基于系统论的水下集群作战效能评估*

胡瑞祥，张 磊，丁元明*，张程振

（1.大连大学信息工程学院，辽宁 大连 116622；2.大连大学通信与网络重点实验室，辽宁 大连 116622）

0 引言

现代化的海战中，基于潜艇和异构的无人潜航器（UUV）构建高效率、高可靠的水下作战群装备体系，是海军信息化发展的必然途径。深海为潜艇提供天然的庇护场所，其可以作为指挥控制中心，遥控指挥异构的UUV 群担任侦察、监视、跟踪、打击等任务。这种作战模式可以降低武器装备的成本，分散被敌打击的风险，实现对敌作战的无人化和智能化水平。对其进行有效的评估成为亟待解决的问题。

目前效能评估的研究多集中在确权方法的改进，对系统内部联系的研究相对较少。然而，评估一个完备的水下集群作战系统，需要遵循系统论的相关原则。首先，系统整体性原理指出系统整体的性质和功能，不等于各要素的性质和功能的简单加和；其次，系统层次性原理指出组成系统的诸要素会形成具有质的差异的系统等级；再次，系统的突变性原理指出系统中要素的突变总是经常发生，使得系统状态发生变化；最后，系统的相似性原理指出系统具有同构和同态的性质，体现了世界的物质统一性。

传统的效能评估从层次性原理出发对系统逐层分解为独立指标，对于梳理作战要素，简化评估流程起到了很好的作用。但这种典型的还原论思想不可避免存在一定的局限性，体现在：割裂要素间的内在关系，忽视系统的整体性和不可分割性，导致评估结果的失真。系统作战效能不应该是简单的线性加和，更应该是一种非线性、有突变、整体性的效能。对于军事效能评估系统来说，各作战能力有较明显的串联特性，当其中的部分能力较低或者丧失时，对系统效能的影响较大，这里体现出系统论的突变性原理。针对上面的问题，本文从系统的相似性原理出发，将效能评估系统和串联电路系统相映射，提出了一种新的权值和量化值合成的方法，解决了各评估模块和系统总效能之间割裂的问题，将部分和整体的效能有机地结合起来，同时也将系统各要素间的串联特性考虑进来，使得效能评估值更加准确和科学。

1 水下集群作战指标体系的构建

针对水下作战集群的装备组成和OODA 环理论，按照观察-判断-决策-行动环路进行作战，具体可分为如下4 个系统：

探测系统。采用潜艇、情报型无人潜航器和反潜型无人潜航器对海上及水下的区域进行综合探测，将各单元的侦察信息传递到指挥控制系统。

通信系统。水下装备通过潜艇、中继型无人潜航器等组成的通信网络，实现各个系统之间的信息传递。

指控系统。潜艇获取网络提供的态势信息，将信息进行融合整理，作出作战决策并将传递给探测系统或攻击系统。

攻击系统。潜艇、攻击型无人潜航器接收指控系统的攻击决策，利用导弹、鱼雷等水下兵器对敌方武装力量实施打击。

这4 个系统构成一个完备的作战体系，再加上系统自身的保障能力，每个环节都是作战链路上不可或缺的重要组成部分。基于此，本文构建了如图1所示的作战指标体系。

图1 水下集群协同作战效能评估指标体系

2 作战效能评估指标处理和权值确定

2.1 指标值的规范化处理

定性指标采用三角模糊数两级比例法进行量化，基本步骤如下：

3）把每一评判等级的量化值与归一化的隶属度向量进行加权求和。

定量指标可以分为效益型指标、成本型指标，本文采用极差变换法进行标准化处理。

效益型指标：

成本型指标：

2.2 指标的权值确定

G1 法是一种改进的层次分析法，该方法计算简单，不必进行一致性检验，其一般计算步骤如下：

3）计算第n 个指标的权重：

4）依次反计算其他指标权重：

3 总效能的合成方法

传统效能评估流程中，对系统层次分解建立指标体系，指标权值和量化值分两条独立路线进行，最后采用线性加和的方式得到系统总效能。而现实中的系统多是非线性系统，尤其对于军事效能评估系统来说，一级指标具有明显的串联特性，本文提出一种串联合成法合成系统总效能；二级指标间相互影响较小，和并联电路系统相似，因此，这里命名为并联合成法，下面对这两种合成法进行分析讨论。

3.1 并联合成法

传统的权值和指标值的合成，多采用的是权值和对应指标值乘积的加和。其各指标之间是并联的组织关系，相互之间没有耦合和制约关系。其映射的并联电路如图2 所示，其映射关系如表1 所示。

图2 并联电路系统

表1 并联电路系统与效能评估系统映射关系图

在干路电流的公式中，电压U 和电流I 成正比关系，电压U 可以调节电流的变化范围；对应在系统总效能中，A 也起到调节总效能变化范围的作用。多数情况下取A=1 或者A=100，限定了效能值在0～1 或者0～100 之间。

3.2 串联合成法

对于作战系统来说，整体和部分的内在联系，特别是系统作战能力之间的串联特性如何不加考虑，会使得得出的效能值未能详实反映系统效能。受串联特性的启发，将串联电路系统引入到效能评估中，将水下集群作战系统与电路系统相互映射，可以得到一种系统总效能的计算方法。具体的电路图如图3 所示，具体的映射关系如下页表2 所示。

表2 串联电路系统与效能评估系统映射关系图

图3 串联电路系统

4 实例验证

4.1 实例应用

潜艇：作为指挥控制中心，获取各UUV 的态势信息，作出作战决策并通过通信系统传递给探测系统或攻击系统。

反潜型UUV：要求具备水下自主性、目标探测和识别能力、大续航、强机动，能够搭载足够多的鱼雷；

火力打击型UUV：能够搭载和发射多型号、多数量的鱼雷和导弹等武器，同时对续航力和可靠性要求较高；

情报型UUV：能够搭载多种类型的水下传感器和声呐等探测设备，应具备较强的侦察、识别、跟踪、信息处理等能力；

指挥控制型UUV：主要任务是调配水下无人作战网络，应具备较高的自动化指挥、协调、控制和决策能力，同时对信息处理和通信能力要求较高；

以上述5 种装备为基础，OODA 环理论为指导，形成以潜艇为中心，不同UUV 群承担不同作战任务的完整水下作战集群，如图4 所示。参考航母作战群以潜艇一艘若干UUV 建立典型作战群，经专家的充分讨论形成如表3 所示的7 种编配方案。

图4 基于OODA 环理论的水下作战集群

表3 不同编配方案

通过广泛的专家调查和仿真结果数据的采集可以得到最底层的指标值，利用第3 节的指标处理方法，通过最底层指标值的逐层加权求和（并联合成法）得到各方案第2 层的指标值见表4。

表4 指标值

对于第2 层指标运用G1 法求权重的过程如表5 所示。

表5 权重值的计算

4.2 结果分析

图5 不同合成法的效能对比图

图6 效能差图

从效能差图中可以看出，配置方案中B、D、E、F的效能差值比较大；对比表4 可以看出，在这几种编配方案中存在一个或者几个的指标值较小（在表4 中已经标黑），触发了木桶效应，导致效能值的急剧下降。而其他3 种编配方案指标值相对均衡，不存在明显的短板，所以两种方法得到的效能值比较接近。两者相互印证，说明了串联合成法在此系统中应用的科学性和合理性，这也是导致两种合成方法的效能排序不一致的原因。

5 结论

本文通过OODA 环建立了水下集群作战指标体系，针对这种环状结构的系统，分析了指标间存在的串联特性，基于此将串联电路系统与作战效能评估系统相映射，从而得到一种新的效能评估方法——串联合成法。从整体出发，以还原论为抓手，自上而下对系统进行详细解算，然后再自下而上将各因素以系统观念相结合得到最终系统效能，将总体把握下的局部分析与局部分析后的总体把握两条线结合起来。将串联合成法和常规的并联合成法作对比，通过实例验证了串联合成法更适合应用于作战系统中，且该方法能够将各指标和系统效能存在的制约关系很好地表达出来，将系统论中的整体性原理和突变性原理引入到效能评估系统中，使评估的效能更加接近真实效能。