导弹预警反击作战体系构建与效能评估研究

郭小川， 陈桂明， 申军岭， 常雷雷， 刘鑫昌

(1. 火箭军工程大学 装备管理工程系, 陕西 西安 710025； 2. 91336部队)

导弹预警反击作战体系构建与效能评估研究

郭小川1， 陈桂明1， 申军岭2， 常雷雷1， 刘鑫昌1

(1. 火箭军工程大学 装备管理工程系, 陕西 西安 710025； 2. 91336部队)

针对预警反击作战体系构建中，打击手段多样化和体系结构低冗余性的需求问题，根据美国国防部体系结构框架理论，从军事需求到作战使命、作战活动、作战能力和武器装备进行了系统分析；根据作战环理论，提出了基于特征根的作战环计算方法和作战效能评估模型。以某型号导弹预警反击作战为例，对所提出的作战体系构建与效能评估方法进行了全面验证，并对评估结果进行了灵敏度分析和讨论。

效能评估；作战环；预警反击作战体系

导弹预警反击作战是指当敌方实施先发制人导弹打击时，我方导弹部队根据预警信息和反击作战命令，在敌方来袭导弹引爆前，完成导弹发射任务，达到打击敌方战略目标的作战模式[1]。预警反击作战能够改变遭受袭击后被动反击的战争局面，在军事上争取主动，提高我军战略力量的快速反应能力和战略威慑能力。我国历来奉行积极防御的军事策略，因此开展预警反击作战重点问题研究十分必要。开展预警反击作战效能评估研究需要解决2个关键问题：一是如何分析军事需求并构建预警反击作战体系；二是如何有效评估预警反击作战体系的作战效能。

目前军事需求分析的主要方法包括多指标综合法、仿真法和解析法等。多指标综合法容易操作，但分析结果完全根据专家知识获得，受人的知识局限性和多利益主体的影响[2]16-17。仿真法能够直观表达问题，便于定量分析，但是要求大量数据或精确模型进行建模，同时仿真结果的可解释性差[3]。解析法通过建模给出解析表达式，可信性强，但是对于系统输入输出关系和机理特征认识要求高，可行性不强[2]17-18。本文提出基于美国国防部体系结构框架(Department of Defense Architecture Framework，DoDAF)理论，进行军事需求分析并构建预警反击作战体系。

作战效能衡量作战体系中所有节点所发挥的整体效用。作战体系效能评估理论研究与应用是武器装备体系研究的重要内容之一。美国开发并应用了计算探索模型等决策支持模型以及高层体系结构，英国、法国也相应开发作战建议系统和海上作战指挥决策系统对作战体系效能进行评估[4]。国内学者多侧重基于作战对抗仿真的作战体系效能评估研究，对基于网络的作战体系建模与优化研究较少[5]。作战环是阐述和研究作战过程流程的经典模型[6]。本文提出基于作战环的武器装备体系作战效能评估与优化，统筹整体与局部关系，考虑指控、侦察、打击节点实体数量的增减对武器装备体系作战效能的影响，得出预警反击作战体系作战效能最大时各节点实体数量的最优配置。

1 预警反击作战体系构建方法

DoDAF采用多视图方法对预警反击作战体系进行建模，为不同利益相关者提供规范化、统一化的交流平台，其“使命—任务—能力—装备”的体系结构建模过程符合预警反击作战军事需求分析的逻辑[7]。基于DoDAF的预警反击作战体系构建基本思路,如图1所示。

图1 基于DoDAF的预警反击作战体系构建方法

第一步：分析军事需求，形成作战使命。应用DoDAF将作战使命进一步细化为高级作战概念图，使其形象化和具体化。

第二步：将作战使命细分为若干具有时序关系的作战任务，并将各作战任务进一步分解，得到更具体的作战活动。

第三步：建立作战任务(活动)与能力之间的映射关系(任务到能力映射矩阵)，并进一步将能力分解为子能力和相关性能指标。

第四步：建立能力与装备系统之间的映射关系(能力到系统映射矩阵)，得到完成预警反击作战所需的装备系统。

2 基于作战环的预警反击作战效能评估方法

2.1 作战环

作战环是指为了完成某项作战任务，作战体系中的侦察监视节点(Surveillance，S)、指挥控制节点(Decision，D)、作战打击节点(Influence，I)的装备系统实体与敌方目标(Target，T)实体通过各节点的相互作用形成的单向边链接所构成的闭合回路，若干个作战环构成一个复杂的作战体系网络[8]。作战环将武器装备体系抽象为包含组成体系的要素和要素之间关系的网络，对作战过程的描述与抽象，具有有向性、闭合性、时效性、动态性等特点[9-10]。作战环数量表示可选择的作战路径，体现出整个作战体系的作战能力。

2.2 基于特征值的作战环计算

(1)

式中，N表示网络中实体的总数量。

(2)

(3)

所有长度的作战环数量为

(4)

基于式(4)，当增加预警反击作战体系中节点的数量时，作战环的数量也会随之增加，进而形成更多对敌打击链路，预警反击作战体系的鲁棒性增强，将更有利于完成作战使命和作战任务；但是同时，无限制地增加预警反击作战体系中各类节点的数量，也会导致体系的构建出现成本高、体系结构冗余等问题，因此需要通过对其效能的评估来优化体系结构。

2.3 作战效能计算

基于2.2节提出的作战环模型，本节中作战效能指的是指控、侦察、打击节点对于预警反击作战体系发挥整体作战效能的贡献程度。因此，在谭跃进[11]、张春华[4、12]]、张小可[11-12]等人已有的研究成果基础上，提出评估体系作战能力的效能指标

(5)

3 实例分析

3.1 导弹预警反击作战体系建模

第一步：构建高级作战概念图，如图2所示。

图2 预警反击作战体系高级作战概念视图

第二步：分解各作战活动得到预警反击作战活动分解视图，如图3所示，其中各作战活动如表1所示。

图3 预警反击作战体系作战活动分解视图

第三步：基于表1所示的15项作战活动及所需作战能力，建立作战活动与能力的映射关系视图，如图4所示。

第四步：基于图4中得到的4项作战能力及支撑该能力的装备系统，建立能力到装备系统映射视图，如图5所示。

结合作战环理论，各类节点及节点所配置的装备系统协同完成预警反击作战任务，具体分析如下：

打击节点包含若干导弹发射单元，假设为6个导弹发射单元。导弹发射单元1、2和3的作战指令由战区导弹作战指挥机构下达，导弹发射单元2到6的作战命令由全军作战指挥机构下达。指控节点包含3个实体，即全军作战指挥机构、战区导弹作战指挥机构和情报中心。侦察节点主要包括天基红外系统、超视距预警雷达、弹道导弹早期预警雷达、地基X波段多功能雷达以及预警机等武器装备系统。天基红外系统探测来袭导弹助推段飞行的尾焰预警，向情报中心和弹道导弹早期预警雷达传送有关信息；超视距预警雷达探测来袭导弹早期飞行状况，向情报中心传送来袭导弹飞行状态数据，为弹道导弹早期预警雷达精确跟踪提供信息。地基X波段多功能雷达依据弹道导弹早期预警雷达的信息导引，精确识别和跟踪来袭导弹。预警机对处于雷达预警系统盲区的超低空目标进行预警探测和跟踪识别[13]。天基红外系统和弹道导弹早期预警雷达承担早期预警识别和引导其他侦察实体任务，是侦察节点不可缺少的装备系统。

图4 活动到能力映射关系视图

图5 能力到装备系统映射关系视图

本文所假设的各节点实体数量为一次预警反击作战的最小战斗规模。根据实际情况可选择对不同规模的作战体系进行评估和优化。

预警反击大规模作战中，发射单元和侦察监视实体的数量成百上千，作战指挥机构实体数量也将数以十计。同时发射单元、侦查监视实体以及作战指挥机构都有大量保障装备和决策、评估系统等。基于本文提出的方法，利用计算机编程，能够实现在短时间内优化大规模作战体系，消除内部冗杂，并迅速评估其作战效能。为便于说明，本文构建具有6个打击实体、5个侦察实体和3个指控实体的预警反击作战环网络模型，如图6所示。

图6 预警反击作战环网络图

3.2 预警反击作战体系效能评估

以打击节点为例，计算图6所示预警反击作战体系的作战效能。

第一步：构造实体的邻接矩阵A，如表2所示。

表2 邻接矩阵A

3.3 预警反击作战体系效能灵敏性分析

1) 打击节点。计算不同打击实体数量下预警反击作战体系的作战效能，如图7所示。导弹发射单元1、2和3共同完成使命任务时，作战效能最大；进一步增加导弹发射单元时，虽然作战环的数量增加，可选择路径增加，但作战效能开始递减。故该作战环中具有导弹发射单元1、2和3时，其作战效能达到最大化、结构趋于最优。

图7 不同数量打击实体对应的作战环数量和作战效能

2) 指控节点。由打击节点作战效能评估知，打击节点有3个导弹发射单元时，该网络结构趋于最优。计算打击节点数量最优配置时不同数量指控实体作战效能，如图8所示。指控节点配置情报中心、战区导弹作战指挥机构和全军作战指挥机构时，比配置情报中心和全军作战指挥机构(或战区导弹作战指挥机构)时作战效能大幅增加。因此，指控节点应配置3个指控实体。

图8 不同数量指控实体对应的作战环数量和作战效能

3) 侦察节点。在预警反击作战体系中，天基红外系统和地基X波段多功能雷达是侦察节点不可或缺的侦察实体，与其余3种侦察实体共有8种可能的组合，计算打击节点和指控节点数量最优配置时不同数量侦察实体的作战效能，如图9所示。作战效能随着侦察实体数量增加而波动，由于各个侦察实体的作用不同，配置相同数量的侦察实体时，作战效能随之变化。当配置天基红外系统、超视距预警雷达、弹道导弹早期预警雷达和地基X波段多功能雷达4个侦察实体时，效能达到最大值。进一步增加侦察实体数量，其作战效能下降。故该作战环网络中侦察节点配置天基红外系统、超视距预警雷达、弹道导弹早期预警雷达和地基X波段多功能雷达4个侦察实体时效能达到最大。

图9 不同数量侦察实体对应的作战环数量和作战效能

3.4 讨 论

1) 受作战环网络模型中连接关系的影响，同一节点内的不同实体在预警反击作战中作用不同。如图7所示，打击节点中受指控关系越多，作用影响就越大，导弹发射单元1、2和3受到指控关系最多，组合影响最大。

2) 由于不同实体在预警反击作战中作用不同，其增加对作战效能的贡献不同。如图9所示，地基X波段多功能雷达的缺失会导致体系的作战效能大幅降低。如图8所示，指控节点的3类实体相互配合才能发挥体系的最大作战效能。

3) 一味快速扩张作战体系规模，增加各节点实体数量而不注重体系内部结构优化，作战效能不会随节点实体数量的增加而成比例增加。在完成作战任务的基础上，应该把握整体与局部的关系，优化内部结构，最大化整体效能。

4 结 束 语

本文提出了基于DoDAF和作战环的预警反击作战体系作战效能评估方法。通过DoDAF方法建立预警反击作战体系的各类视图，构建预警反击作战环网络模型，给出基于特征值的作战环计算方法，建立作战网络效能评估数学模型。实例计算了不同数量指控、侦察、打击节点实体下预警反击作战体系的作战效能，得出该体系下各类节点实体数量的最优配置，可用于指导预警反击作战体系的建设和作战运用。该方法也可用于评估联合部队编成后的战斗力，可依据节点实体数量增长的不同，快速计算出作战体系整体作战效能增加程度，为训练模拟平台评估作战双方战斗力提供方法。

作战响应时间是预警反击作战中的另一个重要指标。下一步研究将考虑对模型中的边赋权重以度量预警反击作战中作战响应时间指标，并加入专家知识和统计数据，评估预警反击作战环网络模型的作战效能，更加符合实际地优化配置作战体系要素。

References)

[1]杨诚，项勇，张立刚，等.基于DoDAF和Petri网的预警作战体系研究[J].计算机工程与应用,2015,51(5):44-49.

[2]郑涛.基于作战环的炮弹结合防空武器系统作战效能评估[D].长沙:国防科学技术大学,2013：16-18.

[3]程贲.基于能力的武器装备体系评估方法与应用研究[D].长沙:国防科学技术大学,2012：11-14.

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[12]张春华,张小可,邓宏钟.一种基于作战环的作战体系效能评估方法[J].电子设计工程,2012,20 (21):62-68.

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(编辑：李江涛)

Construction of Missile Early-warning and Counter-attack System and Effectiveness Evaluation

GUO Xiaochuan1， CHEN Guiming1， SHEN Junling2， CHANG Leilei1， LIU Xinchang1

(1. Department of Equipment Management Engineering, Rocket Force Engineering University， Xian Shaanxi 710025, China；2. 91336 Troops, China)

To meet demand on diversification of combat and low redundancy of system structure in the construction of early-warning and counter-attack system, with the system structure framework theory brought by the Department of Defense, the papers conducts systematic analysis from operational purpose, operational activities,operational capability and weapon system; based on operation loop theory, the paper proposes an operation loop computation method and operation effectiveness evaluation model based on the characteristic root; taking the early-warning and counter-attack system by a certain model of missile, the paper verifies the proposed operational system construction and effectiveness evaluation method and then conducts sensitivity analysis and discussion for the evaluation result.

effectiveness evaluation; operation loop; early-warning and counter-attack system

2016-04-14

国家自然科学基金资助项目(71201168; 71401167; 61403404)

郭小川(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向为国防项目管理。chshuguoguo@sina.com 陈桂明，男，教授，博士生导师。

E252

2095-3828(2016)06-0075-07

A DOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2016.06.015