基于作战环的武器装备体系能力评估方法

梁家林, 熊 伟

(航天工程大学航天信息学院, 北京 101416)

摘 要: 针对现有的武器装备体系结构描述与能力评估方法难以体现装备关联关系对体系能力的影响,借鉴复杂网络理论应用于武器装备体系网络化建模方面的优越性,基于作战环的武器装备体系结构描述与建模方法,将武器装备体系构成实体抽象为网络中的节点,节点之间的信息流抽象为网络中的边。通过对节点和边进行建模,构建了整个作战环的能力指标体系。基于信息熵理论分析了作战环执行作战任务的不确定性,给出了武器装备体系作战能力评估方法的具体流程。最后,对天基信息支援反导作战进行网络化建模及作战能力评估,验证了方法的可行性和合理性。

关键词: 武器装备体系; 作战环; 网络化建模; 作战能力; 信息熵

0 引 言

随着以信息技术为代表的军事科技的突飞猛进,联合作战体系下装备之间的关联度越来越高,战争模式发生了深刻变化^[1]。作战形态由“以平台为中心”转向“以网络为中心”,联合作战各个武器单元之间通过相互协作配合从而形成作战网络来实现体系作战能力。在描述武器装备体系结构特性和评估作战能力的研究中,传统的基于树状结构的武器装备体系能力指标描述与评估方法^[2-4]没有充分考虑各个作战单元之间的相互耦合关系和关联关系对体系能力的影响,缺乏真实性和有效性,进而无法评估各要素在武器装备体系中的作用和地位。因此,迫切需要新的理论方法来描述装备之间的关联关系,以支撑联合作战体系的能力评估。

复杂网络^[5-7]的研究涉及图论、生物学、统计物理、计算机、社会学以及系统科学的众多领域^[6]。复杂网络的基本原理在于能够把系统中数量庞大的组成要素抽象成网络中的节点,把各个要素之间的关系抽象为网络中的边,将系统问题转化成网络问题^[8-12]。联合作战体系可以被抽象为一个复杂系统,借鉴复杂网络建模的思想,对武器装备体系中不同作战单元及作战单元之间的关联关系,如信息共享关系、指控关系、协同关系等,都可以抽象为网络中的节点和边。这样就将关系难以分析清楚的复杂战争系统简化成了作战网络拓扑模型,便于分析武器装备体系中各种装备单元之间的关联关系对体系作战能力的影响。与传统的树状层次结构模型相比更加贴近作战实际,评估结果更加真实有说服力。

随着网络科学的发展,基于复杂网络理论的武器装备体系作战研究取得了一定的研究成果。张春华等^[13]提出基于作战环的作战体系效能评估方法。通过分析网络的拓扑结构,提取度量体系能力的评估指标,实现对作战网络结构的分析与优化。谭跃进等^[14]研究了复杂网络应用于武器装备领域的一般步骤,提出了作战环综合评价指数的体系网络结构分析方法,为体系结构的设计优化提供了新思路。文献[15]采用基于复杂网络的建模方法构建了武器装备体系对抗交互网络模型,通过网络环和邻接矩阵来分析作战网络效能。文献[16]采用网络化建模思想,提出基于观察、判断、决策、行动(observation-orientation-decision-action,OODA)环的武器装备体系建模方法。通过OODA环将装备实体和实体之间的关系通过作战网络结构串联起来,实现武器装备体系的整体涌现效用。文献[17]基于网络科学的思想,建立了反导作战网络模型,借鉴网络科学中距离的概念,提出用作战环长度来度量反导作战体系能力的方法。

通过对以上研究现状的分析,以往的基于复杂网络的联合作战体系建模方法往往存在以下缺点:

(1) 作战单元被抽象为网络中的同质节点,忽略了节点之间的区别和分类,不能真实地反映不同作战单元的特点和功能。

(2) 仅仅将作战单元之间的关系抽象为网络中的边,没有定义和归纳边的类型和方向,从而不能真实地反映作战体系中各个作战单元之间的关联。

(3) 构建出的网络拓扑模型与实际作战过程不相符,不能形成一个集观察、判断、决策和行动的完整作战过程。

通过以上实验结果，可推断手工自制柠檬果醋的成品时间为3个月前后，此时的产品气、味达到一个高值，且色泽、澄清度等属性也较好，最容易被顾客接受。这表明电子舌、电子鼻能够不同成熟度柠檬果醋的风味物质是否存在差异，本实验结果可以为评价柠檬果醋的品质提供依据，有利于推进果醋产业进程。

综上所述,现有的武器装备体系网络化建模和评估方法,更多的是趋向于网络模型拓扑性质的研究,如鲁棒性、抗毁性等^[18-19],缺少对整个作战过程的建模分析及作战能力评估。在有关研究的基础上,结合作战环的建模思想,充分考虑到武器装备体系中不同装备功能之间的差异性,将作战单元划分为指控节点、火力节点、侦察节点。通过建立与武器装备节点功能和作战活动相对应的度量指标体系来对作战网络进行分析。并基于信息熵理论来评价武器装备体系的作战能力。最后以天基信息支援反导作战体系能力评估为例,验证了所提方法的可行性。

1 作战环的基本概念

现代战争循环理论认为完整的作战过程是集OODA于一体的循环过程^[20],基于OODA循环理论国防科技大学谭跃进教授^[14]提出了用来描述武器装备体系的作战环建模思想。作战环建模思想将武器装备体系中的执行不同功能的作战单元分为3类:侦察类、指控类和攻击类。考虑到作战过程中的信息来源和信息流向,将敌方目标引入作战环模型中,使得研究过程更加贴近实战。因此完整的作战环包含侦察、指控、攻击和目标4类节点。在作战过程中,侦察类节点首先获取敌方目标信息,简要处理后将其传递给指控类节点;指控类节点在进行信息处理后形成作战命令和作战方案;攻击类节点接收到作战命令后对敌方目标进行有效打击。

鉴于现代战争的复杂性,为了完成作战任务,在实际作战行为中,一般一次完整作战活动都需要多个侦察和决策实体共同完成。如图1所示,侦察环节包含了卫星侦察、侦察机侦察、雷达探测多个节点,且节点之间存在信息共享,指挥控制类节点也包含了多个指挥实体的作战协同。多个作战环共同构成了复杂的作战网络体系。

图1 作战环示意图
Fig.1 Diagram of operational ring

2 基于作战环的武器装备体系网络模型的构建

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步骤 1 首先根据作战任务确定作战目标,明确我方参与作战的武器装备体系构成,理清整个作战过程。

步骤 2 作战环节点的抽取:根据作战过程中各作战单元、平台或系统在作战过程中执行功能的差异,将其抽象为作战环中侦察类、指挥控制类、攻击类和目标类4类节点,所有的作战单元节点构成网络节点集。

步骤 3 作战网络边的抽取:确定作战节点之后,分析作战环节点之间的关联关系,将具有信息流动的节点之间的关系抽象为网络中的连接边,所有的连接边构成网络边集。

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步骤 4 作战网络模型的构建:以信息流为边,连接各个作战单元,生成作战网络拓扑结构模型。

网络拓扑模型结构设计与建模模块的技术路线如图2所示。

图2 作战环模型构建技术路线图
Fig.2 Technical roadmap for combat ring model construction

作战网络模型可以表示为

G =(N ,E )

(1)

式中,N 是作战网络中的所有作战单元节点的集合;E 为作战网络中连接作战单元节点的边的集合。由于武器装备体系中所有装备都是直接或间接的为打击敌方目标实体服务的,体系中的各种装备实体和关系都将包含在不同的作战环形成的作战网络G 中。

1.诊断[15]：结核病可发生在任何CD4+T淋巴细胞计数水平的艾滋病患者。艾滋病合并结核病的诊断需要结合临床表现、辅助检查、病理学检查以及影像学检查结果来进行综合判断，尤其要注意发生于HIV感染者的结核病在临床表现以及诊断方面有其自身特点，不能将一般结核病的诊断方法简单地套用于艾滋病合并结核病的诊断中，在进行诊断时应注意患者的免疫功能状态，CD4+T淋巴细胞计数较高患者的表现与普通结核病患者类似，而CD4+T淋巴细胞计数低的患者常表现为肺外结核病。抗酸染色涂片和培养仍是确诊结核病的主要方法。

2.1 节点的描述与建模

基于装备在作战活动中的功能作用,把作战环中的实体抽象为4类,表示为

|V _NodeType|∈[T ,O ,D ,A ]

(2)

式中,T 表示目标类节点;O 表示侦察监视类节点;D 表示指挥控制类节点;A 表示攻击类节点,不同节点的属性特征如表1所示。

李荔等[20]通过计量学分析发现，目前国外病耻感研究主要涉及以下三类疾病：第一类为严重、有传染性的疾病，如艾滋病、慢性肝炎等；第二类为影响外貌及生理相关的疾病，如精神分裂症、癫痫、肥胖等；第三类为不道德或自愿行为引发的疾病，如肺癌、人工流产等。帕金森病在此分类中属于第二类。目前国外关于帕金森病伴发焦虑、抑郁状态或其他心理障碍等已成为临床关注的热点。但就帕金森病患者病耻感研究较少，只有少量对金森病患者病耻感的质性研究，缺乏量性研究。

表1 4种节点类型
Table 1 Four node types

为了分析武器装备体系作战网络中节点之间的相互作用关系,首先要对网络中每个节点的战技指标进行描述,也就是具有独立功能的武器装备单元(或系统)所具备与能力相关的战技指标。假设某种类型装备节点共有n 个能力指标,可用能力向量C_NodeType表示,即

C_NodeType=(c ₁,c ₂,…,c _n )

(3)

(1) 侦察监视类节点O

侦察监视类节点的主要功能是获取作战空间内敌我双方的各种信息,完成对作战目标的侦察和搜索任务。

(2) 目标在敌方装备体系中的重要性(敌方体系中的关键节点)。

图3 侦察监视类节点能力指标体系
Fig.3 Capability indicator system of reconnaissance class node

侦察监视类节点的能力向量表示为

C _S =(c _o1 ,c _o2 ,c _o3 ,c _o4 ,c _o5 ,c _o6 )

(4)

式中,c _o1 表示侦察覆盖范围;c _o2 表示最大探测距离;c _o3 表示识别概率;c _o4 表示分辨率;c _o5 表示机动速度;c _o6 表示扫描频率。

(2) 指挥控制类节点D

在构建的作战环中,指挥控制类节点主要是融合各侦察类节点所获取的信息,并根据融合后的信息分析战场态势,判断敌方意图,做出相应决策,下发作战指令,集指挥决策和情报处理功能为一体的武器装备平台或系统。指挥控制系统是信息化战争的核心装备,是确保信息完整性、保密性、可用性的关键环节,因此所构建的指挥控制类节点所具备的最主要的能力为指挥决策能力和信息处理能力。指标层次分解如图4所示。

图4 指挥控制类节点能力指标体系
Fig.4 Capability index system of command and control class node

指挥控制类节点的能力向量表示为

C _D =(c _D1 ,c _D2 ,c _D3 ,c _D4 ,c _D5 ,c _D6 ,c _D7 )

(5)

式中,c _D1 表示指挥员的知识水平;c _D2 表示突发应变能力;c _D3 表示协同筹划能力;c _D4 表示指挥决策时间;c _D5 表示信息处理速率;c _D6 表示信息可视化能力;c _D7 表示情报分析准确度。

(3) 攻击类节点A

攻击类节点主要功能是实施具体的作战行动,对敌方目标进行有力打击,完成作战任务,达成作战目标。具体包括对敌方目标进行精确打击、电子干扰、火力毁伤等。为了描述攻击类节点的作战能力,主要考虑作战覆盖半径(c _A1 )、打击精度(c _A2 )、机动速度(c _A3 )3个属性指标。攻击类节点的能力向量表示为

C _A =(c _A1 ,c _A2 ,c _A3 )

(6)

(4) 目标类节点T

目标类节点主要指敌方的武器装备单元以及基础设施等。将敌方目标抽象为我方作战网络中的节点,是整个作战环网络构建的核心。为了确保作战任务的完成,主要考虑敌方目标能够有效影响我方打击效果的能力指标。主要考虑敌方目标的反侦察能力和抗打击能力,即作战过程中不易被我方侦察发现,发现以后不易被击中,击中后不会轻易毁坏丧失战斗力。指标层次分解如图5所示。

图5 目标类节点能力指标体系
Fig.5 Capability indicator system of target class node

目标类节点的能力向量表示为

C _T =(c _T1 ,c _T2 ,c _T3 ,c _T4 ,c _T5 ,c _T6 ,c _T7 ,c _T8 ,c _T9 )

(7)

式中,c _T1 表示干扰拦截能力;c _T2 表示快速重组能力;c _T3 表示机动能力;c _T4 表示预警时间;c _T5 表示抗毁系数;c _T6 表示抗雷达系数;c _T7 表示伪装隐身能力;c _T8 表示抗光学系数;c _T9 表示抗红外系数。

2.2 边的描述与建模

在作战环中,根据作战功能的差异,联合作战武器装备体系中的各装备单元被抽象成了作战网络中的不同节点,节点之间通过侦察信息流、控制流、协同关系流、火力打击流所形成的相互作用关系被抽象成网络中的边。作战网络中4种类型节点共有16种可能的连接方式,具体如表2所示。

表2 16种可能存在的节点间连接方式
Table 2 16 possible connections between nodes

由于联合作战装备实体之间关系错综复杂,涉及指挥、通信、协同、共享、保障等诸多关系,难以考虑全部作战细节和约束条件。只考虑我方武器装备体系对敌方的作战能力,所构建的节点功能是单一的,节点之间进行信息流的传输。

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(8)

式中,有E =E _TO ∪E _OD ∪E _DA ∪E _AT ∪E _DO ∪E _OO ∪E _DD 。

图6给出了简单的作战网络结构模型。同时对节点种类和边类型进行了描述。

本文分别对4个矩形空心墩进行了拟静力试验，试件编号分别为 201、603、704、706，其截面相同，几何尺寸见图1；混凝土采用C40，纵筋及箍筋均为Ⅱ级钢筋见图2；各试件的参数见表1[5]。试件分为两个组，分别研究分析不同剪跨比和配箍率的影响。

图6 作战环结构模型
Fig.6 Structural model of the combat ring

结合作战网络中各边完成的作战活动分析度量作战环不同边的战技指标,向量表示为

(9)

作为哲学社会科学学科的学者，处在这样一个需要创新、鼓励创新的时代，进入这个领域时就要立下思想理论创新的志向。从这个角度出发，我们需要明确思想理论创新的前提是什么?在怎样的前提下可以考虑创新?在积极创造这种前提的同时，如何进入思想理论创新的前沿?

考虑作战活动中节点之间的边主要进行不同节点之间侦察、指控、情报共享、作战环境保障、火力打击等作战信息的传输与分发等,要求信息链路两端节点均具有通信能力,且节点之间在可通信范围内。边的度量指标主要考虑链路传输时间、链路信息承载度、通信质量、通信抗干扰能力、通信延迟、通信保密能力。

向量表示为

C _e=(c ₁,c ₂,c ₃,c ₄,c ₅,c ₆)

(10)

式中,c ₁表示链路传输时间;c ₂表示链路信息承载度;c ₃表示通信质量;c ₄表示通信抗干扰能力;c ₅表示通信延迟;c ₆表示通信保密能力。

(1) 侦察情报共享链路(O -O )

O -O 边表示两个不同侦察节点之间的信息共享链路。针对同一个侦察目标,不同作战节点获取的情报信息质量水平各异,需要综合各自优势,才能使侦察到的目标信息尽可能的满足作战需求。作战环中若存在信息共享关系,会增加作战环的边数,延长作战反映时间,但通过信息共享之后增强了情报信息的准确性。

(2) 侦察情报上传链路(O -D )

O -D 边表示侦察监视类节点指向指挥控制类节点的情报上传链路,侦察监视类节点通过侦察情报上传链路(O -D )向指挥控制类节点传送作战目标信息。

(3) 指令上传链路(D -O )

(六)三叉形器。良渚诸多墓穴出土了三叉形玉器，这种器是做什么用的，至今没有定论，比较普遍的看法是，这种三叉形玉器是良渚人的冠饰，不是一般人，而是部落首领将其戴在额头上。这种说法不是没有道理的，三叉形器不多，一般一墓只有一件，且放置在墓主人的头部。各墓出土的三叉形器体制差不多，不同的主要是中间的竖梁，有长有短。三叉形器的造型类似汉字“山”。如果将它与圆雕玉鸟比对一下，当发现它们其实是很相像的，所不同的，仅在于玉鸟的双翅是平的，而三叉形器的两边类翅的两叉向后弯曲，如果将三叉形器理解成飞鸟的造型，那么这双翅的靠后就有点变形了，这种变形为的是突出鸟飞得快。

D -O 边表示指挥控制类节点指向侦察监视类节点的指令上传链路。指挥控制指令经D -O 链路传向侦察监视类节点。如指挥控制中心为了获取更多目标信息,对卫星下达轨道机动指令,进一步对目标进行精确搜索。

(4) 指控协同链路(D -D )

D -D 边表示两个指控节点之间的链路,为协同指挥过程,提高了作战指挥的准确性和有效性,同时也导致作战环链路增加,增大了作战环的响应时间。

(5) 作战指令下达链路(D -A )

D -A 边表示由指挥控制类节点指向火力打击类节点的链路,为作战指令下达链路。

教育教学工作和工厂生产机器零件不一样。教师整天面对的是活生生的有思想、有欲望的人。做人的工作就要讲求方法，就要用感情，用人格魅力，用有效的方法去解决问题。要做良师益友，和所教育对象进行心灵的沟通，心之门打开了，思想之光就照射进来了。

(6) 侦察链路(T -O )

T -O 边表示己方侦察监视类节点对敌方目标的侦察活动。根据侦察类节点O 与目标类节点T 之间的关系,而生成的从目标节点指向侦察节点的单向链路。侦察节点往往可以通过多种手段(如红外侦察,雷达探测等)对目标进行侦察来获取敌方目标信息,为指挥决策提供情报依据。通过发现、跟踪、识别等作战活动过程,获取敌方目标信息。

在选定市辖区经济与县域经济耦合指标中，根据灰色系统分析理论和耦合度计算方法，得出一个8×8的指标集矩阵，然后利用Matlab软件计算出福州市市辖区经济与县域经济耦合作用关联矩阵(表4)。

完成作战任务的能力,往往具有不确定性,信息熵可以很好地描述信息的不确定性,因此,武器装备体系作战网络能力的大小可以通过信息熵^[21-23]进行度量。

A -T 链路表示己方攻击类节点对敌方目标进行火力打击或电磁干扰活动。攻击节点可以选择不同的打击方式打击目标节点,前提要保证目标节点在可打击范围内。打击或干扰过程中,需要导航卫星提供精确定位、精确测速、精确授时等信息服务。

通过以上对作战环节点和边的描述和建模,构建了整个作战环的能力指标体系如图7所示。

作战环建模思想通过节点和边来描述作战单元之间的信息传递和物质能量转移关系,本质上是借鉴复杂网络的建模原理对武器装备体系进行模型抽象,再结合作战环的概念对网络模型进行进一步的深化和扩展。作战环模型的构建分4个步骤。

基于以上分析,结合作战环的作战过程,重点考虑7种类型的节点关系,侦察关系(T →O )、决策关系(O →D )、指挥关系(D →O 、D →A )、打击关系(A →T )、信息共享关系(O →O )和协同关系(D →D )的,7种类型边的集合分别记为

图7 武器装备作战能力指标体系
Fig.7 Index system of weaponry and equipment combat capability

3 基于信息熵的作战环能力评估方法

(7) 打击链路(A -T )

作战过程通常可以分解成多个节点和边,各个节点和边往往有许多影响作战能力的因素。这些影响因素满足作战能力需求的不确定性越小,作战能力越高;反之,满足能力需求的不确定性越大,具有的作战能力就越低。而作战中各种影响因素的不确定性可以用其满足作战能力需求的隶属度来度量,隶属度越大,越能满足作战能力需求,给作战带来的不确定性越小;反之,隶属度越小给作战带来的不确定性就越大^[24]。

3.1 作战能力评估模型

假设作战环中某节点共有n 个影响因素,针对某一特定作战任务,完全满足作战能力需求时的隶属度为1,完全不满足作战能力需求时的隶属度为0。节点的n 个影响因素的隶属度分别为R ₁,R ₂,…,R _n ,对应权重记为w ₁,w ₂,…,w _n ,将熵函数改造变形得到该节点的加权自信息量,即

式中,EdgeType表示边关系类型;C 表示能力指标。

-(w ₁lnR ₁+w ₂lnR ₂+…+w _n lnR _n )

(11)

在一个完整的作战环中,侦察、决策、攻击和目标节点完成使命任务的不确定性分别定义为I (O _j ),I (D _m ),I (A _n ),I (T _i )。7种类型的边所代表的作战活动完成使命任务的不确定性分别定义为I (e _Ti O _j ),I (e _Oj D _m ),I (e _Dm O _j ),I (e _Dm A _n ),I (e _An T _i ),I (e _Ok O _l ),I (e _Dr D _s )。需要特别注意的是,对于作战环中存在信息共享关系和指挥协同关系的节点,可将信息共享节点和指挥协同节点分别看作并联关系。则

(12)

(13)

整个作战环的不确定自信息量包括节点和边两部分,定义为

河道基坑在开挖前，相关人员必须做好图纸审查要求，对于施工图纸审查核实设计要求，在接近建基面时，不可再用大型挖机开挖，宜使用小型挖机或人工挖除，在保证不惊扰建基面以下的原地基情况下，展开施工。

I (e _Oj D _m )+I (e _Dm A _n )+I (e _An T _i )+I (e _Ok O _l )+I (e _Dr D _s )

(14)

在一个复杂的武器装备体系作战网络G 中,不同作战环代表了针对敌方目标所采取的不同的军事行动,作战环数量越多,说明对目标的打击方式和途径越多,完成使命任务的不确定性越低。如何有效的对经过一个目标节点的所有作战环的不确定自信息量进行有效聚合,这里采用并联的思想对这个问题进行研究。类比物理学中并联电路电阻的计算方法,将环之间的关系看作电路之间的并联关系,将每个作战环的不确定性自信息量看作该电路并联电阻中的一个支路^[25]。假设经过敌方目标节点T _i (i =1,2,…,n )共有M 个作战环,第j (j =1,2,…,M )个作战环具有的不确定性信息量为P _ij ,则经过目标节点T _i 的所有作战环具有的不确定性自信息量的总和为

(15)

假设经过单个目标T _i 的所有作战环具有的作战能力为W _i ,则经过目标节点T _i 的所有作战环具有的不确定性自信息量的总和即为作战能力W _i 中含有的不确定自信息量值。即

P _i =-lnW _i

(16)

所以作战能力W _i 为

(17)

通常一个作战网络中具有多个目标节点,则针对多目标作战任务的联合作战体系具有的作战能力为

(18)

式中,ω _i 表示每个目标的权重值,目标权重的确定主要依据以下几个方面:

(1) 军事任务的紧急程度(目标对我方的威胁程度);

将具有侦察、识别、跟踪搜索等一种或多种功能的武器装备,统称为侦察监视类节点。因此侦察监视类节点在作战网络中的主要作战任务就是对敌方目标进行侦察、跟踪定位和识别,并将这些数据和信息通过通信数据链传输给其他武器装备节点。因此所构建的侦察监视类节点所具备的最主要的能力为情报侦察能力、目标识别能力和跟踪搜索能力。指标层次结构分解如图3所示。

从图1可以看出，三种酶的水解度在0～0.5 h增加较快，随后基本趋于平缓，胃蛋白酶在4 h处水解度有明显的升高，可达到38.5%。方差分析显示三种酶酶解产物的水解度没有显著差异，但酶解时间的影响差异显著（P＜0.05）。不同蛋白酶的酶活力、与底物之间的相互作用及作用位点等的不同，导致不同的酶对同一底物的酶解效果产生明显差异。胃蛋白酶主要作用于疏水性氨基酸（苯丙氨酸、蛋氨酸、亮氨酸、色氨酸）；碱性蛋白酶的主要酶切位点为丙氨酸、亮氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸[13]。

3.2 方法适应性分析

为了进一步分析不确定自信息量的变化对武器装备体系作战能力的影响,对基于信息熵的作战能力评估模型进行进一步的分析讨论。

对于模型W =exp(-p ),基于Matlab工具所绘制函数曲线如图8所示。

图8W 随P 的变化趋势
Fig.8 Change trend of W withP

根据函数变化曲线可以很直观地看出,随着不确定自信息量值P 的增大,武器装备体系的作战能力逐渐下降,具体包含以下3种情况:

(1) 当P →+∞时,W →0

自信息量无穷大,说明当作战环中一个节点或多个节点失效时,则该作战环无法完成作战任务,作战能力趋近于零。

(2) 当0<P <1时,0<W <1

当作战环的一个或多个能力指标不能完全满足作战能力需求时,对于作战任务的完成就存在一定的不确定性,则武器装备体系的作战能力介于(0,1)。

(3) 当P →0时,W →1。

当不确定自信息量减少时,武器装备的作战能力经历了快速增长→增长变缓→趋近于1的过程。这与实际作战情况是相符的,体系的作战能力不会一味的增大,会存在能力增长瓶颈期。反映了在装备研制经费有限的情况下,不能片面地追求一种或一类装备能力的提高,要注重装备体系的协调发展。

基于以上分析,基于信息熵的作战能力评估模型符合实际作战过程能力的发展变化,可以用来解决作战环能力评估问题。

3.3 作战能力评估过程

基于上述作战能力评估思想,建立对于武器装备体系面向特定作战使命任务的作战能力评估机制,其主要过程可以概括如下。

步骤 1 进行网络拓扑模型的构建,抽象出作战环中节点和边,根据作战活动对节点和边进行建模,从而构建整个作战网络的能力指标体系。

步骤 2 根据各节点和边的能力指标权重和隶属度值,计算各节点和连接边的不确定性程度——自信息量的数值;

步骤 3 根据节点和边完成使命任务的不确定自信息量值,计算每一个作战环整体的自信息量,从而用作战环能力计算公式计算出每个环的能力值;

步骤 4 考虑多个作战环的协同作用,利用式(15)～式(17)计算特定目标下整个武器装备体系的作战能力;

步骤 5 对作战任务中的所有敌方目标进行加权聚合得到整个武器装备体系面向该作战任务的作战能力。

4 实例分析

天基信息支援反导作战^[26-27]涉及高新技术武器众多,作战环境复杂,有效地对天基信息支援反导武器装备体系作战能力进行评估，对作战武器装备的部署、评估、发展和优化具有重要意义。基于作战环的概念和信息熵理论，对天基信息支援反导作战体系能力进行评估,验证所提方法的可行性。

4.1 天基信息支援反导作战网络模型构建

天基信息支援反导作战高级概念图如图9所示。

图9 高级作战概念图
Fig.9 Advanced combat concept map

作战过程^[28-29]可以分为以下几个阶段:

(1) 蓝方发射导弹,红方侦察监视类装备捕捉到该导弹,马上开始预警,并对其进行跟踪和识别,确定其精确位置, 将所获得的信息在第一时间上报给信息处理中心。

(2) 信息处理中心接到上述侦察监视类装备的信息,对所获取的大量数据信息进行分析、处理,提取情报信息,根据作战任务的紧急程度和重要程度决定是否需要上报给更高层的指挥中心。

(3) 红方指控中心结合已有资料和战斗经验对情报信息进行作战分析,并确定采取的军事行动;

(4) 指挥控制平台将军事行动命令下达给火力打击平台,由它对敌方导弹实施目标拦截。

作战双方为红方和蓝方,蓝方对红方的作战基地进行远程打击,红方在天基信息支援下进行反导作战。根据作战环的概念,整个作战过程中红方武器装备体系中所包含的作战单元可划分为作战网络中的侦察类节点、指挥控制类节点和攻击类节点。根据作战任务将蓝方目标实体抽象为目标类节点。作战双方对应作战环节点类型的武器装备如表3所示。

表3 敌我双方的节点类型
Table 3 Node types of both the enemy and the enemy

根据红蓝双方武器装备构成,抽象为作战网络模型,如图10所示。

图10 天基信息支援反导作战网络模型
Fig.10 Space-based information support anti-missile combat network model

由天基信息支援反导作战网络模型示意图可以看出,所建立的作战网络模型中存在多个作战环,每一个作战环代表一次完整的反导拦截活动。多个作战环共同构成了整个天基信息支援反导作战网络模型。其中不同作战环的节点数也不尽相同,部分作战环中包含了信息共享和指控协同关系。

4.2 天基信息支援反导作战体系能力评估

根据天基信息支援反导作战仿真结果得到各节点和各边的度量指标值,根据各战技指标的隶属度函数模型计算得到各指标满足能力需求的隶属度,隶属度取值范围0～1,其中0代表最劣值,1代表最优值。需要特别说明的是对于目标类节点隶属度函数模型的构建,隶属度值越大代表越有利于红方完成反导作战任务。相应的,蓝方该装备作战能力越差。

表4～表7分别给出了作战环中侦察类、指控类、攻击类和目标类节点满足作战能力需求的各指标的隶属度值和加权自信息量值。

表4 侦察类节点加权自信息量值
Table 4 Weighted self-information of the scouting class node

表5 指控类节点加权自信息量值
Table 5 Weighted self-information value of the alleged class node

表6 攻击类节点加权自信息量值
Table 6 Weighted self-information value of the attack class node

表7 目标类节点加权自信息量值
Table 7 Weighted self-information value of the target class node

以上给出了所构建的作战环中各节点所包含的能力指标满足作战能力需求的隶属度值,各指标权重,通过式(11)计算得到各个节点加权自信息量值。根据各边包含指标的隶属度计算不同边的加权自信息量,如表8所示。

根据各节点、各边所具有的加权自信息量值可以得到整个作战环的不确定自信息量值。表9和表10分别给出了天基信息支援反导作战针对蓝方目标T ₁、T ₂所能够形成的作战环及不同作战环所具有的不确定自信息量值。

表8 作战环边的加权自信息量值
Table 8 Weighted self-information of the edges of combat ring

表9 目标节点 T ₁ 形成的作战环及其能力值
Table 9 Combat ring formed by the target node T ₁ and its capability value

表10 目标节点 T ₂ 形成的作战环及其能力值
Table 10 Combat ring formed by the target node T ₂ and its capability value

续表10

Continued table 10

针对作战目标T ₁和T ₂所采取的军事行动所具有的作战能力为

(19)

分别对目标T ₁和目标T ₂进行赋权计算整个天基信息支援反导作战体系的作战能力,将目标T ₁和T ₂分别赋权为w ₁=0.3,w ₂=0.7得到整个天基信息支援反导作战体系的作战能力为

(20)

4.3 实例结果分析

为了说明本文基于作战环建模思想和信息熵评估方法的合理性,以目标节点T ₂形成的作战环的作战能力为例进行分析,为了便于观察,生成曲线图如图11所示。

图11 目标T ₂形成的作战环能力曲线图
Fig.11 Operational loop capability curve formed by the target T ₂

(1) 信息共享和指控协同对作战环能力的影响

T ₂形成的作战环中通过对作战环编号1和3、6,9和11、13对比可以发现,作战环中节点关系包含指控协同关系和信息共享关系,对作战环能力值产生了正面影响,这是因为多个指控中心协同指挥,侦察节点信息共享,提高了情报获取的准确性和丰富性及作战指挥的可靠性和有效性,增强了作战环的作战能力。但是对比7和15、1和8、9和10可以发现,作战环中信息共享和协同指控节点并没有提升作战环能力,反而产生了负面影响,这是因为由于作战环中节点数的增大,增大了作战环的反应时间,增加了作战的不确定性,贻误了对战机的把握,从而影响到导弹拦截效果。

(2) 不同作战节点对作战环能力的影响。

对作战环编号2和3,5和6,14和15对比可以发现,在作战环节点数相同的情况下,作战环节点的不同会对作战环能力产生较大的影响。这是因为不同节点作战能力有差异,节点之间的连接边所进行的作战活动完成度也不同,最终影响整个作战环的能力。

5 结 论

基于复杂网络思想,对武器装备体系进行作战网络化建模,将武器装备体系和敌方目标抽象为作战环中的不同节点。分别构建了作战网络中节点和边的作战能力指标体系。并基于信息熵的概念,提出了武器装备体系作战能力评估方法和评估流程。最后,以天基信息支援反导作战为例,对方法进行了验证和说明,证明了方法的可行性和合理性。研究表明基于作战环模型评估武器装备体系能力,与传统的建模和评估方法比较,其评估过程更加贴近作战实际,评估结果更加真实有说服力。同时仍存在一些问题(如,对功能多样的武器装备应抽象为不同功能节点;对信息共享和协同指控的节点不确定性融合机理还有待考究)将在下一步研究中不断解决。

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Capabilities assessment of the weaponry system based on combat ring

LIANG Jialin, XIONG Wei

(School of Space Command ,Space Engineering University ,Beijing 101416 )

Abstract : Architecture description and capability assessment methods aiming at the existing weapon equipment are difficult to reflect the shortcomings of the equipment association relationship on the system capability. Based on the superiority of the complex network theory applied to the networked modeling of the weapon equipment system, a weapon ring system architecture description and modeling method based on the combat ring is proposed. The weapon equipment system is abstracted into nodes, and the information flow between nodes is abstracted into the edges in the network. The capability index system of the entire combat ring is constructed based on the capability indicators of nodes and edges. Through the improvement of information entropy theory, the uncertainty of the operational mission of the combat ring is analyzed, and the specific process of the weapon capability assessment method is presented. Finally, the networked modeling and operational capability assessment of space-based information support anti-missile operations are carried out, and the feasibility and rationality of the method are verified.

Keywords : weaponry system; combat ring; networked modeling; combat capability; information entropy

中图分类号: N 936

文献标志码: A

DOI: 10.3969/j.issn.1001-506X.2019.08.19

收稿日期: 2018-09-26; 修回日期:2018-12-14;网络优先出版日期: 2019-04-17。

网络优先出版地址: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20190417.1647.018.html

作者简介：

梁家林 (1993-),男,硕士研究生,主要研究方向为武器装备体系评估。E-mail:729501785@qq.com

熊 伟 (1971-),男,教授,博士研究生导师,博士,主要研究方向为通信与信息系统。E-mail:13331094335@163.com

标签：武器装备体系论文;  作战环论文;  网络化建模论文;  作战能力论文;  信息熵论文;  航天工程大学航天信息学院论文;