艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境模塊化保障體系研究

張本輝, 姚科明, 李大偉, 門金柱, 萬新龍

(海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116000)

0 引言

艦載直升機(jī)在海上作戰(zhàn)中具有獨(dú)特優(yōu)勢，在與軍艦有機(jī)結(jié)合以后，艦機(jī)一體化作戰(zhàn)不僅能提高水面艦艇的攻防作戰(zhàn)能力，也能為空中兵力提供有效的指揮和保障。對于艦載直升機(jī)而言，其作戰(zhàn)效能發(fā)揮與作戰(zhàn)環(huán)境保障密切相關(guān)。然而，在現(xiàn)行的作戰(zhàn)環(huán)境保障體系下，存在保障信息與實(shí)際需求聯(lián)系不緊密、針對性不強(qiáng)、方案標(biāo)準(zhǔn)化不足等問題，極大地制約了高海況條件下艦機(jī)一體化作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。文獻(xiàn)[1]在對艦載直升機(jī)反潛作戰(zhàn)使用研究進(jìn)行綜述時，提出了針對任務(wù)需求分析海洋環(huán)境的影響情況，給出有利的搜、攻潛武器設(shè)備的使用方案或建議，提高反潛行動的科學(xué)性。文獻(xiàn)[2]探索在復(fù)雜電磁環(huán)境下，艦載直升機(jī)編隊協(xié)同作戰(zhàn)模式是否有利于保證直升機(jī)自身安全和提高直升機(jī)的作戰(zhàn)效能。因此，針對不同的作戰(zhàn)任務(wù)，如何為艦載直升機(jī)提供精準(zhǔn)、快速的作戰(zhàn)環(huán)境保障方案已成為亟待解決的問題。

針對上述矛盾現(xiàn)狀，本文引入“模塊化”思想[3]，構(gòu)建了涵蓋方案、功能、載荷3級的艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障體系，并對需求分析、方案族生成、編碼體系、方案優(yōu)化配置、方案決策評估等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，可根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務(wù)，為艦載直升機(jī)提供精準(zhǔn)、快速的作戰(zhàn)環(huán)境保障方案，對于艦機(jī)一體化作戰(zhàn)效能的提升具有重要意義。

1 艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障的現(xiàn)狀及不足

作戰(zhàn)環(huán)境是指戰(zhàn)場及其周圍對作戰(zhàn)活動有影響的各種情況和條件；“保障”是要保護(hù)事物的生存及社會活動的基本運(yùn)行與良好發(fā)展；對于艦載直升機(jī)而言，作戰(zhàn)環(huán)境保障的目的是，提供平臺及搭載(指揮引導(dǎo)、探測、攻擊及其他)功能載荷所需的各種環(huán)境資源，保證其起降、飛行及各項(xiàng)任務(wù)安全有序進(jìn)行。因此，艦載直升機(jī)所需保障的作戰(zhàn)環(huán)境因素，與機(jī)型、執(zhí)行任務(wù)的類型以及功能載荷密切相關(guān)，對于影響因素及結(jié)果分析的梳理已在相關(guān)教材中完成，在此不再贅述。

基于當(dāng)前的作戰(zhàn)環(huán)境保障體系，在作戰(zhàn)方案中體現(xiàn)的環(huán)境要素主要存在以下不足：

1) 對海量的數(shù)據(jù)資料，若不進(jìn)行有效的預(yù)處理或者篩選，將會導(dǎo)致保障方案的針對性明顯不足；

2) 當(dāng)艦載直升機(jī)的機(jī)型、任務(wù)類型、功能載荷發(fā)生改變時，若不能采用更為靈活的方法手段，將會導(dǎo)致對作戰(zhàn)環(huán)境保障需求的快速響應(yīng)能力不夠；

3) 對于艦載直升機(jī)指揮員和作戰(zhàn)環(huán)境保障人員而言，由于知識體系和關(guān)注點(diǎn)的不同，兩者中任何一方想要單獨(dú)制定滿足需求的作戰(zhàn)環(huán)境保障方案，難度都相對較大；

4) 從更高的視角來說，在未來的聯(lián)合作戰(zhàn)中，參戰(zhàn)的兵力種類、數(shù)量都超乎想象，需要更為科學(xué)的保障方法，來滿足多樣化軍事任務(wù)快速精準(zhǔn)的保障需求。

2 艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境模塊化保障體系的總體構(gòu)思

模塊是模塊化產(chǎn)品或系統(tǒng)的基本單元，模塊化是指為了取得最佳效益將系統(tǒng)進(jìn)行單元化分解并進(jìn)行優(yōu)化組合的方法。廣義模塊化設(shè)計[4]是以傳統(tǒng)模塊化設(shè)計基本理論為基礎(chǔ)，引入?yún)?shù)化設(shè)計和變量化分析方法，通過對一系列產(chǎn)品進(jìn)行功能分析并結(jié)合其在設(shè)計、制造、維護(hù)中的特點(diǎn)，劃分并構(gòu)造具有更大適應(yīng)性的廣義模塊和廣義產(chǎn)品平臺，通過廣義模塊的組合或廣義產(chǎn)品平臺的衍生實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計。

模塊化設(shè)計方法在工業(yè)上的應(yīng)用可以追溯到20世紀(jì)30年代[5]，目前已廣泛用于軟件開發(fā)、工業(yè)制造、服裝設(shè)計、家具定制、建筑設(shè)計、軍事裝備保障[6]等諸多方面，其核心思想是用分解組合的方法建立模塊體系，并用模塊組合成產(chǎn)品或系統(tǒng)，以滿足客戶對產(chǎn)品個性化的需求。將“模塊化”的思想應(yīng)用于艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障領(lǐng)域，以戰(zhàn)場需求為牽引，重點(diǎn)在于解決不同機(jī)型的艦載直升機(jī)，在執(zhí)行不同作戰(zhàn)任務(wù)、搭載不同任務(wù)載荷時的精準(zhǔn)、快速保障，可為指揮員進(jìn)行作戰(zhàn)決策提供方便。按照黑箱原理進(jìn)行設(shè)計[7]，其總體功能如圖1所示。

圖1中，從系統(tǒng)的入口端輸入各種保障需求，比如機(jī)型、任務(wù)類型、功能載荷等情況，經(jīng)過配置系統(tǒng)的分析和處理，可以得到一系列滿足艦載直升機(jī)作戰(zhàn)需求的作戰(zhàn)環(huán)境保障方案，其總體設(shè)計如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)的總體功能Fig.1 Overall function of the system

圖2 系統(tǒng)的總體設(shè)計Fig.2 Overall design of the system

在圖2中，艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境模塊化保障可以分成開發(fā)設(shè)計和優(yōu)化配置兩個循環(huán)，前者為“慢循環(huán)”，后者為“快循環(huán)”。

開發(fā)設(shè)計，主要是根據(jù)不同情況下的保障需求進(jìn)行分析，利用質(zhì)量功能配置(QFD)方法[8]將需求分解為若干子功能，從而生成作戰(zhàn)環(huán)境保障方案的功能樹，然后進(jìn)行模塊化設(shè)計，爾后對模塊庫中的模塊進(jìn)行編碼，生成“作戰(zhàn)環(huán)境保障方案族”。其目的是將涉及的大量數(shù)據(jù)、信息和知識進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，建立各種數(shù)據(jù)庫，以不變應(yīng)萬變，提高變型保障方案生成的速度。在該過程中存在多次反復(fù)，需要較長的周期。

優(yōu)化配置則是根據(jù)不同情況下的保障需求，根據(jù)涉及到的機(jī)型、任務(wù)類型與功能載荷，基于方案配置規(guī)則查找、選擇、調(diào)用與組合保障模塊，快速配置出滿足實(shí)際需求的作戰(zhàn)環(huán)境保障方案。其目的是在已有保障方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆桨浮⒛K變型，從而快捷、精準(zhǔn)地生成作戰(zhàn)環(huán)境保障方案。

與傳統(tǒng)作戰(zhàn)環(huán)境保障方法相比，艦載直升機(jī)采用模塊化保障方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 根據(jù)艦載直升機(jī)的機(jī)型、任務(wù)類型以及功能載荷情況，提供較為精準(zhǔn)的環(huán)境數(shù)據(jù)形成作戰(zhàn)環(huán)境保障方案，可有效提高保障的針對性;

2) 當(dāng)艦載直升機(jī)的機(jī)型、任務(wù)類型、功能載荷發(fā)生變化時，能夠根據(jù)設(shè)計的保障方案族以及配置規(guī)則較為靈活地生成作戰(zhàn)環(huán)境保障方案，快速響應(yīng)不同的保障需求;

3) 將相關(guān)保障需求、配置規(guī)則等形成專家系統(tǒng)，可大大降低相關(guān)人員的知識儲備要求;

4) 若在此基礎(chǔ)上適當(dāng)進(jìn)行拓展，可以滿足艦機(jī)一體化甚至聯(lián)合作戰(zhàn)等不同層次的作戰(zhàn)環(huán)境保障需求。

3 艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境模塊化保障的關(guān)鍵技術(shù)3.1 需求分析

艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境的保障需求是保障方案設(shè)計與生成的依據(jù)和源頭，模塊化保障的各項(xiàng)工作均應(yīng)圍繞著滿足多樣化軍事需求展開。需求分析流程見圖3。

圖3 需求分析流程圖Fig.3 Flow chart for requirement analysis

需求信息的獲取主要采用部隊調(diào)研、問卷調(diào)查、資料分析等方法，獲取原始的需求信息，將相關(guān)信息進(jìn)行整理，提高其標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化程度，進(jìn)而提取不同情況下相同的作戰(zhàn)環(huán)境保障需求，并將需求劃分為通用需求和特定需求兩類，最后采用QFD方法將其轉(zhuǎn)化為設(shè)計者視角的功能模塊，以此作為模塊劃分的基礎(chǔ)。

3.2 方案族生成

模塊化設(shè)計的特點(diǎn)是并非面向單個產(chǎn)品，而是面向整個產(chǎn)品系統(tǒng)。通過對艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障需求進(jìn)行分析及功能轉(zhuǎn)化，艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障方案族的組成要素可以劃分為通用和定制模塊，其作戰(zhàn)環(huán)境保障方案族如圖4所示。在圖4中，模塊并非特指具體的物理結(jié)構(gòu)，而屬于廣義的模塊，既可泛指某項(xiàng)功能，也可指代某種載荷類型。其中：通用模塊包括起降、飛行兩個功能，是作戰(zhàn)環(huán)境保障方案族中必須具有的模塊；定制模塊包括指揮引導(dǎo)、探測、攻擊及其他功能，可根據(jù)需要進(jìn)行靈活擴(kuò)展。指揮引導(dǎo)功能包括短波、超短波和數(shù)據(jù)鏈等載荷類型；探測功能包括雷達(dá)、吊放聲吶、聲吶浮標(biāo)和磁探儀等載荷類型；攻擊功能包括機(jī)載魚雷、機(jī)載深彈、機(jī)載導(dǎo)彈和機(jī)載火箭等載荷類型。定制模塊可根據(jù)不同機(jī)型、不同作戰(zhàn)任務(wù)及搭載載荷類型按照規(guī)則或者約束關(guān)系進(jìn)行選擇。通過匹配通用模塊和能夠滿足多樣化作戰(zhàn)任務(wù)精準(zhǔn)保障需求的定制模塊，可組合出滿足不同需求的艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障方案。

圖4 作戰(zhàn)環(huán)境保障方案族示意圖Fig.4 Schematic diagram of operation environment support system

需要說明的是，作戰(zhàn)環(huán)境數(shù)據(jù)庫可為相關(guān)模塊(載荷)提供作戰(zhàn)環(huán)境影響因素的數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)采集方式以及來源并非本文關(guān)注的重點(diǎn)。

3.3 編碼體系

在生成艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障方案族之后，應(yīng)對機(jī)型、任務(wù)類型、功能、載荷、作戰(zhàn)環(huán)境因素等進(jìn)行合理編碼，從而形成一套面向快速響應(yīng)保障需求的編碼體系，便于使用者快速且準(zhǔn)確地識別、查找或調(diào)用，順利開展后續(xù)的作戰(zhàn)環(huán)境保障方案配置與變型設(shè)計。選擇平行編碼方案[9]，該方式由分類碼、時間碼和識別碼3個獨(dú)立部分組成，見圖5。在圖5中，可對機(jī)型、任務(wù)類型、功能、載荷等模塊進(jìn)行統(tǒng)一編碼，并連同ABC編碼(用于標(biāo)識隨時間的更新情況)一起作為作戰(zhàn)環(huán)境因素的分類碼；時間碼是對作戰(zhàn)環(huán)境因素的采集時間進(jìn)行標(biāo)注，若無必要，可適當(dāng)缺??；識別碼是用來對作戰(zhàn)環(huán)境因素進(jìn)行區(qū)分和標(biāo)識，避免通用性強(qiáng)的環(huán)境因素重用時出現(xiàn)編碼混亂的問題。采用平行編碼方案有利于設(shè)計重用和組織生產(chǎn)，便于計算機(jī)進(jìn)行處理，有較好的可擴(kuò)性。

圖5 平行編碼方案Fig.5 Parallel coding scheme

3.4 方案優(yōu)化配置

方案優(yōu)化配置，是根據(jù)艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障需求，將已存在的保障方案、模塊或經(jīng)適當(dāng)變型設(shè)計后的新模塊，合理組合成滿足需求的作戰(zhàn)環(huán)境保障方案的過程。方案優(yōu)化配置方法可分為基于特征、實(shí)例、規(guī)則等配置推理模型[10]。本文采用基于實(shí)例推理的方案優(yōu)化配置方法，過程如圖6所示。

在圖6中，通過對方案層、功能模塊層、載荷模塊層逐層進(jìn)行相似度匹配，可得到基于實(shí)例推理的優(yōu)化配置方案。首先對方案層進(jìn)行匹配：若完全匹配，則直接生成方案；若不完全匹配，則首先判斷是否存在需要變型的功能模塊，若存在，則利用功能數(shù)據(jù)庫進(jìn)行配置，若不存在，則直接進(jìn)行載荷模塊的匹配，其原理相同，不再贅述。必要時，可進(jìn)行人工介入，同時將新的功能、載荷模塊進(jìn)行分類、編碼，便于以后重用。

圖6 方案的優(yōu)化配置過程Fig.6 Optimal configuration process of the scheme

3.5 方案決策評估

在保障方案配置過程中，往往會生成許多可行的備選方案，因此有必要進(jìn)行決策優(yōu)選，以盡可能滿足作戰(zhàn)需求。傳統(tǒng)的作戰(zhàn)環(huán)境保障評估方法中，對于權(quán)重值的求解主要采用層次分析法，逐層構(gòu)造判斷矩陣，得出各層的權(quán)重值。在此基礎(chǔ)上，利用專家打分，或進(jìn)行隸屬度的轉(zhuǎn)化，以求取評估結(jié)果。該方法存在主觀性較大等不足，若樣本數(shù)量不足，則結(jié)果可能存在較大誤差。因此，若能引入深度學(xué)習(xí)方法，并考慮適當(dāng)?shù)牟淮_定度，則可能使方案決策評估結(jié)果更加客觀，更加接近于真實(shí)。方案評估的結(jié)果可用于提高指揮員的兵力運(yùn)用決策水平，比如艦載直升機(jī)的出動時機(jī)等；還可對裝備的選擇和使用提出建議，比如吊放聲吶的探測深度等。

4 結(jié)束語

本文引入“模塊化”思想，構(gòu)建了涵蓋方案、功能、載荷3級的艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障體系，并對需求分析、方案族生成、編碼體系、方案優(yōu)化配置、方案決策評估等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，以上僅是初步探討，許多技術(shù)細(xì)節(jié)方面(如模塊劃分粒度、接口設(shè)計等)考慮得不夠深入，此外，還需通過工程實(shí)踐對本文的構(gòu)思進(jìn)行驗(yàn)證。