基于仿真技術(shù)的兩棲裝甲裝備作戰(zhàn)效能評估方法*

張 杰，王 寧，朱 江

(南京陸軍指揮學(xué)院，江蘇 南京 210045)

作戰(zhàn)模擬對于武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估具有不可替代的重要作用。它省時、省費用，一定程度上反映了對抗條件、交戰(zhàn)對象和武器裝備的協(xié)同作用，武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能諸屬性在作戰(zhàn)全過程的體現(xiàn)以及在不同規(guī)模作戰(zhàn)效能的差別［1］。因此，基于復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)(CAS)的多Agent建模技術(shù)在軍事仿真領(lǐng)域得到大量嘗試［2］。美軍通過研究作戰(zhàn)中的自組織現(xiàn)象和涌現(xiàn)行為及其對作戰(zhàn)結(jié)果的影響，構(gòu)建了基于CAS理論的作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)，如伊塞克模型(ISSAC)、愛因斯坦模型(EINSTein)等。國內(nèi)也應(yīng)用相關(guān)理論進(jìn)行了軍事研究，如裝甲兵學(xué)院提出了基于多Agent的坦克分隊作戰(zhàn)模型構(gòu)建方法;國防大學(xué)將Agent建模思想引入危機(jī)決策對抗模擬等問題中，建立了Agent間合作研討與沖突對抗的理論框架，并通過對Agent及Agent小組活動的行為跟蹤來推測高層目標(biāo)和行為。但是從整體上看，在復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論和多Agent建模方法上，國內(nèi)還處于起步階段，研究重點放在了方法層面上，在武器裝備作戰(zhàn)效能評估方面應(yīng)用較少?；趶?fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論和多Agent建模仿真方法的作戰(zhàn)效能評估系統(tǒng)能夠考慮在對抗條件下，通過對抗雙方戰(zhàn)斗過程的演示，極大地避免人力、物力、財力的過多消耗，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、高效、科學(xué)的兩棲裝甲裝備作戰(zhàn)效能評估，具有很高的推廣應(yīng)用價值。

1 兩棲裝甲裝備作戰(zhàn)效能評估過程

兩棲裝甲武器裝備作戰(zhàn)效能評估采用如下過程。

1)描述對抗環(huán)境，通過界定效能評估的范圍，分析確定對抗環(huán)境。對抗環(huán)境描述包括戰(zhàn)場環(huán)境描述和對抗措施的描述，如作戰(zhàn)背景，戰(zhàn)場環(huán)境，對抗雙方武器系統(tǒng)，對抗雙方的作戰(zhàn)使用原則與戰(zhàn)術(shù)原則。

2)構(gòu)建作戰(zhàn)效能評估和分析模型，建立指標(biāo)計算模型，并利用多屬性決策方法對功能層效能指標(biāo)進(jìn)行綜合評估。

3)攻防對抗的建模與仿真，依據(jù)效能分析需求設(shè)計仿真方案，建立作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)，建立相應(yīng)的模型。

4)仿真實驗數(shù)據(jù)處理，通過仿真試驗，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，利用指標(biāo)體系的關(guān)系模型計算指標(biāo)值，進(jìn)行多指標(biāo)效能的綜合評價。

仿真樣本包含五個基本要素:時間，地點，環(huán)境，對象，模型。仿真目的就是通過作戰(zhàn)仿真過程考察這五個要素對武器作戰(zhàn)效能的影響，給出定量的分析結(jié)果。仿真目的定義了多個樣本，通過對多樣本的作戰(zhàn)過程模擬，定量分析各樣本的運行結(jié)果，綜合后得到武器裝備的作戰(zhàn)效能指標(biāo)。

2 兩棲裝甲裝備登陸作戰(zhàn)效能評估系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)模型體系

系統(tǒng)模型體系及信息流如圖1所示。首先，從導(dǎo)入實驗方案開始，由想定生成技術(shù)將其表示為行動過程序列，進(jìn)行態(tài)勢信息初始化;然后，由推演控制模型，調(diào)度實體模型，驅(qū)動推演開始，推演過程中使用任務(wù)規(guī)劃決策模型產(chǎn)生行動過程序列，按一定的步長頻率反復(fù)地進(jìn)行運算，并將結(jié)果用圖形顯示;推演數(shù)據(jù)送到作戰(zhàn)效能評估模型，模型解算后可以得到實驗結(jié)果。

2.2 系統(tǒng)模型組成

1)戰(zhàn)場環(huán)境模型

戰(zhàn)場環(huán)境模型是對兩棲裝甲分隊作戰(zhàn)行動仿真所涉及的地形環(huán)境、氣象環(huán)境、水文環(huán)境和電磁環(huán)境、保障及其對實體作戰(zhàn)行動的影響進(jìn)行描述的模型。環(huán)境建模主要考慮與兩棲裝甲裝備行為相適應(yīng)的陸地、海洋、大氣等自然環(huán)境模型。海況、水文、氣象等海戰(zhàn)場自然環(huán)境極大地影響著兩棲裝甲裝備作戰(zhàn)使用和效能發(fā)揮。

圖1 系統(tǒng)模型體系及信息流

2)實體模型

實體模型是描述系統(tǒng)可分辨的兩棲裝甲分隊?wèi)?zhàn)斗分隊、武器裝備、人員和設(shè)施等實體外部形態(tài)和內(nèi)部屬性的模型?；緦嶓w包括水陸坦克、兩棲步兵突擊車等平臺模型(描述單一武器系統(tǒng)的模型)和班、組等聚合單位模型(將一個兩棲裝甲戰(zhàn)斗分隊作為一個整體進(jìn)行描述的模型)。實體屬性包括標(biāo)識、毀傷等級、防護(hù)等級、生命力指數(shù)(健康指數(shù))、威脅等級和訓(xùn)練水平等幾個關(guān)鍵屬性。

3)任務(wù)規(guī)劃決策模型［3］

指揮智能體采用BDI(belief-desire-intention)Agent實現(xiàn)，提供計劃和做出決策。通過對行動過程的分層組合，并控制階段、時節(jié)之間的轉(zhuǎn)化，用數(shù)學(xué)表達(dá)式、邏輯規(guī)則來描述和體現(xiàn)關(guān)鍵任務(wù)和作戰(zhàn)行動，針對具體作戰(zhàn)任務(wù)和目標(biāo)制定行動過程序列或者任務(wù)流程，描述何時、何地、在何種情況下對何種目標(biāo)采取具體作戰(zhàn)行動，以及各作戰(zhàn)實體作戰(zhàn)行動之間的協(xié)同關(guān)系。

4)控制模型

控制模型包括推演控制模型和人工干預(yù)模型。推演控制模型可以歸結(jié)為事件和條件兩個基本概念，事件是系統(tǒng)中的動作，事件的出現(xiàn)是由系統(tǒng)狀態(tài)控制的，系統(tǒng)狀態(tài)可以描述為一組條件。采取產(chǎn)生式系統(tǒng)的規(guī)則表示和規(guī)則匹配方法引入到離散事件的控制策略中來。人工干預(yù)模型是指揮員不斷地根據(jù)戰(zhàn)場情況變化調(diào)整部署，采取新的對策而產(chǎn)生的。模型決定是否要重新計劃，如果需要重新計劃，結(jié)合條件決策命令和人工干預(yù)命令對未完成的行動過程序列進(jìn)行重新生成。

5)作戰(zhàn)效能評估模型

兩棲裝甲裝備作戰(zhàn)系統(tǒng)可視為一個時間連續(xù)、事件離散的系統(tǒng)，其效能評估模型由輸入集、輸出集、狀態(tài)集、輸出函數(shù)和時間推進(jìn)函數(shù)構(gòu)成。輸入集反映作戰(zhàn)系統(tǒng)所感知的外界環(huán)境、信息;輸出集反映作戰(zhàn)效能評估值;狀態(tài)集指作戰(zhàn)系統(tǒng)的固有屬性集;輸出函數(shù)包括兩棲裝備作戰(zhàn)效能評估事件輸出函數(shù)，外界環(huán)境、信息、支援對作戰(zhàn)效能的條件影響事件的輸出函數(shù)，兩棲突擊分隊效能評估事件輸出函數(shù)。時間推進(jìn)函數(shù)指模型推演過程中的時間控制函數(shù)。

2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

選用Java開發(fā)語言開發(fā)動態(tài)平臺，基于多Agent建模思想和面向主體軟件開發(fā)方法支持戰(zhàn)爭復(fù)雜系統(tǒng)的模擬實現(xiàn)。使用 JADE(Java Agent DEvelopment Framework)構(gòu)建Agent容器，利用KQML通信原語和自定義語句實現(xiàn)Agent主體間的通訊，采用Java VM提供的非搶占式線程技術(shù)作為仿真引擎的核心技術(shù)。仿真“時鐘”根據(jù)戰(zhàn)場上生成的幀數(shù)目來標(biāo)記，同時將時間幀和事件觸發(fā)機(jī)制相結(jié)合形成仿真推進(jìn)機(jī)制。結(jié)合使用JDK GUI和2D圖形庫提供的生成功能進(jìn)行戰(zhàn)場環(huán)境處理，以提供二次開發(fā)不同的地形特征和戰(zhàn)場環(huán)境的平臺。

3 仿真實驗

利用本系統(tǒng)可以研究不同戰(zhàn)場環(huán)境、編組編波、戰(zhàn)術(shù)原則對兩棲裝甲裝備作戰(zhàn)效能發(fā)揮的影響。根據(jù)三方面研究內(nèi)容，組成作戰(zhàn)方案集，作為作戰(zhàn)效能分析的研究對象。由于每套方案采用重復(fù)運行法，重復(fù)多次運行仿真系統(tǒng)，每一次仿真運行可以得到獨立的一組評估數(shù)據(jù)。本文以環(huán)境影響因素實驗為例說明系統(tǒng)運用方法和對結(jié)果的處理情況。

以渡海登島作戰(zhàn)為背景，紅、藍(lán)雙方假設(shè)在一定作戰(zhàn)環(huán)境下按照給定的作戰(zhàn)想定進(jìn)行仿真實驗。

3.1 環(huán)境影響實驗方案［4］

影響兩棲裝甲裝備作戰(zhàn)效能的環(huán)境因素包括風(fēng)、浪、潮汐、潮流和海流等，實驗著重考慮風(fēng)、浪和潮汐的影響。取5級浪以下(無浪、微浪、小浪、輕浪、中浪、大浪)，6級風(fēng)以下(無風(fēng)、軟風(fēng)、輕風(fēng)、微風(fēng)、和風(fēng)、清風(fēng)、強(qiáng)風(fēng))，潮汐影響主要考慮高潮前1～3小時和低潮時節(jié)。在各級風(fēng)、浪和潮汐分類組合下，構(gòu)成了環(huán)境影響因素實驗方案集。

3.2 實驗設(shè)置

1)模擬初始時間從兩棲裝甲突擊群由登陸艦下水時刻開始計算;

2)武器參數(shù)設(shè)置為紅軍某新型兩棲裝甲車、某型水陸坦克和藍(lán)軍武器、工事的基本性能參數(shù)，以及環(huán)境因素修正下的武器性能參數(shù)。

3)基本行動設(shè)置為第一梯隊泛水編波。根據(jù)有關(guān)規(guī)定進(jìn)行泛水距離、車輛間距、編波數(shù)的取值。

4)模擬結(jié)束時間設(shè)置為泛水編波行動完成。

其它條件略。

評估指標(biāo):兩棲裝甲裝備在泛水編波階段以完成航渡、抵達(dá)沖擊出發(fā)線為主要目的，故以紅軍裝甲裝備損失率為主要評估指標(biāo)。

3.3 實驗過程

由于平臺無法構(gòu)建直接模擬海上的潮汐與風(fēng)浪情況的物理模型，設(shè)置事件觸發(fā)機(jī)制模擬潮汐和風(fēng)浪的離散事件，在事件發(fā)生時，根據(jù)裝備平臺級的模擬結(jié)果提供的基本數(shù)據(jù)設(shè)置裝備的基本性能參數(shù)。

圖2表示浪對作戰(zhàn)效能的影響。由于浪影響裝備射擊觀察、炮初速和命中精度，導(dǎo)致首發(fā)命中率下降，而水上射擊命中率影響紅軍突擊群的損失率，尤其是首波次和第二波次受影響更大。在四級浪時，裝備搜索目標(biāo)變難，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)誤差率增大15%。從數(shù)據(jù)分析可以看出，新型兩棲裝甲車抗海浪的效能優(yōu)于某型水陸坦克。

圖2 不同風(fēng)浪中射擊首發(fā)命中率及對作戰(zhàn)效能的影響

圖3表示風(fēng)、浪對泛水速度及泛水速度對作戰(zhàn)效能的影響。裝備機(jī)動速度受風(fēng)浪影響較大，在風(fēng)浪等級增大時，水中機(jī)動速度將降低，在5級風(fēng)和4級浪以下，新型兩棲裝甲車受影響較小，某型水陸坦克速度將受較大影響。裝備損失率受泛水速度的影響大，當(dāng)泛水速度增加時，裝備損失率下降。

圖3 不同條件下的泛水速度及對作戰(zhàn)效能的影響

3.4 作戰(zhàn)效能綜合評估

運用效用函數(shù)法［5］對兩棲裝甲裝備作戰(zhàn)效能進(jìn)行評估，由于以紅方裝甲裝備損失率為評估指標(biāo)，評估模型確定為

式中，V為水上機(jī)動能力指數(shù)，取水上行駛速度;K為抗風(fēng)浪能力指數(shù)，取抗風(fēng)浪等級。

將性能指標(biāo)的效用量化集中如表1所示。

表1 性能指標(biāo)效用量化表

由效能評估模型可以得出各性能指標(biāo)對作戰(zhàn)能力的貢獻(xiàn)。水上機(jī)動能力對作戰(zhàn)能力的貢獻(xiàn)線性遞增，效用值取v，采用分布:v=x/46?？癸L(fēng)浪能力的效用趨勢為遞增，效用值取k，采用分布:k=k/5。由模型可以看出，裝甲裝備在泛水編波階段各性能指標(biāo)對作戰(zhàn)能力的貢獻(xiàn)，從大到小依次為抗風(fēng)浪等級能力和水上機(jī)動能力。

3.5 實驗結(jié)論

通過對系統(tǒng)模擬實驗和效用函數(shù)法綜合分析可知，兩棲裝甲裝備登陸作戰(zhàn)效能受風(fēng)、浪、潮汐等因素影響大，當(dāng)風(fēng)、浪、潮流較大時，裝備泛水速度降低，裝甲車輛面臨的風(fēng)險增大，裝備損失率增加。

抗風(fēng)浪能力好的裝備，作戰(zhàn)效能高，因此，要優(yōu)先選用新型抗風(fēng)浪等級高的裝甲裝備。對于老舊型裝備，在其抗風(fēng)浪等級一定的情況下，要考慮選擇合適的登陸時機(jī)，減少敵方的殺傷，以提高其作戰(zhàn)效能。

4 結(jié)束語

本文使用復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)多Agent建模技術(shù)研究兩棲裝甲裝備作戰(zhàn)效能評估問題，解決了傳統(tǒng)方法難以反映對抗，難以結(jié)合作戰(zhàn)背景進(jìn)行武器效能評估的不足，實驗著重在我方裝備損失率、雙方裝備損失比等方面提供了數(shù)據(jù)，為將兩棲裝甲裝備作戰(zhàn)效能評估研究引向深入提供了模型基礎(chǔ)和可供借鑒的方法。

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