水面艦艇防空作戰(zhàn)能力的需求生成方法

許俊飛，邢昌風(fēng)，吳　玲

（海軍工程大學(xué)，武漢　430033）

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水面艦艇防空作戰(zhàn)能力的需求生成方法

許俊飛，邢昌風(fēng)，吳玲

（海軍工程大學(xué)，武漢430033）

摘要：為了更好地量化表達水面艦艇所具備的防空作戰(zhàn)能力，提出了一種基于元活動的能力需求生成方法。建立了能力需求生成框架，在此框架下進行元活動庫的提取，能力指標(biāo)的分解，元活動-能力指標(biāo)映射規(guī)則的分析得到中近程攔截能力的能力指標(biāo)并進行了沖突消解，驗證了所提方法的有效性。

關(guān)鍵詞：能力需求生成，元活動，元活動-能力指標(biāo)映射規(guī)則，沖突消解

0　引言

充分發(fā)揮水面艦艇在信息化條件下的防空作戰(zhàn)能力是海軍發(fā)展中十分關(guān)注的問題。艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)能力描述了艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)完成某一項作戰(zhàn)任務(wù)所具備的本領(lǐng)［1］；艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的能力需求是指在一定的使命任務(wù)需求下，期望系統(tǒng)所具備履行使命、完成任務(wù)的能力，對這一能力進行分析的過程，稱為能力需求分析。能力需求分析是實現(xiàn)作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵，可以幫助體系分析與設(shè)計者理清當(dāng)前能力和裝備在履行使命任務(wù)方面的不足，明確未來水面艦艇發(fā)展的方向與重點，較好地避免水面艦艇裝備體系發(fā)展的盲目性、無序性。

水面艦艇作戰(zhàn)能力需求分析主要包括作戰(zhàn)任務(wù)分解，能力需求生成和能力需求驗證3個關(guān)鍵問題，目前國內(nèi)已開展了相關(guān)的能力需求指標(biāo)體系的構(gòu)建，能力需求方案的生成與評估等研究，但針對水面艦艇能力需求的研究相對較少。本文提出一種基于元活動的水面艦艇防空作戰(zhàn)能力需求生成方法，在能力生成框架模型下進行能力需求指標(biāo)的獲取，并以艦艇防空攔截任務(wù)為例，對水面艦艇防空作戰(zhàn)能力需求生成過程進行說明。

1　艦艇防空作戰(zhàn)能力需求生成框架

水面艦艇防空作戰(zhàn)能力需求生成框架模型如下頁圖1所示［2］。

①通過對使命任務(wù)、作戰(zhàn)能力、歷史經(jīng)驗等進行分析，提取作戰(zhàn)任務(wù)的元活動，構(gòu)建元活動庫。元活動是作戰(zhàn)行動過程中具有原子性事務(wù)處理性質(zhì)的作戰(zhàn)活動，這種活動是作戰(zhàn)任務(wù)中相對固定、能夠?qū)崿F(xiàn)一定作戰(zhàn)目標(biāo)，相對獨立的最小活動單元，即與能力相關(guān)的活動。一個元活動可定義為包含如下要素的集合：

Ma={name，input，output，node，driving_capacity}（1）

其中：name表示元活動的名稱，input代表前驅(qū)，output表示后驅(qū)，node表示作戰(zhàn)節(jié)點，driving_capacity表示驅(qū)動能力。

②采用單一能力最小粒度原則對使命任務(wù)進行分解，得到任務(wù)列表。不同的元活動可以根據(jù)一定的關(guān)系聯(lián)系起來，結(jié)合元活動庫，便可將任務(wù)列表由不同的元活動表示出來，即可獲得宏觀使命任務(wù)的元活動序列。

③作戰(zhàn)能力是由眾多具有層次結(jié)構(gòu)的能力指標(biāo)構(gòu)成的，能力指標(biāo)系統(tǒng)至少包括3個層次：能力層、子能力層和性能指標(biāo)層。水面艦艇防空作戰(zhàn)任務(wù)需求到能力需求的轉(zhuǎn)換即為元活動執(zhí)行水平到能力指標(biāo)取值的轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)化即是元活動-能力指標(biāo)映射規(guī)則，其映射規(guī)則一般可分為解析規(guī)則、推理規(guī)則和學(xué)習(xí)規(guī)則。根據(jù)映射規(guī)則，便可將元活動序列轉(zhuǎn)化為能力需求列表。

④根據(jù)作戰(zhàn)系統(tǒng)的指標(biāo)約束關(guān)系，對能力需求方案進行一致性檢驗和沖突消解，最終獲得能力需求方案。

圖1艦艇防空作戰(zhàn)能力需求生成框架

2　艦艇防空作戰(zhàn)能力需求生成

艦艇防空作戰(zhàn)任務(wù)包括空中情報收集、態(tài)勢評估、威脅判斷、火力分配和目標(biāo)攔截等。根據(jù)圖1所示的能力需求生成框架，從元活動庫的建立、能力需求指標(biāo)的分解、元活動-能力映射規(guī)則和能力需求方案的沖突消解等方面，對艦艇防空作戰(zhàn)的能力需求生成進行分析。

2.1防空作戰(zhàn)任務(wù)元活動庫

防空作戰(zhàn)任務(wù)對應(yīng)的元活動主要包括探測、偵察、通信、識別、定位、決策、協(xié)同、攔截、評估等，元活動庫如表1所示。

表1防空作戰(zhàn)任務(wù)元活動庫示例表

根據(jù)艦艇防空作戰(zhàn)流程，可以得到防空作戰(zhàn)任務(wù)元活動序列如圖2所示。

圖2防空作戰(zhàn)任務(wù)元活動序列圖

2.2防空作戰(zhàn)系統(tǒng)能力需求指標(biāo)

艦艇防空作戰(zhàn)能力體系如下頁圖3所示，其中防空作戰(zhàn)能力可以分解為包括對空探測能力，電子干擾能力，火力攔截能力，空情信息處理能力等子能力，其中這些子能力又由更小的子能力構(gòu)成，如火力攔截能力包括遠(yuǎn)程攔截能力，中近程攔截能力，末端攔截能力等。能力體系的最底層為能力指標(biāo)層，如中近程攔截能力的能力指標(biāo)構(gòu)成包括：武器速度、攔截次數(shù)、單發(fā)命中概率、武器射程。

能力指標(biāo)是對能力需求的度量，按照能力需求度量類型的不同，一般可將能力需求分為上限型、下限型、中心點型、區(qū)間型和布爾型。

①上限型：該指標(biāo)的取值不超過某一上限閾值。如艦艇防空任務(wù)中，期望對敵攔截次數(shù)n不多于5次，能力指標(biāo)可表示為n≤5。

②下限型：該指標(biāo)的取值不低于某一下限閾值。如對敵目標(biāo)進行攻擊時，要求單發(fā)命中概率p不得低于60%，能力指標(biāo)可表示為p≥60%。

③中心點型：該指標(biāo)的取值在某一中心點附近。如打擊精度50 km距離10 m誤差范圍內(nèi)，在目標(biāo)點周圍10 m范圍內(nèi)都能滿足要求，能力指標(biāo)可表示為［50.01 km，49.99 km］。

④區(qū)間型：該指標(biāo)的取值落在某一區(qū)間范圍內(nèi)。如導(dǎo)彈射程初始區(qū)間為［10 km，60 km］。

⑤布爾型：此類能力需求的指標(biāo)沒有量綱，或無法度量。

上限型、下限型和中心型能力需求指標(biāo)可以看作是區(qū)間型能力需求指標(biāo)的特例。

圖3防空作戰(zhàn)能力指標(biāo)分解結(jié)構(gòu)示意圖

2.3基于元活動-能力指標(biāo)映射規(guī)則的能力需求生成

基于“元活動-能力指標(biāo)”的映射規(guī)則進行能力指標(biāo)的推理計算，以中近程攔截能力的武器速度、攔截次數(shù)、單發(fā)命中概率、武器射程等能力指標(biāo)生成為例進行分析。

作戰(zhàn)想定如下：假設(shè)當(dāng)空襲目標(biāo)突破空中艦載機的攔截后，就要由中近程防空武器實施接力攔截，要求能對Rmin=10 km到Rmax=50 km內(nèi)的敵目標(biāo)實施導(dǎo)彈攔截，且射擊相當(dāng)可靠，即命中概率達到90%~95%。假定來襲目標(biāo)的飛行高度H為20 m，速度Vm為亞音速0.8 Ma和超音速2 Ma兩種，殺傷區(qū)最大高低角ε一般取60°，且已知艦空導(dǎo)彈發(fā)射準(zhǔn)備時間tpre=10 s，打擊評估時間teva=5 s?；谠撟鲬?zhàn)想定進行中近程導(dǎo)彈攔截能力各項指標(biāo)需求的分析計算。

2.3.1武器速度

根據(jù)現(xiàn)階段各國艦空導(dǎo)彈以及反艦導(dǎo)彈武器的發(fā)展?fàn)顩r，由學(xué)習(xí)規(guī)則可知，艦艇在中近程對來襲目標(biāo)進行攔截時，武器速度可取值為區(qū)間［0.8 Ma，2 Ma］。

2.3.2攔截次數(shù)

艦艇對目標(biāo)的攔截次數(shù)主要與艦艇裝備的防空導(dǎo)彈戰(zhàn)術(shù)性能和來襲目標(biāo)的速度有關(guān)，因此，采用解析規(guī)則和推理規(guī)則分析計算攔截次數(shù)。如圖4可知，本艦到第i個攔截點的距離li為：

圖4艦艇攔截目標(biāo)示意圖

假設(shè)來襲目標(biāo)能被及時探測到且艦艇能及時進行攔截，第1枚導(dǎo)彈恰好在殺傷區(qū)遠(yuǎn)界處與來襲目標(biāo)相遇，則l1=Rmax，所以攔截次數(shù)n：

由式（4）計算可得表2。

表2不同Vm和Vw下的攔截次數(shù)n

從表2中可以看出，艦空導(dǎo)彈的殺傷遠(yuǎn)近界確定時，在滿足速度相應(yīng)的范圍內(nèi)變化時，艦艇對目標(biāo)的攔截次數(shù)n＜4。

在此基礎(chǔ)上采用推理規(guī)則進行攔截次數(shù)指標(biāo)的確定。

if Vm=0.8 Ma，VW=0.8 Ma

then艦艇對目標(biāo)的攔截次數(shù)為2次

else if Vm=0.8 Ma，VW=2 Ma

then艦艇對目標(biāo)的攔截次數(shù)為3次

…

else if Vm=2 Ma，VW=2 Ma

then艦艇對目標(biāo)的攔截次數(shù)為2次

output攔截次數(shù)

因此，由解析規(guī)則和推理規(guī)則可知，在中近程武器殺傷區(qū)內(nèi)，艦艇對來襲目標(biāo)可進行2次~3次有效攔截。

2.3.3單發(fā)命中概率

對殺傷區(qū)域內(nèi)來襲目標(biāo)進行n次攔截，最終要求對敵目標(biāo)射擊命中概率相當(dāng)可靠，即要求Pn達到90%~95%，則單發(fā)命中概率為：

由于艦空導(dǎo)彈與來襲目標(biāo)速度的不同導(dǎo)致了攔截次數(shù)的不同，由式（5）可得表3所示。

表3不同攔截次數(shù)下的命中概率P

由表3可知，要求對敵目標(biāo)的命中概率Pn達到90%~95%時，由解析規(guī)則可得導(dǎo)彈單發(fā)命中概率必須在［53.58%，77.64%］之間。

2.3.4武器射程

采用解析規(guī)則和學(xué)習(xí)規(guī)則分析武器射程指標(biāo)。想定中要求能對10 km~50 km范圍內(nèi)的目標(biāo)實施攔截，這就對導(dǎo)彈的射程提出了要求。以攔截2次為例進行分析，如圖5所示。

圖5導(dǎo)彈射程與殺傷區(qū)縱深關(guān)系

對目標(biāo)進行攔截，設(shè)第2次攔截時最后1發(fā)彈恰好在殺傷區(qū)近界與來襲目標(biāo)相遇，因此，進行2次攔截射程的需求為：

由式（7）經(jīng)計算可知，進行兩次攔截時艦空導(dǎo)彈所需的最小射程為14 km。導(dǎo)彈射程的能力需求指標(biāo)上限，可以依據(jù)現(xiàn)階段艦空導(dǎo)彈發(fā)展的技術(shù)水平或?qū)崙?zhàn)演習(xí)、模擬實驗得到的樣本數(shù)據(jù)，采用學(xué)習(xí)規(guī)則為60，從而得到導(dǎo)彈射程能力指標(biāo)區(qū)間為［14，60］。

綜上所述，經(jīng)過一系列元活動-能力映射規(guī)則對能力指標(biāo)進行提取，得到艦艇防空作戰(zhàn)中近程攔截任務(wù)的各項能力需求指標(biāo)，如表4所示。

表4艦艇中近程攔截能力需求指標(biāo)列表

2.4能力需求指標(biāo)方案沖突消解

在能力需求生成分析中，要根據(jù)任務(wù)指標(biāo)體系中的各項任務(wù)要求，提出一項或幾項相應(yīng)能力的數(shù)量和質(zhì)量要求。但是當(dāng)幾項能力需求指標(biāo)共同反映一個任務(wù)要求時，就可能存在指標(biāo)間的一致性沖突，要在能力需求生成基本方法的框架內(nèi)，通過考慮問題的約束類型，并采用一定的方法實現(xiàn)指標(biāo)沖突消解。

防空作戰(zhàn)系統(tǒng)能力需求指標(biāo)的約束類型包括作戰(zhàn)需求約束、能力需求約束、系統(tǒng)需求約束、技術(shù)水平約束等，沖突消解方法可以采用約束網(wǎng)絡(luò)法、推理法、專家經(jīng)驗法等［9］。

例如，在上述防空作戰(zhàn)想定中，綜合考慮該艦艇所承擔(dān)的使命任務(wù)，如果武器實際上只能對Rmin=13 km到Rmiax=40 km內(nèi)的敵目標(biāo)實施有效攔截，所以攔截次數(shù)、命中概率都會隨之發(fā)生改變。經(jīng)過推理計算可得到較優(yōu)的能力指標(biāo)需求方案，計算結(jié)果如表5所示。

表5沖突消解后的艦艇中近程攔截能力指標(biāo)計算結(jié)果

3　結(jié)論

水面艦艇防空作戰(zhàn)能力需求生成是水面艦艇作戰(zhàn)能力需求分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，艦艇作戰(zhàn)需求明確了武器裝備要實現(xiàn)的作戰(zhàn)使命以及為了實現(xiàn)使命需要完成哪些作戰(zhàn)任務(wù)，實現(xiàn)這些作戰(zhàn)任務(wù)需要相

應(yīng)的武器裝備具備一定的作戰(zhàn)能力，而能力需求處在作戰(zhàn)需求和體系需求之間，具有“承上啟下”的作用。

本文以艦艇對空作戰(zhàn)為例分析了元活動模型，并給出了其中的對空攔截能力的映射規(guī)則和沖突消解的初步方法。通過算例表明該方法可以有效獲取能力指標(biāo)需求方案，既滿足使命任務(wù)需求，又滿足各利益相關(guān)者需要。

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Demand Generation Method of Surface Ship Air Defense Capability

XU Jun-fei，XING Chang-feng，WU Ling
（Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

Abstract：In order to better quantify the expression of surface vessels possess air defense capability，capacity needs of a generation method based on the meta activity is proposed. a framework for generation capacity needs is establishes.In this framework，to extract meta activity library，decomposition indicators meta activity-analytical indicators of mapping rules，the ability to intercept short-range targets，and a conflict resolution，and those verify the effectiveness of the proposed method.

Key words：capabilities requirement generation，meta activity，meta activity-capability index mapping rules，conflict resolution

作者簡介：許俊飛（1990-），男，陜西韓城人，碩士研究生。研究方向：作戰(zhàn)系統(tǒng)工程。

收稿日期：2015-01-11

文章編號：1002-0640（2016）02-0128-04

中圖分類號：N94

文獻標(biāo)識碼：A

修回日期：2015-03-01