卜曉東，張軍

(南京航空航天大學(xué) 航空學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

當(dāng)前，以現(xiàn)代通信、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)為基礎(chǔ)的信息化系統(tǒng)正在向智能化方向飛速發(fā)展，新一代作戰(zhàn)裝備接連推出，新型作戰(zhàn)樣式不斷涌現(xiàn)，未來戰(zhàn)爭(zhēng)必定處于陸、海、空、天、電、磁、網(wǎng)一體化的復(fù)雜空間中。隨著美國(guó)“重返亞太”戰(zhàn)略的提出，我國(guó)因日益增長(zhǎng)的海外貿(mào)易和能源需求，正逐漸感受到島鏈對(duì)國(guó)家安全和海洋權(quán)益的現(xiàn)實(shí)影響與潛在威脅。由于強(qiáng)敵具有體系化作戰(zhàn)能力，為了捍衛(wèi)國(guó)家安全利益，快速提升我軍聯(lián)合體系下的協(xié)同作戰(zhàn)能力顯得極為緊迫。因此，我國(guó)亟需發(fā)展并達(dá)到一系列“不對(duì)稱”優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化一體化防御作戰(zhàn)系統(tǒng)。本文從偵察預(yù)警、指揮控制和火力打擊等多個(gè)方面研究體系中武器裝備的特性，建立作戰(zhàn)體系能力指標(biāo)體系，考慮導(dǎo)彈在攻防中的顯著作用，借助觀察-判斷-決策-行動(dòng)(observe，orient，decide，act，OODA)循環(huán)[1]構(gòu)建作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，論證其在協(xié)同作戰(zhàn)中的作用，并結(jié)合改進(jìn)信息熵方法對(duì)反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能開展評(píng)估研究，這對(duì)我國(guó)降低裝備與技術(shù)發(fā)展風(fēng)險(xiǎn)，提高軍事效益具有重要意義。

1 作戰(zhàn)效能評(píng)估研究

對(duì)于武器裝備體系的作戰(zhàn)效能評(píng)估而言，目前常用的評(píng)估方法有解析法[2-5]、專家評(píng)估法[6-8]、作戰(zhàn)模擬法[9-10]等，評(píng)估中常面臨需要獲取大量的、真實(shí)可信的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并且涉及的知識(shí)領(lǐng)域多、層次跨度大以及結(jié)構(gòu)不確定因素多等問題，使得評(píng)估工作進(jìn)展緩慢、評(píng)估結(jié)果可信性不高。針對(duì)上述問題，本文建立全面系統(tǒng)的能力指標(biāo)體系，結(jié)合行業(yè)專家的經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)，采用改進(jìn)信息熵法開展作戰(zhàn)效能評(píng)估工作。

1.1 能力指標(biāo)體系構(gòu)建

基于使命和方法框架(missions and means framework，MMF)對(duì)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模[11]，對(duì)軍事使命進(jìn)行明確的層層分解，并從武器裝備出發(fā)向上或者向下探索裝備變化對(duì)體系作戰(zhàn)的影響，評(píng)估分析裝備系統(tǒng)的作戰(zhàn)行為及能力表現(xiàn)?；谖臆娛姑蝿?wù)，結(jié)合反艦作戰(zhàn)特點(diǎn)[12-13]，開展體系能力需求分析以及功能需求分析。

(1) 能力需求分析

基于使命任務(wù)確定的作戰(zhàn)能力需求及其分解如圖1所示。

圖1 能力需求分析圖

(2) 能力指標(biāo)劃分

實(shí)現(xiàn)能力需求的系統(tǒng)功能主要有：偵察預(yù)警功能、指揮控制功能、作戰(zhàn)功能、通信功能、機(jī)動(dòng)功能、保障功能等。這些功能需要各種裝備下的多樣化指標(biāo)進(jìn)行支撐，下面以偵察預(yù)警能力為例，建立能力指標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)偵察預(yù)警功能。

偵察預(yù)警能力著重于對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的偵察和預(yù)警，同時(shí)包含對(duì)目標(biāo)的監(jiān)視，將劃分為戰(zhàn)略偵察能力、戰(zhàn)略預(yù)警能力和戰(zhàn)場(chǎng)偵察監(jiān)視能力。

1) 戰(zhàn)略偵察能力

戰(zhàn)略偵察能力是指對(duì)藍(lán)方的戰(zhàn)爭(zhēng)意圖、戰(zhàn)爭(zhēng)能力和戰(zhàn)爭(zhēng)動(dòng)向等戰(zhàn)略情報(bào)以及戰(zhàn)斗機(jī)和彈道導(dǎo)彈等戰(zhàn)略目標(biāo)的偵察能力，其主要分為戰(zhàn)略情報(bào)獲取能力和戰(zhàn)略目標(biāo)偵察能力，如圖2所示。

圖2 戰(zhàn)略偵察能力劃分

2) 戰(zhàn)略預(yù)警能力

戰(zhàn)略預(yù)警能力指對(duì)導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)以及臨近空間進(jìn)攻武器的攻擊行為預(yù)先警報(bào)能力，其劃分如圖3所示。

圖3 戰(zhàn)略預(yù)警能力劃分

3) 戰(zhàn)場(chǎng)偵察監(jiān)視能力

軍事行動(dòng)中，考慮在電磁輻射或靜默狀態(tài)下考察戰(zhàn)場(chǎng)偵察監(jiān)視能力，對(duì)其劃分如圖4所示。

圖4 戰(zhàn)場(chǎng)偵察監(jiān)視能力劃分

1.2 OODA循環(huán)作戰(zhàn)模型分析

基于OODA循環(huán)理論，本文將體系作戰(zhàn)視為動(dòng)態(tài)周期循環(huán)過程，周期長(zhǎng)短與作戰(zhàn)兵力規(guī)模、空間范圍、作戰(zhàn)樣式有關(guān)。OODA循環(huán)模型[14]的基本內(nèi)容如圖5所示。

圖5 OODA循環(huán)模型圖

作戰(zhàn)過程中，軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的形成很大程度上是多武器、多裝備在作戰(zhàn)人員的指揮調(diào)配下協(xié)同作用的結(jié)果。綜合電子信息系統(tǒng)作為所有信息化軍隊(duì)的神經(jīng)中樞，將武器裝備體系中的各個(gè)系統(tǒng)和單元連接起來，形成一個(gè)以物質(zhì)、能量和信息流向?yàn)橥苿?dòng)力的網(wǎng)絡(luò)，用來對(duì)作戰(zhàn)過程進(jìn)行描述分析。下面給出節(jié)點(diǎn)、作戰(zhàn)邊和作戰(zhàn)環(huán)的定義。

(1) 節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)作為作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)的基本單元，根據(jù)其功能屬性可劃分為四大類：偵察預(yù)警節(jié)點(diǎn)(S)、指揮控制節(jié)點(diǎn)(D)、火力打擊節(jié)點(diǎn)(I)、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)(T)。以偵察預(yù)警節(jié)點(diǎn)為例，是OODA的O環(huán)節(jié)，這類節(jié)點(diǎn)主要是在戰(zhàn)場(chǎng)中偵察、預(yù)警或者監(jiān)視藍(lán)方目標(biāo)的實(shí)體，如衛(wèi)星、偵察機(jī)、雷達(dá)等，并將獲取的信息發(fā)送到指揮控制中心。

(2) 作戰(zhàn)邊

構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最重要的部分就是確定節(jié)點(diǎn)間的單向邊，這也是影響網(wǎng)絡(luò)整體特性的關(guān)鍵。為了對(duì)藍(lán)方目標(biāo)形成戰(zhàn)斗力，體系中的各作戰(zhàn)實(shí)體之間由信息流牽引形成的作戰(zhàn)活動(dòng)抽象為一條單向邊，即作戰(zhàn)邊。根據(jù)作戰(zhàn)邊所連接的2個(gè)節(jié)點(diǎn)的能力指標(biāo)以及二者相互作用特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)作戰(zhàn)邊的能力建模。

作為衡量信息量的基本單位，信息熵表示隨機(jī)變量取值不確定性程度。假設(shè)X是離散隨機(jī)變量，它的不確定性程度用信息熵表示如下：

(1)

式中：p(x)為X的概率分布函數(shù)。本文取b=e，量綱為納特。

發(fā)現(xiàn)概率Pf為

Pf=1-(1-fi)tg,

(2)

式中：fi為S在第i次探測(cè)中能夠發(fā)現(xiàn)藍(lán)方T的概率；tg為持續(xù)掌握時(shí)長(zhǎng)下的態(tài)勢(shì)更新率。

(3)

式中：Psearch為紅方S用隨機(jī)搜索方式下的探索概率;Phide為藍(lán)方反偵察概率;k為環(huán)境調(diào)節(jié)參數(shù);st為藍(lán)方T的隱身系數(shù)。

(4)

(5)

式中：fg，ts，A，xj和tx分別是S的偵察范圍覆蓋率、預(yù)警時(shí)間、目標(biāo)容量、虛警率和時(shí)效性；Rh,Rl和Rg分別是T的抗紅外系數(shù)、抗雷達(dá)系數(shù)和抗光學(xué)系數(shù)的隸屬函數(shù)。

利用S探測(cè)概率的表達(dá)式，跟蹤能力可以表示為

Ptr=(Psearchi)tg,

(6)

考慮藍(lán)方T的反跟蹤能力，表示為

Pz=exp(-wvdlnRvd-wstlnRst)，

(7)

式中：vd為T機(jī)動(dòng)速度。因此，對(duì)藍(lán)方T的監(jiān)視概率Pt可表示為

(8)

式中：kz為環(huán)境調(diào)節(jié)參數(shù)，范圍0

辨別概率Pr即為S的識(shí)別正確率sb。

分別用Rf，Rt和Rr表示S類節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)、監(jiān)視和辨別T類節(jié)點(diǎn)能力的功效函數(shù)，即

(9)

(10)

(11)

(3) 作戰(zhàn)環(huán)

利用改進(jìn)信息熵評(píng)估作戰(zhàn)環(huán)的作戰(zhàn)效能，第i個(gè)作戰(zhàn)環(huán)的各個(gè)邊帶來的不確定性的自信息量之和Ii，則

(12)

式中：ISj表示第j個(gè)邊的自信息量；m表示作戰(zhàn)任務(wù)中所包含的邊數(shù)。

自信息量之和Ii可以衡量該作戰(zhàn)環(huán)對(duì)相應(yīng)藍(lán)方目標(biāo)所形成的作戰(zhàn)效能Pi，計(jì)算公式為

(13)

1.3 體系作戰(zhàn)效能評(píng)估

通過作戰(zhàn)過程中構(gòu)建不同的作戰(zhàn)環(huán)組合，武器裝備體系可以對(duì)T采取不同的軍事行動(dòng)，其作戰(zhàn)效能就是所有這些作戰(zhàn)環(huán)的綜合作戰(zhàn)效能。本文類比物理學(xué)中并聯(lián)電路電阻的計(jì)算方法，將環(huán)之間的關(guān)系看作電路之間的并聯(lián)關(guān)系，將每個(gè)作戰(zhàn)環(huán)的不確定性看作該電路的電阻。設(shè)紅方武器裝備體系對(duì)藍(lán)方目標(biāo)T可制定M種作戰(zhàn)任務(wù)，即可形成M個(gè)協(xié)同環(huán)，這些環(huán)的總體不確定性可以定義為

(14)

那么，這些協(xié)同環(huán)所構(gòu)成的軍事行動(dòng)對(duì)藍(lán)方目標(biāo)T的作戰(zhàn)效能P為

(15)

因此，裝備Xi的體系貢獻(xiàn)度QXi為

(16)

式中：PO表示原來體系的整體作戰(zhàn)效能；PN表示改進(jìn)后新的體系整體作戰(zhàn)效能。并定義體系貢獻(xiàn)度值在[0，10%]為有較小提升；(10%，30%]為有較大提升；(30%，60%]為有顯著提升；(60%，100%]為有巨大提升；大于100%為有突破性提升。

2 案例設(shè)計(jì)與仿真分析

基于OODA循環(huán)建模方法，以反艦作戰(zhàn)想定為例，驗(yàn)證體系作戰(zhàn)評(píng)估機(jī)制的可行性。

2.1 作戰(zhàn)體系建模

(1) 使命任務(wù)分析

某時(shí)期內(nèi)，紅藍(lán)雙方爆發(fā)沖突。紅方體系作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)武器裝備分別有S：衛(wèi)星S1、偵察機(jī)S2和雷達(dá)車S3；D：作戰(zhàn)指控中心D1和通信指控車D2；I：新型反艦導(dǎo)彈I1(攜帶多彈頭I2)和常規(guī)導(dǎo)彈I3。由于藍(lán)方艦艇T1侵入紅方領(lǐng)土，將對(duì)其展開火力打擊。作戰(zhàn)使命：維護(hù)國(guó)家主權(quán)、統(tǒng)一和領(lǐng)土完整。作戰(zhàn)任務(wù)：紅方計(jì)劃用導(dǎo)彈攻擊藍(lán)方艦艇，使其喪失作戰(zhàn)能力，處于癱瘓狀態(tài)。

(2) 作戰(zhàn)模型構(gòu)建

基于典型作戰(zhàn)想定，立足武器裝備間的物質(zhì)能量和信息流通關(guān)系，各作戰(zhàn)裝備以及藍(lán)方目標(biāo)構(gòu)成基本的體系作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)[15]，如圖6,7所示。

圖6 包含I1的作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型圖

圖7 包含I3的作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型圖

2.2 作戰(zhàn)能力指標(biāo)評(píng)估

基于作戰(zhàn)體系網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合實(shí)際作戰(zhàn)和專家經(jīng)驗(yàn)，評(píng)估各節(jié)點(diǎn)的能力指標(biāo)值。以導(dǎo)彈為例，新型反艦導(dǎo)彈是一款具備偵察能力的近程彈道導(dǎo)彈，在定位精度、機(jī)動(dòng)過載等方面有較大提升，能增強(qiáng)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知能力和反應(yīng)速度。作為偵察打擊一體化利器，其在打擊對(duì)手目標(biāo)時(shí)，可以實(shí)時(shí)將結(jié)果傳回指揮部，可對(duì)后續(xù)作戰(zhàn)計(jì)劃的制定提供重要的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持，其指標(biāo)參數(shù)評(píng)估結(jié)果如表1所示。

表1 導(dǎo)彈能力指標(biāo)參數(shù)評(píng)估表

從表1可以看出，新型反艦導(dǎo)彈I1具有良好的突防、毀傷能力，綜合性能提升10%以上，能高效完成作戰(zhàn)任務(wù)。

2.3 效能評(píng)估及結(jié)果分析

基于節(jié)點(diǎn)能力指標(biāo)評(píng)估值，采用改進(jìn)信息熵度量各作戰(zhàn)邊的作戰(zhàn)能力，評(píng)估結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

將各作戰(zhàn)邊能力評(píng)估值代入作戰(zhàn)效能公式計(jì)算，評(píng)估每個(gè)作戰(zhàn)任務(wù)的完成情況，作戰(zhàn)環(huán)效能如表3所示。

表2 作戰(zhàn)邊能力評(píng)估值統(tǒng)計(jì)表

表3 基于改進(jìn)信息熵方法的體系作戰(zhàn)效能值

由表3可知，環(huán)數(shù)越多，效能降低，驗(yàn)證了本評(píng)估方法在作戰(zhàn)中度量不確定程度的準(zhǔn)確性。包含I3的作戰(zhàn)環(huán)效能范圍為[0.261，0.294]，而包含I1則為[0.351，0.425]，對(duì)比發(fā)現(xiàn)新型反艦導(dǎo)彈的優(yōu)良性能提升體系的戰(zhàn)斗力，確保了作戰(zhàn)行動(dòng)的可靠性，提高了作戰(zhàn)任務(wù)的完成度。

基于上述作戰(zhàn)環(huán)效能的評(píng)估結(jié)果，計(jì)算出新型反艦導(dǎo)彈I1的體系貢獻(xiàn)度QI1為

因此，針對(duì)同一目標(biāo)T1而言，2種作戰(zhàn)體系作戰(zhàn)帶來的差距較為明顯，新型反艦導(dǎo)彈的體系貢獻(xiàn)度為16.2%，結(jié)果表明：新型反艦導(dǎo)彈I1對(duì)體系作戰(zhàn)效能的提升貢獻(xiàn)較大，可以改善體系的協(xié)同性和威懾力，能帶來較高的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)束語

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)歸根結(jié)底是武器裝備體系對(duì)抗，本文以反艦作戰(zhàn)為背景，立足武器裝備之間的物質(zhì)能量和信息流通關(guān)系，建立武器裝備體系的作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型?；诟倪M(jìn)信息熵評(píng)估作戰(zhàn)邊能力和作戰(zhàn)效能，準(zhǔn)確評(píng)估了新型反艦導(dǎo)彈的體系貢獻(xiàn)度，該方法為武器裝備體系的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了有力的理論支撐。