王 博, 周文雅,*, 汪 濤, 郭繼唐

(1. 大連理工大學(xué)航空航天學(xué)院, 遼寧 大連 116024;2. 中國(guó)空間技術(shù)研究院錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029)

0 引 言

隨著信息技術(shù)和軍事技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的作戰(zhàn)形式多樣。在聯(lián)合作戰(zhàn)背景下,多種高科技武器裝備的協(xié)同作戰(zhàn)已經(jīng)成為戰(zhàn)爭(zhēng)獲勝的關(guān)鍵[1-3]。作戰(zhàn)裝備數(shù)量龐大,類型多樣,裝備間功能相互交互,形成的整個(gè)作戰(zhàn)體系變得愈發(fā)復(fù)雜[4]。在整個(gè)作戰(zhàn)環(huán)節(jié)層面來(lái)說(shuō),裝備體系總作戰(zhàn)能力決定戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)每個(gè)任務(wù)環(huán)節(jié)的完成情況。從整個(gè)戰(zhàn)爭(zhēng)價(jià)值利益來(lái)說(shuō),決定戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)果的不僅是最終的勝負(fù),更與投入作戰(zhàn)體系裝備的能力價(jià)值有很大關(guān)系,所以衡量應(yīng)該投入作戰(zhàn)體系的裝備以及研究投入的裝備在作戰(zhàn)體系中應(yīng)該發(fā)揮的作戰(zhàn)能力是很有必要的[5-8]。

近些年來(lái),研究學(xué)者也做了很多關(guān)于裝備作戰(zhàn)能力的研究,譚躍進(jìn)等[8]基于觀察-判斷-決策-行動(dòng)(observation-orientation-decsion-action, OODA)循環(huán)理論,提出了為完成任務(wù),由裝備與敵方目標(biāo)構(gòu)成閉合回路的作戰(zhàn)環(huán)[9-12]。武博祎等[13]將待評(píng)估武器裝備結(jié)合作戰(zhàn)裝備體系,提出了待評(píng)估武器裝備對(duì)于裝備體系作戰(zhàn)能力貢獻(xiàn)度的一般過(guò)程。劉鵬等[3]基于作戰(zhàn)環(huán)理論評(píng)估模型的基礎(chǔ)上,考慮在國(guó)防預(yù)算有限的前提下,提出裝備面向多任務(wù)貢獻(xiàn)率時(shí),利用區(qū)間數(shù)比較法對(duì)裝備優(yōu)先發(fā)展進(jìn)行了排序。李際超等[14]基于裝備間的關(guān)系,提出了武器裝備體系作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型的裝備貢獻(xiàn)度評(píng)估方法。梁家林等[15]基于信息熵理論分析了作戰(zhàn)環(huán)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的不確定性,給出了武器裝備體系作戰(zhàn)能力評(píng)估方法的具體流程。蔣彥等[16]基于評(píng)估結(jié)果的實(shí)際模糊性,將區(qū)間數(shù)引入對(duì)指揮信息系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能評(píng)估。David等[17]基于OODA循環(huán)理論,提出了批判-探索-比較-適應(yīng)裝備作戰(zhàn)空間的自適應(yīng)能力評(píng)估框架。現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中,整個(gè)武器裝備體系內(nèi)部結(jié)構(gòu)化程度極高,因定性與定量指標(biāo)結(jié)合的模糊性、單個(gè)裝備對(duì)于整個(gè)裝備體系能力指標(biāo)呈現(xiàn)作用的復(fù)雜性等原因[18],很難準(zhǔn)確測(cè)量出每項(xiàng)能力的準(zhǔn)確程度,通常采用專家對(duì)待評(píng)估裝備加入武器裝備體系前后總?cè)蝿?wù)的各項(xiàng)能力進(jìn)行打分,進(jìn)而獲得評(píng)估裝備在裝備體系中的貢獻(xiàn)率。但在整個(gè)作戰(zhàn)任務(wù)目標(biāo)中,將待評(píng)估裝備納入裝備體系后,這些方法仍然存在以下缺陷:

(1) 階段任務(wù)中的能力彼此影響,可能會(huì)使單項(xiàng)評(píng)估能力和階段任務(wù)的作戰(zhàn)能力產(chǎn)生上升或下降的效果,甚至影響總作戰(zhàn)任務(wù)的成敗[4]。

(2) 裝備作戰(zhàn)的指標(biāo)能力值本身只是一個(gè)不確定的無(wú)量綱化相對(duì)值,并非一個(gè)確定值[16]。

(3) 在整個(gè)作戰(zhàn)裝備體系總作戰(zhàn)能力評(píng)估時(shí),未考慮待評(píng)估裝備加入的作戰(zhàn)裝備體系對(duì)于階段任務(wù)能力的影響。

為此,本文基于作戰(zhàn)環(huán)理論,將裝備體系作戰(zhàn)總?cè)蝿?wù)細(xì)化為多階段任務(wù)的評(píng)估方法。采用區(qū)間數(shù)對(duì)不同待評(píng)估裝備加入裝備體系后的各階段任務(wù)能力大小進(jìn)行無(wú)量綱化的相對(duì)值表達(dá);引入灰數(shù)帶理論表達(dá)不同裝備加入裝備體系后的各階段任務(wù)能力分布變化情況;利用信息熵及區(qū)間數(shù)可能度的排序向量,計(jì)算得到各指標(biāo)的客觀權(quán)重;最后通過(guò)區(qū)間數(shù)的排序比較方法,選擇可使作戰(zhàn)能力最大的裝備進(jìn)行配合作戰(zhàn),以保證己方獲得戰(zhàn)場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。

1 裝備體系作戰(zhàn)能力評(píng)估的流程

武器裝備在現(xiàn)今的戰(zhàn)爭(zhēng)中,其參與的作戰(zhàn)階段任務(wù)增加,使得功能多樣化發(fā)展,武器裝備論證面向作戰(zhàn),遵循“任務(wù)需求-能力需求-能力指標(biāo)-任務(wù)評(píng)估”的論證過(guò)程[17-20]。武器裝備體系作戰(zhàn)能力評(píng)估需將總體作戰(zhàn)任務(wù)劃分為對(duì)應(yīng)一定能力指標(biāo)的階段任務(wù),對(duì)參與階段任務(wù)裝備的相應(yīng)能力進(jìn)行指標(biāo)劃分,進(jìn)而由相應(yīng)的階段任務(wù)能力綜合形成裝備體系作戰(zhàn)能力評(píng)估。上述裝備體系作戰(zhàn)能力評(píng)估的框架如圖1所示。

圖1 裝備M所在裝備體系的總作戰(zhàn)能力評(píng)估流程

武器裝備體系作戰(zhàn)能力評(píng)估步驟如下。

步驟 1明確總體作戰(zhàn)任務(wù),并將其劃分為若干對(duì)應(yīng)一定能力指標(biāo)的階段任務(wù)。

步驟 2構(gòu)建參與作戰(zhàn)的整體裝備體系。

步驟 3根據(jù)劃分一定能力指標(biāo)的階段任務(wù),構(gòu)建裝備體系作戰(zhàn)能力評(píng)估指標(biāo)體系。

步驟 4專家組根據(jù)裝備體系作戰(zhàn)能力評(píng)估指標(biāo)體系,對(duì)待評(píng)估裝備加入作戰(zhàn)裝備體系后的能力指標(biāo)分別打分。

步驟 5計(jì)算裝備體系的作戰(zhàn)能力。

步驟 6比較不同裝備M加入體系后的裝備體系總作戰(zhàn)能力,選擇參戰(zhàn)裝備M。

2 作戰(zhàn)總?cè)蝿?wù)評(píng)估指標(biāo)體系

研究武器裝備所在體系的作戰(zhàn)能力,需要構(gòu)建裝備體系的作戰(zhàn)能力指標(biāo)體系,考慮整個(gè)裝備體系的總使命任務(wù)信息的閉環(huán)特征,可構(gòu)造OODA環(huán)模型。OODA環(huán)模型是由美國(guó)空軍上校JohnBoyd于1987年提出的一種作戰(zhàn)環(huán)模型[21-24],如圖2所示。

圖2 OODA作戰(zhàn)環(huán)示意圖

對(duì)于復(fù)雜的作戰(zhàn)體系進(jìn)行建模時(shí),將作戰(zhàn)體系中的核心裝備抽象為偵察、決策、攻擊等3類節(jié)點(diǎn)已基本達(dá)成了共識(shí)[25-27]。根據(jù)裝備體系中的個(gè)體裝備完成使命對(duì)總使命任務(wù)進(jìn)行階段任務(wù)劃分,基于作戰(zhàn)環(huán)示意圖,可將總使命任務(wù)按階段細(xì)化為偵察階段任務(wù),決策階段任務(wù)以及打擊階段任務(wù)。因?yàn)槊恳粋€(gè)階段任務(wù)關(guān)注的作戰(zhàn)能力指標(biāo)不同,所以可構(gòu)造指標(biāo)體系[3]如圖3所示。

圖3 裝備體系作戰(zhàn)能力指標(biāo)體系

在納入待評(píng)估裝備后,作戰(zhàn)裝備體系的結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。新納入裝備也會(huì)消耗系統(tǒng)的資源,使得整個(gè)作戰(zhàn)裝備體系的待評(píng)估裝備的主戰(zhàn)能力增加,但也會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的鄰部指標(biāo)能力降低,進(jìn)而可能使得部分階段任務(wù)環(huán)節(jié)的作戰(zhàn)能力降低,甚至于不能完成相應(yīng)的階段任務(wù),導(dǎo)致整個(gè)裝備體系的作戰(zhàn)總使命任務(wù)失敗。在整個(gè)作戰(zhàn)場(chǎng)中,由于裝備體系復(fù)雜,且作戰(zhàn)時(shí)機(jī)緊迫,很難及時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量出裝備體系每一項(xiàng)能力指標(biāo)的精確值,只能采取專家組打分形式得到指標(biāo)能力的可能分布區(qū)間值[28-30]。

裝備Mi(i=1,2,…,n)加入裝備作戰(zhàn)體系后,可能參與多階段作戰(zhàn)任務(wù),因此不同裝備加入作戰(zhàn)體系后的同一階段任務(wù)會(huì)產(chǎn)生不同的作戰(zhàn)效能,進(jìn)而導(dǎo)致總作戰(zhàn)能力的不同。

3 評(píng)估模型

3.1 裝備體系作戰(zhàn)能力確定

由裝備體系作戰(zhàn)能力指標(biāo)m=0,1,…,n構(gòu)成的序列作為裝備體系作戰(zhàn)能力指標(biāo)的區(qū)間灰數(shù)列,記作X(?)=(?(t0),?(t1),…,?(tm)),將順次連接相鄰指標(biāo)能力區(qū)間灰數(shù)的上界點(diǎn)和下界點(diǎn)所圍成的面積為裝備體系作戰(zhàn)能力的灰數(shù)帶[32],如圖4所示,表示裝備體系作戰(zhàn)能力指標(biāo)的能力值分布情況。

圖4 裝備體系作戰(zhàn)能力指標(biāo)的分布帶

3.2 裝備體系作戰(zhàn)能力的聚合

裝備是體系作戰(zhàn)的實(shí)體?；趫D3所示的任務(wù)分類指標(biāo)體系,作戰(zhàn)能力的評(píng)估指標(biāo)按照任務(wù)階段劃分,可以分為偵察、決策、打擊3類任務(wù)能力指標(biāo)。基于整個(gè)作戰(zhàn)階段可以得到裝備體系的作戰(zhàn)能力為

(1)

細(xì)劃的階段任務(wù)作戰(zhàn)能力為

(2)

(3)

(4)

3.3 裝備體系作戰(zhàn)能力的排序比較

裝備體系作戰(zhàn)能力的排序方法主要有確定性和非確定性兩類[33],本文采用非確定性方法下的基于測(cè)度模型度量的可能度的方法對(duì)裝備體系作戰(zhàn)能力排序[34]。當(dāng)?(tm)和?(tu)均為實(shí)數(shù)時(shí),稱

(5)

為?(tm)>?(tu)的可能度。

(6)

(7)

利用vi的大小對(duì)各個(gè)指標(biāo)能力進(jìn)行排序。

3.4 信息熵法確定指標(biāo)權(quán)重

對(duì)于裝備Mi加入裝備體系時(shí),有m個(gè)指標(biāo)的排序向量構(gòu)成決策矩陣V為

(8)

對(duì)決策矩陣V進(jìn)行規(guī)范化處理,得到規(guī)范法矩陣R=(r)n×m,其中

(9)

式中:對(duì)于規(guī)范化排序向量rij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)為第Mi個(gè)裝備加入體系時(shí)的第j個(gè)指標(biāo)的排序向量元素值。對(duì)于指標(biāo)j、rij的差異越大,則對(duì)于指標(biāo)j進(jìn)行區(qū)分的信息越大,用信息熵度量其大小,其表達(dá)式為

(10)

計(jì)算階段任務(wù)指標(biāo)的權(quán)重向量αj為

(11)

總結(jié)上述針對(duì)多階段任務(wù)的裝備Mi所在裝備體系作戰(zhàn)能力評(píng)估方法的評(píng)估流程如圖5所示。具體的步驟流程可以總結(jié)如下。

圖5 裝備Mi所在裝備體系總作戰(zhàn)能力評(píng)估流程

步驟 1專家針對(duì)階段任務(wù)指標(biāo)體系的指標(biāo)能力落點(diǎn)區(qū)間進(jìn)行估計(jì),形成裝備體系評(píng)估指標(biāo)的作戰(zhàn)能力分布帶。

步驟 2通過(guò)裝備體系能力指標(biāo)落點(diǎn)區(qū)間分布計(jì)算階段任務(wù)作戰(zhàn)能力的落點(diǎn)區(qū)間分布。

步驟 3計(jì)算并比較不同裝備Mi裝備體系時(shí)的裝備體系總作戰(zhàn)能力大小,選擇能使裝備體系總作戰(zhàn)能力發(fā)揮最佳的裝備Mi。

4 評(píng)估示例

在某作戰(zhàn)演習(xí)中,紅方欲對(duì)藍(lán)方裝備T進(jìn)行有效打擊,構(gòu)造裝備體系如圖6所示。紅方有偵察裝備S1和S2,指揮決策裝備I1、I2和I3,打擊裝備Mi(i=1,2,3,4),其中打擊裝備Mi為察打一體裝備,紅方為保證能最大可能的掌握戰(zhàn)場(chǎng)主動(dòng)權(quán),實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)資源的最優(yōu)配置,在所有備選打擊裝備Mi中選擇出最合適的打擊裝備,構(gòu)建了適合實(shí)情的作戰(zhàn)方案。

首先,將裝備Mi(i=1,2,3,4)分別加入進(jìn)行打擊藍(lán)方裝備T,專家根據(jù)裝備Mi加入戰(zhàn)場(chǎng)后的裝備體系戰(zhàn)場(chǎng)表現(xiàn)結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn),對(duì)4個(gè)打擊裝備加入作戰(zhàn)體系后的各個(gè)階段的能力指標(biāo)進(jìn)行打分,如圖7所示。其“紅”線下端點(diǎn)高度代表體系的能力一定能達(dá)到的最小值,“紅”線上端點(diǎn)高度代表體系的能力可能達(dá)到的最大值。

圖7 不同裝備加入后裝備體系的指標(biāo)能力

為驗(yàn)證本文所提方法的有效性和可行性,取指標(biāo)能力落點(diǎn)區(qū)間的中間值加以驗(yàn)證,中間值位于指標(biāo)能力區(qū)間的中心位,能與裝備體系指標(biāo)能力落點(diǎn)區(qū)間分值保持良好的一致性,“紫”線代表指標(biāo)能力區(qū)間的中間值。

由式(6)和式(7)可得到4個(gè)裝備體系各項(xiàng)能力指標(biāo)的排序向量分別為:發(fā)現(xiàn)目標(biāo)能力V1=(0.281 3,0.164 1,0.210 5,0.344 1),跟蹤目標(biāo)能力V2=(0.270 4,0.310 6,0.294 0,0.125 0),目標(biāo)成像能力V3=(0.322 8,0.195 5,0.300 7,0.181 0),信息融合能力V4=(0.212 4,0.246 4,0.277 6,0.263 6),指揮人員認(rèn)知能力V5=(0.145 6,0.277 5,0.264 7,0.312 1),協(xié)同籌劃能力V6=(0.163 9,0.375 0,0.261 8,0.199 4),突發(fā)應(yīng)變能力V7=(0.350 6,0.218 4,0.241 2,0.189 8),軟毀傷能力V8=(0.288 0,0.242 7,0.219 9,0.249 4),硬毀傷能力V9=(0.182 0,0.228 1,0.234 3,0.355 6),精確毀傷能力V10=(0.343 1,0.203 4,0.185 2,0.268 3),排序結(jié)果如表1所示。

表1 4套打擊裝備分別加入裝備體系后指標(biāo)能力的排序

由式(8)可構(gòu)造決策排序矩陣Vs、Vd、Vt和決策中間值矩陣Vsm、Vdm、Vtm如下:

由式(9)～式(11)得到偵察階段任務(wù)下能力指標(biāo)、決策階段任務(wù)下能力指標(biāo)和打擊階段任務(wù)下能力指標(biāo)的權(quán)重如圖8所示。

圖8 指標(biāo)權(quán)重

表2 4套打擊裝備分別加入裝備體系后階段任務(wù)作戰(zhàn)能力的排序

圖9 4個(gè)裝備的階段任務(wù)能力值

由式(8)構(gòu)造階段任務(wù)的決策排序矩陣V和段任務(wù)決策中間值矩陣Vm如下:

由式(9)和式(10)得到偵察階段、決策階段和打擊階段任務(wù)的指標(biāo)權(quán)重如圖10所示。根據(jù)式(1),可以得到4個(gè)裝備的作戰(zhàn)能力如圖11所示。同理,根據(jù)式(5)～式(7),可以得到4個(gè)裝備的作戰(zhàn)能力的排序向量為Vf=(0.238 6,0.255 6,0.254 4,0.251 5),裝備體系總作戰(zhàn)能力的排序結(jié)果如表3所示。

表3 4套打擊裝備分別加入裝備體系后總作戰(zhàn)能力的排序

圖10 階段任務(wù)權(quán)重

圖11 裝備體系的作戰(zhàn)能力

通過(guò)上述案例可以看出,本文基于作戰(zhàn)環(huán)理論,提出針對(duì)多階段任務(wù)的裝備體系作戰(zhàn)能力評(píng)估方法與傳統(tǒng)中間值法評(píng)估結(jié)果排序一致,按照加入裝備序號(hào)構(gòu)建的裝備體系總作戰(zhàn)能力由高到低排序分別為2號(hào),3號(hào),4號(hào),1號(hào)。兩種方法都表明,在對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、戰(zhàn)場(chǎng)任務(wù)了解不充分的情況下,2號(hào)裝備的投入使用是當(dāng)前情況下最有利于戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)發(fā)展的,這也說(shuō)明了本文所提評(píng)估方法是有效、可行的。由圖8和圖10可以看出,本文利用信息熵結(jié)合指標(biāo)排序向量確定的權(quán)重線與利用信息熵結(jié)合指標(biāo)能力中間值確定的權(quán)重基本相等,表明本文所提方法不失一般性。由表1中的精確毀傷能力可以看出,本文所提方法相比傳統(tǒng)中間值法排序性更強(qiáng),表明本文所提方法更有利于為戰(zhàn)場(chǎng)裝備的優(yōu)先發(fā)展、配合作戰(zhàn)提供決策支撐,能使己方更大可能的占據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)主動(dòng)權(quán)。

5 結(jié) 論

在對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和作戰(zhàn)任務(wù)有充分了解后,仍然可以采用上述分析方法對(duì)整個(gè)裝備體系做出相應(yīng)的調(diào)整,使得己方在整個(gè)作戰(zhàn)過(guò)程中,始終占據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的有利地位。

基于作戰(zhàn)環(huán)理論,從裝備體系的階段任務(wù)出發(fā),通過(guò)引用聯(lián)系數(shù)以及灰數(shù)帶概念,實(shí)現(xiàn)了同類型裝備加入作戰(zhàn)體系后裝備體系作戰(zhàn)能力的評(píng)估,不僅考慮了各個(gè)階段任務(wù)的完成情況,還考慮了總體作戰(zhàn)能力的變化,以及相應(yīng)鄰部作戰(zhàn)能力的動(dòng)態(tài)變化。該方法的物理意義優(yōu)勢(shì)明顯,不僅克服了裝備作戰(zhàn)能力指標(biāo)值本身只是一個(gè)的無(wú)量綱化相對(duì)值表達(dá)的困難,還通過(guò)灰數(shù)帶分布刻畫(huà)了各個(gè)指標(biāo)能力的動(dòng)態(tài)變化。本文利用信息熵法結(jié)合階段任務(wù)能力指標(biāo)的排序向量能夠客觀確定指標(biāo)權(quán)重,克服了因追求裝備體系總作戰(zhàn)能力而忽略階段任務(wù)作戰(zhàn)能力過(guò)低可能導(dǎo)致總作戰(zhàn)任務(wù)失敗的困難。另外,本文所提方法將待評(píng)估裝備納入作戰(zhàn)裝備體系,不僅考慮了單個(gè)評(píng)估裝備作戰(zhàn)任務(wù)的能力,還考慮了裝備體系作戰(zhàn)任務(wù)的全過(guò)程能力,使評(píng)估結(jié)果更加符合實(shí)際作戰(zhàn)的背景需求。