn)任務(wù)來說，遠程防空反導(dǎo)作戰(zhàn)的有效性更有助于提高航母編隊作戰(zhàn)優(yōu)勢。同時，近程防空反導(dǎo)作戰(zhàn)作為末端攔截系統(tǒng)，是最后一層防線，也有著不可忽略的重大作用。美航母防空反導(dǎo)作戰(zhàn)任務(wù)的三層作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)具有不同的效能比重。

通過對圖2和圖3～5進行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)圖2中存在近程火炮(I3)打擊敵方轟炸機(T1)這一鏈路。然而，在美航母嚴密的防空反導(dǎo)作戰(zhàn)體系下，敵方轟炸機(T1)很難突襲進入美航母250 km的防御半徑內(nèi)，這一鏈路的存在并不符合實際情況。因此，考慮時空因素的梯次作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)建模更能真實反映敵我雙方裝備體系對抗情況，直觀展示各鏈路效能隨作戰(zhàn)任務(wù)推進的變化情況，且遠程、中程、近程等不同層次的作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)具備不同的防護效能，為其設(shè)置不同的權(quán)重更有利于提升裝備體系貢獻率評估結(jié)果的可信度。

2 技術(shù)貢獻率評估

2.1 作戰(zhàn)體系效能評估模型

在將作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分為S，D，I，T等4類的基礎(chǔ)上，通過排列組合的方式可得到多種不同類型的邊，根據(jù)各邊所連接2個節(jié)點的相互作用特征及其戰(zhàn)技指標，即可對各邊所代表的關(guān)聯(lián)關(guān)系進行描述和建模。前期工作明確了在作戰(zhàn)環(huán)邊的建模過程中，采用多指標對各邊的效能發(fā)揮進行度量[15]。因此，為更準確地評估作戰(zhàn)體系效能，采用自信息量來度量各指標對邊的效能發(fā)揮帶來的不確定性。

假設(shè)指標P滿足邊的任務(wù)需求的隸屬度為RP(0≤RP≤1)，則該指標給邊的效能發(fā)揮帶來的不確定性為-lnRP。若邊b有K個關(guān)鍵影響指標，各指標權(quán)重為wP(P=1,2,…,K)，將其他未考慮的影響指標視為第K+1個指標，則邊b的加權(quán)自信息量為

(1)

基于作戰(zhàn)環(huán)各邊的加權(quán)自信息量，可計算得到作戰(zhàn)環(huán)的不確定性自信息量為

(2)

式中:HTS,HSD,HDI,HIT,HSS,HDD,HII分別表示作戰(zhàn)環(huán)中T-S,S-D,D-I,I-T,S-S,D-D,I-I邊的加權(quán)自信息量;G,Y,Z分別為作戰(zhàn)環(huán)中S-S,D-D,I-I邊的數(shù)量。

進而可得到不確定因素影響下的單個作戰(zhàn)環(huán)的效能為

Eop=exp(-Hop).

(3)

由于作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)由多個作戰(zhàn)環(huán)構(gòu)成，故作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)效能可由多個作戰(zhàn)環(huán)的效能集成所得。以敵方目標為牽引，假設(shè)目標節(jié)點Tk參與的第j(j=1,2,…n)個作戰(zhàn)環(huán)的不確定性自信息量為Hkj，則針對Tk的自信息量為

(4)

因此，針對該目標的作戰(zhàn)體系效能為

Ek=exp(-Hk).

(5)

綜合作戰(zhàn)體系中的所有目標，即可得到作戰(zhàn)體系效能為

(6)

式中：m為目標節(jié)點的個數(shù)；wk為目標節(jié)點Tk的權(quán)重，可根據(jù)目標對我方的威脅程度和目標本身的綜合價值等因素確定。

2.2 技術(shù)貢獻率評估模型

技術(shù)貢獻率可通過技術(shù)所對應(yīng)的裝備貢獻率計算得到。通過建立裝備-技術(shù)關(guān)聯(lián)矩陣，計算得到某項技術(shù)對裝備不同效能指標的支撐程度；結(jié)合裝備體系貢獻率，計算得到各裝備下的技術(shù)貢獻率。綜合所有裝備下的技術(shù)貢獻率，計算得到該技術(shù)對體系的貢獻率。

由于裝備對體系貢獻率分為絕對貢獻率和相對貢獻率。本文選取絕對貢獻率的計算方法，根據(jù)有無該裝備時作戰(zhàn)體系效能之差與原作戰(zhàn)體系效能的比值進行確定。對于多個作戰(zhàn)環(huán)網(wǎng)絡(luò)中的裝備A，其對作戰(zhàn)環(huán)網(wǎng)絡(luò)J的體系貢獻率為

(7)

式中：Ej為作戰(zhàn)環(huán)網(wǎng)絡(luò)J的作戰(zhàn)體系效能；E′j為不包含裝備A的作戰(zhàn)環(huán)網(wǎng)絡(luò)J的作戰(zhàn)體系效能。

那么，裝備A的對作戰(zhàn)體系的貢獻率為

(8)

式中：wj為各作戰(zhàn)環(huán)網(wǎng)絡(luò)對整個作戰(zhàn)任務(wù)的權(quán)重。

對于支撐裝備A的技術(shù)a，其基于裝備A的體系貢獻率為

Ca=CAFAa，

(9)

式中：FAa表示技術(shù)a對裝備A的支撐程度，通過關(guān)聯(lián)矩陣得到。

如果技術(shù)a為N個裝備提供支撐，則可計算得到技術(shù)a的體系貢獻率為

(10)

3 算例分析

以艦載戰(zhàn)斗轟炸機為例，分析其支撐技術(shù)對作戰(zhàn)體系效能的貢獻率?；谏鲜鰳?gòu)建的梯次作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型，首先根據(jù)前期成果[15]對航母作戰(zhàn)體系中裝備的戰(zhàn)技指標進行仿真計算，從而得到各邊的度量指標，進而確定各指標滿足邊的任務(wù)需求的隸屬度，結(jié)合各指標的權(quán)重，確定各邊的加權(quán)自信息量如表1～3所示。

表1 遠程防空反導(dǎo)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型中各邊的加權(quán)自信息量Table 1 Weighted self-information of each side in the long-range air defense and antimissile combat network model

表2 中程防空反導(dǎo)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型中各邊的加權(quán)自信息量Table 2 Weighted self-information of each side in the medium-range air defense and antimissile combat network model

表3 近程防空反導(dǎo)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型中各邊的加權(quán)自信息量Table 3 Weighted self-information of each side in the short-range air defense and antimissile combat network model

結(jié)合各邊的加權(quán)自信息量，在考慮時空因素條件下，根據(jù)圖3～5可計算得到目標節(jié)點參與的作戰(zhàn)環(huán)及不確定性自信息量如表4所示。

表4 目標節(jié)點參與的作戰(zhàn)環(huán)及其不確定性自信息量Table 4 Self-information with uncertainty of the operation loop involved in each target node

以艦載戰(zhàn)斗轟炸機(I1)為例，刪除該裝備后剩余作戰(zhàn)環(huán)及其不確定性自信息量如表5所示。

表5 剩余作戰(zhàn)環(huán)及其不確定性自信息量Table 5 Self-information with uncertainty of the remaining operation loop

通過式(7)計算得到艦載戰(zhàn)斗轟炸機(I1)在各作戰(zhàn)環(huán)網(wǎng)絡(luò)的體系貢獻率，分別為100%，57.53%,19.82%，則根據(jù)遠、中、近各作戰(zhàn)環(huán)網(wǎng)絡(luò)對防空反導(dǎo)任務(wù)的效能權(quán)重0.4，0.2，0.4，可得到戰(zhàn)斗轟炸機的體系貢獻率CI1=59.43%。

得到裝備體系貢獻率后，計算技術(shù)貢獻率需構(gòu)建裝備-技術(shù)關(guān)聯(lián)矩陣，分析技術(shù)對裝備戰(zhàn)技指標的支撐情況。對艦載戰(zhàn)斗轟炸機來說，其總體性能主要分為打擊、機動、防護、通信等指標?；谥笜说墨@取難易程度、客觀性、可量化等特點選取艦載戰(zhàn)斗轟炸機的戰(zhàn)技指標，及其相關(guān)支持技術(shù)情況如表6所示。

理論上每列技術(shù)指標數(shù)值相加對各戰(zhàn)技指標支撐應(yīng)當達到100%。但由于支撐某一型裝備的相關(guān)技術(shù)眾多，表6并沒有把全部技術(shù)列入計算，而是挑選了部分關(guān)鍵技術(shù)(如對多個戰(zhàn)技指標均有支撐，或?qū)δ稠棏?zhàn)技指標支撐程度較高等)用于算例的計算演示。考慮打擊、機動、防護、通信四項指標對艦載戰(zhàn)斗轟炸機(I1)的影響程度，設(shè)其權(quán)重分別為0.5,0.2,0.1,0.2。故，可計算得到上述各項技術(shù)對艦載戰(zhàn)斗轟炸機(I1)的支撐程度。同理，可計算得到各項技術(shù)對艦載預(yù)警機和艦載電子戰(zhàn)飛機的支撐程度，匯總?cè)绫?所示。

表6 艦載戰(zhàn)斗轟炸機的技術(shù)對戰(zhàn)技指標的支撐關(guān)系Table 6 Supporting relationship between technology and equipment performance indexes of carrier-borne fighter-bombers

表7 裝備-技術(shù)關(guān)聯(lián)矩陣Table7 Equipment-technology incidence matrix

考慮到不同類型裝備技術(shù)的巨大差異，重點分析防空反導(dǎo)作戰(zhàn)飛機相關(guān)支撐技術(shù)的貢獻率。

表8 作戰(zhàn)飛機相關(guān)支撐技術(shù)體系貢獻率Table 8 Support technology’s contribution rate to system-of-systems of each combat aircraft

對比上述計算結(jié)果，可以看出，對多個裝備具有較大支撐的技術(shù)，所計算得到的體系貢獻率較大，如機載電傳操縱技術(shù)、機載敵我識別技術(shù)、機體設(shè)計技術(shù)等。同時，因戰(zhàn)斗轟炸機對體系貢獻率較高，相關(guān)機載火控系統(tǒng)技術(shù)、機載彈藥技術(shù)等對其作戰(zhàn)功能具有較大支撐的技術(shù)貢獻率也比較大。

4 結(jié)束語

為科學(xué)準確地評估技術(shù)貢獻率，本文在構(gòu)建考慮時空因素的美航母作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，建立了技術(shù)貢獻率評估模型。算例分析結(jié)果表明，所提方法充分考慮了作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)的時空動態(tài)特性，能夠更加真實比較客觀的評估技術(shù)貢獻率，為技術(shù)規(guī)劃發(fā)展和裝備立項論證提供方法支撐。

需要說明的是，由于信息技術(shù)的快速發(fā)展和裝備性能的不斷提升，作戰(zhàn)體系中各裝備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系是不斷變化的，其對應(yīng)的作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)也是隨時空因素快速變化的。因此，如何全面考慮作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)的時空動態(tài)變化，進而高效開展技術(shù)貢獻率評估將是下一步研究的重點。