网络化火控系统发展概述及效能评估分析

张 帆

（北京理工大学，北京 100081）

0 引言

随着计算机技术、通讯技术和网络技术等新兴技术的迅猛发展，使得传统的战争形态、军事思想和军队建设发生了重要而深远的变化。为了掌握更精确的战场信息、缩短火控系统的反应时间，对网络化火控系统的研究越来越受到人们的关注［1-2］。目前传统的功能集中的火控体系结构因受多种因素影响不再适应新形势下的作战要求［3］。信息化、精确化的火力正取代传统的火力；精确、高效和单发运用火力的方式正取代传统的密集火力。现代战争中强火力不再简单地指火力密度和速度，而更是指火力的及时性、精确性和高效性。这种变化使精确作战在战争中出现，是一种建立在“信息”与“火力”融合基础上的作战方式，是以信息技术、精确技术为核心的打击系统间的对抗［4-5］。因此，为最大程度发挥系统中各作战单元的总体作战效能，需要利用开放式的体系结构和网络化系统的理论与方法来构建新的火控系统，使得原来单一的火控体系转变为指挥控制与火力控制一体化的网络化火控系统，提升未来武器系统火控系统的作战能力、可靠性、可维护性和战场生存能力，为作战指挥体制的改革提供必要的技术条件。

1 网络化火控系统简介

网络化火控系统指在既定体系结构下通过网络连接分布在某一地域内多数量多种类的火力控制系统，构成一个具有模块结构、实时传递精确目标航路数据和作战指挥命令的网络，以实现各作战单元之间互连互通［2］。网络化火控系统特别强调对所有生产厂家与用户具有相同的公平、公示、公用的入网条件，所以又可称为开放式火控系统［6］。

1.1 网络化火控系统特征

传统的火控系统都是基于树状指挥控制层次的，如果探测器被击毁，则整个火控单元将失去作战能力，如果指挥系统被摧毁，则其所管辖的各火控单元则转入单独作战模式，不可避免地出现重复射击或漏射击的情况。面对外敌目标来袭，由于火控探测器搜索范围有限，在没有预警信息引导的情况下，依靠自身探测器很难及时发现目标，从而导致火力系统杀伤区域缩小甚至错过最佳打击时机。在网络化作战条件下，传统的指挥控制结构限制了作战单元之间的信息交互，难以适应复杂多变的作战环境，影响了系统整体作战效能的发挥。

网络化火控系统具有以下特征，可以克服以上缺陷，适应复杂多变的作战环境，实现对敌的精确有效打击。1）以计算机网络为中心，通过通讯技术使得在地理上分散的多个作战单元无缝地连接起来形成一体化传输网络，提供任意节点之间的信息互通能力，实现网络节点对作战空间的广域覆盖；2）网络节点间信息传递经过的层次要尽可能少，各个节点能够对所需要的信息资源进行访问和使用。同时各个节点能够面向任务，在完成自身能力要求的基础上，配合完成信息感知、信息收集、信息处理、作战组织、指挥决策、战场监视和作战评估等活动。而信息传递层次的减少可有效提高信息流的运行速度，从体系上实现了作战信息流程的优化；3）各个网络节点可以针对特定的应用需求，在标准的网络接口和灵活的集成机制支持下，动态地按照需求组合成不同规模的作战系统。在防空网络化火控系统中，要求网络的指挥控制中心具有一定的可变性和分散性，各节点可以根据作战需求灵活改变节点间的隶属关系，可以根据作战进程组成不同形式的防空部署样式；4）信息基础设施对接入的任何一类单元，能够自动完成配置（包括：指挥关系、信息处理关系、信息交互关系等），各个网络节点可以根据作战需求随时地加入或退出系统；5）当网络内某些单元被摧毁或干扰时，系统能够快速、及时地进行体系结构重组、恢复工作。

1.2 网络化火控系统结构

网络化火控系统主要由火控网中心和入网的火控系统以及火力系统组成。目前的网络化火控系统结构中，应用和研究比较广泛的是分布式网络化火控系统体系结构，其优点在于可以大间隔配置火力单元和探测单元，进而提高生存能力。分布式网络火控系统可将友邻单元和各个指挥所通过有线或者无线的方式连接成一个网络，每个单元都可以与火控网指挥节点及友邻作战节点进行信息交流，将本单元得到的目标信息与网络上传出的目标信息进行融合，极大地扩展了探测和跟踪范围，提高了对敌目标的探测精度，能够更好地应对突防目标的来袭［7-8］。分布式网络化火控系统结构分为分层分布式网络化火控系统结构和完全分布式网络化火控系统结构。其中分层式网络化火控系统结构示意图如图 1 所示［2］。

依据各系统模块单元之间能够灵活扩展、相互配合的原则，某一确定范围内的网络化火控系统可由一个火控网中心单元和多个作战单元构成。同时，网络化火控系统是一个开放式的网络系统，网络规模大小可根据战场实际情况进行设置。同一确定范围内的作战单元之间可以直接通信，而不同范围内的作战单元可以借助火控网中心完成通信，实现所有作战单元的相互配合。

这种分层分布式的网络体系结构，突出优势明显。与完全分布式网络结构相比，其不仅指挥层次明确，也大大减少系统开销，并且能够合理控制网络内通讯流量，当区域子网内数据传输量较大时，各子网间可以互不干扰地进行通讯，系统吞吐量高；比集中式网络结构增强了同级单元节点间互联，系统协调能力加强，通信链路可以自由灵活选择，并且不易被监听破坏，符合现代化战争的标准［2］。

1.3 网络化火控系统的作战流程

网络化火控作战系统采用的是多平台协同作战方式，是在传统火控作战流程目标搜索探测、目标跟踪、火控解算和武器发射控制基础上，增加多平台信息融合和目标威胁评估、多平台协同打击方案规划构成的。作战流程中的各项功能可由一个武器平台完成，也可由不同武器平台完成，其中目标探测信息由多个武器平台共同完成，并形成统一的战斗态势。网络化火控作战流程如图2所示［8］。

2 网络化火控系统的发展趋势

2.1 网络化火控系统的发展现状

目前，由于技术条件、人力物力资源等的限制，依靠有限的实战演习，难以对如此复杂的体系结构的合理性、有效性、稳定性、高精度性以及相关器件、兵力部署等算法作出综合的评判。但随着计算机技术和仿真技术的飞速发展和成熟，利用仿真技术建立高逼真的虚拟战场环境来进行作战任务的仿真研究，可以大大降低成本，减少人力和物力的消耗［9］。

网络化火控系统自诞生以来，已经得到了长足发展。文献［8，10］中，给出了陆战网络化火控系统的功能定位，描述了陆战武器网络化火控系统发展的新思路。文献［11］对末端防御武器火控系统面临的问题及发展方向进行了分析，为提高陆军一体化作战协同能力提供了参考。文献［12］针对现行分布式防空武器的火控系统不能满足网络化要求的缺陷，提出了基于公用网的营级网络火控平台构建技术。文献［13］中根据舰载火控系统的特点采用先进的计算机网络技术，实现了多级分布式实时火控网络开发环境研究。文献［14］提出了基于UML和HLA的舰载网络化防空火控系统设计。为了充分利用战场资源，在限定时间内，最大化摧毁敌对目标，文献［15］提出了动态部署的混合优化网络火控系统。为了验证理论技术的可行性，文献［16］提出了基于组件技术的网络化火控系统仿真研究。网络化火控系统的效能好坏直接影响多平台协同作战的威力，文献［17］基于信息流对网络化防空火控系统的效能进行了评估。文献［18］通过对C4KISR系统的发展回顾，对网络化、信息化条件下的火力控制系统进行了发展分析，提出了新一代火力控制系统研发的新思路。

2.2 网络化火控系统发展趋势

2.2.1 网络化火控系统向优化控制方向发展

人们对网络化系统优化控制的研究也一直在继续，并且取得一定进展。文献［19-20］将网络化控制简化为带时延的随机过程来研究，利用不同的算法设计控制器，实现了网络化最优控制。文献［21］假定系统是单输入单输出的，并且控制器与被控系统之间通信只受信噪比限制的条件下，最小化跟踪误差，研究了网络化控制系统的优化控制。文献［22］从控制理论的角度研究了网络拥塞问题，把拥塞和网络带宽分别作为状态变量和控制变量，建立了拥塞和带宽之间的线性时不变模型，研究了网络拥塞优化问题。文献［23］从带宽优化配置、周期协调化和非周期数据调度等方面研究了分布式网络化控制系统优化协同设计。

网络化系统的发展虽然取得很大进展。但由于网络化火控系统是网络环境下的大型复杂网络化系统。不仅具有一般复杂控制系统所具有的高维、强耦合、非线性、时变、多层次性、随机性、不确定性、不完全性、多模式、多约束、多目标等复杂性，还具有两个特殊的复杂性：1）地理分散，因而有分散信息反馈、分布信息融合、分布式计算与处理、分布式计算与处理、分散控制与管理等问题；2）通讯问题，包括通讯传输的延迟和突发性、数据包的丢失、路由器或通讯链路的故障、信息产生的随机性、网络链路状态的不确定性、网络全局知识的不完整性等问题［24-25］。网络化火控系统的优化控制，需要综合考虑上述各方面因素，将变得十分复杂。但实现网络化火控系统的优化控制，将会使网络化火控系统效能最大化。因此，在网络化火控系统发展日趋成熟的同时，加强对网络化火控系统优化控制的研究就显得尤为重要。

2.2.2 网络化火控系统向智能化控制方向发展

新时代的战争中，“有人/无人平台协同正在成为现代作战的主要模式”，欧美等国家都在为应对未来智能化机器人战争积极准备［26］。

网络化火控系统的智能化发展势在必行，研究和开发具有自主识别与拦截、自主跟踪目标和自主精准打击等功能的网络化火控系统已成为重中之重，能够适应无人作战平台的自主网络化火控系统是网络化火控系统发展的最终目标，需要不断朝着智能化方向研究和发展网络化火控系统。

3 网络化火控系统效能评估

本文采用模糊层次分析法对网络化火控系统效能进行评估。

3.1 面向信息的评估指标体系构建

网络化火控系统完成特定的使命任务是通过各隶属子系统紧密协作共同完成的一系列特定的工作来实现的，在整个系统工作流程中，这些功能又通过多个效能指标来体现，将这些功能以及相对应的性能指标按照一定标准的组成层次结构，就构成了系统完成特定任务使命的效能评估指标体系。因此，网络化火控系统的效能评估指标体系应该具有一般信息系统的信息流层次结构。

因此，基于网络化火控系统获取信息优势的特点，充分考虑信息在网络化系统中所起的关键作用，可从信息获取、信息处理、信息利用、信息保障的角度，构建如图3所示的面向信息的系统评估指标体系，实现对网络化火控系统及其子系统模块的效能和指标的评估与分析［27］。

3.2 系统评估数据处理

系统评估数据处理是对系统进行客观评价的重要环节。指标值可分为两种情况，一种是有系统物理特性直接决定的，比如误码率等。另一种是定性指标，如安全保密性等，只能由专家评分确定。通过基于HLA的网络化火控系统仿真平台运行得出的数据映射出图3中系统评估体系的指标值如表1所示，系统仿真中选取自动+人工优化方案数据信息，均为仿真系统模拟运行结果。

表1 系统评估体系的指标值

指标体系值确定之后，需要确定各指标权重。指标权重确定属于数据处理中数据泛化的范畴，指标权重确定的合理与否直接影响到系统效能分析的正确性。运用主观赋权法对指标权重进行确定，确定结果是融合了专家主观偏好与臆断的，具有随意性，而且重复计算结果不一致，可靠性低；而运用客观赋权法对指标权重进行确定，虽然通过完善的数学理论对权重进行计算，但缺少了专家的能动性与主观偏好，因此，采用两种模式相结合的机制，使得指标权重能更真实地反映出系统指标对系统效能的作用关系。

3.2.1 主观赋权

考虑多个专家决策情况，主观赋权法是在AHP确定每个专家决策者确定的权重的基础上，利用目标函数最优求解出主观权重。

多个专家决策者 DMk（k=1，2，…，q）给出了关系属性全中的偏好信息，上述通过AHP确定属性权向量为，其中，，k=1，2，…，q。设每个专家决策的重要程度为，其中，。

构造如下数学模型，计算主观最优权重：

3.2.2 客观赋权

客观赋权采用基于信息熵值的权重确定模式，紧密结合仿真数据，注重数据内在联系。信息熵方法中，设有n个方案m个指标，多指标对多对象的评价矩阵，aij为第i个方案第j个指标值。对采用线性尺度变化规范化归一化处理得到。

当属性指标j为效益型属性时：

当属性指标j为成本型属性时：

3.2.3 组合赋权

在求得主客观权值的基础上，采用加权求和的集成方法计算理想权值。

显然最终结果受系数α与β的影响，为了分析方便，不妨设α与β满足。为了确定使各种排序均最优的系数α与β，假设各排序方案等权，线性综合得单元最优化模型：

构造拉格朗日函数形式为

将两者归一化确定最终主客观加权系数为

由上述方法，求得各层指标权重如下页表2所示。

3.3 采用模糊综合评价法进行效能评估

模糊综合评估方法主要是依托模糊数学理论中的模糊变换原理和最大隶属关系，在考虑了待评估对象所有相关因素的基础上，对系统作出综合评价。方法步骤如下：

表2 各层指标权重值

6）对评价结果B分析处理后，利用B=W×R进行模糊评价，得到系统效能评估向量，最后利用得到百分制的系统效能值。

根据表2的系统评估指标值，及上述模糊综合评价方法流程，结合专家知识经验设定模糊隶属度函数的参数，可以得到系统效能的模糊隶属度向量为。

综上所述，通过对影响网络化火控系统效能指标的分析，利用层次分析法分析确定了各项指标的权值，在此基础上，利用模糊综合评判方法，结合专家知识和经验建立了网络化火控系统效能评判模型，并计算出了系统的效能值。通过对网络化火控系统效能的分析评估，验证了前述评估方法的有效性，为网络化火控系统效能奠定了基础，对评估整个网络化火控系统的作战效能具有重大意义。同时，通过最终效能值与传统非网络化火控系统效能值相比较，可以得出，网络化的火控作战系统比传统的火控作战模式效能大幅度提高，更具战斗力。

4 结论

随着网络技术和控制技术的不断提高，以信息化、网络化为核心的新军事变革，将推动着网络化火控系统技术不断向前发展，但信息化、网络化条件下火控系统的发展充满了机遇和挑战，只有把握武器装备信息化、网络化的本质，不断创新系统设计方法和理念，才能实现技术的赶超和跨越式发展，才能更好地适应现代战争的需要［29-32］。

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