基于SD的信息化防御作戰(zhàn)中蘭徹斯特方程

卞立新，羅興柏，劉國慶，甄建偉

（軍械工程學(xué)院，石家莊050003）

基于SD的信息化防御作戰(zhàn)中蘭徹斯特方程

卞立新，羅興柏，劉國慶，甄建偉

（軍械工程學(xué)院，石家莊050003）

在對信息化條件下的防御作戰(zhàn)進(jìn)程分析的基礎(chǔ)上，增加信息因素和兵力補(bǔ)充速度對經(jīng)典的蘭徹斯特方程進(jìn)行改進(jìn)。通過引入系統(tǒng)動力學(xué)方法，構(gòu)建了信息化條件下的防御作戰(zhàn)進(jìn)程的系統(tǒng)動力學(xué)模型，利用系統(tǒng)動力學(xué)方法來對改進(jìn)的蘭徹斯特方程進(jìn)行求解。仿真結(jié)果證明了系統(tǒng)動力學(xué)在解決復(fù)雜蘭徹斯特方程中的優(yōu)越性。

系統(tǒng)動力學(xué)，蘭徹斯特方程，信息化作戰(zhàn)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及信息化技術(shù)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的廣泛使用，現(xiàn)代戰(zhàn)爭形勢發(fā)生了巨大變化，信息成了決定戰(zhàn)爭勝敗的關(guān)鍵因素。蘭徹斯特方程在作戰(zhàn)模擬中有廣泛的應(yīng)用，然而經(jīng)典的蘭徹斯特方程以不能滿足現(xiàn)在的作戰(zhàn)形勢，針對信息化條件下的作戰(zhàn)形勢，文獻(xiàn)［1-3］在經(jīng)典的蘭徹斯特方程基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，建立了符合信息化條件下的戰(zhàn)斗模型，然而改進(jìn)的蘭徹斯特方程具有多維、高階和非線性的特點，利用常規(guī)的數(shù)學(xué)手段很難求解方程，利用降階、線性等近似手段雖然能使求解變得容易，但是得到的解很不可靠［4］。

系統(tǒng)動力學(xué)（System Dynamics，SD）由美國麻省理工學(xué)院福瑞斯特（Yay W.Forrester）教授于1956年創(chuàng)立。是一門分析研究信息反饋系統(tǒng)的學(xué)科［5］。SD通過定性與定量相結(jié)合的方法來解決系統(tǒng)問題，利用作戰(zhàn)進(jìn)程中各變量之間的因果關(guān)系來解決建模難題。SD可以將復(fù)雜作戰(zhàn)背景下的高階的蘭徹斯特方程通過因果關(guān)系和流圖轉(zhuǎn)化為SD模型，進(jìn)而對蘭徹斯特方程進(jìn)行求解。

1 經(jīng)典蘭徹斯特方程

蘭徹斯特方程是英國的工程師蘭徹斯特（Lanchester）通過對飛機(jī)在戰(zhàn)爭中的使用問題進(jìn)行分析而提出來的，包括蘭徹斯特線性律和蘭徹斯特平方律［6］。蘭徹斯特線性律是蘭徹斯特根據(jù)遠(yuǎn)距離戰(zhàn)斗而得出的。其假定條件有兩個，第一是戰(zhàn)斗雙方兵力互相隱蔽；第二是每一方火力集中在對方戰(zhàn)斗成員的集結(jié)區(qū)域，不對個別目標(biāo)實施瞄準(zhǔn)，火力為面火力。蘭徹斯特平方律是建立在近代戰(zhàn)斗模型基礎(chǔ)上。其基本假定有3條，第一是雙方兵力互相暴露；第二是每一方都可以運用他們的全部兵力并集中火力射擊對方的兵力；第三是雙方戰(zhàn)術(shù)指揮通信處于最佳狀態(tài)［7］。

1.1 蘭徹斯特方程線性律

蘭徹斯特方程線性律數(shù)學(xué)模型如下：

式中：R為紅方兵力數(shù)量，B為藍(lán)方的兵力數(shù)量，β為藍(lán)方被紅方的消耗速率，即藍(lán)軍在單位時間內(nèi)損失的兵力，α為紅方被藍(lán)方的消耗速率，即紅方在單位時間內(nèi)損失的兵力，R，B，β，α均大于0。

1.2 蘭徹斯特方程平方律

蘭徹斯特方程平方律數(shù)學(xué)模型如下：

式中：R為紅方兵力數(shù)量，B為藍(lán)方的兵力數(shù)量，β為藍(lán)方兵力在單位時間內(nèi)被紅方單個兵力毀傷的數(shù)量。α為紅方兵力在單位時間內(nèi)被藍(lán)方單個兵力毀傷的數(shù)量。

2 信息化戰(zhàn)爭中的蘭徹斯特方程

2.1 信息化條件下的戰(zhàn)斗模型

經(jīng)典蘭徹斯特方程中的線性律和平方律需要在假定相互隱蔽和相互暴露的條件下使用，而信息化條件下的戰(zhàn)爭中這種假定條件很難實現(xiàn)，因此，單獨使用經(jīng)典蘭徹斯特方程無法對信息化條件下的作戰(zhàn)進(jìn)程進(jìn)行準(zhǔn)確描述。文獻(xiàn)［3］在經(jīng)典蘭徹斯特方程的基礎(chǔ)上給出了信息化條件下的戰(zhàn)斗模型：

式中，βb、αb分別表示紅方、藍(lán)方對對方暴露敵方士兵的殺傷率，稱為暴露毀傷系數(shù)，βy、αy分別表示紅方、藍(lán)方對對方隱蔽敵方士兵的殺傷率，稱為隱蔽毀傷系數(shù)，εr、εb分別為紅方、藍(lán)方戰(zhàn)場使用信息的能力［3］。ur、ub為戰(zhàn)場暴露系數(shù)由下式得出。

式中，fr、fb為紅、藍(lán)方的偽裝能力系數(shù)，sb、sr為紅、藍(lán)方的偵察能力。

式（3）考慮了信息在戰(zhàn)爭中的重要作用，還需要考慮在信息化條件下防御作戰(zhàn)中防御的一方處的兵力補(bǔ)充。對防御方紅方增加兵力補(bǔ)充速度n，得到修改后的模型如下：

2.2 對蘭徹斯特模型求解

常規(guī)的方法對于方程（5）的求解十分困難，本文借助SD方法對模型進(jìn)行分析求解。根據(jù)紅方戰(zhàn)斗力和藍(lán)方戰(zhàn)斗力之間的相互作用關(guān)系，補(bǔ)充影響戰(zhàn)爭進(jìn)程的其他因素，對該作戰(zhàn)的模型利用SD方法進(jìn)行描述，得到作戰(zhàn)系統(tǒng)因果關(guān)系圖，如圖1所示。

圖1 紅藍(lán)雙方作戰(zhàn)的因果關(guān)系圖

從圖1可知該作戰(zhàn)模型是以紅方戰(zhàn)斗力---＞+藍(lán)方損耗率---＞-藍(lán)方戰(zhàn)斗力---＞+紅方損耗率---＞-紅方戰(zhàn)斗力這一閉合回路為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上不斷添加影響戰(zhàn)爭的各種因素從而完善作戰(zhàn)模型。

在對紅藍(lán)雙方作戰(zhàn)的因果關(guān)系圖分析的基礎(chǔ)之上建立紅藍(lán)雙方的作戰(zhàn)流圖，如圖2所示。

圖2 紅藍(lán)雙方的作戰(zhàn)系統(tǒng)流圖

3 仿真實驗和結(jié)果分析

基于上述提出的信息化作戰(zhàn)中的蘭徹斯特方程，通過SD仿真軟件VensimPLE運行該模型，分以下3種仿真假設(shè)情況進(jìn)行仿真計算。

3.1 仿真假設(shè)1

紅藍(lán)雙方的信息化水平和兵力相當(dāng)，藍(lán)方的毀傷系數(shù)大于紅方，但紅方有不斷的兵力支援。故假設(shè)紅方初始兵力R（0）=5 000，藍(lán)方初始兵力B（0）= 5 000，βb=0.1，αb=0.2，βy=0.000 01，αy=0.000 02，εr=εb= 4，fr=fb=0.6，sr=sb=0.4，紅方的兵力補(bǔ)充速度為400人/天。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 n=400時紅藍(lán)雙方的戰(zhàn)斗力量變化圖

從圖3結(jié)果可以看出：紅方和藍(lán)方在初始兵力、偵察、偽裝以及信息作戰(zhàn)能力均相同時，由于藍(lán)方隱蔽毀傷系數(shù)和暴露毀傷系數(shù)比紅方大，使得在作戰(zhàn)初期紅方處于劣勢，作戰(zhàn)兵力迅速減少；但紅方不斷有兵力補(bǔ)給，使得紅方最終處于戰(zhàn)爭優(yōu)勢，并且取得戰(zhàn)爭的勝利徹底消滅藍(lán)方。這也與實際的作戰(zhàn)情況相符合，說明了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2 仿真假設(shè)2

紅藍(lán)雙方的毀傷系數(shù)和兵力相當(dāng)，紅方兵力處于劣勢，并且沒有兵力補(bǔ)充，分析不同暴露系數(shù)對戰(zhàn)爭結(jié)果的影響。故假設(shè)紅方初始兵力R（0）=5 000，藍(lán)方初始兵力B（0）=5000，βb=αb=0.1，βy=αy=0.00001，εr=εb=4，紅藍(lán)雙方的偽裝能力和偵察能力系數(shù)見表1所示。

表1 能力系數(shù)表

不同能力系數(shù)下的仿真結(jié)果如圖4，圖5所示。

圖4 序號1的仿真結(jié)果

圖5 序號2的仿真結(jié)果

從圖4可知，在紅方和藍(lán)方的兵力和毀傷系數(shù)相等的情況下，由于紅方的偵察能力和偽裝能力高于藍(lán)方，兵力毀傷上有較大差距，紅方用大概8個單位時間就完全消滅了藍(lán)方，取得戰(zhàn)爭的最終勝利；當(dāng)紅方大幅提高己方的偵察能力和偽裝能力時，紅方用大概6個單位時間就完全消滅了藍(lán)方，并且損失更少的兵力。通過圖4和圖5可得出信息對于作戰(zhàn)進(jìn)程影響很大，在雙方人數(shù)、毀傷系數(shù)相等的情況下，獲取信息優(yōu)勢的一方能迅速擊敗敵方。利用SD方法仿真得到的結(jié)果與文獻(xiàn)［3］所得結(jié)果基本相同，而利用SD對于方程的求解更加簡單，省去了大量繁瑣的計算，也證實了SD方法的優(yōu)越性。

3.3 仿真假設(shè)3

紅藍(lán)雙方的信息化水平和兵力相當(dāng)，藍(lán)方的毀傷系數(shù)大于紅方，假設(shè)紅方初始兵力R（0）=5 000，藍(lán)方初始兵力B（0）=6000，βb=αb=0.1，βy=αy=0.00001，εr=εb=4，fr=0.4，fb=0.8，sb=0.6，sr=0.4，紅方的兵力補(bǔ)充速度分別為n=300人/天和n=450人/天。仿真結(jié)果如圖6，圖7所示。

圖6 n=300人/天的仿真結(jié)果

圖7 n=450人/天的仿真結(jié)果

從圖6和圖7可知，當(dāng)紅藍(lán)雙方在毀傷系數(shù)相同的情況下，由于藍(lán)方的兵力和信息化水平高于紅方，即使紅方在有兵力補(bǔ)充的情況下，依然很快被藍(lán)方消滅。當(dāng)紅方大幅提高己方的兵力補(bǔ)充速度時，紅方的優(yōu)勢開始顯現(xiàn)，在第15個單位時間左右打敗藍(lán)方，取得戰(zhàn)爭勝利。

通過仿真結(jié)果可以看出信息對于戰(zhàn)爭的重要性，信息優(yōu)勢的提高可以大幅減少己方的兵力消耗，并且可以縮短作戰(zhàn)時間。在兵力和信息都處于劣勢的情況下，就需要己方部隊的快速增援，才有可能取得戰(zhàn)爭的勝利。

4 結(jié)論

通過對信息化條件下的防御作戰(zhàn)分析的基礎(chǔ)上，利用SD方法構(gòu)建了信息化條件下防御作戰(zhàn)的系統(tǒng)因果關(guān)系圖和系統(tǒng)流程圖，仿真證明了信息對于戰(zhàn)爭的重要性，決定戰(zhàn)爭勝敗的關(guān)鍵因素。在防御作戰(zhàn)中，在兵力和信息都處于劣勢的一方要及時補(bǔ)充兵力，才可能反敗為勝。SD方法對實例的仿真計算表明，SD對于求解復(fù)雜的高階改進(jìn)的蘭徹斯特方程具有建模簡單、容易理解、數(shù)值計算方便、仿真結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點。

［1］周奕，周錦鵬，郝維平.基于蘭徹斯特不同信息條件下的空戰(zhàn)效能分析［J］.航天控制，2006，24（2）：54-57.

［2］吳俊，楊峰，梁彥，等.面向信息化戰(zhàn)爭的廣義蘭切斯特作戰(zhàn)模型［J］.火力與指揮控制，2010，35（2）：50-53.

［3］占棟輝，陳剛，張宏軍，等.現(xiàn)代化戰(zhàn)爭條件下的蘭切斯特戰(zhàn)斗模型［J］.計算機(jī)工程與應(yīng)用，2013，49（15）：246-248.

［4］王可定.作戰(zhàn)模擬理論與方法［M］.長沙：國防科技大學(xué)出版社，1999.

［5］王其藩.系統(tǒng)動力學(xué)［M］.上海：上海財經(jīng)大學(xué)出版社，2009.

［6］美國陸軍武器裝備研制與采購司令部.陸軍武器系統(tǒng)分析（下冊）［M］.兵器工業(yè)部兵器系統(tǒng)工程研究所譯.北京：兵器工業(yè)出版社，1986.

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Studyon Information DefensiveBattleLanchester Equation Based on SD

BIAN Li-xin，LUO Xing-bai，LIU Guo-qing，ZHEN Jian-wei
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

On the basis of analysis defensive combat processes under conditions of information，information factors and the forces speed to improve classical lanchester equation are added.Make up the defensive combat processes system dynamics model under conditions of information，according the method of system dynamics，the improved lanchester equation is solved by using system dynamics method.From the example，the advantage of computing complex lanchester equations with system dynamics can be found.

system dynamics，lanchester equations，information warfare

E91

A

1002-0640（2016）12-0105-03

2015-11-01

2015-12-23

卞立新（1991-），男，遼寧本溪人，碩士研究生。研究方向：彈藥系統(tǒng)設(shè)計與試驗評估。