多階段任務(wù)裝備體系作戰(zhàn)能力評估

王 博, 周文雅,*, 汪 濤, 郭繼唐

(1. 大連理工大學(xué)航空航天學(xué)院, 遼寧 大連 116024;2. 中國空間技術(shù)研究院錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029)

0 引 言

隨著信息技術(shù)和軍事技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的作戰(zhàn)形式多樣。在聯(lián)合作戰(zhàn)背景下,多種高科技武器裝備的協(xié)同作戰(zhàn)已經(jīng)成為戰(zhàn)爭獲勝的關(guān)鍵[1-3]。作戰(zhàn)裝備數(shù)量龐大,類型多樣,裝備間功能相互交互,形成的整個(gè)作戰(zhàn)體系變得愈發(fā)復(fù)雜[4]。在整個(gè)作戰(zhàn)環(huán)節(jié)層面來說,裝備體系總作戰(zhàn)能力決定戰(zhàn)場形勢每個(gè)任務(wù)環(huán)節(jié)的完成情況。從整個(gè)戰(zhàn)爭價(jià)值利益來說,決定戰(zhàn)爭結(jié)果的不僅是最終的勝負(fù),更與投入作戰(zhàn)體系裝備的能力價(jià)值有很大關(guān)系,所以衡量應(yīng)該投入作戰(zhàn)體系的裝備以及研究投入的裝備在作戰(zhàn)體系中應(yīng)該發(fā)揮的作戰(zhàn)能力是很有必要的[5-8]。

近些年來,研究學(xué)者也做了很多關(guān)于裝備作戰(zhàn)能力的研究,譚躍進(jìn)等[8]基于觀察-判斷-決策-行動(dòng)(observation-orientation-decsion-action, OODA)循環(huán)理論,提出了為完成任務(wù),由裝備與敵方目標(biāo)構(gòu)成閉合回路的作戰(zhàn)環(huán)[9-12]。武博祎等[13]將待評估武器裝備結(jié)合作戰(zhàn)裝備體系,提出了待評估武器裝備對于裝備體系作戰(zhàn)能力貢獻(xiàn)度的一般過程。劉鵬等[3]基于作戰(zhàn)環(huán)理論評估模型的基礎(chǔ)上,考慮在國防預(yù)算有限的前提下,提出裝備面向多任務(wù)貢獻(xiàn)率時(shí),利用區(qū)間數(shù)比較法對裝備優(yōu)先發(fā)展進(jìn)行了排序。李際超等[14]基于裝備間的關(guān)系,提出了武器裝備體系作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型的裝備貢獻(xiàn)度評估方法。梁家林等[15]基于信息熵理論分析了作戰(zhàn)環(huán)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的不確定性,給出了武器裝備體系作戰(zhàn)能力評估方法的具體流程。蔣彥等[16]基于評估結(jié)果的實(shí)際模糊性,將區(qū)間數(shù)引入對指揮信息系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能評估。David等[17]基于OODA循環(huán)理論,提出了批判-探索-比較-適應(yīng)裝備作戰(zhàn)空間的自適應(yīng)能力評估框架?，F(xiàn)代化戰(zhàn)爭中,整個(gè)武器裝備體系內(nèi)部結(jié)構(gòu)化程度極高,因定性與定量指標(biāo)結(jié)合的模糊性、單個(gè)裝備對于整個(gè)裝備體系能力指標(biāo)呈現(xiàn)作用的復(fù)雜性等原因[18],很難準(zhǔn)確測量出每項(xiàng)能力的準(zhǔn)確程度,通常采用專家對待評估裝備加入武器裝備體系前后總?cè)蝿?wù)的各項(xiàng)能力進(jìn)行打分,進(jìn)而獲得評估裝備在裝備體系中的貢獻(xiàn)率。但在整個(gè)作戰(zhàn)任務(wù)目標(biāo)中,將待評估裝備納入裝備體系后,這些方法仍然存在以下缺陷:

(1) 階段任務(wù)中的能力彼此影響,可能會使單項(xiàng)評估能力和階段任務(wù)的作戰(zhàn)能力產(chǎn)生上升或下降的效果,甚至影響總作戰(zhàn)任務(wù)的成敗[4]。

(2) 裝備作戰(zhàn)的指標(biāo)能力值本身只是一個(gè)不確定的無量綱化相對值,并非一個(gè)確定值[16]。

(3) 在整個(gè)作戰(zhàn)裝備體系總作戰(zhàn)能力評估時(shí),未考慮待評估裝備加入的作戰(zhàn)裝備體系對于階段任務(wù)能力的影響。

為此,本文基于作戰(zhàn)環(huán)理論,將裝備體系作戰(zhàn)總?cè)蝿?wù)細(xì)化為多階段任務(wù)的評估方法。采用區(qū)間數(shù)對不同待評估裝備加入裝備體系后的各階段任務(wù)能力大小進(jìn)行無量綱化的相對值表達(dá);引入灰數(shù)帶理論表達(dá)不同裝備加入裝備體系后的各階段任務(wù)能力分布變化情況;利用信息熵及區(qū)間數(shù)可能度的排序向量,計(jì)算得到各指標(biāo)的客觀權(quán)重;最后通過區(qū)間數(shù)的排序比較方法,選擇可使作戰(zhàn)能力最大的裝備進(jìn)行配合作戰(zhàn),以保證己方獲得戰(zhàn)場優(yōu)勢。

1 裝備體系作戰(zhàn)能力評估的流程

武器裝備在現(xiàn)今的戰(zhàn)爭中,其參與的作戰(zhàn)階段任務(wù)增加,使得功能多樣化發(fā)展,武器裝備論證面向作戰(zhàn),遵循“任務(wù)需求-能力需求-能力指標(biāo)-任務(wù)評估”的論證過程[17-20]。武器裝備體系作戰(zhàn)能力評估需將總體作戰(zhàn)任務(wù)劃分為對應(yīng)一定能力指標(biāo)的階段任務(wù),對參與階段任務(wù)裝備的相應(yīng)能力進(jìn)行指標(biāo)劃分,進(jìn)而由相應(yīng)的階段任務(wù)能力綜合形成裝備體系作戰(zhàn)能力評估。上述裝備體系作戰(zhàn)能力評估的框架如圖1所示。

圖1 裝備M所在裝備體系的總作戰(zhàn)能力評估流程

武器裝備體系作戰(zhàn)能力評估步驟如下。

步驟 1明確總體作戰(zhàn)任務(wù),并將其劃分為若干對應(yīng)一定能力指標(biāo)的階段任務(wù)。

步驟 2構(gòu)建參與作戰(zhàn)的整體裝備體系。

步驟 3根據(jù)劃分一定能力指標(biāo)的階段任務(wù),構(gòu)建裝備體系作戰(zhàn)能力評估指標(biāo)體系。

步驟 4專家組根據(jù)裝備體系作戰(zhàn)能力評估指標(biāo)體系,對待評估裝備加入作戰(zhàn)裝備體系后的能力指標(biāo)分別打分。

步驟 5計(jì)算裝備體系的作戰(zhàn)能力。

步驟 6比較不同裝備M加入體系后的裝備體系總作戰(zhàn)能力,選擇參戰(zhàn)裝備M。

2 作戰(zhàn)總?cè)蝿?wù)評估指標(biāo)體系

研究武器裝備所在體系的作戰(zhàn)能力,需要構(gòu)建裝備體系的作戰(zhàn)能力指標(biāo)體系,考慮整個(gè)裝備體系的總使命任務(wù)信息的閉環(huán)特征,可構(gòu)造OODA環(huán)模型。OODA環(huán)模型是由美國空軍上校JohnBoyd于1987年提出的一種作戰(zhàn)環(huán)模型[21-24],如圖2所示。

圖2 OODA作戰(zhàn)環(huán)示意圖

對于復(fù)雜的作戰(zhàn)體系進(jìn)行建模時(shí),將作戰(zhàn)體系中的核心裝備抽象為偵察、決策、攻擊等3類節(jié)點(diǎn)已基本達(dá)成了共識[25-27]。根據(jù)裝備體系中的個(gè)體裝備完成使命對總使命任務(wù)進(jìn)行階段任務(wù)劃分,基于作戰(zhàn)環(huán)示意圖,可將總使命任務(wù)按階段細(xì)化為偵察階段任務(wù),決策階段任務(wù)以及打擊階段任務(wù)。因?yàn)槊恳粋€(gè)階段任務(wù)關(guān)注的作戰(zhàn)能力指標(biāo)不同,所以可構(gòu)造指標(biāo)體系[3]如圖3所示。

圖3 裝備體系作戰(zhàn)能力指標(biāo)體系

在納入待評估裝備后,作戰(zhàn)裝備體系的結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。新納入裝備也會消耗系統(tǒng)的資源,使得整個(gè)作戰(zhàn)裝備體系的待評估裝備的主戰(zhàn)能力增加,但也會導(dǎo)致相應(yīng)的鄰部指標(biāo)能力降低,進(jìn)而可能使得部分階段任務(wù)環(huán)節(jié)的作戰(zhàn)能力降低,甚至于不能完成相應(yīng)的階段任務(wù),導(dǎo)致整個(gè)裝備體系的作戰(zhàn)總使命任務(wù)失敗。在整個(gè)作戰(zhàn)場中,由于裝備體系復(fù)雜,且作戰(zhàn)時(shí)機(jī)緊迫,很難及時(shí)準(zhǔn)確測量出裝備體系每一項(xiàng)能力指標(biāo)的精確值,只能采取專家組打分形式得到指標(biāo)能力的可能分布區(qū)間值[28-30]。

裝備Mi(i=1,2,…,n)加入裝備作戰(zhàn)體系后,可能參與多階段作戰(zhàn)任務(wù),因此不同裝備加入作戰(zhàn)體系后的同一階段任務(wù)會產(chǎn)生不同的作戰(zhàn)效能,進(jìn)而導(dǎo)致總作戰(zhàn)能力的不同。

3 評估模型

3.1 裝備體系作戰(zhàn)能力確定

由裝備體系作戰(zhàn)能力指標(biāo)m=0,1,…,n構(gòu)成的序列作為裝備體系作戰(zhàn)能力指標(biāo)的區(qū)間灰數(shù)列,記作X(?)=(?(t0),?(t1),…,?(tm)),將順次連接相鄰指標(biāo)能力區(qū)間灰數(shù)的上界點(diǎn)和下界點(diǎn)所圍成的面積為裝備體系作戰(zhàn)能力的灰數(shù)帶[32],如圖4所示,表示裝備體系作戰(zhàn)能力指標(biāo)的能力值分布情況。

圖4 裝備體系作戰(zhàn)能力指標(biāo)的分布帶

3.2 裝備體系作戰(zhàn)能力的聚合

裝備是體系作戰(zhàn)的實(shí)體?；趫D3所示的任務(wù)分類指標(biāo)體系,作戰(zhàn)能力的評估指標(biāo)按照任務(wù)階段劃分,可以分為偵察、決策、打擊3類任務(wù)能力指標(biāo)?；谡麄€(gè)作戰(zhàn)階段可以得到裝備體系的作戰(zhàn)能力為

(1)

細(xì)劃的階段任務(wù)作戰(zhàn)能力為

(2)

(3)

(4)

3.3 裝備體系作戰(zhàn)能力的排序比較

裝備體系作戰(zhàn)能力的排序方法主要有確定性和非確定性兩類[33],本文采用非確定性方法下的基于測度模型度量的可能度的方法對裝備體系作戰(zhàn)能力排序[34]。當(dāng)?(tm)和?(tu)均為實(shí)數(shù)時(shí),稱

(5)

為?(tm)>?(tu)的可能度。

(6)

(7)

利用vi的大小對各個(gè)指標(biāo)能力進(jìn)行排序。

3.4 信息熵法確定指標(biāo)權(quán)重

對于裝備Mi加入裝備體系時(shí),有m個(gè)指標(biāo)的排序向量構(gòu)成決策矩陣V為

(8)

對決策矩陣V進(jìn)行規(guī)范化處理,得到規(guī)范法矩陣R=(r)n×m,其中

(9)

式中:對于規(guī)范化排序向量rij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)為第Mi個(gè)裝備加入體系時(shí)的第j個(gè)指標(biāo)的排序向量元素值。對于指標(biāo)j、rij的差異越大,則對于指標(biāo)j進(jìn)行區(qū)分的信息越大,用信息熵度量其大小,其表達(dá)式為

(10)

計(jì)算階段任務(wù)指標(biāo)的權(quán)重向量αj為

(11)

總結(jié)上述針對多階段任務(wù)的裝備Mi所在裝備體系作戰(zhàn)能力評估方法的評估流程如圖5所示。具體的步驟流程可以總結(jié)如下。

圖5 裝備Mi所在裝備體系總作戰(zhàn)能力評估流程

步驟 1專家針對階段任務(wù)指標(biāo)體系的指標(biāo)能力落點(diǎn)區(qū)間進(jìn)行估計(jì),形成裝備體系評估指標(biāo)的作戰(zhàn)能力分布帶。

步驟 2通過裝備體系能力指標(biāo)落點(diǎn)區(qū)間分布計(jì)算階段任務(wù)作戰(zhàn)能力的落點(diǎn)區(qū)間分布。

步驟 3計(jì)算并比較不同裝備Mi裝備體系時(shí)的裝備體系總作戰(zhàn)能力大小,選擇能使裝備體系總作戰(zhàn)能力發(fā)揮最佳的裝備Mi。

4 評估示例

在某作戰(zhàn)演習(xí)中,紅方欲對藍(lán)方裝備T進(jìn)行有效打擊,構(gòu)造裝備體系如圖6所示。紅方有偵察裝備S1和S2,指揮決策裝備I1、I2和I3,打擊裝備Mi(i=1,2,3,4),其中打擊裝備Mi為察打一體裝備,紅方為保證能最大可能的掌握戰(zhàn)場主動(dòng)權(quán),實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場資源的最優(yōu)配置,在所有備選打擊裝備Mi中選擇出最合適的打擊裝備,構(gòu)建了適合實(shí)情的作戰(zhàn)方案。

首先,將裝備Mi(i=1,2,3,4)分別加入進(jìn)行打擊藍(lán)方裝備T,專家根據(jù)裝備Mi加入戰(zhàn)場后的裝備體系戰(zhàn)場表現(xiàn)結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn),對4個(gè)打擊裝備加入作戰(zhàn)體系后的各個(gè)階段的能力指標(biāo)進(jìn)行打分,如圖7所示。其“紅”線下端點(diǎn)高度代表體系的能力一定能達(dá)到的最小值,“紅”線上端點(diǎn)高度代表體系的能力可能達(dá)到的最大值。

圖7 不同裝備加入后裝備體系的指標(biāo)能力

為驗(yàn)證本文所提方法的有效性和可行性,取指標(biāo)能力落點(diǎn)區(qū)間的中間值加以驗(yàn)證,中間值位于指標(biāo)能力區(qū)間的中心位,能與裝備體系指標(biāo)能力落點(diǎn)區(qū)間分值保持良好的一致性,“紫”線代表指標(biāo)能力區(qū)間的中間值。

由式(6)和式(7)可得到4個(gè)裝備體系各項(xiàng)能力指標(biāo)的排序向量分別為:發(fā)現(xiàn)目標(biāo)能力V1=(0.281 3,0.164 1,0.210 5,0.344 1),跟蹤目標(biāo)能力V2=(0.270 4,0.310 6,0.294 0,0.125 0),目標(biāo)成像能力V3=(0.322 8,0.195 5,0.300 7,0.181 0),信息融合能力V4=(0.212 4,0.246 4,0.277 6,0.263 6),指揮人員認(rèn)知能力V5=(0.145 6,0.277 5,0.264 7,0.312 1),協(xié)同籌劃能力V6=(0.163 9,0.375 0,0.261 8,0.199 4),突發(fā)應(yīng)變能力V7=(0.350 6,0.218 4,0.241 2,0.189 8),軟毀傷能力V8=(0.288 0,0.242 7,0.219 9,0.249 4),硬毀傷能力V9=(0.182 0,0.228 1,0.234 3,0.355 6),精確毀傷能力V10=(0.343 1,0.203 4,0.185 2,0.268 3),排序結(jié)果如表1所示。

表1 4套打擊裝備分別加入裝備體系后指標(biāo)能力的排序

由式(8)可構(gòu)造決策排序矩陣Vs、Vd、Vt和決策中間值矩陣Vsm、Vdm、Vtm如下:

由式(9)～式(11)得到偵察階段任務(wù)下能力指標(biāo)、決策階段任務(wù)下能力指標(biāo)和打擊階段任務(wù)下能力指標(biāo)的權(quán)重如圖8所示。

圖8 指標(biāo)權(quán)重

表2 4套打擊裝備分別加入裝備體系后階段任務(wù)作戰(zhàn)能力的排序

圖9 4個(gè)裝備的階段任務(wù)能力值

由式(8)構(gòu)造階段任務(wù)的決策排序矩陣V和段任務(wù)決策中間值矩陣Vm如下:

由式(9)和式(10)得到偵察階段、決策階段和打擊階段任務(wù)的指標(biāo)權(quán)重如圖10所示。根據(jù)式(1),可以得到4個(gè)裝備的作戰(zhàn)能力如圖11所示。同理,根據(jù)式(5)～式(7),可以得到4個(gè)裝備的作戰(zhàn)能力的排序向量為Vf=(0.238 6,0.255 6,0.254 4,0.251 5),裝備體系總作戰(zhàn)能力的排序結(jié)果如表3所示。

表3 4套打擊裝備分別加入裝備體系后總作戰(zhàn)能力的排序

圖10 階段任務(wù)權(quán)重

圖11 裝備體系的作戰(zhàn)能力

通過上述案例可以看出,本文基于作戰(zhàn)環(huán)理論,提出針對多階段任務(wù)的裝備體系作戰(zhàn)能力評估方法與傳統(tǒng)中間值法評估結(jié)果排序一致,按照加入裝備序號構(gòu)建的裝備體系總作戰(zhàn)能力由高到低排序分別為2號,3號,4號,1號。兩種方法都表明,在對戰(zhàn)場態(tài)勢、戰(zhàn)場任務(wù)了解不充分的情況下,2號裝備的投入使用是當(dāng)前情況下最有利于戰(zhàn)場態(tài)勢發(fā)展的,這也說明了本文所提評估方法是有效、可行的。由圖8和圖10可以看出,本文利用信息熵結(jié)合指標(biāo)排序向量確定的權(quán)重線與利用信息熵結(jié)合指標(biāo)能力中間值確定的權(quán)重基本相等,表明本文所提方法不失一般性。由表1中的精確毀傷能力可以看出,本文所提方法相比傳統(tǒng)中間值法排序性更強(qiáng),表明本文所提方法更有利于為戰(zhàn)場裝備的優(yōu)先發(fā)展、配合作戰(zhàn)提供決策支撐,能使己方更大可能的占據(jù)戰(zhàn)場主動(dòng)權(quán)。

5 結(jié) 論

在對戰(zhàn)場態(tài)勢和作戰(zhàn)任務(wù)有充分了解后,仍然可以采用上述分析方法對整個(gè)裝備體系做出相應(yīng)的調(diào)整,使得己方在整個(gè)作戰(zhàn)過程中,始終占據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢的有利地位。

基于作戰(zhàn)環(huán)理論,從裝備體系的階段任務(wù)出發(fā),通過引用聯(lián)系數(shù)以及灰數(shù)帶概念,實(shí)現(xiàn)了同類型裝備加入作戰(zhàn)體系后裝備體系作戰(zhàn)能力的評估,不僅考慮了各個(gè)階段任務(wù)的完成情況,還考慮了總體作戰(zhàn)能力的變化,以及相應(yīng)鄰部作戰(zhàn)能力的動(dòng)態(tài)變化。該方法的物理意義優(yōu)勢明顯,不僅克服了裝備作戰(zhàn)能力指標(biāo)值本身只是一個(gè)的無量綱化相對值表達(dá)的困難,還通過灰數(shù)帶分布刻畫了各個(gè)指標(biāo)能力的動(dòng)態(tài)變化。本文利用信息熵法結(jié)合階段任務(wù)能力指標(biāo)的排序向量能夠客觀確定指標(biāo)權(quán)重,克服了因追求裝備體系總作戰(zhàn)能力而忽略階段任務(wù)作戰(zhàn)能力過低可能導(dǎo)致總作戰(zhàn)任務(wù)失敗的困難。另外,本文所提方法將待評估裝備納入作戰(zhàn)裝備體系,不僅考慮了單個(gè)評估裝備作戰(zhàn)任務(wù)的能力,還考慮了裝備體系作戰(zhàn)任務(wù)的全過程能力,使評估結(jié)果更加符合實(shí)際作戰(zhàn)的背景需求。