航母编队基于作战任务的能力需求分析研究

刚建勋 袁红斌 于鸿源

1.军事科学院研究生院北京100091 2.军事科学院联合作战实验中心北京100091

航母编队是为完成某一战役、战略任务而组成的海上立体作战力量,通常以航母为中心,辅助相关使命任务的属舰,构成一个多系统、多要素的综合作战体系[1−2].美军标准的单航母编队–航母打击群(Carrier Strike Group ,CSG) 包括航空母舰1 艘、巡洋舰1 艘、驱逐舰2 艘、攻击级核潜艇1 艘、以及战斗支援舰1 艘[3].作战任务[4]是作战力量为达成预定作战目的而担负的任务.一般分为进攻作战任务和防御作战任务,通常是上级指挥员确定并以作战命令的形式下达作战编队; 作战能力是体现编队能否完成下达的作战任务的本领[5];能力需求是在作战概念和使命任务牵引下编队体系满足作战需求的能力期望.能力需求分析则着眼编队的潜在威胁、不确定作战任务和体系结构,分析编队履行使命任务的能力需求和现有作战能力之间的差别,并生成能力需求方案,有效指导编队体系能力建设的科学发展.

当前,能力需求分析主要集中在装备级能力需求分析[5−7]、作战能力需求的指标构建[8]、能力需求满足度研究[9],航母编队作战体系的能力需求研究成果并不多见.本文着眼航母编队作战概念分析,提出基于元任务–元活动–作战基元关联的编队作战能力需求分析框架,从编队任务需求分析、元任务–元活动–作战基元关联分析、编队能力需求分析等方面进行深入研究,并以编队体系防空作战为例说明作战体系能力需求分析的方法、步骤,为规范编队体系能力需求分析提供科学指导.

1 航母编队作战能力需求分析框架

为理清编队体系能力需求分析的基本思路,明确研究流程和概念描述,针对作战环境的多变性、编队体系的复杂性、作战实体的多元性和信息交互的非线性,以编队作战概念为支撑和牵引,通过任务分解分析、元任务–元活动–作战基元关联分析、能力需求分析、需求方案生成及评估等方面构建研究框架,如图1所示.

编队体系作战能力需求研究逻辑的功能模块依次推理分析,逐层深入并形成动态反馈机制,实现编队任务域、作用域、能力域的有机衔接,可用来指导作战能力聚合机理研究和宏观能力需求预测分析.

图1 编队作战能力需求分析框架

2 航母编队任务分解

编队作战任务需求分析是以作战任务和作战目标需求为主导,牵引编队体系作战能力发展方向.简言之,航母编队需要打什么仗,就应该具备相应的作战能力,也应该配备相应的编队作战系统.编队任务需求分析是在设定的作战背景下研究作战任务组成和要求来达成预期的作战目的,通常采用任务描述、过程分析和指标构建来具体化作战任务.

2.1 编队作战任务分解流程

作战任务从预期应用的任务视角来说,突出任务执行的具体过程,可以视为使命任务的组成单元;从执行主体的任务清单视角来说,侧重任务是执行任务单元的能力体现,可以视为使命任务的能力需求.编队作战任务是编队使命的具体化和实例化,其任务描述如图2所示.

首先对航母编队使命任务进行概念定义和形式化描述,并基于能力和编队体系建模要求进行作战任务分解,得到不同层次的作战功能子任务.其次依据研究的最小粒度,判断是否继续分解功能子任务,作战任务分解应遵循的规律:依据作战基元(航母编队最小的作战功能单元)确定作战元任务;任务分解粒度和编队体系建模粒度一致; 采用自顶向下的树状分解将作战任务分解成系列关键任务和辅助任务.最后生成作战元任务集合其中a代表作战元任务的层次、h代表作战元任务的上级子任务编号、f代表同层元任务的次序.并且把元任务和其时序逻辑关系组成任务规划流程图和甘特图,有效地描述特定作战背景下作战任务的组合关系.

图2 编队作战任务描述流程

2.2 编队作战任务关联分析

任务分解是寻求作战任务支撑单元和能力需求指标的对应关系,形成作战任务和作战能力的映射关系,分解的树状元任务集直观构成层次化的编队任务体系.编队作战元任务的纵向是层次的父子关系、横向是平等的兄弟关系,在执行前后顺序上视为时序关系,有顺序关系和并发关系之分;在任务影响和作用上视为逻辑关系,有与、或以及选择关系.编队的一项作战任务完成可以用一系列作战元任务的有序执行来表达.

面向能力的过程和信息流图(Capabilityrequest Oriented Process&Information Flow Graphics,COPIFG)[10],主要用于作战实体的作战活动、信息流、以及作战活动表现出的作战能力,包含要素:活动、流、分流器、合流器、说明符等,非常适合对复杂作战体系的作战过程进行描述.以航母编队防空作战为例说明COPIFG 建模方法在作战任务执行过程的应用.把编队防空的使命任务分解为预警探测、信息获取、指挥控制、火力抗击,并根据研究粒度分解作战任务至元任务.假设一级作战子任务为相应的作战元任务,依据任务流确定元任务的时序逻辑关系.其作战任务的COPIFG 描述模型如图3所示.

图3 编队防空作战任务COPIFG 图

其中,Ai代表任务标识,Mi代表模型描述,Ci代表需求能力,并且标注说明符来体现作战元任务的活动主体和限制条件.

2.3 编队作战任务支撑性能指标构建

传统的性能指标由于不考虑性能指标间的关联影响,某个指标值的变化仅影响其上层的局部指标,其余性能指标值不随其发生变化; 面向任务的性能指标分析指标间的影响关系,作战单元性能指标的改变将带动其关联的能力层指标发生变化,进而影响整个体系效能.

航母编队是防空作战、对地打击、反潜反舰以及电子战等多样化作战任务执行的主体作战力量.对于多样化作战任务,抽取作战任务的共同要素,形成任务的能力需求指标框架,并逐层分解和细化作战任务的特性,最终建立元任务和作战基元的具体能力指标关联关系.因此,编队体系能力需求指标至少包括: XXX 作战任务、功能子任务、元任务以及能力指标4 个层次.以编队防空作战任务能力需求指标构建为例说明,如图4所示.

图4 编队防空作战任务能力指标

能力指标是用来度量航母编队能力需求的尺度.按照能力指标类型分为[11]: 上限型、下限型、偏离中心型以及区间型.其中上限型是能力指标有最大值限制,如拦截次数;下限型是能力指标有最小值限制,如预警时间、定位精度;偏离中心型是能力指标在中心点附近,如导弹射程30 km,允许误差15 m,则能力指标为[29.985 km,30.015 km];区间型是能力指标在某一范围内取值,如导弹射程区间[120 km,250 km].

3 元任务–元活动–作战基元关联

3.1 元活动模型构建

元任务是编队作战任务分解的基本单元; 作战基元是编队作战能力分解的最小功能单元,通常是编队的作战实体或组合的单功能作战系统; 元活动是作战活动执行过程中具备原子性事务处理性质的最小活动单元[12].它是作战任务和编队作战能力连接的纽带,每个元活动都体现了作战任务的执行水平和具体的能力期望,其元活动模型如图5所示.

图5 元活动模型示意图

对于元活动集合,任务执行水平用来度量设定条件下作战任务对元活动的指标要求,也是执行元活动达到的作战效果;作战基元是能独立地产生、处理和消耗信息的作战实体和系统; 驱动能力是执行元活动需要的作战能力; 前驱输入是引起元活动状态改变的触发条件,通常是各种信息激励;后驱输出是执行元活动的结果输出,一般是各种信息流或状态改变值.

图6 元活动序列和能力指标映射

3.2 元活动能力分析

一个具体的元活动就代表作战基元在能力上的需求和约束,由编队任务需求到其能力需求可以等效为元活动的执行水平和能力指标值的变换,也称元活动和能力指标规则映射.任何元活动采用元模型的前驱、后驱作为输入和输出,彼此不同的元活动相互连接形成以元活动为节点、节点相互关系为边的元活动序列,通过元活动和能力指标的关联关系,则可以预估编队作战任务需要的作战能力.

以三角代表元活动的输入、输出;以方框代表元活动,以连线代表元活动间的相互作用,则编队防空作战元活动序列和能力指标映射如图6所示.

3.3 任务域–活动域–能力域分析

编队作战力量执行众多有序的作战活动来完成作战任务,而作战基元的作战能力只有在作战活动中才能体现出来,因而能力需求研究的关键是分析元任务–元活动–作战基元的映射关系.编队作战任务Ti的度量指标可以由单一或者多个作战活动来完成; 同样的道理,一个作战活动Oi也需要单一或者多个作战基元作为执行主体.所以存在活动域–任务域的映射函数fO−T和活动域–力量域的映射函数gU−O,达成编队作战任务和编队能力需求的关联,如图7所示.

图7 元任务–元活动–作战基元关系示意图

设编队的作战任务为Ti,需要一定数量的作战基元Ui采取作战活动Oi达成预期的作战需求,Ci是完成编队任务Ti所期望的作战能力,则能力需求Ci和编队任务Ti的映射模型为:

4 航母编队体系能力聚合

4.1 能力需求聚合设计

航母编队是典型的组成多样性、结构层次性、功能涌现性和整体统一性的作战体系.其编队体系至少包含作战基元层、系统层、体系层3 个层次,编队作战能力聚合可以根据编队体系超网络建模要求[13],分为:预警探测功能能力、信息流转功能能力、指挥决策功能能力和行动响应功能能力,其中功能子能力可以从更为具体的作战基元层级聚合生成.能力需求分析和任务需求分析思路相反,采用微观到宏观、具体到抽象的研究思路,如图8所示.通常各级作战能力由下级指标组合表示,上级作战能力不是下级作战能力简单相加,在能力聚合中可能会涌现出新的作战能力,形成作战体系特有的“1+1>2”效果.

图8 能力需求分析思路

4.2 能力需求重叠分析

能力需求重叠分析是编队作战基元在时序和逻辑上能力指标的相关性分析.对于不同作战活动中存在重复的能力指标,或者同一个作战基元平行出现在不同的作战任务中,作战基元对应的元活动相同,但元活动的执行水平各有差异,导致能力需求指标数值各不相同.鉴于此,采用能力重叠分析不同编队作战任务中同级能力指标的取值,不影响元活动和能力指标的映射规则.

针对能力需求指标的不同类型,提出5 种计算方法: 一是最大算法.最大算法是能力需求清单中同一作战基元的能力需求指标取值为作战任务中该能力指标的最大值.设作战基元在作战活动OA、OB的能力需求指标为UA、UB,则作战基元执行作战活动的能力需求指标R1=max(UA,UB).二是最小算法.最小算法是能力需求清单中同一作战基元的能力需求指标取值满足作战任务中该能力指标的最小值要求,R1=min(UA,UB).三是并区间算法.并区间算法是能力需求清单中同一作战基元的能力需求指标取值为作战任务中该能力指标区间的并集.设作战基元在作战活动OA、OB的能力需求指标为[UAL,UAH]、[UBL,UBH],则能力需求指标[R1L,R1H]=[max{UAL,UBL},max{UAH,UBH}].四是交区间算法.交区间算法是能力需求清单中同一作战基元的能力需求指标取值为作战任务中该能力指标区间的交集,[R1L,R1H]=[min{UAL,UBL},min{UAH,UBH}].五是区间和算法.区间和算法是能力需求清单中同一作战基元的能力需求指标取值为作战任务中该能力指标区间的限值求和,[R1L,R1H]=[UAL+UBL,UAH+UBH].

4.3 能力需求聚合算法

4.3.1 指标权重确定

影响图(Influence Diagrams)基本理论是美国斯坦福大学的R.A.Howard 在1984年提出的决策分析方法[14],概率影响图不仅具有贝叶斯网络建模表达依赖关系、条件独立优势,更是一种表达信息变量多、模型规模小的有效决策模型,适合编队能力指标的相互作用评价和能力指标概率变化形成的影响关系变化,为能力指标权重分析提供了更为科学的方法.

假设同层能力指标I1,I2,··· ,In,其邻接关联矩阵表示能力指标Ii,Ij之间存在线性的影响或依赖,否则aij=0.对于刻画能力指标相互依赖程度的依赖权di和刻画能力指标相互影响程度的影响权fi可表示为:

其中,α,β是依赖和影响权系数,并设d=(d1,d2,··· ,dn)´,f=f1,f2,··· ,fn,则可以推导出:依赖向量d和影响向量f分别是AˊA,AAˊ矩阵特征值1/αβ 的正特征向量.则能力指标影响依赖的指标权重ω1为[15]:

对于编队体系的层次性树状任务分解结构,考虑各作战任务之间的关联影响,作战任务的邻接关联矩阵表示作战任务Ti,T j之间存在关联关系,否则aij=0; 作战任务和下级能力指标的映射矩阵MT−U=(srt)m×n,1 ≤r≤m,1 ≤t≤n,srt=1 表示作战任务Tr,It之间存在映射关系,否则srt=0.则作战任务结构的指标权重ω2为:

对于编队作战体系结构,作战基元、作战系统之间多网融合、信息多域互连,考虑体系结构和信息系统的级联效果和信息增值作用,作战基元的邻接关联矩阵aij=1 表示作战基元Bi,Bj之间存在关联关系,否则aij=0.作战基元和下级能力指标的映射矩阵MB−U=(srt)k×n,1 ≤r≤k,1 ≤t≤n,srt=1 表示作战基元Br,It之间存在映射关系,否则srt=0.则编队体系结构的指标权重ω3为:

任务需求能力的层级指标权重向量ωTI为:

编队作战能力的层级指标权重向量ωBI为:

4.3.2 能力指标量化

鉴于作战活动能力指标参数的量纲、数值相差较大,无法统一进行聚合运算,因此,需要对能力指标参数进行归一化处理来消除各型指标间不可公度影响.根据作战任务、作战基元对应的能力指标参数和类型的不同,可以量化为效益性指标、成本型指标、适中型指标[16].

其中,Wij是能力指标参数规范化处理值;kij代表能力i和指标参数j的取值;a0j代表指标的满意值.

4.3.3 能力加权积聚合

作战任务、作战基元和能力指标存在较强的关联性,某些下层能力指标不能满足上层功能需求或缺失时,将导致上层能力聚合值为0,则采用加权积法[17−18]进行能力聚合:

其中,CTi代表上层第i项功能指标的加权综合值;Wij代表能力指标归一化的指标值;ωj代表下层第j个指标权重.

4.4 能力需求差距分析

编队任务的能力需求和现实作战能力的差距分析采用基于雷达图的图谱分析.雷达图谱是一种图形化的多变量分析方法[19].

为突出表达不同功能指标对编队作战能力的影响程度,以指标权重大小确定指标扇形的夹角,对于n项功能指标权重W={ω1,ω2,··· ,ωn},第i项功能指标的扇形圆心角以扇形的半径作为功能指标量化投影的指标轴,将功能指标数值进行归一化处理,第i项功能指标对应扇形区域的扇面,ri=依据功能指标半径ri绘制扇形区域并计算扇面面积si=r2i×θi/2,则和夹角θi的单位扇面的差距为:

5 结论

本文在编队联合作战概念的基础上提出编队任务需求分析、元任务–元活动–作战基元关联分析以及编队能力需求分析方法,运用COPIFG 描述作战元任务的逻辑关系将作战使命任务具体化、采用概率影响图的影响依赖关系描述能力指标和任务结构、编队体系对能力指标权值的选取,并采用非线性聚合生成编队体系功能需求.下一步主要工作:1)研究联合作战概念下,航母编队作战任务和作战想定的进一步完善;2)对不同的能力需求方案进行比对、验证和评估进行深入研究,完善能力需求方案生成及评估工作.