艦艇編隊作戰(zhàn)體系構(gòu)建方法初探?

尹曉楠 張 浩

（海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116018）

1 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和新型裝備的投入使用，現(xiàn)代海戰(zhàn)越來越呈現(xiàn)體系對體系的對抗［1］。艦艇編隊作戰(zhàn)體系，是以能夠遂行多樣化戰(zhàn)爭軍事行動為目的，立足當(dāng)前我海軍新型裝備，緊緊圍繞“體系作戰(zhàn)”思想，由兩艘以上艦艇或兩個以上艦艇戰(zhàn)術(shù)群組成的兵力編隊構(gòu)成，通過合理實現(xiàn)“任務(wù)—資源”匹配鏈接各作戰(zhàn)資源子體系，以形成具有特定功能且體系作戰(zhàn)效能不斷涌現(xiàn)的有機整體。

2 艦艇編隊作戰(zhàn)體系架構(gòu)［2］

立足打贏信息化條件下的局部戰(zhàn)爭，艦艇編隊作戰(zhàn)體系以我海軍任務(wù)需求為導(dǎo)向，通過整合編隊內(nèi)同類作戰(zhàn)要素、優(yōu)化兵力配置，構(gòu)建了預(yù)警探測、指揮控制、火力打擊、信息對抗和綜合保障五個子體系。可用圖1表示。

圖1 艦艇編隊作戰(zhàn)體系架構(gòu)

2.1 預(yù)警探測子體系

預(yù)警探測作為艦艇編隊作戰(zhàn)的“千里眼”“順風(fēng)耳”，要想發(fā)揮最大效能，必須做到高中低互補、遠中近銜接、有源無源相結(jié)合。預(yù)警探測子體系由艦艇編隊內(nèi)各類具有預(yù)警探測、目標(biāo)識別功能的偵察探測設(shè)備構(gòu)成。主要包括艦艇編隊內(nèi)各類艦載預(yù)警探測識別設(shè)備、機載預(yù)警探測識別設(shè)備以及水下潛艇預(yù)警探測識別設(shè)備。

2.2 指揮控制子體系

指揮控制子體系處于艦艇編隊作戰(zhàn)體系的核心領(lǐng)導(dǎo)層，在保證編隊內(nèi)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)暢通的前提下，由艦艇編隊作戰(zhàn)體系內(nèi)各作戰(zhàn)平臺的指揮控制系統(tǒng)共同構(gòu)成。編隊內(nèi)各作戰(zhàn)平臺的指揮控制系統(tǒng)主要包括編隊群指揮控制系統(tǒng)、驅(qū)護艦指揮控制系統(tǒng)、綜合補給艦指揮控制系統(tǒng)、艦載機指揮控制系統(tǒng)、潛艇指揮控制系統(tǒng)等。通過網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，編隊內(nèi)各指控系統(tǒng)共同構(gòu)建成指揮控制子體系。

2.3 火力打擊子體系

火力打擊子體系是由艦艇編隊內(nèi)各兵力平臺上的所有具有硬摧毀能力的武器裝備構(gòu)成。主要包括編隊內(nèi)艦載各型防御武器裝備、艦載各型打擊武器裝備、艦載機上配置的各種空空導(dǎo)彈和空艦導(dǎo)彈、潛射魚雷和導(dǎo)彈等。編隊內(nèi)部所有平臺上的對敵具有硬摧毀的各類攻防武器共同構(gòu)成火力打擊子體系。

2.4 信息對抗子體系

制信息權(quán)在未來戰(zhàn)場上展現(xiàn)的威力越來越大，作為“軟殺傷”的信息對抗子體系，在編隊作戰(zhàn)中發(fā)揮著“損人利己”的重要作用。主要是由艦艇編隊內(nèi)各兵力平臺上的所有電子對抗裝備、光電對抗設(shè)備、通信對抗設(shè)備、水聲對抗設(shè)備等構(gòu)成。

2.5 綜合保障子體系

綜合保障子體系主要通過提供后勤補給、技術(shù)支持、裝備維修、兵力調(diào)運、通信聯(lián)絡(luò)等保障來全方位支撐艦艇編隊作戰(zhàn)。該體系主要是由艦艇編隊內(nèi)各作戰(zhàn)平臺自身具備的保障裝置和綜合補給艦上的綜合補給系統(tǒng)以及相應(yīng)的專業(yè)人員構(gòu)成。

3 艦艇編隊作戰(zhàn)體系構(gòu)建總體思路［3～4］

艦艇編隊作戰(zhàn)體系構(gòu)建主要分為兩個階段:一是“任務(wù)-資源”匹配階段；二是“效能-涌現(xiàn)”［5］聚合階段。

其中，“任務(wù)-資源”匹配是指:從任務(wù)需求出發(fā)，條分縷析任務(wù)資源需求與編隊資源能力，在明確任務(wù)需求的基礎(chǔ)上將總?cè)蝿?wù)按照編隊子體系架構(gòu)分解成可直接處理的任務(wù)（也就是元任務(wù)），即預(yù)警探測元任務(wù)、指揮控制元任務(wù)、火力打擊元任務(wù)、信息對抗元任務(wù)、綜合保障元任務(wù)，此階段由元任務(wù)到子體系的匹配是總?cè)蝿?wù)的初匹配階段；然后由分配到子體系的元任務(wù)與子體系內(nèi)各平臺的匹配形成平臺部署配置表，最終完成“任務(wù)-資源”匹配。

“效能-涌現(xiàn)”是指:從艦艇編隊作戰(zhàn)效能出發(fā)，首先通過平臺間或者平臺內(nèi)部同類作戰(zhàn)要素的集成，實現(xiàn)編隊子體系的效能涌現(xiàn)，這是初涌現(xiàn)階段；然后根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務(wù)，實現(xiàn)不同子體系的整合集成，艦艇編隊作戰(zhàn)體系效能指向性更加突出，實現(xiàn)總體效能涌現(xiàn)最大化［6］。

4 艦艇編隊作戰(zhàn)體系構(gòu)建方法

4.1 “任務(wù)-資源”匹配

在“任務(wù)-資源”匹配的過程中，為保證任務(wù)順利完成，必須遵守以下規(guī)則:

1）參與處理該任務(wù)的平臺可提供的資源不小于任務(wù)的資源需求，并且資源冗余最小；

2）參與執(zhí)行該任務(wù)的所有作戰(zhàn)平臺均能夠在該任務(wù)開始被處理前到達任務(wù)區(qū)域；

3）在任務(wù)平臺匹配過程中，處理某一任務(wù)時該任務(wù)之前的所有前導(dǎo)任務(wù)都已處理完畢；

4）一個平臺每次只能處理一項任務(wù)，不能同時處理兩項及以上任務(wù)。

在平臺資源與任務(wù)匹配的問題上需要多維變量測度，任務(wù)需要不同資源或不同類型平臺的協(xié)同處理。本文提出了基于任務(wù)平臺優(yōu)先級列表動態(tài)規(guī)劃模型。也就是在總?cè)蝿?wù)分解成元任務(wù)的基礎(chǔ)上通過對任務(wù)優(yōu)先權(quán)、任務(wù)選擇平臺優(yōu)先權(quán)、平臺選擇任務(wù)優(yōu)先權(quán)的綜合分析，得到一個任務(wù)執(zhí)行優(yōu)先權(quán)表。隨著執(zhí)行任務(wù)進程的推進，任務(wù)執(zhí)行優(yōu)先權(quán)表也在動態(tài)變化，任務(wù)邊完成資源匹配，邊進行任務(wù)執(zhí)行優(yōu)先權(quán)更新；再完成任務(wù)資源匹配，進而動態(tài)更新任務(wù)執(zhí)行優(yōu)先權(quán)，如此循環(huán)下去，直到所有任務(wù)完成。

4.1.1 任務(wù)分解

現(xiàn)代海戰(zhàn)基本上是以小規(guī)模的局部戰(zhàn)爭為依托展開的。由于時空維度復(fù)雜多樣，作戰(zhàn)任務(wù)在很大程度上不能依靠單平臺獨自完成。因此，合理分解作戰(zhàn)任務(wù)至關(guān)重要。由于任務(wù)分解的依據(jù)不同，導(dǎo)致其分解的結(jié)果也不盡相同。通常情況下，任務(wù)分解的方法主要有:按照空間分解任務(wù)；按照對象分解任務(wù)；按照階段分解任務(wù)等。為實現(xiàn)任務(wù)平臺資源合理匹配的目標(biāo)，任務(wù)分解按照艦艇編隊子體系來劃分。也就是將任務(wù)分解為與艦艇編隊作戰(zhàn)體系相匹配的偵察預(yù)警、指揮控制、火力打擊、信息對抗、綜合保障等五個方面的子任務(wù)。同理，子任務(wù)還可繼續(xù)細分為與平臺資源功能相對應(yīng)的子任務(wù)（元任務(wù)），直到劃分成平臺可實現(xiàn)的元任務(wù)。

4.1.2 艦艇編隊作戰(zhàn)體系資源架構(gòu)

1）平臺資源

平臺是艦艇編隊體系作戰(zhàn)中各項元任務(wù)的直接執(zhí)行者，平臺的資源特性直接影響了作戰(zhàn)進程。通常認(rèn)為平臺的資源特性包括平臺類型、平臺最大速度、平臺位置、平臺的功能資源等。

2）平臺功能資源

平臺的功能資源是平臺具備執(zhí)行任務(wù)能力的體現(xiàn)，平臺是否有資格執(zhí)行任務(wù)與其具備的資源能力密切相關(guān)，平臺的功能資源由平臺具備的功能資源矢量確定，其數(shù)學(xué)表達式為

其中Pfmj(1 ≤j≤n)表示平臺Pm在功能fj上具備的資源功能量化數(shù)值。

艦艇平臺的功能資源包括雷達類、電子戰(zhàn)（含光電）類、指控類、預(yù)警探測類、補給類、航海類、動力類、防空類、反艦類、反潛類、對地攻擊類、布雷類、掃雷類等。依托體系重新整合平臺資源，將其歸結(jié)為預(yù)警探測、指揮控制、火力打擊、信息對抗、綜合保障五個功能資源。通過對平臺資源的集成，作戰(zhàn)要素耦合形成功能資源，預(yù)警探測功能包含雷達類、預(yù)警探測類（光電、聲納）功能；火力打擊包含防空類、反艦類、反潛類、對地攻擊類功能；指揮控制包含指揮控制類功能；信息對抗包含電子戰(zhàn)類；綜合保障包含補給類、航海類、動力類、布雷類、掃雷類功能。

4.1.3 目標(biāo)函數(shù)建立

任務(wù)與平臺資源的匹配是建立在元任務(wù)流程圖和平臺可提供資源的基礎(chǔ)上的合理配置與部署。在現(xiàn)代海戰(zhàn)中，任務(wù)到平臺資源匹配的目標(biāo)通常有:取得任務(wù)的最大戰(zhàn)果、我方損失最小、最短時間完成任務(wù)、平臺資源充分利用等。

4.1.4 “任務(wù)-資源”匹配優(yōu)先權(quán)

1）任務(wù)優(yōu)先權(quán)Ro

當(dāng)某一任務(wù)的所有前導(dǎo)任務(wù)都已處理完時，該任務(wù)便進入可分配的任務(wù)集Task 中，此時如果不同階段的任務(wù)有交疊，則按照戰(zhàn)爭進程順序優(yōu)先進入Task 中。在這里以加權(quán)長度算法WL 計算任務(wù)的優(yōu)先權(quán)Ro:

其中，ωT為表示任務(wù)tj的后續(xù)任務(wù)集；tm為表示任務(wù)tj的處理時間。

2）任務(wù)選擇平臺的優(yōu)先權(quán)tp

任務(wù)選擇平臺優(yōu)先權(quán)tp包含兩個方面的需求:一是時間優(yōu)先系數(shù)tp1，即要選擇能在較短時間內(nèi)到達任務(wù)區(qū)域及較快時間處理完任務(wù)的平臺；二是平臺資源優(yōu)先系數(shù)tp2，即可獲得平臺組資源的充分利用且平臺組資源冗余最小。通過對tp1和tp2的綜合考慮，得出對tp1和tp2加權(quán)作為任務(wù)選擇平臺的優(yōu)先權(quán)tp。公式為tp=λ1tp1+λ2tp2。

3）平臺自主選擇任務(wù)的優(yōu)先權(quán)pt

平臺在未處理的任務(wù)集合中選擇任務(wù)的過程即平臺自主選擇任務(wù)。同樣，定義平臺選擇任務(wù)的時間優(yōu)先系數(shù)pt1和任務(wù)資源需求矢量距離優(yōu)先系數(shù)pt2。通過對pt1和pt2的綜合考慮，得出對pt1和pt2加權(quán)作為平臺選擇任務(wù)的優(yōu)先權(quán)pt。公式表示為:pt=ω1pt1+ω2pt2。

4）修正后的任務(wù)優(yōu)先權(quán)XC

由于任務(wù)選擇平臺和平臺選擇任務(wù)存在沖突，不能單方面考慮，因而在這里采取二者加權(quán)的方式。即XC=α*tp+β*pt（α+β=1）。

4.1.5 “任務(wù)—資源”匹配流程

“任務(wù)—資源”匹配流程，首先根據(jù)原始的任務(wù)優(yōu)先權(quán)對元任務(wù)進行粗排序，初步完成元任務(wù)的整理，送入集合Row 中；然后，進行可行性判斷，通過任務(wù)需求與可獲得資源的比較，篩選出資源需求滿足的任務(wù)并送入可執(zhí)行任務(wù)集Ready 中；其次，進入任務(wù)選擇平臺、平臺選擇任務(wù)的優(yōu)先權(quán)中，得出修正后的任務(wù)優(yōu)先權(quán)。最后，根據(jù)任務(wù)優(yōu)先權(quán)選擇平臺，完成一個元任務(wù)的平臺資源匹配。如此循環(huán)往復(fù)，完成作戰(zhàn)任務(wù)與平臺資源的匹配。具體流程如圖2所示。

根據(jù)此算法模型，利用Matlab軟件編寫求解程序，構(gòu)建出“任務(wù)-資源”匹配模型。

4.2 “效能-涌現(xiàn)”聚合

4.2.1 子體系聚合

艦艇平臺在生產(chǎn)設(shè)計裝備時是有一定冗余度的，合理配置平臺裝備冗余度可以提高艦艇編隊整體效能。通過將同類型的作用相似的裝備進行數(shù)據(jù)融合、資源共享、效能互補等手段，組網(wǎng)構(gòu)成作戰(zhàn)效能子體系，擺脫單艦單平臺的束縛。編隊中平臺的各個作戰(zhàn)要素在集成子體系的過程中，涌現(xiàn)出自身所不具備的效能或使自身優(yōu)勢更加明顯，從而實現(xiàn)資源要素到子體系的效能聚合［7～8］。以結(jié)合保障子體系為例，如圖3所示。

圖2 “任務(wù)-資源”匹配流程圖

圖3 子體系“效能-涌現(xiàn)”聚合模型

4.2.2 編隊體系“效能-涌現(xiàn)”聚合［9～10］

艦艇編隊平臺資源要素的集成構(gòu)建了作戰(zhàn)子體系，基于不同的任務(wù)，通過調(diào)控權(quán)重系數(shù)改變編隊效能指向，子體系間的配比權(quán)重不同，耦合涌現(xiàn)出的作戰(zhàn)效能也會產(chǎn)生巨大變化。通過調(diào)控不同子體系的權(quán)重值，逐步優(yōu)化任務(wù)資源匹配方案。最終，可以根據(jù)任務(wù)需求，經(jīng)過迭代運算，找出最優(yōu)的任務(wù)資源分配方案，實現(xiàn)艦艇編隊作戰(zhàn)體系效能最大化。如圖4所示。

圖4 編隊體系“效能-涌現(xiàn)”聚合模型

5 案例分析

以某次登陸作戰(zhàn)為例，為使任務(wù)最短時間完成，通過Matlab對該模型進行仿真建模，構(gòu)建了“任務(wù)—資源”動態(tài)匹配模型［11～12］，列出了任務(wù)平臺的對應(yīng)關(guān)系，如圖5（行為任務(wù)，列為平臺）所示。

圖5 “任務(wù)-資源”匹配表

平臺的協(xié)作量為87。用甘特圖（圖6）表示。

圖6 “任務(wù)-資源”匹配甘特圖

以南區(qū)防御元任務(wù)為例，作戰(zhàn)任務(wù)的火力打擊子體系劃分為包含南區(qū)防御在內(nèi)的一系列元任務(wù)，通過平臺間或平臺內(nèi)部作戰(zhàn)資源的整合，實現(xiàn)南區(qū)防御任務(wù)的效能最大化。南區(qū)防御為任務(wù)t2，參與任務(wù)t2 的平臺為P2、P4、P7、P8、P9、P10、P11、P12、P13、P15、P16，關(guān)系圖如圖7所示。

圖7“任務(wù)-平臺”關(guān)系圖

此時λ1=0.7，λ2=0.3；ω1=0.7，ω2=0.3；α=β=0.5，總?cè)蝿?wù)的完成時間為849.17s，平臺協(xié)作量為87。艦艇編隊作戰(zhàn)體系的作戰(zhàn)效能可以通過改變調(diào)控因子的指向來改變，當(dāng)改變調(diào)控因子的值時，平臺資源的匹配發(fā)生變化，由于作戰(zhàn)要素相互耦合，平臺作戰(zhàn)效能不斷涌現(xiàn)，因此艦艇編隊的作戰(zhàn)功能指向也隨之改變。如當(dāng)調(diào)控因子值λ1=λ2=0.5，ω1=ω2=0.5，α=10β 時，總?cè)蝿?wù)的完成時間為1767.5s，平臺協(xié)作量為107。任務(wù)平臺的對應(yīng)關(guān)系如圖8所示（行為任務(wù)，列為平臺）。

圖8 任務(wù)平臺的對應(yīng)關(guān)系

圖9 “任務(wù)-資源”匹配甘特圖

平臺的協(xié)作量為107。畫出甘特圖（圖9）。

以南區(qū)防御元任務(wù)為例，參與任務(wù)t2的平臺為P1、P 2、P3、P 4、P7、P8、P9、P10、P11、P12、P13、P14、P15、P16、P17。關(guān)系圖如圖10所示。

圖10 “任務(wù)-平臺”關(guān)系圖

通過改變調(diào)控因子的值，平臺資源和平臺間資源耦合效果均發(fā)生變化，子體系、作戰(zhàn)體系和體系之間不斷涌現(xiàn)出新的效能，體系作戰(zhàn)效能指向性愈發(fā)明顯。

6 結(jié)語

通過對該案例的分析，本文構(gòu)建的艦艇編隊作戰(zhàn)體系完成了“任務(wù)-資源”匹配優(yōu)化，作戰(zhàn)任務(wù)細化分配到平臺作戰(zhàn)要素；實現(xiàn)了體系效能聚合涌現(xiàn)，作戰(zhàn)任務(wù)作戰(zhàn)要素間、子體系間的作戰(zhàn)效能涌現(xiàn)十分明顯。合理改變調(diào)控因子，可以優(yōu)化任務(wù)與平臺資源匹配，進一步激發(fā)艦艇編隊體系作戰(zhàn)效能，為指揮員提供更科學(xué)的決策。