两栖编队作战体系的过程建模分析

孟一鸣，刘永辉，阳东升，2

（1.海军兵种指挥学院，广东 广州510431；2.国防科技大学 C4ISR技术重点实验室，湖南 长沙410073）

美海军“21世纪海上力量”战略构想中描述的远征打击群可以在远离本土的海域进行作战。近年来，随着我国海洋利益不断拓展，组建一支可以完成远海作战使命的两栖编队迫在眉睫，因此对两栖编队作战体系进行研究意义重大。

作战体系的过程建模是解决体系问题的方法，并已在多个领域中成功应用，典型的应用如美军分布式信息系统、后勤补给系统、生产与配送系统等等。本文运用过程建模方法来分析两栖编队作战体系，探讨未来两栖编队能否完成远海作战使命。

1 两栖编队的描述

两栖编队相对于传统的两栖作战部队，具备更强大的火力，更灵活的战场机动性和更少的反应时间。两栖编队包括大型两栖作战舰艇、驱逐舰、护卫舰和核潜艇，其中两栖作战舰艇利用舰载直升机和气垫登陆艇实施立体兵力投送支援两栖作战；驱逐舰和护卫舰组成水面打击群可以实施反潜战、反舰战和对岸打击作战；核潜艇可以实施监视作战、反潜战、反舰战等。另外，两栖编队中的大型两栖作战舰艇携带了大量的武器、弹药和装备，可以为登陆部队和友邻部队提供后勤补给，在执行特殊任务时，两栖编队有能力实施兵力重组。

2 基于UML的体系过程建模分析方法

体系的过程建模工具包括基于统一建模语言（UML）的体系过程相关视图和在此基础上构建的体系端到端面向对象的可执行模拟模型。体系的过程建模分析方法是系统工程方法的拓展，遵循如下步骤[4，5]：

（1）确定体系想定环境与运行结构，就是确定具体想定环境中的组织、系统和运行目标。

（2）确定体系线程，就是确定在一个或多个系统中触发过程初始化的事件，以及确定在逻辑终点到达的时候触发体系后续过程的事件。

（3）采用UML“泳道”图描述体系，如图1所示。图1中描述了体系及体系间元素的交互。系统元素包括个体、组织等，元素间的交互行为包括信息的传递或物质的传输。图1中的交互流从逻辑起点到终点，类似于软件系统的线程，因此，这种体系的交互视图可以借用UML的“泳道”图来描述。对复杂系统问题的研究通常采用面向对象的方法，主要是对每一个系统进行建模，把系统元素看作对象，系统内或系统间的交互看作对象间信息的传递。

（4）确定体系设计因素。在体系交互视图转换成可执行模型之前，必须确定合适的体系，通常我们使用不同的目标函数代表不同的系统变量，这里系统变量就是设计因素。构建体系要确定其设计因素，而设计因素是多种多样的，不同设计因素在不同层次上的组合描述了不同的体系。

（5）体系过程视图转换成可执行模型。在以上步骤中，系统元素以图标形式进行描述（如图1所示），图标的不同组合描述了不同的系统功能，图1是单一图标模型，这些图标的组合描述了体系的分布模型。

体系模型是以组件的方式构建，其设计因素可以用对象模型进行描述，一般通过重组对象和设置对象属性变量来描述体系。本文采用实验设计的方法开发体系的可执行模型，一旦系统设计因素和因素状态确定，就可以确定体系模型和分析的所有设计选项。设计选项通常非常多，本文采用直角矩阵排列的方法确定所需的变量或设计因素空间，这里给出足够的信息描述体系的组合排列，目的是最优化变量和目标函数。在采用单目标函数能够进行体系优化时，采用直角矩阵的方法降低体系建模的难度能收到较好的效果。直角矩阵排列的特征是排列的任意两栏包含了设计因素状态所有可能的组合，如图2所示案例。

模型的分析如下：通过层次和设计因素的组合，得到模型所有可能的运行情况，对其目标函数值求和，然后除以运行的次数即为模型运行的平均值。

记R（F1a，F2b，F3c）表示设计因素1在层次a（F1a）上，设计因素2在层次b（F2b）上，设计因素3在层次c（F3c）上的模型模拟运行结果。

在层次1上的设计因素1，其模型运行的平均值为：{R（F11，F21，F31）+R（F11，F22，F32）}/2

在层次2上的设计因素1，其模型运行的平均值为：{R（F12，F21，F32）+R（F12，F22，F31）}/2

以上案例中，在给定层次上设计因素的F1模型分析包含了设计因素F2和F3对所有可能层次的影响。因此，设计因素F1独立于其它的设计因素，这就是直角排列的特性。

图2中的四种模型都不必是设计因素与层次的最佳排列，但是，通过对运行结果的分析将表明目标函数（在每个设计因素上层次的选择）之间的依赖关系，设计因素和层次的排列将产生一个最佳的体系配置。

（6）模拟运行并分析结果。

3 两栖编队作战体系过程建模

3.1 两栖编队作战体系的描述

以两栖编队远海作战为例，传统的两栖部队在执行作战使命前需要在滩头集结和组织部队，然后实施下一步行动。未来两栖编队远海作战可以在海上进行部队集结和装备补给，然后越过滩头直达作战目标。

案例中存在三种体系结构：现有体系结构、计划体系结构和概念体系结构，如表1所示。现有体系结构是以传统两栖部队作战概念为基础；计划体系结构是以新的作战概念为基础；概念体系结构是在计划体系结构基础上引入新概念的部队运输和投送工具。案例研究的主要目的是分析两栖编队的计划体系结构和概念体系结构能否完成远海作战使命。

表1 两栖编队的作战体系

3.2 两栖编队作战体系过程建模分析

两栖编队在完成远海作战使命时要考虑部队、装备和补给的生存性、可靠性、可维护性以及费效比。因此两栖编队作战体系的设计因素主要是兵力投送和部队补给的速度，具体包括部队、装备与补给的投送途径、运送速度和后勤效率；噪声因素包括天气与海况、航道障碍、弹药与补给的消耗率、战斗损耗等。

文献6采用离散事件模拟工具（EXTENDTM）建立端到端的体系模型，EXTENDTM工具可以准确地描述系统的功能、层次、延迟和特性，所建立的模型可以模拟体系的所有过程，为我们提供了一种研究体系因素和体系交互的方法。为了系统地研究两栖编队作战体系和其影响因素，本文借鉴文献6中的方法构建两栖编队作战体系模型，如图3所示，模型包含了两栖编队远海作战所有可能的过程。

图3中描述了整个两栖编队远海作战过程中结点以及结点间的部队、装备和补给的流动，其中包含两种投送途径：一是部队、装备和补给经由滩头组织集结到达目标，二是越过滩头直达目标，因此文章建立两个模型。

第一个模型描述两栖编队从本土出发，在海上进行兵力展开，在滩头进行部队集结、组织，最后到达作战目标；第二种模型取消了滩头阵地，而采用在海上进行部队集结和装备补给，然后在集结区域直接向作战目标投送部队、装备和补给，两种模型的模拟时间为90天。计划体系结构和概念体系结构的主要差异在于使用装备的不同，因此在第二种模型中需要设置不同的参数来描两种体系结构中不同的装备。模拟设计运行96次，模型的输入包括：

（1）部队的投送计划，即从部队集结到向岸投送的波次；

（2）补给的消耗率，食物、水、弹药和油料的消耗率依赖于作战强度，这些资源的消耗可以看作是部队数量和车辆使用的函数；

（3）可获取资源和补给，通常对这些资源和补给物质加以分类，以简化执行和对输出结果的解释，例如，把不同卡车类型看作单一的卡车对象加以对待；

（4）噪声因素，包括损耗、天气、雷障和消耗率；

（5）设计因素，包括体系结构、投送方式和目标距离。

实验设计见表2，模拟主要目的是分析设计因素和噪声因素对两栖编队远海作战的影响。

表2 两栖编队远海作战的实验设计

3.3 模拟结果

两栖编队在远海作战过程中实施兵力投送有两个阶段：第一阶段是使用两栖编队集结的投送平台进行兵力投送，第二阶段是使用后勤舰艇投送剩余兵力，这两个阶段既可以使用两栖编队现有体系结构中的两栖作战舰艇抢滩登陆，也可以使用计划体系结构或概念体系结构中的两栖舰船完成使命。

首先分析第一个阶段中每种体系结构两栖编队的投送能力，图4中的先头部队水平指在部队增援之前依靠两栖编队投送的兵力数量；预期部队水平指部队的总体投送能力，这时投送的兵力不仅来自两栖编队投送的部队，也来自后勤舰船投送的部队。

有两个指标可以评估第一阶段各个体系结构的性能，第一个指标是从作战开始到投送先头部队到作战目标所需的时间；第二个是投送预期部队的时间，意思是投送两栖编队搭载的80%部队、装备和补给到目标所需的时间。图4表示投送先头部队和期望部队水平所需的时间，图4中波动和衰减的原因是部队的消耗和装备的损耗。

考虑了设计和噪声因素以后，对三种结构进行模拟仿真，结果如图5所示，可以看出无论采用高速船还是低速船进行投送，概念体系结构都比计划体系结构和现有体系结构具有更好的投送效果，这里补给方式并不能影响结果。概念结构可以快速投送先头部队上岸，而其它体系结构需要花费更长的时间。这是由于概念体系结构中的装备具有很高的运输速度，可以花费更短的时间把部队投送到作战目标。

再分析上岸部队的持续力，本文采用的方法是比较分别投送到滩头阵地和作战目标的补给所能维持部队的天数，采用每天消耗补给类别的加权均方差作为指标，补给类别有食物、水、油料和弹药，均方差反应了三类补给相对预期水平的趋势和变化性，加权均方差等于三种资源的均方差平均数。图6表示对现有体系结构中补给的油料、食物和弹药的维持水平随时间产生的变化。图6中图形的振荡是由补给消耗和补给延迟导致。对于文中构建的两栖编队作战体系过程模型，作战目标的补给水平和上岸部队补给的消耗率需要对作战目标重新进行补给。结果表明现有体系结构部队持续力最高，同时计划结构也可以支援岸上作战部队，前提是天气状况良好。滩头阵地可以运输补给资源直达作战目标而不受到天气或敌人行动的影响，并可以在作战目标维持至少4天的作战行动，而计划体系结构则需要良好的天气条件，一旦天气恶化，通过两栖编队在海上送达作战目标的补给资源就会减少。如果运输机具有更好的海上控制和运输能力并不受天气的影响，计划体系结构就可以与现有体系结构具有同样的效果。

最后分析两栖编队支援作战能力。仿真采用四种作战目标距离，分别是58、108、158、208海里。作战目标距离的增大使部队投送的时间增大，我们关心的是对于不同的作战目标距离岸上部队的维持能力。后勤补给的变化率作为模拟的输出，它是作战目标距离的函数，图7是计划体系结构在作战目标距离158海里的仿真结果。结果显示补给天数的均方差是作战目标距离和作战目标进行重新补给所需的最大时间的函数。均方差随着作战目标距离增大而增大。可以看出两栖编队有能力在距离作战目标58和108海里处支援作战，而在158海里处只能维持30天，在208海里只有20天，这是因为两栖编队没办法进行油料补给，难以完成高消耗的使命。

经过模拟仿真，给出了三种两栖编队作战体系的性能分析和对于不同设计因素和噪声因素的灵敏度分析，得出两栖编队可以完成远海作战使命的结论，这对未来海军远海作战体系研究具有指导意义。

4 结束语

本文基于UML的体系过程建模思想，提出了一种作战体系的验证分析方法。在体系过程建模方面，运用统一建模语言对体系过程建模进行描述；在模型的设计上，采用了直角矩阵排列方法。以未来两栖编队完成远海作战使命为例，针对编队三种作战体系，分析两栖编队体系模型的性能，得出两栖编队可以完成远海作战使命的结论。

本文通过体系过程建模来验证两栖编队作战体系的性能优劣，在模拟仿真的设计方面还存在一些问题，比如对作战体系的设计还不够完善，对作战体系的验证分析还需要深入研究模拟过程的数据，这些都是论文下一步的研究工作。

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