基于網(wǎng)絡中心戰(zhàn)的兩艦作戰(zhàn)耦合與同步?

張弘弨 王昕霄 彭京徽

（海軍工程大學兵器工程學院 武漢 430033）

1 引言

隨著高新科技信息技術的發(fā)展，戰(zhàn)場形態(tài)表現(xiàn)出遠距離大縱深作戰(zhàn)的非線性特性和高度的不確定性，形成了高新技術條件下局部聯(lián)合作戰(zhàn)的基本戰(zhàn)爭形態(tài)［1～2］。為應對來自海洋上威脅，需要對網(wǎng)絡中心戰(zhàn)下的編隊聯(lián)合作戰(zhàn)系統(tǒng)展開研究，考慮到該系統(tǒng)的復雜性，可采用由簡單子系統(tǒng)上升到整體系統(tǒng)的研究方法。雙艦協(xié)同作戰(zhàn)是編隊聯(lián)合作戰(zhàn)最簡單的形式，是編隊聯(lián)合作戰(zhàn)問題研究的基礎，其中耦合與同步問題是網(wǎng)絡中心戰(zhàn)的核心概念［3］。為完善編隊聯(lián)合作戰(zhàn)協(xié)同形式，提高網(wǎng)絡中心戰(zhàn)下編隊聯(lián)合作戰(zhàn)能力，需首先解決雙艦協(xié)同作戰(zhàn)下的耦合與同步問題。

耦合動力學系統(tǒng)中的同步現(xiàn)象在物理學、數(shù)學和理論生物學等領域已經(jīng)研究了很多年，已成為非線性科學的研究熱點之一。1990年Pecora和Car?roll提出混沌同步方法［4］。20世紀對同步問題的研究主要集中在有規(guī)則拓撲結構的常規(guī)網(wǎng)絡［5～6］。近年來復雜網(wǎng)絡同步理論的研究得到快速發(fā)展［7～9］。其中，文獻［3］從同步的穩(wěn)定狀態(tài)和行為一致性效果出發(fā)，給出了基于任務的作戰(zhàn)同步能力量化方法。文獻［10］從作戰(zhàn)單元動力學行為和網(wǎng)絡拓撲結構兩個方面，對同屬性作戰(zhàn)單元的作戰(zhàn)同步內(nèi)在機理進行建模分析。

本文在兩艦互連的結構下，引入艦艇狀態(tài)變化的概念，借鑒了作戰(zhàn)動力學的思想，對兩艦協(xié)同作戰(zhàn)的耦合與同步問題進行研究，重點分析單艦、雙艦組成的子系統(tǒng)的狀態(tài)變化特性，研究兩艦互連情況下的信息耦合作用方式和作用效果。

2 兩艦作戰(zhàn)的耦合形式

在平臺中心戰(zhàn)中，單艦的傳感器、武器與指揮控制系統(tǒng)（C2）緊密聯(lián)系，單艦C2節(jié)點通過艦艇內(nèi)部線路與自身傳感器相連從而獲得對外界戰(zhàn)場態(tài)勢的有限感知，并通過所獲得的目標信息引導本艦武器打擊目標。艦艇間通過本艦的C2節(jié)點互連，形成如圖1所示連接A，由于受到線路帶寬的限制，一般只能交換簡單的作戰(zhàn)狀態(tài)信息。

圖1 連接A

連接A中，傳感器之間沒有形成互連，單一的本艦傳感器往往不能足夠準確的跟蹤、定位、識別某些類別的目標。兩艦間較弱的連接使得艦艇之間很難形成作戰(zhàn)同步。編隊內(nèi)艦艇無法全面掌握當前作戰(zhàn)態(tài)勢，很難根據(jù)整個作戰(zhàn)空間內(nèi)的突發(fā)事件快速地做出任務調整和應對。

在信息互連的網(wǎng)絡中心戰(zhàn)中，每艘艦艇的感知、C2和武器等各個節(jié)點通過高帶寬的魯棒的數(shù)字數(shù)據(jù)鏈路連接成網(wǎng)絡，形成如圖2所示的連接B，艦艇間共享整個戰(zhàn)場感知視圖、編隊狀態(tài)視圖等高容量、高質量和高實時性的信息流。艦艇按照預定的作戰(zhàn)方案和職能分配執(zhí)行作戰(zhàn)任務，獨立根據(jù)作戰(zhàn)態(tài)勢做出決策。

圖2 連接B

在連接B中，由于傳感器網(wǎng)絡的互連，能夠克服單個傳感器受到地形、環(huán)境、目標機動等造成的探測不確定性，形成了較高水準的作戰(zhàn)空間感知能力。根據(jù)實時提供的各方作戰(zhàn)狀態(tài)信息，編隊內(nèi)艦艇可快速做出決策反應，根據(jù)作戰(zhàn)態(tài)勢對作戰(zhàn)行為進行調整。但由于缺少統(tǒng)一的調度管理中心，難以形成同步。編隊內(nèi)艦艇可在攻擊和防御中會出現(xiàn)目標遺漏、重復打擊等作戰(zhàn)協(xié)同不力的情況出現(xiàn)，造成彈藥浪費、威脅升級等后果。

在統(tǒng)一任務調度的網(wǎng)絡中心戰(zhàn)中，作戰(zhàn)空間態(tài)勢信息、編隊作戰(zhàn)狀態(tài)信息、后勤支援信息等在感知、控制和執(zhí)行節(jié)點中共享，并通過統(tǒng)一的控制調度中心來對信息和資源進行調配，達到資源使用的最優(yōu)化和作戰(zhàn)效果的最大化，如圖3所示連接C。

圖3 連接C

在連接C中，由于傳感器、武器和單艦指揮控制節(jié)點充分互連和控制中心的統(tǒng)一調配，艦艇可在全作戰(zhàn)空間信息共享的基礎上能夠協(xié)調目標分配，統(tǒng)籌資源配置，控制編隊內(nèi)艦艇的角色變換，根據(jù)作戰(zhàn)態(tài)勢的變化動態(tài)調節(jié)作戰(zhàn)任務，實現(xiàn)編隊艦艇的高效同步，實現(xiàn)了整體大于部分的總和的目的［11～12］。

3 兩艦的狀態(tài)同步

3.1 艦艇狀態(tài)的變化

在作戰(zhàn)過程中，艦艇的作戰(zhàn)狀態(tài)在不同的離散時刻下，可歸納為空閑、攻擊、補給三種離散狀態(tài)，艦艇在這三種狀態(tài)間的變化即為相變，如圖4所示。

圖4 單艦狀態(tài)的相變

引起相變的關鍵狀態(tài)變量為目標信息量和彈藥剩余量，目標信息量即為待攻擊目標序列數(shù)量。在空閑狀態(tài)下，目標信息量為零，彈藥剩余量不變；在攻擊狀態(tài)下，艦艇的攻擊目標信息量將減少，彈藥剩余量將減少；在補給狀態(tài)下，彈藥剩余量增加。艦艇狀態(tài)相變的偽代碼表示為

3.2 狀態(tài)同步的定義

在兩艦組成的子系統(tǒng)中，兩艦間通過建立作戰(zhàn)協(xié)同關系，形成了一個耦合子網(wǎng)，產(chǎn)生同步效果。網(wǎng)絡中心戰(zhàn)的同步效果主要體現(xiàn)在對信息的共享、對目標的同步打擊以及后勤補給的協(xié)調上。

在兩艦互連的簡單耦合子系統(tǒng)中，同樣可體現(xiàn)信息共享、同步打擊和協(xié)調補給所實現(xiàn)的同步作戰(zhàn)效果。同步定義如下：

定義1：如果耦合系統(tǒng)的狀態(tài)變量滿足關系：稱耦合系統(tǒng)達到了完全同步狀態(tài)，其中X(t)表示系統(tǒng)狀態(tài)變量，s(t)為耦合系統(tǒng)狀態(tài)變量的解。

定義2：如果耦合系統(tǒng)的狀態(tài)除了時間延遲外，狀態(tài)變量幾乎一樣，即：

稱耦合系統(tǒng)達到了延遲同步狀態(tài)。

研究兩艦的狀態(tài)完全同步和延遲同步的現(xiàn)實意義在于：當兩艦處于完全同步狀態(tài)下，可實現(xiàn)對目標的完全火力打擊和集中供給，對目標的完全火力打擊可集中時間和力量打擊有價值目標，同時統(tǒng)一調度供給力量，提高供給的使用效率；當兩艦處于延遲同步狀態(tài)下，兩艦不同時進入攻擊狀態(tài)或補給狀態(tài)，單艦補給時另一艦處于戰(zhàn)斗狀態(tài)，這樣可形成對目標的持續(xù)打擊和對我方艦艇的持續(xù)防護。

4 仿真與分析

采用Repast提供的多Agent的程序設計思路，設計為Enemy和Ship兩個Agent類，分別定義其方法屬性。由這兩類實例化為若干Enemy類的實例列表和ShipA與ShipB的兩艦實例。程序流程如圖5所示。

設定一次戰(zhàn)斗的時間為5s，以每0.05s為一個時間步長；目標的出現(xiàn)量和處于兩艦可探測區(qū)域內(nèi)的位置完全隨機，其中在每個步長時間目標出現(xiàn)量服從［0，4］內(nèi)的均勻分布；設定A艦和B艦在各自可探測區(qū)域內(nèi)對目標的發(fā)現(xiàn)概率為0.95；兩艦對目標的命中概率設置為0.95；每艦的最大載彈量為10個單位，每進行一次攻擊彈藥消耗量為1個單位，每一次補給可補充的彈藥為2個單位，補給時間為5個時間步長。

共對四種兩艦不同信息互連和同步關系進行了仿真，包括：1）目標信息不共享不分配方式；2）目標信息共享不分配方式；3）目標信息共享且完全同步方式；4）目標信息共享且延遲同步方式。每種方式在目標隨機出現(xiàn)的方式下獨立運行20次取評估指標的平均值并從以下六個方面進行加以分析：（a）目標剩余視圖；（b）目標剩余量；（c）每個時間步長內(nèi)消滅目標數(shù)量；（d）每個時間步長內(nèi)兩艦的狀態(tài)變化（數(shù)值“1”表示處于攻擊狀態(tài)，數(shù)值“0”表示處于空閑狀態(tài)，數(shù)值“-1”表示處于補給狀態(tài)）；（e）兩艦同步攻擊時間和同時補給時間的累計；（f）兩艦同時處于空閑和補給狀態(tài)時的目標數(shù)量。

圖5 程序流程

1）目標信息不共享不分配方式

在此方式下，兩艦單獨探測目標信息，目標信息不共享給另一艦。仿真結果如圖6。

圖6 目標信息不共享不分配方式的仿真結果

由于沒有完全的共享目標信息，殺傷目標只占總目標量的46%，可從圖（f）中看出，兩艦由于無法完全獲取目標信息而造成了戰(zhàn)斗力的閑置。由圖（d）可看出兩艦的大量時間處于空閑狀態(tài)，但存在的目標數(shù)量仍在不斷上升（圖（b））。可見在此狀態(tài)下，艦艇的攻擊力無法完全發(fā)揮，對目標的打擊效果比較差，持續(xù)攻擊時間較短，兩艦間基本無法形成有效的同步。

2）目標信息共享不分配方式

在此方式下，兩艦共享目標信息，但在兩艦間不分配目標量，兩艦通過共享的目標視圖隨機的選擇攻擊目標，各自的狀態(tài)給對方不造成影響。這種方式的仿真結果如圖7。

圖7 目標信息共享不分配方式的仿真結果

由于充分共享了目標信息，圖7（b）中每時刻中存在的目標數(shù)量就與圖6（b）有了明顯的不同，目標數(shù)量不再持續(xù)上升，而是能夠較快被消滅，戰(zhàn)場上需打擊的目標數(shù)量較少。由于戰(zhàn)斗力的充分利用，總攻擊時間在全部作戰(zhàn)時間中的比例有所提高?？梢姶藸顟B(tài)下，兩艦通過對目標信息的完全共享，基本能夠發(fā)揮最大的攻擊力，但由于沒有采用任何同步機制，因此沒有對目標造成短時間內(nèi)的大的殺傷量，在攻擊時間上也沒有形成持續(xù)性。

3）目標信息共享與分配與全同步方式

在此方式下，為了達到同步攻擊的目的，在兩艦間調配目標量，以實現(xiàn)同步攻擊、同步補給的效果。圖8給出了該種方式的作戰(zhàn)仿真結果。

圖8 目標信息共享與分配且完全同步方式的仿真結果

由圖（b）可見，由于兩艦狀態(tài)的同步，在攻擊狀態(tài)時，戰(zhàn)斗力會同時釋放，而在補給狀態(tài)時，戰(zhàn)斗力會同時消失，因此對目標量造成的影響就是目標量會在某段時刻大量增加而在某段時刻大量的減少至零。從圖（d）中可見兩艦同步的狀態(tài)效果。從圖（f）中可以看到，盡管作戰(zhàn)貽誤時間為0，但由于兩艦處于同時補給的時間較長，在同時補給的時間內(nèi)目標數(shù)量呈大幅度增加趨勢?？梢娡耆椒绞?，對目標的打擊力量能夠在短時間內(nèi)集中實現(xiàn)，對目標造成的短期殺傷程度較大，但處于攻擊時間在總作戰(zhàn)時間中的比例相對不大，即很難保持持續(xù)的攻擊能力。

4）目標信息共享且延遲同步方式

充分共享目標信息的前提下，采用延遲同步的兩艦同步方式。這種方式的仿真結果如圖9。

由圖（b）可見，在延遲同步攻擊模式下，目標在某時刻的數(shù)量增長不會如圖8（b）所呈現(xiàn)的大幅度的增長和減少，而是在不斷的持續(xù)打擊下，目標數(shù)量維持在一個較低的水平。從圖（d）中可見兩艦的攻擊狀態(tài)在全作戰(zhàn)時間中基本保持了連續(xù)性。在此狀態(tài)下，兩艦通過延遲同步實現(xiàn)了在戰(zhàn)場上保持攻擊狀態(tài)，能夠持續(xù)對目標展開攻擊。過程中對目標高度殺傷量的比例較小，通過對戰(zhàn)斗力的平均分配實現(xiàn)了戰(zhàn)斗力的持續(xù)性。

圖9 目標信息共享與共享且延遲同步方式的仿真結果

5 結語

針對網(wǎng)絡中心戰(zhàn)下兩艦協(xié)同作戰(zhàn)的耦合與同步問題，分析了兩艦間基于目標信息共享和分配的不同耦合方式，提出了兩艦間完全同步攻擊和異步延遲攻擊兩種協(xié)同模式。通過仿真結果表明：兩艦間在充分共享目標信息的條件下，作戰(zhàn)能力將得到較大程度上的發(fā)揮，對戰(zhàn)場中目標打擊效果比無共享目標信息情況下有顯著提高；通過對目標量在兩艦間的共享分配可形成兩艦狀態(tài)的完全同步和延遲同步兩種作戰(zhàn)模式，分別實現(xiàn)對目標的集中打擊和持續(xù)打擊，使兩艦的戰(zhàn)斗力得到充分的發(fā)揮。

本文僅停留在對簡單子系統(tǒng)的研究，在此基礎上可對更高一層次的子系統(tǒng)間的關系以及不同功能子系統(tǒng)間的關系進行研究。如態(tài)勢群間關系、作戰(zhàn)組織群間關系等，具體可在如何介入作戰(zhàn)體系以實現(xiàn)作戰(zhàn)任務的協(xié)同等方面做出研究。