多阶段任务装备体系作战能力评估

王 博, 周文雅,*, 汪 涛, 郭继唐

(1. 大连理工大学航空航天学院, 辽宁 大连 116024;2. 中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室, 北京 100029)

0 引 言

随着信息技术和军事技术的发展,现代战争中的作战形式多样。在联合作战背景下,多种高科技武器装备的协同作战已经成为战争获胜的关键[1-3]。作战装备数量庞大,类型多样,装备间功能相互交互,形成的整个作战体系变得愈发复杂[4]。在整个作战环节层面来说,装备体系总作战能力决定战场形势每个任务环节的完成情况。从整个战争价值利益来说,决定战争结果的不仅是最终的胜负,更与投入作战体系装备的能力价值有很大关系,所以衡量应该投入作战体系的装备以及研究投入的装备在作战体系中应该发挥的作战能力是很有必要的[5-8]。

近些年来,研究学者也做了很多关于装备作战能力的研究,谭跃进等[8]基于观察-判断-决策-行动(observation-orientation-decsion-action, OODA)循环理论,提出了为完成任务,由装备与敌方目标构成闭合回路的作战环[9-12]。武博祎等[13]将待评估武器装备结合作战装备体系,提出了待评估武器装备对于装备体系作战能力贡献度的一般过程。刘鹏等[3]基于作战环理论评估模型的基础上,考虑在国防预算有限的前提下,提出装备面向多任务贡献率时,利用区间数比较法对装备优先发展进行了排序。李际超等[14]基于装备间的关系,提出了武器装备体系作战网络模型的装备贡献度评估方法。梁家林等[15]基于信息熵理论分析了作战环执行作战任务的不确定性,给出了武器装备体系作战能力评估方法的具体流程。蒋彦等[16]基于评估结果的实际模糊性,将区间数引入对指挥信息系统的作战效能评估。David等[17]基于OODA循环理论,提出了批判-探索-比较-适应装备作战空间的自适应能力评估框架。现代化战争中,整个武器装备体系内部结构化程度极高,因定性与定量指标结合的模糊性、单个装备对于整个装备体系能力指标呈现作用的复杂性等原因[18],很难准确测量出每项能力的准确程度,通常采用专家对待评估装备加入武器装备体系前后总任务的各项能力进行打分,进而获得评估装备在装备体系中的贡献率。但在整个作战任务目标中,将待评估装备纳入装备体系后,这些方法仍然存在以下缺陷:

(1) 阶段任务中的能力彼此影响,可能会使单项评估能力和阶段任务的作战能力产生上升或下降的效果,甚至影响总作战任务的成败[4]。

(2) 装备作战的指标能力值本身只是一个不确定的无量纲化相对值,并非一个确定值[16]。

(3) 在整个作战装备体系总作战能力评估时,未考虑待评估装备加入的作战装备体系对于阶段任务能力的影响。

为此,本文基于作战环理论,将装备体系作战总任务细化为多阶段任务的评估方法。采用区间数对不同待评估装备加入装备体系后的各阶段任务能力大小进行无量纲化的相对值表达;引入灰数带理论表达不同装备加入装备体系后的各阶段任务能力分布变化情况;利用信息熵及区间数可能度的排序向量,计算得到各指标的客观权重;最后通过区间数的排序比较方法,选择可使作战能力最大的装备进行配合作战,以保证己方获得战场优势。

1 装备体系作战能力评估的流程

武器装备在现今的战争中,其参与的作战阶段任务增加,使得功能多样化发展,武器装备论证面向作战,遵循“任务需求-能力需求-能力指标-任务评估”的论证过程[17-20]。武器装备体系作战能力评估需将总体作战任务划分为对应一定能力指标的阶段任务,对参与阶段任务装备的相应能力进行指标划分,进而由相应的阶段任务能力综合形成装备体系作战能力评估。上述装备体系作战能力评估的框架如图1所示。

图1 装备M所在装备体系的总作战能力评估流程

武器装备体系作战能力评估步骤如下。

步骤 1明确总体作战任务,并将其划分为若干对应一定能力指标的阶段任务。

步骤 2构建参与作战的整体装备体系。

步骤 3根据划分一定能力指标的阶段任务,构建装备体系作战能力评估指标体系。

步骤 4专家组根据装备体系作战能力评估指标体系,对待评估装备加入作战装备体系后的能力指标分别打分。

步骤 5计算装备体系的作战能力。

步骤 6比较不同装备M加入体系后的装备体系总作战能力,选择参战装备M。

2 作战总任务评估指标体系

研究武器装备所在体系的作战能力,需要构建装备体系的作战能力指标体系,考虑整个装备体系的总使命任务信息的闭环特征,可构造OODA环模型。OODA环模型是由美国空军上校JohnBoyd于1987年提出的一种作战环模型[21-24],如图2所示。

图2 OODA作战环示意图

对于复杂的作战体系进行建模时,将作战体系中的核心装备抽象为侦察、决策、攻击等3类节点已基本达成了共识[25-27]。根据装备体系中的个体装备完成使命对总使命任务进行阶段任务划分,基于作战环示意图,可将总使命任务按阶段细化为侦察阶段任务,决策阶段任务以及打击阶段任务。因为每一个阶段任务关注的作战能力指标不同,所以可构造指标体系[3]如图3所示。

图3 装备体系作战能力指标体系

在纳入待评估装备后,作战装备体系的结构变得更加复杂。新纳入装备也会消耗系统的资源,使得整个作战装备体系的待评估装备的主战能力增加,但也会导致相应的邻部指标能力降低,进而可能使得部分阶段任务环节的作战能力降低,甚至于不能完成相应的阶段任务,导致整个装备体系的作战总使命任务失败。在整个作战场中,由于装备体系复杂,且作战时机紧迫,很难及时准确测量出装备体系每一项能力指标的精确值,只能采取专家组打分形式得到指标能力的可能分布区间值[28-30]。

装备Mi(i=1,2,…,n)加入装备作战体系后,可能参与多阶段作战任务,因此不同装备加入作战体系后的同一阶段任务会产生不同的作战效能,进而导致总作战能力的不同。

3 评估模型

3.1 装备体系作战能力确定

由装备体系作战能力指标m=0,1,…,n构成的序列作为装备体系作战能力指标的区间灰数列,记作X(⊗)=(⊗(t0),⊗(t1),…,⊗(tm)),将顺次连接相邻指标能力区间灰数的上界点和下界点所围成的面积为装备体系作战能力的灰数带[32],如图4所示,表示装备体系作战能力指标的能力值分布情况。

图4 装备体系作战能力指标的分布带

3.2 装备体系作战能力的聚合

装备是体系作战的实体。基于图3所示的任务分类指标体系,作战能力的评估指标按照任务阶段划分,可以分为侦察、决策、打击3类任务能力指标。基于整个作战阶段可以得到装备体系的作战能力为

(1)

细划的阶段任务作战能力为

(2)

(3)

(4)

3.3 装备体系作战能力的排序比较

装备体系作战能力的排序方法主要有确定性和非确定性两类[33],本文采用非确定性方法下的基于测度模型度量的可能度的方法对装备体系作战能力排序[34]。当⊗(tm)和⊗(tu)均为实数时,称

(5)

为⊗(tm)>⊗(tu)的可能度。

(6)

(7)

利用vi的大小对各个指标能力进行排序。

3.4 信息熵法确定指标权重

对于装备Mi加入装备体系时,有m个指标的排序向量构成决策矩阵V为

(8)

对决策矩阵V进行规范化处理,得到规范法矩阵R=(r)n×m,其中

(9)

式中:对于规范化排序向量rij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)为第Mi个装备加入体系时的第j个指标的排序向量元素值。对于指标j、rij的差异越大,则对于指标j进行区分的信息越大,用信息熵度量其大小,其表达式为

(10)

计算阶段任务指标的权重向量αj为

(11)

总结上述针对多阶段任务的装备Mi所在装备体系作战能力评估方法的评估流程如图5所示。具体的步骤流程可以总结如下。

图5 装备Mi所在装备体系总作战能力评估流程

步骤 1专家针对阶段任务指标体系的指标能力落点区间进行估计,形成装备体系评估指标的作战能力分布带。

步骤 2通过装备体系能力指标落点区间分布计算阶段任务作战能力的落点区间分布。

步骤 3计算并比较不同装备Mi装备体系时的装备体系总作战能力大小,选择能使装备体系总作战能力发挥最佳的装备Mi。

4 评估示例

在某作战演习中,红方欲对蓝方装备T进行有效打击,构造装备体系如图6所示。红方有侦察装备S1和S2,指挥决策装备I1、I2和I3,打击装备Mi(i=1,2,3,4),其中打击装备Mi为察打一体装备,红方为保证能最大可能的掌握战场主动权,实现战场资源的最优配置,在所有备选打击装备Mi中选择出最合适的打击装备,构建了适合实情的作战方案。

首先,将装备Mi(i=1,2,3,4)分别加入进行打击蓝方装备T,专家根据装备Mi加入战场后的装备体系战场表现结合自身经验,对4个打击装备加入作战体系后的各个阶段的能力指标进行打分,如图7所示。其“红”线下端点高度代表体系的能力一定能达到的最小值,“红”线上端点高度代表体系的能力可能达到的最大值。

图7 不同装备加入后装备体系的指标能力

为验证本文所提方法的有效性和可行性,取指标能力落点区间的中间值加以验证,中间值位于指标能力区间的中心位,能与装备体系指标能力落点区间分值保持良好的一致性,“紫”线代表指标能力区间的中间值。

由式(6)和式(7)可得到4个装备体系各项能力指标的排序向量分别为:发现目标能力V1=(0.281 3,0.164 1,0.210 5,0.344 1),跟踪目标能力V2=(0.270 4,0.310 6,0.294 0,0.125 0),目标成像能力V3=(0.322 8,0.195 5,0.300 7,0.181 0),信息融合能力V4=(0.212 4,0.246 4,0.277 6,0.263 6),指挥人员认知能力V5=(0.145 6,0.277 5,0.264 7,0.312 1),协同筹划能力V6=(0.163 9,0.375 0,0.261 8,0.199 4),突发应变能力V7=(0.350 6,0.218 4,0.241 2,0.189 8),软毁伤能力V8=(0.288 0,0.242 7,0.219 9,0.249 4),硬毁伤能力V9=(0.182 0,0.228 1,0.234 3,0.355 6),精确毁伤能力V10=(0.343 1,0.203 4,0.185 2,0.268 3),排序结果如表1所示。

表1 4套打击装备分别加入装备体系后指标能力的排序

由式(8)可构造决策排序矩阵Vs、Vd、Vt和决策中间值矩阵Vsm、Vdm、Vtm如下:

由式(9)～式(11)得到侦察阶段任务下能力指标、决策阶段任务下能力指标和打击阶段任务下能力指标的权重如图8所示。

图8 指标权重

表2 4套打击装备分别加入装备体系后阶段任务作战能力的排序

图9 4个装备的阶段任务能力值

由式(8)构造阶段任务的决策排序矩阵V和段任务决策中间值矩阵Vm如下:

由式(9)和式(10)得到侦察阶段、决策阶段和打击阶段任务的指标权重如图10所示。根据式(1),可以得到4个装备的作战能力如图11所示。同理,根据式(5)～式(7),可以得到4个装备的作战能力的排序向量为Vf=(0.238 6,0.255 6,0.254 4,0.251 5),装备体系总作战能力的排序结果如表3所示。

表3 4套打击装备分别加入装备体系后总作战能力的排序

图10 阶段任务权重

图11 装备体系的作战能力

通过上述案例可以看出,本文基于作战环理论,提出针对多阶段任务的装备体系作战能力评估方法与传统中间值法评估结果排序一致,按照加入装备序号构建的装备体系总作战能力由高到低排序分别为2号,3号,4号,1号。两种方法都表明,在对战场态势、战场任务了解不充分的情况下,2号装备的投入使用是当前情况下最有利于战场态势发展的,这也说明了本文所提评估方法是有效、可行的。由图8和图10可以看出,本文利用信息熵结合指标排序向量确定的权重线与利用信息熵结合指标能力中间值确定的权重基本相等,表明本文所提方法不失一般性。由表1中的精确毁伤能力可以看出,本文所提方法相比传统中间值法排序性更强,表明本文所提方法更有利于为战场装备的优先发展、配合作战提供决策支撑,能使己方更大可能的占据战场主动权。

5 结 论

在对战场态势和作战任务有充分了解后,仍然可以采用上述分析方法对整个装备体系做出相应的调整,使得己方在整个作战过程中,始终占据战场态势的有利地位。

基于作战环理论,从装备体系的阶段任务出发,通过引用联系数以及灰数带概念,实现了同类型装备加入作战体系后装备体系作战能力的评估,不仅考虑了各个阶段任务的完成情况,还考虑了总体作战能力的变化,以及相应邻部作战能力的动态变化。该方法的物理意义优势明显,不仅克服了装备作战能力指标值本身只是一个的无量纲化相对值表达的困难,还通过灰数带分布刻画了各个指标能力的动态变化。本文利用信息熵法结合阶段任务能力指标的排序向量能够客观确定指标权重,克服了因追求装备体系总作战能力而忽略阶段任务作战能力过低可能导致总作战任务失败的困难。另外,本文所提方法将待评估装备纳入作战装备体系,不仅考虑了单个评估装备作战任务的能力,还考虑了装备体系作战任务的全过程能力,使评估结果更加符合实际作战的背景需求。