航母編隊(duì)對(duì)空作戰(zhàn)指揮關(guān)系艦機(jī)融合熵模型構(gòu)建*

解學(xué)昊,郭傳福,于藝彬

(海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧 大連 116018)

航母編隊(duì)作戰(zhàn)能力依賴(lài)于航母編隊(duì)作戰(zhàn)體系中艦機(jī)適應(yīng)性及編成內(nèi)各兵力作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。世界大部分國(guó)家海軍由于水面艦艇與航空兵在兵種文化、編制體制、作戰(zhàn)規(guī)則、指揮結(jié)構(gòu)等方面存在明顯差異[1],二者集中于同一編隊(duì)體系時(shí),容易造成沖突，影響編隊(duì)整體作戰(zhàn)效能[2-3]。因此,艦機(jī)融合是航母編隊(duì)形成體系作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵,構(gòu)建艦機(jī)融合的指揮關(guān)系是使航母編隊(duì)指揮體系高效運(yùn)行,提高編隊(duì)綜合作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 艦機(jī)融合熵模型構(gòu)建的理論基礎(chǔ)

熵是宏觀(guān)體系混亂度或不確定性的度量,從1864年克勞修斯首次在熱力學(xué)領(lǐng)域提出熵的概念至今,熵理論的適用范圍不斷擴(kuò)大,為不同領(lǐng)域系統(tǒng)研究提供了一個(gè)全新視角。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別在組織管理[4-5]、土地結(jié)構(gòu)分析[6]、企業(yè)結(jié)構(gòu)分析[7-8]、社會(huì)發(fā)展評(píng)價(jià)[9]和軍事指揮[10-13]等領(lǐng)域引入熵的概念,在研究系統(tǒng)有序度方面取得了相應(yīng)成果。針對(duì)艦機(jī)融合涉及要素多、層次多、交互雜等問(wèn)題,利用熵理論進(jìn)行對(duì)空作戰(zhàn)指揮關(guān)系的艦機(jī)融合分析,為解決航母編隊(duì)艦機(jī)融合問(wèn)題提供了新的途徑。 一是作戰(zhàn)指揮節(jié)點(diǎn)狀態(tài)復(fù)雜與熵理論的整體視角相適應(yīng)。作戰(zhàn)指揮關(guān)系是指揮者與指揮對(duì)象之間、指揮員與指揮機(jī)關(guān)之間、平行指揮機(jī)構(gòu)之間,按照指揮職能規(guī)定和指揮權(quán)限劃分所形成的相互關(guān)系[14]。航母編隊(duì)作戰(zhàn)指揮涉及艦載航空兵、水面艦艇、潛艇等兵力,指揮節(jié)點(diǎn)種類(lèi)和數(shù)量眾多,且節(jié)點(diǎn)性質(zhì)各異,難以用數(shù)學(xué)形式對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行精確描述和計(jì)算,而熵理論在考察系統(tǒng)時(shí),側(cè)重微觀(guān)節(jié)點(diǎn)的群體性規(guī)律,不必對(duì)每個(gè)微觀(guān)個(gè)體都精確計(jì)算。二是作戰(zhàn)指揮節(jié)點(diǎn)間關(guān)系呈現(xiàn)非線(xiàn)性特征與熵理論的統(tǒng)計(jì)性相適應(yīng)。各指揮節(jié)點(diǎn)間呈非線(xiàn)性相互作用,難以由下層節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)精確推導(dǎo)出指揮系統(tǒng)整體的狀態(tài)。 由各指揮節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)變量線(xiàn)性相加得到系統(tǒng)宏觀(guān)效能的方法不能反映各層級(jí)節(jié)點(diǎn)間的深刻關(guān)系,而根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制計(jì)算系統(tǒng)指揮效能與指揮節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變量之間的關(guān)系,不僅需要了解各個(gè)指揮節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變量的值,還要能形式化地描述指揮系統(tǒng)內(nèi)部具體的作用機(jī)制,這對(duì)于復(fù)雜的指揮系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是難以實(shí)現(xiàn)的[15]。自從玻爾茲曼提出統(tǒng)計(jì)物理學(xué)意義上的熵概念以來(lái),熵理論的基本思想便是用系統(tǒng)微觀(guān)層次某種分布的性質(zhì)描述系統(tǒng)宏觀(guān)狀態(tài)。因此,將熵的概念應(yīng)用于指揮關(guān)系的效能分析時(shí),不必定量描述微觀(guān)節(jié)點(diǎn)間具體的相互作用機(jī)制,只需要考慮指揮系統(tǒng)在特定方面微觀(guān)狀態(tài)的概率分布。這樣既能避免對(duì)已知條件的苛刻要求,又能定量地反映指揮關(guān)系結(jié)構(gòu)與指揮效能的聯(lián)系。

2 艦機(jī)融合熵模型構(gòu)建的思路和方法

2.1 構(gòu)建思路

航母編隊(duì)對(duì)空作戰(zhàn)指揮效能的影響因素包括指揮人員素質(zhì)、指控設(shè)備性能、指揮系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)等多個(gè)方面,本文在假定其他方面因素相同的前提下考察編隊(duì)指揮效能與指揮系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

從信息角度理解,作戰(zhàn)指揮是利用信息流推動(dòng)能量流、物質(zhì)流定向流動(dòng)的過(guò)程[16],信息在指揮系統(tǒng)中的流通效能是指揮效能的重要方面。在評(píng)價(jià)指揮關(guān)系時(shí),以信息流通效能為目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建熵評(píng)估模型。具體思路是，分別建立指揮關(guān)系的時(shí)效熵和質(zhì)量熵模型,用以計(jì)算指揮關(guān)系在信息流通時(shí)效性和準(zhǔn)確性方面的不確定性大小。在此基礎(chǔ)上建立指揮關(guān)系的時(shí)效有序度和質(zhì)量有序度模型,用以計(jì)算指揮關(guān)系在信息流通時(shí)效性和準(zhǔn)確性方面的效能。將時(shí)效有序度與質(zhì)量有序度綜合,建立結(jié)構(gòu)有序度模型,計(jì)算指揮關(guān)系在同時(shí)考慮信息流通時(shí)效性和準(zhǔn)確性時(shí)的綜合效能[10-13]。邏輯框圖如圖1所示。

圖1 模型構(gòu)建思路

2.2 時(shí)效熵及時(shí)效有序度

定義1:將作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中信息流通的迅速程度定義為作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的時(shí)效,把對(duì)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)時(shí)效不確定性的度量定義為作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的時(shí)效熵,記作Ht。

(1)

(2)

(3)

(4)

由于熵具有廣延性,系統(tǒng)總時(shí)效熵可以看作各節(jié)點(diǎn)時(shí)效熵的加和:

(5)

系統(tǒng)最大時(shí)效熵為

(6)

將指揮系統(tǒng)時(shí)效有序度記作Rt,可表示為

(7)

Rt越大,說(shuō)明指揮系統(tǒng)信息傳輸時(shí)間效用越高。

2.3 質(zhì)量熵及質(zhì)量有序度

定義2:在不考慮時(shí)間因素的情況下,將作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中信息流通的準(zhǔn)確程度定義為作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的質(zhì)量,把作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)質(zhì)量不確定性的度量定義為作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的質(zhì)量熵,記作Hq。

(8)

(9)

Aq為指揮系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)的直接聯(lián)系節(jié)點(diǎn)數(shù)量的和,ki為與節(jié)點(diǎn)i直接聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的總質(zhì)量熵為

(10)

作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的最大質(zhì)量熵為

(11)

將指揮系統(tǒng)質(zhì)量有序度記作Rq,可表示為

(12)

Rq越大,說(shuō)明指揮系統(tǒng)信息傳輸質(zhì)量效用越高。

2.4 結(jié)構(gòu)有序度

信息傳遞的綜合效率可以用信息傳輸時(shí)效性和信息傳輸準(zhǔn)確度來(lái)表征,將指揮系統(tǒng)在信息傳遞時(shí)效性和準(zhǔn)確性方面的綜合效率用結(jié)構(gòu)有序度來(lái)表示,記作R,則R可表示為指揮系統(tǒng)時(shí)效有序度和質(zhì)量有序度的函數(shù):

R=aRt+bRq

(13)

其中a和b分別表示指揮系統(tǒng)時(shí)效有序度和質(zhì)量有序度在結(jié)構(gòu)有序度中的權(quán)重,滿(mǎn)足a、b>0且a+b=1。則式(13)可轉(zhuǎn)化為

R=aRt+(1-a)Rq

(14)

R越大則系統(tǒng)在信息傳遞方面綜合效用越高。

從模型的建立過(guò)程可以看出,該模型從指揮系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā),將各節(jié)點(diǎn)間的結(jié)構(gòu)關(guān)系與系統(tǒng)信息傳遞效能聯(lián)系起來(lái),提供了由指揮關(guān)系計(jì)算信息傳遞效能,進(jìn)而由信息傳遞效能評(píng)價(jià)指揮關(guān)系的方法。

3 艦機(jī)融合熵模型應(yīng)用

結(jié)合外國(guó)航母編隊(duì)指揮體制,依據(jù)艦機(jī)行動(dòng)關(guān)系及兵種屬性,分三種模式設(shè)計(jì)航母編隊(duì)對(duì)空作戰(zhàn)指揮關(guān)系,在定性分析的基礎(chǔ)上應(yīng)用熵模型進(jìn)行定量分析,從而得出三種指揮關(guān)系的優(yōu)劣對(duì)比。

3.1 典型對(duì)空作戰(zhàn)指揮關(guān)系模式

考慮到艦載航空兵與水面艦艇在編制體制、行動(dòng)方式上有較大差異,且艦載機(jī)出動(dòng)回收的準(zhǔn)備和實(shí)施都要依托航母本艦進(jìn)行,結(jié)合外軍航母編隊(duì)指揮體制，在設(shè)計(jì)航母編隊(duì)對(duì)空作戰(zhàn)指揮關(guān)系時(shí)，主要分三種模式，即艦機(jī)融合模式、艦機(jī)部分融合模式、艦機(jī)獨(dú)立模式。參考美軍標(biāo)準(zhǔn)的航母打擊群(CSG)的編成[18]，本文假定參與作戰(zhàn)的兵力為3架對(duì)空作戰(zhàn)艦載機(jī)、1艘巡洋艦、2艘擔(dān)負(fù)防空任務(wù)的驅(qū)逐艦、1艘航空母艦。

3.1.1 艦機(jī)融合模式

美軍航母編隊(duì)在遂行防空反導(dǎo)任務(wù)時(shí)，航母編隊(duì)指揮所與各兵力節(jié)點(diǎn)間可不設(shè)其他指揮節(jié)點(diǎn)，編隊(duì)指揮所的對(duì)空作戰(zhàn)指揮部位直接指揮對(duì)空作戰(zhàn)艦載機(jī)、航母本艦、編隊(duì)屬艦、機(jī)務(wù)保障部門(mén)和航空保障部門(mén)[19]。在作戰(zhàn)中，編隊(duì)對(duì)空方面指揮員統(tǒng)籌對(duì)空作戰(zhàn)艦載機(jī)的出動(dòng)回收和空中交戰(zhàn)、航母本艦及編隊(duì)屬艦的防空行動(dòng),在作戰(zhàn)準(zhǔn)備、實(shí)施的全過(guò)程對(duì)艦機(jī)行動(dòng)直接進(jìn)行協(xié)調(diào)。在這種指揮關(guān)系下,編隊(duì)指揮所直接將指令下達(dá)至末端作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn),各末端作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)能根據(jù)上級(jí)精確的指令實(shí)現(xiàn)行動(dòng)的精準(zhǔn)協(xié)同和銜接。但是,航母編隊(duì)對(duì)空作戰(zhàn)的所有決策活動(dòng)都集中在編隊(duì)指揮所,編隊(duì)指揮所信息處理負(fù)荷較大,影響指揮效率。其指揮結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 艦機(jī)融合模式

3.1.2 艦機(jī)部分融合模式

美軍航母戰(zhàn)斗群在遂行空襲作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，設(shè)立空中作戰(zhàn)中心與航空管制中心兩個(gè)二級(jí)指揮機(jī)構(gòu)。前者負(fù)責(zé)指揮所屬兵力的作戰(zhàn)行動(dòng)，后者負(fù)責(zé)對(duì)艦載機(jī)出動(dòng)回收的指揮控制[20]。以此為參考，同時(shí)為了提高航母本艦防空行動(dòng)與艦載機(jī)出動(dòng)回收行動(dòng)的協(xié)同效率，航母編隊(duì)指揮所可下設(shè)防空群指揮所和航母本艦指揮所兩個(gè)二級(jí)指揮所，實(shí)施委托式指揮。依據(jù)末端兵力節(jié)點(diǎn)行動(dòng)屬性的區(qū)別,委托防空群指揮所指揮已出動(dòng)的艦載機(jī)和編隊(duì)屬艦的防空行動(dòng),委托航母本艦指揮所指揮艦載機(jī)機(jī)務(wù)保障、航空保障以及航母本艦的防空行動(dòng)。編隊(duì)指揮所依據(jù)作戰(zhàn)總體態(tài)勢(shì),對(duì)二者進(jìn)行協(xié)調(diào)。這種指揮關(guān)系保證了已出動(dòng)艦載機(jī)和編隊(duì)屬艦防空行動(dòng)協(xié)同的準(zhǔn)確性、艦載機(jī)保障節(jié)點(diǎn)間行動(dòng)協(xié)同的準(zhǔn)確性、艦載機(jī)出動(dòng)回收行動(dòng)與航母本艦?zāi)┒朔揽招袆?dòng)間協(xié)同的準(zhǔn)確性。同時(shí),編隊(duì)指揮所將對(duì)末端兵力節(jié)點(diǎn)具體行動(dòng)的指揮委托給二級(jí)指揮所,降低了自身信息處理負(fù)荷,有利于提高指揮效率。其指揮結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 艦機(jī)部分融合模式

3.1.3 艦機(jī)獨(dú)立模式

美軍兩棲作戰(zhàn)部隊(duì)在確定指揮關(guān)系時(shí)，可保留各軍種指揮官對(duì)所屬軍種部隊(duì)的指揮權(quán)，各軍種部隊(duì)在兩棲作戰(zhàn)部隊(duì)指揮官的協(xié)調(diào)下相互支援[21]。參考這種指揮模式，航母編隊(duì)指揮所可下設(shè)航空兵指揮所、水面艦艇群指揮所、航母本艦指揮所三個(gè)二級(jí)指揮所。依據(jù)末端兵力節(jié)點(diǎn)兵種屬性的區(qū)別,委托航空兵指揮所指揮艦載機(jī)的作戰(zhàn)和機(jī)務(wù)保障行動(dòng),委托水面艦艇群指揮所指揮編隊(duì)屬艦的防空行動(dòng),委托航母本艦指揮所指揮艦載機(jī)航空保障以及航母本艦的防空行動(dòng)。編隊(duì)指揮所依據(jù)作戰(zhàn)總體態(tài)勢(shì),對(duì)三者進(jìn)行協(xié)調(diào)。這種指揮關(guān)系雖然保證了艦載機(jī)之間協(xié)同的準(zhǔn)確性、編隊(duì)屬艦之間協(xié)同的準(zhǔn)確性、航母本艦與艦載機(jī)航空保障節(jié)點(diǎn)之間協(xié)同的準(zhǔn)確性,但是艦載機(jī)、編隊(duì)屬艦、航母本艦三者之間協(xié)同復(fù)雜,準(zhǔn)確性較低。同時(shí),將對(duì)同類(lèi)型兵力節(jié)點(diǎn)行動(dòng)的指揮委托給二級(jí)指揮所,雖然與關(guān)系1相比降低了編隊(duì)指揮所信息處理負(fù)荷,但是編隊(duì)指揮所在對(duì)空作戰(zhàn)全過(guò)程都要對(duì)不同類(lèi)型兵力節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同進(jìn)行實(shí)時(shí)決策,信息處理負(fù)荷依然較大。其指揮結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 艦機(jī)獨(dú)立模式

3.2 典型對(duì)空作戰(zhàn)指揮關(guān)系模式仿真分析

將圖1、2、3中指揮節(jié)點(diǎn)按照從上到下、從左到右

的順序編號(hào),得到三種指揮關(guān)系下航母編隊(duì)對(duì)空作戰(zhàn)指揮結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋱D。如圖5、6、7所示。

圖5 艦機(jī)融合模式的指揮關(guān)系

圖6 艦機(jī)部分融合模式的指揮關(guān)系

圖7 艦機(jī)獨(dú)立模式的指揮關(guān)系

由式(1)、(2)、(5)、(6)、(7)可分別計(jì)算出三種指揮關(guān)系下航母編隊(duì)對(duì)空作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的總時(shí)效熵、最大時(shí)效熵、時(shí)效有序度;由式(8)～(14)可分別計(jì)算出三種指揮關(guān)系下航母編隊(duì)對(duì)空作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的總質(zhì)量熵、最大質(zhì)量熵、質(zhì)量有序度和結(jié)構(gòu)有序度,如表2所示。三種指揮關(guān)系的結(jié)構(gòu)有序度隨權(quán)重系數(shù)a的變化關(guān)系如圖8所示。

表1 三種指揮關(guān)系下指揮系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)

表2 三種指揮關(guān)系下指揮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性指標(biāo)

3.3 結(jié)果分析

對(duì)表2中各項(xiàng)指標(biāo)的分析如下:采取艦機(jī)融合模式的指揮關(guān)系時(shí),編隊(duì)指揮系統(tǒng)信息傳輸?shù)臅r(shí)間效用最差,但質(zhì)量效用最優(yōu)。說(shuō)明從指揮結(jié)構(gòu)上分析,這種指揮關(guān)系指揮精確性較高,但指揮時(shí)效性較差。艦機(jī)部分融合模式的指揮關(guān)系與艦機(jī)獨(dú)立模式的指揮關(guān)系相比,編隊(duì)指揮體系信息傳輸?shù)臅r(shí)間效用與質(zhì)量效用都更優(yōu)。說(shuō)明按兵力節(jié)點(diǎn)的行動(dòng)屬性構(gòu)建指揮關(guān)系比按兵力節(jié)點(diǎn)的兵種屬性構(gòu)建指揮關(guān)系更有利于提高指揮效能。

下面進(jìn)一步分析時(shí)效有序度權(quán)重a的含義?？梢哉J(rèn)為,指揮的時(shí)效性和準(zhǔn)確性同等重要,而指揮系統(tǒng)指揮時(shí)效性和準(zhǔn)確性的影響因素都主要有兩方面:一是處理和傳遞信息的硬件設(shè)備的性能,二是指揮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。硬件設(shè)備處理和傳遞信息速度越快,在評(píng)價(jià)指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)就越側(cè)重于信息傳遞的準(zhǔn)確性,a的取值越小;反之則評(píng)價(jià)指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)越側(cè)重于信息傳遞的時(shí)效性,a取值越大，如圖8所示。

圖8 三種模式的結(jié)構(gòu)有序度與權(quán)重α的關(guān)系

分析圖8可知,當(dāng)a取值較小,在[0,0.379)范圍內(nèi)取值時(shí),指揮關(guān)系1的綜合指揮效能最高,當(dāng)a取值較大,在(0.379,1]范圍內(nèi)取值時(shí),指揮關(guān)系2的綜合指揮效能最高。說(shuō)明指揮系統(tǒng)硬件設(shè)備處理和傳遞信息速度足夠快,能在各種指揮關(guān)系下滿(mǎn)足指揮時(shí)效性要求時(shí),艦機(jī)融合模式的指揮關(guān)系更具優(yōu)勢(shì),反之則艦機(jī)部分融合模式的指揮關(guān)系更具優(yōu)勢(shì)。

3.4 結(jié)論

通過(guò)以上分析,可得如下結(jié)論:1)艦機(jī)部分融合模式的指揮關(guān)系在綜合指揮效能方面優(yōu)于艦機(jī)獨(dú)立模式的指揮關(guān)系。2)指揮系統(tǒng)硬件設(shè)備處理和傳遞信息速度足夠快時(shí),艦機(jī)融合模式的指揮關(guān)系更具優(yōu)勢(shì),這種指揮關(guān)系能夠從指揮結(jié)構(gòu)上最大限度地保證指揮的準(zhǔn)確性;反之則艦機(jī)部分融合模式的指揮關(guān)系更具優(yōu)勢(shì),這種指揮關(guān)系能從指揮結(jié)構(gòu)上兼顧指揮的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

為提高航母編隊(duì)中艦機(jī)融合程度,增強(qiáng)編隊(duì)整體作戰(zhàn)效能,本文從指揮時(shí)效和質(zhì)量方面構(gòu)建了航母編隊(duì)對(duì)空作戰(zhàn)指揮關(guān)系艦機(jī)融合熵評(píng)估模型,從艦機(jī)融合角度出發(fā)設(shè)計(jì)了三種模式的航母編隊(duì)對(duì)空作戰(zhàn)指揮關(guān)系,并應(yīng)用模型對(duì)所設(shè)計(jì)的三種指揮關(guān)系進(jìn)行了評(píng)估分析。得出的結(jié)論可為航母編隊(duì)綜合作戰(zhàn)、對(duì)潛、對(duì)海作戰(zhàn)指揮關(guān)系建立提供參考。