艦艇編隊防空作戰(zhàn)任務(wù)可靠性建模方法*

樂 亮 黃 政 譚猛泉

(海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院 武漢 430033)

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艦艇編隊防空作戰(zhàn)任務(wù)可靠性建模方法*

樂 亮 黃 政 譚猛泉

(海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院 武漢 430033)

論文通過分析艦艇編隊的防空作戰(zhàn)流程,形成了艦艇編隊防空作戰(zhàn)基本能力的構(gòu)成和關(guān)系,并通過把復(fù)雜的防空作戰(zhàn)任務(wù)劃分為相對簡單的多階段任務(wù),建立了相應(yīng)的任務(wù)可靠性模型。

艦艇編隊; 防空作戰(zhàn); 任務(wù)可靠性; 模型

Class Number E824

1 引言

鍛造一支適應(yīng)歷史使命的、強大的人民海軍是海軍軍事建設(shè)所要達成的首要目標(biāo),而現(xiàn)代海上戰(zhàn)爭強度高、進程快、戰(zhàn)機稍縱即逝,可靠、穩(wěn)定的艦艇編隊裝備體系,是艦艇編隊順利執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的重要保證。而防空作戰(zhàn)作為艦艇編隊的最為典型的基本作戰(zhàn)類型,艦艇編隊執(zhí)行防空作戰(zhàn)的任務(wù)可靠性水平,直接關(guān)系到艦艇編隊的自身生存。

目前,國內(nèi)外關(guān)于艦艇編隊裝備體系的研究大多集中于體系的需求建模和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面,可靠性方面的研究才剛剛起步,國內(nèi)外相關(guān)文獻較少。美國在2009年5月發(fā)布的《國防部體系結(jié)構(gòu)框架2.0》正式版中提出了體系工程的一個重要目標(biāo)是體系可靠性[1～2]。美國陸軍裝備研究發(fā)展中心的J.L.Cook于2009年建立了裝備體系的多狀態(tài)系統(tǒng)(Multi-State System)可靠性模型[3]。但是該模型僅能對艦艇編隊裝備體系中各裝備的基本可靠性進行粗略評價,對于其執(zhí)行防空作戰(zhàn)時裝備的層次性、動態(tài)時序等特點考慮不足。由于艦艇編隊在執(zhí)行防空作戰(zhàn)時,隨著戰(zhàn)斗的不斷進行,艦艇編隊裝備體系中各種裝備系統(tǒng)不斷介入,因此,基于作戰(zhàn)流程對防空作戰(zhàn)整體評價的任務(wù)可靠性模型更能符合現(xiàn)代化戰(zhàn)爭需要。

2 艦艇編隊防空作戰(zhàn)分析

2.1 艦艇編隊防空作戰(zhàn)區(qū)域劃分

艦艇編隊在進行防空作戰(zhàn)時,如圖1所示,作戰(zhàn)區(qū)域由敵我相距由遠及近通常劃分為遠程抗擊區(qū)、編隊區(qū)域防御區(qū)以及點防御區(qū)[4]。遠程抗擊區(qū)編隊區(qū)域防空導(dǎo)彈最大射程以外的區(qū)域,敵我距離一般在120km以上,艦艇編隊對該區(qū)域的目標(biāo)編隊無法使用自身的硬武器抗擊,但可以針對該區(qū)域的目標(biāo)進行編隊預(yù)機動,或者實施必要的電子對抗措施。編隊區(qū)域防空武器的抗擊區(qū),其范圍取決于編隊區(qū)域防空導(dǎo)彈的最大射程,按目前世界海軍水面艦艇防空導(dǎo)彈的性能看,一般在15km～120km,對進入該區(qū)域的目標(biāo),編隊要統(tǒng)一分配所屬各艦的區(qū)域防空導(dǎo)彈進行抗擊。編隊點防空武器的抗擊區(qū),其范圍一般在距編隊15km以內(nèi),編隊一般不分配區(qū)域防空武器對該區(qū)域目標(biāo)進行抗擊,可對該區(qū)域使用密集陣近防系統(tǒng)行抗擊,但要依據(jù)區(qū)域防御武器的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能及目標(biāo)的狀態(tài)而定。

圖1 艦艇編隊防空作戰(zhàn)區(qū)域劃分

2.2 艦艇編隊防空作戰(zhàn)流程

圖2 艦艇編隊防空作戰(zhàn)流程邏輯

戰(zhàn)爭時期,艦艇編隊航行中不間斷集中收集防空雷達系統(tǒng)探測的情報信息,并對收集的情報數(shù)據(jù)進行整理、分析、篩選、判別、融合,監(jiān)測到目標(biāo)后進行威脅判斷,建立空中態(tài)勢圖,并利用編隊?wèi)?zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)將空中態(tài)勢分發(fā)到艦艇編隊[5]。艦艇編隊指揮所的情報處理戰(zhàn)位結(jié)合編隊分發(fā)的空中態(tài)勢圖信息,完成本作戰(zhàn)區(qū)域情報信息的收集處理,維持作戰(zhàn)區(qū)域的空中動態(tài)信息,并根據(jù)編隊防空作戰(zhàn)指令或自身防空需要,靈活實施防空作戰(zhàn)指揮。一般的驅(qū)護艦艇編隊防空邏輯流程,如圖2所示。

3 艦艇編隊防空作戰(zhàn)任務(wù)可靠性建模需求分析

3.1 艦艇編隊防空作戰(zhàn)任務(wù)階段劃分

從裝備體系組成看,艦艇編隊在執(zhí)行防空作戰(zhàn)任務(wù)時,各艦的雷達探測系統(tǒng)、武器裝備系統(tǒng)和艦艇編隊指揮決策中心通過通信系統(tǒng)聯(lián)結(jié)成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),它具有層次化的特征,即艦艇編隊指揮決策中心和每個艦還包含諸多可直接服務(wù)于防空作戰(zhàn)任務(wù)的武器裝備和分系統(tǒng),這些武器裝備和分系統(tǒng)按照一定的邏輯關(guān)系(如串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)等)組成來執(zhí)行防空作戰(zhàn)任務(wù)[6～7]。在可靠性建模中,不同層次的系統(tǒng)可能會同時出現(xiàn)在同一個模型中。因此既可以把艦艇編隊中各艦作為一個整體來考慮,也可以將各艦不同層次的裝備系統(tǒng)分解,分解后每層由各艦具有相同作戰(zhàn)功能的武器裝備系統(tǒng)組成。

從任務(wù)執(zhí)行過程來看,雷達探測系統(tǒng)對敵的預(yù)警搜索、探測、跟蹤定位等作用,貫穿防空作戰(zhàn)任務(wù)的始末。由各艦指揮部門組成的艦艇編隊指揮決策系統(tǒng)直接作用于整個作戰(zhàn)過程,為每一步的作戰(zhàn)行動做出部署。隨著作戰(zhàn)的進行,敵方的不斷突破防御區(qū)以及敵我距離的縮進,遠程艦空導(dǎo)彈系統(tǒng)、中程艦空導(dǎo)彈系統(tǒng)以及密集陣近防系統(tǒng)相繼發(fā)揮作戰(zhàn)效能。不同的裝備系統(tǒng)的任務(wù)性質(zhì)不同,就導(dǎo)致不同的裝備系統(tǒng)的任務(wù)起止時間也不一樣。同時由于來襲敵機若在艦艇編隊防空雷達系統(tǒng)監(jiān)控之下,則其飛行參數(shù)都能夠被艦艇編隊所掌握,則防空作戰(zhàn)任務(wù)各階段的起止都是能夠確定的。以某來襲敵機突防艦艇編隊為例,艦艇編隊防空作戰(zhàn)任務(wù)執(zhí)行過程如圖3所示,整個防空作戰(zhàn)任務(wù)持續(xù)時間的區(qū)間為[t1,t4],指揮決策系統(tǒng)與對空探測系統(tǒng)始終處于任務(wù)執(zhí)行狀態(tài),遠程艦空導(dǎo)彈系統(tǒng)、中程艦空導(dǎo)彈系統(tǒng)以及密集陣近防系統(tǒng)參與作戰(zhàn)任務(wù)的時間區(qū)間分別為[t1,t2],[t2,t3],[t3,t4]。

圖3 艦艇編隊防空作戰(zhàn)任務(wù)時序劃分

由此,可以將艦艇編隊防空作戰(zhàn)任務(wù)執(zhí)行過程按照任務(wù)時間區(qū)間劃分為時間連續(xù)但不重疊的多個單一階段,此時的艦艇編隊防空作戰(zhàn)任務(wù)實質(zhì)上是一個多階段任務(wù)。

3.2 基于性能的艦艇編隊防空作戰(zhàn)任務(wù)可靠性框圖

經(jīng)過作戰(zhàn)任務(wù)時段的劃分,每個階段都有一個由不同裝備系統(tǒng)組成邏輯關(guān)系結(jié)構(gòu)。由圖3可知,艦艇編隊在執(zhí)行防空作戰(zhàn)時,任務(wù)可以劃分成三個階段。從各階段任務(wù)來看,對空探測系統(tǒng)以及決策指揮系統(tǒng)與各武器系統(tǒng)分別構(gòu)成串聯(lián)關(guān)系,作戰(zhàn)階段之間為并聯(lián)關(guān)系。如在第2階段[t2,t3]中由指揮決策系統(tǒng)b,對空探測系統(tǒng)r以及中程艦空導(dǎo)彈系統(tǒng)z提供業(yè)務(wù)支持,且b、r和z都必須保持高性能才能保證任務(wù)的可靠性。由此可作出艦艇編隊防空作戰(zhàn)任務(wù)可靠性框圖,如圖4所示。

圖4 艦艇編隊防空作戰(zhàn)可靠性框圖

4 基于作戰(zhàn)流程的艦艇編隊防空作戰(zhàn)任務(wù)可靠性模型

由于防空作戰(zhàn)的時間短暫,對于高可靠度的軍用裝備而言,在作戰(zhàn)過程中發(fā)生裝備故障導(dǎo)致作戰(zhàn)任務(wù)失敗的問題可忽略不計,武器裝備的作戰(zhàn)性能才是防空任務(wù)能否成功的主要因素?；谛阅芎妥鲬?zhàn)流程的艦艇編隊防空作戰(zhàn)任務(wù)可靠性模型為

R=1-(1-Rr1Rb1Ry)(1-Rr2Rb2Rz)(1-Rr3Rb3Rj)

(1)

式中,Rr、Rb、Ry、Rz、Rj分別為艦艇編隊防空作戰(zhàn)對空雷達探測任務(wù)可靠性、決策指揮任務(wù)可靠性、遠程艦空導(dǎo)彈任務(wù)可靠性、中程艦空導(dǎo)彈任務(wù)可靠性以及密集陣近防系統(tǒng)任務(wù)可靠性,其中Rr、Rb隨作戰(zhàn)任務(wù)進行分別有三個階段的任務(wù)可靠性。

4.1 對空探測任務(wù)可靠性

對空探測任務(wù)可靠性來源于艦艇編隊內(nèi)各艦的探空雷達預(yù)警搜索、探測以及跟蹤定位時相應(yīng)的效能。防空作戰(zhàn)中指揮決策的準(zhǔn)確下達和對空武器系統(tǒng)實施作戰(zhàn)時的效能主要依賴于雷達探測的空中態(tài)勢和實際戰(zhàn)場態(tài)勢相吻合的程度,雷達探測的空中態(tài)勢和實際戰(zhàn)場態(tài)勢越吻合,表明艦艇編隊對敵探測的發(fā)現(xiàn)概率越高,即對空探測任務(wù)可靠性越高。

根據(jù)艦艇編隊區(qū)域防空的作戰(zhàn)環(huán)境,由于艦艇編隊由多艘艦艇組成,擁有多個相同或不同型號的預(yù)警雷達,如果要具體計算每種雷達的性能參數(shù)來求艦艇編隊對空預(yù)警探測系統(tǒng)任務(wù)可靠性是極復(fù)雜且不現(xiàn)實的。本文運用系統(tǒng)集成的方法,在艦艇編隊預(yù)警防空探測區(qū)域內(nèi),將各艦的預(yù)警雷達的預(yù)警探測能力高度融合成一個探測能力更強的“預(yù)警雷達體”[8],此“預(yù)警雷達體”相當(dāng)于一部高性能預(yù)警雷達,敵方空中目標(biāo)一旦闖入艦艇編隊的預(yù)警范圍,就會以較高的概率被“預(yù)警雷達體”探測到。將發(fā)現(xiàn)概率Pr作為艦艇編隊“預(yù)警雷達體”的探測效能,即對空探測任務(wù)可靠性。

計算“預(yù)警雷達體”信噪比:

(2)

計算對空探測任務(wù)可靠性:

(3)

式中:R0是Sr=1時的“預(yù)警雷達體”作用距離;R為敵我距離;n為雷達脈沖積累數(shù);y是門坎值。

4.2 指揮決策任務(wù)可靠性

艦艇編隊防空作戰(zhàn)過程中,盡管各艦指揮系統(tǒng)以及編隊指揮中心的指揮決策是有跡可循的,但一切指揮決策的結(jié)果是具有不確定性的,所以可以用概率的方法對艦艇編隊防空作戰(zhàn)指揮決策的任務(wù)可靠性進行建模和評估。艦艇編隊指揮決策的任務(wù)可靠性取決于指揮的穩(wěn)定性Pw和時效性Ps[9]。

艦艇編隊防空作戰(zhàn)指揮決策任務(wù)可靠性為

Rb=Pw·Ps

(4)

編隊指揮的穩(wěn)定性取決于編隊內(nèi)任意一艦艇戰(zhàn)時保持戰(zhàn)斗力的概率Pz,假設(shè)編隊有n個具有相同功能可互相替代的指揮所,則有

Pw=1-(1-Pz)n

(5)

編隊指揮的時效性是指編隊作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)戰(zhàn)時的反應(yīng)能力。編隊指揮系統(tǒng)應(yīng)對戰(zhàn)場態(tài)勢變化作出反應(yīng)的時間ts是其主要的性能指標(biāo)。在艦艇編隊防空作戰(zhàn)過程中,針對戰(zhàn)場態(tài)勢變化采取的應(yīng)對措施,一次的反應(yīng)時間包括:從探測到敵情到指揮部收到情報的時間tb,從指揮部收到情報到定下指揮決策的時間tj,從定下指揮決策到?jīng)Q策布置的戰(zhàn)斗任務(wù)下達完畢的時間tx,從決策布置的戰(zhàn)斗任務(wù)下達完畢到完成機動準(zhǔn)備的時間td。

編隊指揮決策時效性時間為

ts=tb+tj+tx+td

(6)

在艦艇編隊防空作戰(zhàn)過程中,對于戰(zhàn)場的態(tài)勢變化,指揮所應(yīng)該及時作出應(yīng)對決策,整個反應(yīng)時間不能太長,否則指揮決策將失去作戰(zhàn)意義。將探測到敵情到指揮決策布置的戰(zhàn)斗任務(wù)剛好失去實施意義的時間,稱為指揮時效性臨界時間Ts。臨界時間Ts與編隊散失指揮決策時效性能力的強度λ成反比,即Ts=1/λ。

編隊決策指揮的時效性概率:

Ps=e-λ·ts

(7)

4.3 區(qū)域防空艦空導(dǎo)彈任務(wù)可靠性

艦艇編隊防空作戰(zhàn)的中、遠程防空統(tǒng)稱為區(qū)域防空,所用的武器都是艦空導(dǎo)彈,但有性能之間的差別。因而艦艇編隊的中、遠程艦空導(dǎo)彈防空任務(wù)可靠性模型與計算方法相同。區(qū)域防空的中、遠程艦空導(dǎo)彈攻擊區(qū)較大,來襲敵機飛躍攻擊區(qū)所需要的時間明顯大于艦空導(dǎo)彈攻擊其所需要的時間。由文獻[10]可知來襲敵機的突防概率方程:

Pt=Pz(1-Pkill)Imax

(8)

式中Pkill表示區(qū)域防空導(dǎo)彈對來襲敵機的毀傷概率,取決于導(dǎo)彈自身性能。Imax是指來襲敵機在一種導(dǎo)彈攻擊區(qū)域縱深內(nèi)可能受到的最大攻擊次數(shù),取決于敵機的機動性能以及我艦空導(dǎo)彈的機動性能。

則區(qū)域防空艦空導(dǎo)彈的任務(wù)可靠性為

Ry=1-Pty

(9)

Rz=1-Ptz

(10)

4.4 密集陣近防系統(tǒng)任務(wù)可靠性

對于艦艇編隊密集陣近防武器系統(tǒng)來講,其任務(wù)可靠性模型的最終目的就是要得出編隊在與來襲敵機使用密集陣近防武器對抗時成功抗擊來襲敵機的概率Pj。設(shè)密集陣近防武器系統(tǒng)的每個火力單元在與敵火力對抗中不被毀傷的概率為Pgj,每個密集陣系統(tǒng)發(fā)射后殺傷敵機概率為Psj[11]。

則每個火力單元擊毀來襲敵機的概率

Pg=Pgj·Psj

(11)

設(shè)密集陣近防武器系統(tǒng)服務(wù)強度為ρ,則根據(jù)式(11)可得艦艇編隊密集陣近防系統(tǒng)任務(wù)可靠性為

Rj=Pj=(1-ρ·Pz)Pg

(12)

5 結(jié)語

本文通過介紹外軍針對裝備體系可靠性提出的相對成熟的多狀態(tài)體系可靠性模型,并指出其在作戰(zhàn)任務(wù)是對裝備層次性與時序性考慮不足的缺陷。并針對該缺陷,提供的基于作戰(zhàn)流程的可靠性建模方法能夠在考慮艦艇編隊中各裝備系統(tǒng)的層次性與時序性的同時,對艦艇編隊在遭遇空襲時能夠成功抗擊來襲敵機的任務(wù)可靠性進行評價。在未來現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中,將不只是裝備與裝備之間的簡單對抗,而是體系與體系之間的抗衡,裝備體系可靠性評價方面的研究將為未來局部戰(zhàn)爭裝備體系是否具備優(yōu)勢提供理論支撐。

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Methods For Air Defense Operation Mission Reliability Modeling of Warship Formation

YUE Liang HUANG Zheng TAN Mengquan

(College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

In this paper, through the analysis of air defense operation flows of warship formation, the composition and relationship of basic ability of air defense operation of warship formation are formed. On this base, through to divide complex air defense operation mission of warship formation into multi-stage mission, the air defense operation mission reliability models of warship formation are set up.

warship formation, air defense operation, mission reliability, model

2015年3月1日,

2015年4月17日

國家部委基金(編號:51319060103);海軍工程大學(xué)自然科學(xué)基金(編號:HGDQNEAJJ13006)資助。

樂亮,男,碩士研究生,研究方向:可靠性、維修性、保障性工程。黃政,男,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:機械可靠性。譚猛泉,男,博士,講師,研究方向:可靠性、維修性、保障性工程。

E824

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.031