基于SEA方法的网络雷阵体系效能分析*

孙宝全 颜 冰

(海军工程大学兵器工程系 湖北 430033)

基于SEA方法的网络雷阵体系效能分析*

孙宝全 颜 冰

(海军工程大学兵器工程系 湖北 430033)

网络雷阵是适应现代化战争的需要,效能评估对网络雷阵的构建配置具有重要的指导意义。利用SEA方法建立了网络雷阵系统效能评估模型,将雷阵系统工作过程与使命任务紧密地结合在一起,提出了雷阵系统的三个主要性能量度MOP,分别建立其系统映射和使命映射,得到网络雷阵的SEA动态效能评估方法,为网络雷阵的作战使用提供了理论依据。

网络雷阵; 效能评估; 性能量度; 系统效能

Class Number TN593

1 引言

随着现代信息技术迅猛发展,现代化战争呈现出体系化对抗的趋势,网络雷阵应运而生。网络雷阵就是通过网络连接分布在广阔区域内的各类型传感器装置、水雷武器而形成的具有强大信息优势的作战系统。如何对其进行有效的性能评估对网络雷阵的构建使用、配置优化等具有重要的指导意义[1]。

由美国麻省理工学院A.H.Levis与Vincent Bounthonnier于20世纪80年代中期提出的SEA方法因具有较强的分析能力和较广的适用范围而日益受到重视,其本质是通过将系统的实际运行状态与系统使命相联系,通过比较系统运行轨迹与系统使命轨迹相符合的程度来衡量其系统效能。符合程度越高,效能越高,反之亦然。本文利用SEA方法对网络雷阵的系统效能进行分析。

2 SEA方法的基本思想及步骤

SEA方法将系统置于一定的环境中运行,用一定的原始参数描述其运行状态,由于环境中各种随机因素的影响,系统的运行状态不止一个,当系统的一个或多个状态满足使命要求的时候,可以认为系统的这一状态可以完成使命任务。由于系统运行时的随机性,系统落入可以完成任务的状态是一个随机事件,而随机事件的概率就反应了系统的效能。为将系统在任意状态下完成任务的情况与使命要求相比较,需将二者置于同一性能量度空间{MOP}。SEA方法基于六个基本要素：系统、使命、环境、原始参数、性能量度以及系统效能,前三个要素用于提出问题,后三个要素用于分析问题。其评估的基本流程如图1所示。

图1 网络雷阵SEA方法效能评估步骤

首先定义系统、环境和使命,并确立相互独立的原始参数。然后确定性能量度空间,系统性能量度由原始参数的子集确定,可以表达为原始参数的函数,系统的某一运行状态可由性能量度空间的一个点来表示。根据系统在环境中的运行状态和特点,建立系统和使命到性能量度空间的映射,即系统性能量度和使命性能量度,将系统性能量度与使命量度关联对比计算得到系统效能[2～4]。

3 网络雷阵系统效能分析模型

SEA方法本身的步骤只具有方法论上的意义,进行评价时需具体模型具体分析。下面利用SEA方法对网络雷阵模型进行系统效能分析。

3.1 雷阵系统、环境、使命任务

系统——网络雷阵系统,包括信息感知网、指挥决策网、作战网。信息感知网主要由各类型传感器节点组成,负责监控海区,感知信息;指挥决策网由融合决策节点组成,负责对目标判决、定位跟踪及攻击决策;作战网由各水雷节点组成,完成最后的攻击任务。

环境——指具体的作战想定,包括战场自然环境和雷阵监控区域。

使命——有效地监控作战海区,及时发现目标、跟踪定位目标,并对目标实施打击摧毁。

3.2 雷阵系统效能量度空间

整个雷阵的系统效能指标体系层次结构如图2所示,仅选取影响效能的主要因子。

图2 网络雷阵系统效能指标

根据系统效能指标体系可确定系统效能的性能量度空间{MOP},包括三个部分：雷阵网络生存能力指标MOP1,雷阵网络信息处理能力MOP2,雷阵网络攻击能力MOP3。

3.3 雷阵系统映射

系统映射是根据系统的结构和参数,及其作战规律建立的。根据性能量度空间建立系统性能量度映射。

3.3.1 雷阵网络生存能力指标MOP1的系统映射

网络雷阵的生存能力主要包括两方面的内容,网络的可靠性和网络的连通性。而这两者都与每个节点的有效性息息相关,对单个节点的有效概率[5]：

1) 节点在任意时刻处于正常工作的概率PA

(1)

式中,MTBF为节点平均故障间隔时间;MTTR为节点平均修理时间。

2) 节点在任意时刻处于可信状态的概率PK

PK(t)=e-t/MTBF

(2)

式中,t为节点执行探测任务的时间。

节点有效概率PSK为

PSK=PAPK

(3)

系统映射MOPS1为

(4)

3.3.2 网络信息处理能力指标MOP2的系统映射

网络信息处理能力由五部分组成,其中目标判别能力及目标跟踪定位能力主要由网络融合中心对情报源的融合处理能力决定,所以网络信息处理能力系统映射MOPS2应是发现目标能力MOPS21、网络融合中心融合处理能力MOPS22、信息处理时效性MOPS23和信息处理准确性MOPS24的组合。

MOPS2=MOPS21×MOPS22×MOPS23×MOPS24

(5)

1) 发现目标能力MOPS21

发现目标能力是由网络覆盖范围和在覆盖的情况下检测概率确定的。以水雷引信为例,采用Neyman-Pearson准则进行二元假设检验,设检测门限为K,引信的检测概率为

(6)

由于网络的信息融合作用可以增大发现目标能力,定义MOPS21为

MOPS21=αPD

(7)

其中α为发现目标能力增长系数。

2) 网络融合中心融合处理能力MOPS22

在网络雷阵中,检测发现目标仅仅是第一步,更重要地是判别目标真伪,并对目标实施精确跟踪定位,这些主要由网络融合中心的处理能力决定。融合中心对第i个情报源的融合处理效率为[5]

PFi(t)=α+β(1-e-ωt)

(8)

式中:α为融合决策子域的处理能力;ω为融合决策子域的处理准确度;0<α+β≤1为融合决策子域信息处理能力的最大值。

式中参数的确定需要试验获得。融合决策子域对k个情报源融合处理效率PFF为

(9)

所以定义网络融合中心融合处理能力MOPS22为

MOPS22=PFF(t)

(10)

3) 信息处理时效性MOPS23

信息处理时效性的系统映射主要体现在系统时延,包括目标信息获取时延、信息处理时延、辅助决策时延、信息传输时延等分别用ti(i=1,2,3,4)表示以上时延,则系统时延可以表示为[6～7]

(11)

Δt越小,系统反应速度越快,对战势越有利。假设战术上所能承受最大的时延时间为tmax,则可定义信息处理时效性MOPS23为

(12)

4) 信息处理准确性MOPS24

雷阵网络在处理信息的时候会不可避免地引入相关误差,包括节点间的定位误差σL,时间同步误差σt,对目标参数的估计误差σf,水雷节点导航精度误差σd等,网络雷阵多采用特种水雷,如定向攻击水雷等,误差对水雷节点攻击目标有不可忽视的影响,误差越小,攻击准确性越高,越有利于水雷节点击中毁伤目标。定义信息处理准确性MOPS24为

MOPS24=f(σt,σf,σL,σd)

(13)

3.3.3 雷阵网络攻击能力指标MOP3的系统映射

现代海战对网络雷阵提出了大范围封锁、远距离精确打击的要求。传统水雷锚雷、沉底雷、漂雷等已不能满足要求,所以网络雷阵通常采用特种水雷才能发挥其应有的效能[8～9]。网络雷阵对目标的攻击能力主要由水雷节点的打击覆盖范围和节点的命中概率决定。为提高水雷节点对目标的命中概率,作战中多采用1～3枚雷节点同时对目标实施攻击,若一枚雷的命中概率为Pm,则n(n=1,2,3)枚雷的命中概率为

(14)

系统映射MOPS3可定义为

(15)

式中β为水雷节点覆盖范围系数。

3.4 雷阵的使命映射

对网络雷阵的使命要求是：结合使命任务和战场环境,合理配置传感器节点和水雷节点,有效发现目标,有效判别,精确跟踪定位,精确打击并毁伤目标。

3.4.1 雷阵网络生存能力指标MOP1的使命映射

根据网络雷阵的任务,网络雷阵的生存能力是完成使命的基础,保证网络的完整性是获取信息优势,决策优势的基础。所以雷阵的生存力指标必须高于一定的阈值ε,低于这个值,网络的完整性受到破坏,网络易瘫痪,雷阵完成任务的几率会大大降低,所以MOPm1的值域应为[ε,1]。

3.4.2 雷阵网络信息处理能力指标MOP2的使命映射

结合具体的战场想定,雷阵发现目标的概率不低于阈值ω1,融合中心处理信息的能力不低于ω2,信息处理精度不低于最低战术精度ω3,信息处理的时效性不低于ω4(可参考目标通过防区的时间确定),所以雷阵网络信息处理能力指标使命映射MOPm2的值域限定在[ω1×ω2×ω3×ω4,1]。

3.4.3 网络雷阵攻击能力指标MOP3的使命映射

水雷节点对目标实施攻击是网络雷阵工作的最后一环,也是将网络雷阵的信息优势和决策优势转换为行动优势的一环,为保证行动的质量,水雷节点对目标的命中概率不能低于阈值φ,所以雷阵网络攻击能力指标使命映射MOPm3的值域定义在[φ,1]。

3.5 系统效能计算

将系统性能量度与使命性能量度关联对比计算得到系统效能。

(16)

(17)

(18)

E=k1E1+k2E2+k3E3

(19)

式中k1,k2,k3为权重系数,可由专家评估法、离差最大化法[10]等多种方法综合得出。

4 结语

本文利用SEA方法建立网络雷阵系统效能评估模型,模型将雷阵系统工作过程与使命任务紧密地结合在一起,体现了系统作战的特点。但网络雷阵是一个复杂的系统,而且处于概念的探索阶段,本文的效能评估模型对网络雷阵的构建具有一定的指导意义,但仍需根据网络雷阵的进一步研究探索而改进完善。

[1] 颜冰,孙宝全.网络雷阵的体系效能评估方法初探[J].水雷战与舰船防护,2013,21(2):12-17.

[2] 陈书恒,王夷,赵雷鸣.SEA法在航空电子战体系效能评估中的应用[J].电子信息对抗技术,2011,26(5):71-75.

[3] 程燕,陈之宁,王鹏,等.基于SEA的炮兵声测和雷达组网的作战效能分析[J].火力与指挥控制,2009,34(5):78-81.

[4] 齐玲辉,张安,郭凤娟,等.战术弹道导弹系统效能评估SEA法的建模与仿真[J].系统仿真学报,2013,25(4):795-799.

[5] 陈立新.防空导弹网络化体系效能评估[M].北京:国防工业出版社,2007:128-134.

[6] 胡绍华,周延安.用SEA法分析地对空雷达对抗系统的时效性[J].电子对抗技术,2005,20(1):39-42.

[7] 卢盈齐,张平定,祝长英.用SEA法分析预警机指控系统的时效性[J].现代防御技术,2003,31(4):31-34.

[8] 韩鹏,李玉才.水中兵器概论(水雷分册)[M].西安:西北工业大学出版社,2007:144-156.

[9] 厉海洋.水雷作战平台与引信网络[J].水雷战与舰船防护,2006(3):19-23.

[10] 马永红,周荣喜,李振光.基于离差最大化的决策者权重的确定方法[J].北京化工大学学报,2007,34(2):177-180.

System Efficiency Study for Network of Mine System Based on SEA Method

SUN Baoquan YAN Bing

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Network of mine system is created to adapt to the need of modern war. Evaluation of effectives is of guiding significance for its build configuration. Efficiency evaluation model is build based on SEA method. Course of work and mission statement are closely combined. Three main measure of performs MOP are proposed, and their system mapping and mission mapping are built. Method of SEA, dynamic evaluation of effectives for network of mine system is to provide theoretical basis for the applications of network of mine system.

network of mine system, evaluation of effectives, measures of performance, system effectives

2014年5月6日,

2014年6月17日 作者简介:孙宝全,男,硕士研究生,研究方向:武器系统运用与保障工程。颜冰,女,博士,教授,博士生导师,研究方向:水下目标信息探测与应用。

TN593

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.037