基于均衡準(zhǔn)則的跨平臺火力兼容決策方法

傅 冰，謝 君，賈正榮

(海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院， 武漢 430033)

艦艇火力兼容技術(shù)直接影響全艦武器使用安全和全艦的作戰(zhàn)能力[1-2]，是保證在復(fù)雜的海上裝載、作戰(zhàn)環(huán)境中安全、有效地發(fā)揮艦載武器效能的重要手段?；谖淦飨到y(tǒng)各自狀態(tài)信息的實時采集和武器系統(tǒng)之間的火力兼容性判斷，進(jìn)行多武器系統(tǒng)的火力兼容決策是艦艇火力兼容研究的重要內(nèi)容之一。我國自20世紀(jì)80年代末開始，對艦載武器火力兼容進(jìn)行了理論研究與工程實踐，并在單艦平臺多武器火力兼容方面得到應(yīng)用。其中火力兼容決策的研究和實踐主要體現(xiàn)以下特點：第一，艦艇武器火力兼容決策多以單艦作戰(zhàn)為研究背景，火力兼容決策的對象范疇多限于同平臺武器系統(tǒng)運用[1-4]；第二，火力兼容決策的基礎(chǔ)是武器射彈的火力兼容性判斷，目前的火力兼容性判斷主要針對發(fā)射艦艇平臺安全距離范圍內(nèi)武器射彈初始段彈道，判斷結(jié)論多為“0-1”模式的剛性判斷[5-7]；第三，火力兼容決策多以火力兼容原則為核心，目前多以保證艦艇平臺安全的防御優(yōu)先原則為主[1,5-8]；第四，火力兼容決策的輸出主要限于發(fā)射干預(yù)的交戰(zhàn)執(zhí)行控制，以火力兼容控制指令或告警信息等形式體現(xiàn)[1,5-8]；第五，在編隊火力兼容的研究中，火力兼容決策更加側(cè)重于協(xié)同防空中的多武器運用決策[9-12]。隨著海軍戰(zhàn)略職能從“近海防御”到“近海防御與遠(yuǎn)海防衛(wèi)”的轉(zhuǎn)變，以及海軍建設(shè)從以平臺對抗為主向以體系對抗為主的轉(zhuǎn)變，艦艇編隊將成為未來主要的海上作戰(zhàn)單元，其作戰(zhàn)系統(tǒng)將成為一個全方位、大范圍、多層次、多功能的有機(jī)海上攻防整體，除了承擔(dān)防御作戰(zhàn)外，在信息化體系支撐下承擔(dān)對岸、對海進(jìn)攻作戰(zhàn)職能逐漸成為一種愈發(fā)重要的現(xiàn)實需求[13]。面對來自編隊兵力編成多元、作戰(zhàn)任務(wù)擴(kuò)展、交戰(zhàn)模式改變以及信息化支援約束帶來的挑戰(zhàn)，目前的火力兼容決策在對象范疇、決策基礎(chǔ)、決策準(zhǔn)則、決策輸出上均不能滿足艦艇編隊跨平臺多武器系統(tǒng)自動管理和兼容控制的需要。因此針對艦艇編隊跨平臺多武器多目標(biāo)交戰(zhàn)的火力兼容決策方法進(jìn)行研究顯得十分迫切。

1 跨平臺火力兼容決策分析

為使艦艇編隊成為有機(jī)的海上攻防整體，艦艇編隊火力兼容在編隊作戰(zhàn)系統(tǒng)框架下，管控的范疇拓展到跨平臺多武器系統(tǒng)，除傳統(tǒng)的單艦平臺火力兼容外，還應(yīng)包含編隊跨平臺多武器火力協(xié)同使用得當(dāng)，即艦艇編隊跨平臺火力兼容。在艦艇編隊跨平臺協(xié)同作戰(zhàn)背景下依舊采用傳統(tǒng)火力兼容判斷和火力兼容決策，隨著火力運用方案數(shù)量的增加，方案之間沖突干擾的情況也會大幅增加，許多武器交戰(zhàn)會由于剛性排他的火力兼容決策機(jī)制而被禁射，不利于編隊的整體作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。因此，編隊跨平臺火力兼容應(yīng)在判斷發(fā)生射向交叉、射界重疊的基礎(chǔ)上，針對跨平臺武器射彈全交戰(zhàn)彈道采用概率模式細(xì)化火力兼容性判斷，針對跨平臺多武器系統(tǒng)多目標(biāo)交戰(zhàn)在誤傷風(fēng)險規(guī)避與作戰(zhàn)效能發(fā)揮之間采取均衡準(zhǔn)則進(jìn)行綜合決策，拓展跨平臺多武器運用的選擇空間。

若艦艇編隊由mplatship條戰(zhàn)艦組成，共搭載有mweap個武器、msens個跟蹤引導(dǎo)傳感器，編隊內(nèi)存在mchen個通信信道。對于這一艦艇編隊跨平臺火力兼容相關(guān)問題的研究，可根據(jù)戰(zhàn)術(shù)視圖的層級具體劃分為任務(wù)層、行動層、動作層、資源層等4個不同層次，如圖1所示。

任務(wù)層反映了艦艇編隊作戰(zhàn)針對多目標(biāo)達(dá)成各自戰(zhàn)術(shù)目的所對應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)任務(wù)。艦艇編隊在當(dāng)前時刻存在mtarg個目標(biāo)需要與之交戰(zhàn)，用集合{Tmid}表示(mid∈{1,2,…,mtarg})，在體系對抗模式下，綜合各個目標(biāo)在敵方作戰(zhàn)體系中的脆弱性評價和對我方作戰(zhàn)體系的威脅性評價兩個方面，確定每個目標(biāo)在體系對抗中的綜合重要程度，分別用kmid表示。由編隊協(xié)同作戰(zhàn)的戰(zhàn)術(shù)目的可確定出任務(wù)規(guī)劃方案Plamp0，包含mtarg個獨立的戰(zhàn)術(shù)任務(wù)，其中Mmid表示艦艇編隊針對目標(biāo)Tmid達(dá)成所要求的戰(zhàn)術(shù)目的的戰(zhàn)術(shù)任務(wù)，戰(zhàn)術(shù)目的根據(jù)摧毀、驅(qū)逐、干擾、警告的不同要求，指定戰(zhàn)術(shù)任務(wù)Mmid中對目標(biāo)Tmid的作戰(zhàn)效能要求，通過Pmid0表示。

圖1 編隊跨平臺作戰(zhàn)相關(guān)概念層次關(guān)系

行動層反映了為完成各戰(zhàn)術(shù)任務(wù)可能規(guī)劃的武器射彈的交戰(zhàn)行動方案，聚焦武器射彈開展。為完成上述各戰(zhàn)術(shù)任務(wù)Mmid，艦艇編隊需要制定戰(zhàn)術(shù)行動方案，行動方案中針對目標(biāo)Tmid計劃實施的nmid次交戰(zhàn)，其中交戰(zhàn)Emid-attackid表示運用射彈Promid-attackid針對目標(biāo)Tmid實施第attackid輪打擊，其中(attackid∈{1,2,…,nmid})。

根據(jù)以上戰(zhàn)術(shù)視圖，跨平臺火力兼容決策就是針對任務(wù)規(guī)劃方案Plamp0，基于交戰(zhàn)Emid-attackid執(zhí)行過程之間干擾沖突評估，進(jìn)行火力兼容控制決策，平衡Emid-attackid的誤傷風(fēng)險規(guī)避與Plamp0實際執(zhí)行的整體作戰(zhàn)效能發(fā)揮，形成火力兼容控制指令用于Mmid執(zhí)行的優(yōu)化調(diào)整。

2 基于均衡準(zhǔn)則的跨平臺火力兼容決策模型

2.1 跨平臺武器運用的安全風(fēng)險評估模型

第一，雙方發(fā)生火力干擾沖突的概率，用PN來表示，即跨平臺多武器火力兼容應(yīng)禁止參與判斷雙方同時運用的概率，此時必須對其中之一進(jìn)行干預(yù)。

(1)

第二，雙方?jīng)]有發(fā)生火力干擾沖突的概率，用PY來表示，即跨平臺多武器火力兼容允許參與判斷雙方同時安全運用的概率，顯然：

(2)

進(jìn)行跨平臺火力兼容性判斷時，可以根據(jù)作戰(zhàn)的情況靈活設(shè)置火力兼容性判斷準(zhǔn)則，通過概率PN、PY進(jìn)行武器運用的安全風(fēng)險評判。

研究組學(xué)生各項院前急救得分，與對照組對比，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；研究組≥4分的人數(shù)均多于對照組，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），見表2。

2.2 跨平臺火力兼容的作戰(zhàn)效能決策模型

假設(shè)跨平臺射彈Pro1i、Pro2j在交戰(zhàn)E1i、E2j過程中發(fā)生火力干擾沖突的概率為PN、安全運用的概率為PY，且若判斷射彈Pro1i、Pro2j在交戰(zhàn)E1i、E2j過程中發(fā)生火力沖突干擾，則可采取的兼容控制策略包括：“對交戰(zhàn)E1i進(jìn)行禁射”、“對交戰(zhàn)E2j進(jìn)行禁射”、“承擔(dān)風(fēng)險不對交戰(zhàn)E1i、E2j實施干預(yù)”。

假設(shè)交戰(zhàn)E1k中對目標(biāo)T1的殺傷概率為p1k，交戰(zhàn)E2l中對目標(biāo)T2的殺傷概率為p2l，戰(zhàn)術(shù)任務(wù)M1、M2分別針對目標(biāo)T1、T2進(jìn)行m1、m2輪交戰(zhàn)，則在目前方案下針對目標(biāo)T1、T2的殺傷概率分別為P1、P2[16-17]。

(3)

(4)

(5)

(6)

Pcomm=(1-PN)·(k1·P1+k2·P2)/(k1+k2)

(7)

為使火力兼容決策后對目標(biāo)T1、T2的綜合殺傷概率Pcompre最大，則：

Pcompre=max{PprohE1i,PprohE2j,Pcomm}

(8)

可在跨平臺火力兼容決策時應(yīng)選擇滿足式(8)多對應(yīng)的兼容控制策略。

3 仿真計算與分析

3.1 跨平臺火力兼容決策仿真計算

選擇艦艇編隊對目標(biāo)T1、T2作戰(zhàn)作為仿真背景。戰(zhàn)術(shù)任務(wù)M1、M2分別針對目標(biāo)T1、T2為達(dá)成戰(zhàn)術(shù)目的要求，制定交戰(zhàn)行動方案進(jìn)行m1=4、m2=3輪交戰(zhàn)，現(xiàn)針對跨平臺武器發(fā)射的射彈Pro13、Pro21在交戰(zhàn)E13、交戰(zhàn)E21過程中的基于均衡準(zhǔn)則的火力兼容決策進(jìn)行靜態(tài)解題仿真。為便于分析，若存在某輪交戰(zhàn)的禁射，在交戰(zhàn)行動方案修改時，除禁射外不對其他輪交戰(zhàn)進(jìn)行修改。具體的仿真初始條件和計算結(jié)果分別如表1、表2所示。

表1 跨平臺火力兼容決策仿真初始條件

表2 跨平臺火力兼容決策仿真結(jié)果

3.2 仿真計算結(jié)果分析

針對目標(biāo)T1、T2達(dá)成戰(zhàn)術(shù)目的，要求作戰(zhàn)效能分別不得低于P10、P20，針對“對交戰(zhàn)E13進(jìn)行禁射”、“對交戰(zhàn)E21進(jìn)行禁射”后是否滿足條件可分以下4種情況進(jìn)行討論。

4 結(jié)論

1) 通過算例仿真計算表明，能夠在多目標(biāo)對抗的全作戰(zhàn)過程中，綜合考慮目標(biāo)綜合重要性、火力兼容安全與作戰(zhàn)效能發(fā)揮等因素，對存在射向交叉、射界重疊的跨平臺多武器射彈交戰(zhàn)進(jìn)行火力兼容控制決策，仿真結(jié)果與實際相符合。

2) 該方法具有較強(qiáng)的實用性，可為艦艇編隊跨平臺多武器組織運用研究提供支撐。

3) 火力兼容決策需要與作戰(zhàn)目標(biāo)選擇、武器-目標(biāo)動態(tài)分配等問題聯(lián)合求解，但造成求解難度的增大和時效性的降低，如何在耦合性、復(fù)雜性、時效性之間取得平衡是聯(lián)合求解的難點，還需要進(jìn)一步分析研究。