李 明

(武漢藏龍北路1號 武漢 430205)

水面艦艇火力分配技術(shù)及發(fā)展*

李 明

(武漢藏龍北路1號 武漢 430205)

火力分配是指揮決策的關(guān)鍵問題,論文對火力分配技術(shù)進行了研究。首先,將火力分配技術(shù)的發(fā)展分為人工火力分配、半自動火力分配以及自動火力分配三個階段,并回顧了各個階段的發(fā)展歷程。然后,對火力分配中的關(guān)鍵問題火力分配模型和算法進行了研究,分析了靜態(tài)模型、動態(tài)模型和智能模型的特點。最后,從火力分配體系以及關(guān)鍵技術(shù)等方面,提出了未來水面艦艇火力分配技術(shù)的發(fā)展方向。

指揮控制; 火力分配; 武器裝備; 模型算法

(No. 1 Canglong North Road, Wuhan 430205)

Class Number E92

1 引言

火力分配,也稱武器目標(biāo)分配或目標(biāo)分配,是現(xiàn)代戰(zhàn)爭過程中作戰(zhàn)指揮的重要組成部分[1～2]?；鹆Ψ峙涫侵冈谝阎獙Ψ侥繕?biāo)信息的情況下,如何將不同殺傷力和價值的武器分配到不同的目標(biāo),使得整體的打擊效果最優(yōu)。

火力分配在海陸空作戰(zhàn)中都有涉及,水面艦艇艦艇平臺的火力分配有其特殊性。艦艇作為綜合作戰(zhàn)平臺,承載多種多型武器,如美國阿利·伯克級驅(qū)逐艦可同時搭載艦炮、方陣快炮、艦空導(dǎo)彈等對空武器,還包括反艦導(dǎo)彈、反潛魚雷等。在艦艇編隊中,包含驅(qū)逐艦、護衛(wèi)艦等多種艦艇,武器種類更加多樣,火力分配方案合理性將直接影響整個編隊的作戰(zhàn)能力。因此,水面艦艇火力分配技術(shù)的研究對提升作戰(zhàn)效能具有重要意義。

水面艦艇火力分配技術(shù)的發(fā)展依托艦上信息裝備的發(fā)展。本文首先研究了火力分配技術(shù)的發(fā)展以及分配模型算法,梳理了相關(guān)方面的發(fā)展歷程,在當(dāng)前已有研究的基礎(chǔ)上指出了火力分配技術(shù)存在的問題,最后給出了水面艦艇火力分配技術(shù)發(fā)展方向。

2 水面艦艇火力分配技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 火力分配技術(shù)的發(fā)展

火力分配是指揮決策的關(guān)鍵問題,也是對情報處理結(jié)果進一步加工生成的產(chǎn)品,無論指揮決策還是情報處理,其發(fā)展都與艦上裝備的發(fā)展緊密相連?；鹆Ψ峙浼夹g(shù)的發(fā)展與艦上裝備尤其是指揮信息系統(tǒng)的發(fā)展息息相關(guān),主要分為三個階段。

1) 人工火力分配階段

20世紀(jì)70年代之前,艦上裝備較簡單,傳感器的應(yīng)用還處于較初級階段,艦上指控系統(tǒng)概念尚處形成期,功能比較單一,主要處理航速、位置等基本信息。由于受到傳感器功能的限制,水面艦艇態(tài)勢信息主要依靠人工觀察獲取,并由人工進行態(tài)勢信息的篩選。該階段艦上的武器類型單一,以不同口徑的艦炮為主。

圖1 人工火力分配

作戰(zhàn)過程中,由指揮員人工對敵方目標(biāo)進行搜集,然后判斷目標(biāo)是否進入艦炮射程,如果進入,則下達作戰(zhàn)指令。作戰(zhàn)指令中的武器數(shù)量以及目標(biāo)方位,主要由指揮員人工判斷與計算。

該階段從態(tài)勢信息的獲取到作戰(zhàn)指令的發(fā)出均由人工完成,不難看出,該過程對經(jīng)驗豐富的指揮員的依耐性較高,自動化程度低,火力分配的概念還在逐漸形成的過程中。

2) 半自動火力分配階段

20世紀(jì)70年代到90年代初期,隨著艦上裝備技術(shù)的進步,特別是計算機技術(shù)的蓬勃發(fā)展,以及導(dǎo)彈武器的大量裝艦,水面艦艇火力分配進入半自動化階段。該階段,艦上指揮信息系統(tǒng)的概念逐漸形成,其信息綜合處理中心與武器指揮控制中心的地位逐步確立。艦上武器傳感器呈現(xiàn)多元化的發(fā)展,各個武器傳感器的信息由指揮信息系統(tǒng)進行搜集與顯示。同時,指揮信息系統(tǒng)對指揮員下達的目標(biāo)指示信息進行解算,分配艦炮、導(dǎo)彈等多種武器對敵方目標(biāo)進行打擊。

圖2 半自動火力分配

作戰(zhàn)過程中,指揮員對處理過的態(tài)勢信息進行進一步分析整理,結(jié)合指揮信息系統(tǒng)提供的武器狀態(tài)信息,進行火力分配的決策,并將決策信息輸入到指揮信息系統(tǒng)。

半自動火力分配階段,傳感器對態(tài)勢信息的獲取更加全面,武器裝備更加多樣化與自動化。態(tài)勢信息的獲取和目標(biāo)指示的解算均由指揮信息系統(tǒng)完成,計算機使用效率得到高,作戰(zhàn)資源實現(xiàn)了共享,反應(yīng)時間較短。但是,該階段作戰(zhàn)指揮核心的火力分配決策仍由指揮員人工完成,機器提供前端決策信息及后端控制手段。

3) 自動火力分配階段

20世紀(jì)90年代后期開始,隨著信息技術(shù)的普及,指揮信息系統(tǒng)在體系架構(gòu)、系統(tǒng)功能和處理性能等方面有了質(zhì)的飛躍。指揮信息系統(tǒng)逐漸發(fā)展成為全艦作戰(zhàn)管理系統(tǒng),成為艦上信息的集散地和控制中心,艦上所有的武器傳感器均由其控制。計算性能的提升,使得指揮信息系統(tǒng)能夠運行更加復(fù)雜的模型,實現(xiàn)態(tài)勢信息、武器狀態(tài)等多要素自動決策計算,進行初步的火力分配方案制定。

圖3 自動火力分配

傳感器獲取的態(tài)勢信息通過分布式總線(網(wǎng)絡(luò))實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享,指揮信息系統(tǒng)對共享的綜合信息進行處理,結(jié)合各個武器狀態(tài),建立火力分配模型,并對模型進行求解,得到初步?jīng)Q策結(jié)果,指揮員對初步?jīng)Q策結(jié)果進行完善并下達。

自動火力分配階段從態(tài)勢信息獲取,到初步火力分配方案的制定,均由指揮信息系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的模型與算法自動完成,具有信息獲取全面、計算過程迅速、分配結(jié)果準(zhǔn)確的特點。整個過程在機器為主,人工干預(yù)的方式下完成。

2.2 火力分配模型算法

隨著應(yīng)用需求的發(fā)展和艦上指揮信息系統(tǒng)處理能力的提升,火力分配的模型算法越來越復(fù)雜,火力分配的模型和求解算法大量涌現(xiàn)[3～4],主要分為靜態(tài)模型,動態(tài)模型以及智能模型三類。

1) 靜態(tài)模型

由于早期裝備能力的限制,靜態(tài)模型最初的研究目的不是直接用于戰(zhàn)場的作戰(zhàn)指揮,而是將研究成果用于制定作戰(zhàn)計劃、指揮訓(xùn)練。

靜態(tài)模型中,作戰(zhàn)雙方的武器或目標(biāo)的狀態(tài)以及重要參數(shù)均已知,且計算過程中不可更改。由于靜態(tài)問題中各個狀態(tài)值不可更改,因此,其模型建立在以下兩個假設(shè)的基礎(chǔ)上:

(1)所有武器同時分配和發(fā)射。并且武器發(fā)射之后,無反饋信息,但是目標(biāo)的狀態(tài)可獲取。

(2)各個武器目標(biāo)對之間相互獨立。忽略武器在攔截過程中對其他武器攔截效果的影響。

在建模過程中,假設(shè)攻擊方有n個目標(biāo)來襲,T1,T2,…,Tn,防御方(艦艇)有m個武器平臺W1,W2,…,Wm,第j(j=1,2,…,m)個武器迎擊點最多可使用Bj個武器,對目標(biāo)Ti最多可使用Ci個武器,第j個武器迎擊點Wj迎擊目標(biāo)的概率為qij(i=1,2,…,n,j=1,2,…,m),武器最佳分配以分配迎擊武器迎擊全部目標(biāo)的失敗概率最小為目標(biāo)。其中,迎擊概率qij均已知。

圖4 武器目標(biāo)迎擊關(guān)系

若分配武器Wj迎擊目標(biāo)Ti,則目標(biāo)選擇決策變量xij=1,否則為0。因此,靜態(tài)火力分配問題轉(zhuǎn)化為求解下式的最小值問題:

以上就是靜態(tài)分配問題較為簡單的基本模型,模型的輸入與輸出如圖5所示。

圖5 靜態(tài)模型

靜態(tài)模型對應(yīng)的模型求解算法也較為簡單,主要包括枚舉法,分支定界法以及動態(tài)優(yōu)化方法等[5]。這些算法的求解效率比較有限,尤其在數(shù)據(jù)量較大的情況下,將嚴(yán)重影響求解速度和求解質(zhì)量。

2) 動態(tài)模型

隨著裝備能力的發(fā)展,武器與傳感器逐漸豐富多樣,作戰(zhàn)環(huán)境越來越復(fù)雜,對作戰(zhàn)的要求越來越高,靜態(tài)模型逐漸不能滿足作戰(zhàn)需求。相比于靜態(tài)模型,動態(tài)模型能控制的作戰(zhàn)環(huán)境參數(shù)更多,求解規(guī)模更大。同時,動態(tài)模型中加入了時間因素,支持對整個作戰(zhàn)過程中作戰(zhàn)方案的動態(tài)制定。

動態(tài)問題考慮的因素更多,作戰(zhàn)過程中,武器與目標(biāo)的數(shù)量和狀態(tài)處于動態(tài)變化中,當(dāng)前時刻的結(jié)果會對下一時刻造成影響。因此,在靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上,動態(tài)模型中引入了時間窗口、調(diào)整消耗最小等因素。

目前,動態(tài)問題的研究主要有三方面:多級武器目標(biāo)分配[6]、基于馬爾科夫決策過程的最優(yōu)化分配[7]以及基于anytime的動態(tài)武器目標(biāo)分配[8]。動態(tài)模型一般過程如圖6所示。

圖6 動態(tài)模型

動態(tài)模型的求解隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,對應(yīng)的求解算法也有了很大的突破。主要是智能算法,包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、蟻群算法等[9～10]。

3) 智能模型

目前,人工智能在快速發(fā)展中,由于智能模型的適用性強,同時能夠自學(xué)習(xí),火力分配方面的研究也開始關(guān)注人工智能,建立擁有自學(xué)習(xí)能力的智能模型。

在早期的模型研究過程中基本都是優(yōu)先考慮對目標(biāo)的毀傷效能。在實際的打擊過程中,除了目標(biāo)的毀傷效能之外,還有許多其他的考慮目標(biāo),如武器使用量最少,武器使用費用最小,目標(biāo)命中概率最大等。

智能模型結(jié)合多個求解目標(biāo),解決了動態(tài)模型中求解目標(biāo)不可變的問題。同時,結(jié)合實時戰(zhàn)場態(tài)勢,得到己方利益最大化的分配結(jié)果。智能模型加入了更多了反饋機制,對前一次作戰(zhàn)結(jié)果進行分析處理,進而可得到敵方武器更多的參數(shù),如威脅程度,毀傷率等。結(jié)合獲得的參數(shù),實時調(diào)整己方的分配策略,具體為實時改變模型的求解目標(biāo),使得作戰(zhàn)效果最佳。

圖7 智能模型

智能模型中,根據(jù)反饋信息實時調(diào)整當(dāng)前模型求解目標(biāo)。各個目標(biāo)視為相互分離的實體,在最優(yōu)解的搜尋過程中是從多維進行最優(yōu)解得查找,不同于單維最優(yōu)得搜尋方法(各個目標(biāo)之間相互關(guān)聯(lián),會有不同權(quán)重),多維求解得到的結(jié)果將更加全面。

智能模型目前尚在研究當(dāng)中,其數(shù)據(jù)規(guī)模較大,智能算法仍然是最佳的求解方法。

3 水面艦艇火力分配技術(shù)發(fā)展方向和展望

3.1 火力分配技術(shù)存在的問題

1) 信息共享有待加強

艦上的信息匯聚到指揮信息系統(tǒng),由指揮信息系統(tǒng)對其進行處理。但是,當(dāng)前艦上指揮信息系統(tǒng)從各個武器傳感器獲取信息的廣度和深度有待進一步的提高。在更加全面的數(shù)據(jù)分析之后,將能更好地提高火力分配效能。

2) 適用性需要深入研究

由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭節(jié)奏快,艦上裝備越來越豐富,裝備集成的功能也復(fù)雜多樣,使得火力分配處理越來越復(fù)雜,裝備的可靠性與適用性需要驗證。然而戰(zhàn)爭環(huán)境有限,需要大力發(fā)展仿真模擬等方式進行驗證。同時,雖然試驗或模擬仿真能夠發(fā)現(xiàn)一些問題,但是實戰(zhàn)中的環(huán)境可能更加復(fù)雜。只有通過不斷完善試驗與仿真環(huán)境,充分考慮實戰(zhàn)中可能出現(xiàn)的情況,才能更好的對裝備進行驗證,有效應(yīng)對實戰(zhàn)中的突發(fā)情況,提高裝備的可靠性。

3) 模型算法仍需改進

現(xiàn)有的研究中對新目標(biāo)對當(dāng)前模型求解結(jié)果的影響考慮有待加強,同時,應(yīng)考慮隨機因素對模型求解的影響。不論是新目標(biāo)或是隨機因素(包括設(shè)備故障、人員不足等)的出現(xiàn),都會對當(dāng)前的態(tài)勢造成不同程度的影響。所有武器目標(biāo)參數(shù)及狀態(tài)已知的假設(shè)在實際作戰(zhàn)中很難實現(xiàn),考慮隨機因素的影響,將使模型求解結(jié)果更加適應(yīng)實時作戰(zhàn)環(huán)境。

3.2 火力分配技術(shù)發(fā)展趨勢

1) 綜合化

指揮信息系統(tǒng)是當(dāng)前艦上信息的集散地,搜集了艦上所有設(shè)備的信息[11]。

為了保證艦上信息的全面性以及數(shù)據(jù)綜合處理,類似于美國朱姆沃爾特艦的指控系統(tǒng)將是未來的發(fā)展趨勢。發(fā)展過程中,指揮信息系統(tǒng)將由傳統(tǒng)指控系統(tǒng)逐漸向全艦作戰(zhàn)管理系統(tǒng)的方向發(fā)展,在獲取信息的廣度和深度上將會有大的突破,做到攻防兼?zhèn)?。因?基于全艦計算環(huán)境(TSCE)和電子設(shè)備容器箱體(EME),具有綜合數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理能力的指揮信息系統(tǒng)裝備形態(tài)將是未來海軍指揮信息系統(tǒng)的發(fā)展方向。

2) 跨平臺

數(shù)據(jù)的共享對作戰(zhàn)過程的影響日益重要,當(dāng)前火力分配模型的研究以單平臺的居多。多艘艦艇同時行動時,各個平臺之間的數(shù)據(jù)共享與聯(lián)合作戰(zhàn)能力將直接影響戰(zhàn)事的走勢。

未來的火力分配應(yīng)當(dāng)是跨平臺的,各個平臺獲取的數(shù)據(jù)將匯集到云端,由云端高性能的設(shè)備對大量數(shù)據(jù)進行處理,并將處理結(jié)果(作戰(zhàn)命令)下達給各個平臺。同時,各個平臺之間的協(xié)同將是要素級,信息的上報與下達可直接與平臺上的各個要素相連,縮短信息流轉(zhuǎn)時間,提高作戰(zhàn)效率。

3) 智能化

火力分配發(fā)展的另一個趨勢是智能化,將指揮員從復(fù)雜或不必要的機器操作中解放,交互方式以機器建議,人工決策的方式進行。從戰(zhàn)場態(tài)勢信息獲取,到指令的下達,均由機器自主完成,人工主要對重要環(huán)節(jié)進行監(jiān)控、修改和放行。

隨著深度學(xué)習(xí)等智能算法的發(fā)展,以及火力分配模型的不斷完善,求解算法將擁有自學(xué)習(xí)的能力,能對歷史作戰(zhàn)數(shù)據(jù)進行分析,結(jié)合當(dāng)前作戰(zhàn)環(huán)境得出最優(yōu)的分配結(jié)果。類似于AlphaGo,對火力分配數(shù)據(jù)不斷的學(xué)習(xí),將使得求解算法擁有深度的分析處理能力,做到真正意義上的綜合決策與智能決策。

4 結(jié)語

火力分配技術(shù)是作戰(zhàn)指揮決策的核心步驟。隨著裝備的發(fā)展以及模型算法應(yīng)用研究的不斷深入,研究人員應(yīng)立足作戰(zhàn)需求,在已有成果的基礎(chǔ)上,突破火力分配技術(shù)在實戰(zhàn)中應(yīng)用的關(guān)鍵難題,加強火力分配技術(shù)在裝備上的部署,實現(xiàn)艦上裝備利用的最大化,從而顯著提高系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。

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Surface Ship Weapon-Target Assignment(WTA) Technology and Its Development

LI Ming

Weapon-Target Assignment (WTA) is a vital problem in command decision. The paper studies the WTA technology. First, WTA technology is divided into three stages, including artificial stage, semi-automatic stage and automatic stage. The development process of each stage is reviewed. Second, the model and algorithm what are the key issues of WTA are researched. The characteristics of static model, dynamic model and intelligent model are analyzed. Third, from aspects of architecture and key technologies, the development of new WTA technologies is proposed.

command and control, WTA, weaponry, model algorithm

2016年7月10日,

2016年8月25日

李明,男,高級工程師,研究方向:指控系統(tǒng)。

E92

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.003