航空反潛網(wǎng)絡(luò)化體系作戰(zhàn)效能

田云飛,嚴(yán)建鋼

(1.海軍航空工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264001,2.海軍潛艇學(xué)院,山東 青島 266071)

航空反潛網(wǎng)絡(luò)化體系作戰(zhàn)效能

田云飛1,2,嚴(yán)建鋼1

(1.海軍航空工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264001,2.海軍潛艇學(xué)院,山東 青島 266071)

為評(píng)估航空反潛網(wǎng)絡(luò)化體系對(duì)作戰(zhàn)效能的影響,從信息域和認(rèn)知域角度對(duì)其進(jìn)行了探索性分析。首先給出了網(wǎng)絡(luò)化體系信息域和認(rèn)知域的決策質(zhì)量轉(zhuǎn)換過(guò)程,并提出了 3個(gè)評(píng)估指標(biāo):完整性、準(zhǔn)確性和時(shí)效性;在分別對(duì)信息域的探測(cè)器子域、數(shù)據(jù)融合子域和通信網(wǎng)絡(luò)子域以及認(rèn)知域的決策子域和通信網(wǎng)絡(luò)子域的完整性、準(zhǔn)確性和時(shí)效性指標(biāo)進(jìn)行了分析后,最后得出了航空反潛網(wǎng)絡(luò)化體系的信息域和認(rèn)知域效能評(píng)估模型。

航空反潛,網(wǎng)絡(luò)化體系 ,信息域,認(rèn)知域 ,效能評(píng)估

引 言

在各種反潛作戰(zhàn)方式中,航空反潛歷來(lái)以其反應(yīng)時(shí)間短、作戰(zhàn)效率高以及在反潛作戰(zhàn)中眾多方面的突出優(yōu)勢(shì)而被視為最重要的反潛作戰(zhàn)手段之一[1]。隨著戰(zhàn)場(chǎng)信息化建設(shè)的推進(jìn),現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)已經(jīng)從平臺(tái)為中心轉(zhuǎn)向?yàn)橐跃W(wǎng)絡(luò)為中心[2]。面對(duì)新的戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)挑戰(zhàn),航空反潛作戰(zhàn)采用網(wǎng)絡(luò)中心化體系結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱網(wǎng)絡(luò)化體系,下同)能夠提高信息質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)信息共享,進(jìn)而取得非對(duì)稱信息優(yōu)勢(shì)地位,最終達(dá)到獲取決策優(yōu)勢(shì)和行動(dòng)優(yōu)勢(shì)的目的。

為了設(shè)計(jì)更加合理的網(wǎng)絡(luò)化體系結(jié)構(gòu)必須以提高航空反潛作戰(zhàn)效能為設(shè)計(jì)目標(biāo)。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下,對(duì)抗雙方是在物理域、信息域和認(rèn)知域的體系對(duì)抗。其中,信息域主要體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的信息優(yōu)勢(shì),是取得認(rèn)知域決策優(yōu)勢(shì)和物理域行動(dòng)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ);而認(rèn)知域則是實(shí)現(xiàn)信息優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為決策優(yōu)勢(shì)的作戰(zhàn)領(lǐng)域,是指揮員綜合素質(zhì)和指揮系統(tǒng)性能的集中體現(xiàn)。

本文將嘗試從信息域和認(rèn)知域角度對(duì)航空反潛網(wǎng)絡(luò)化體系的作戰(zhàn)效能進(jìn)行探索性分析。

1 信息域

1.1 體系結(jié)構(gòu)和效能指標(biāo)

信息域包含所有的信息采集、處理和分發(fā)過(guò)程,目的是使航空反潛體系獲得信息優(yōu)勢(shì)。信息域可以進(jìn)一步分解為探測(cè)器子域、數(shù)據(jù)融合子域和通信網(wǎng)絡(luò)子域。信息域3個(gè)子域的工作過(guò)程是:探測(cè)器收集來(lái)自物理域的戰(zhàn)場(chǎng)相關(guān)數(shù)據(jù),然后把它傳輸?shù)綌?shù)據(jù)融合設(shè)備進(jìn)行處理,最后通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)友鄰部隊(duì)的信息共享。如圖1所示。

信息域效能可以用信息質(zhì)量的完整性、準(zhǔn)確性和時(shí)效性3個(gè)指標(biāo)來(lái)度量。其定義分別如下:①完整性是指獲得信息與客觀信息之間沒(méi)有缺口的程度;②準(zhǔn)確性是指獲得信息與客觀信息之間的一致程度;③時(shí)效性是指從信息域采集信息到產(chǎn)生公共作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)圖所需的時(shí)間。

1.2 探測(cè)器子域信息轉(zhuǎn)換質(zhì)量分析

探測(cè)器子域信息轉(zhuǎn)換質(zhì)量分析時(shí)不僅要考慮探測(cè)器本身的探測(cè)性能,而且還需要考慮探測(cè)器的配置及結(jié)構(gòu)等。

1.2.1 目標(biāo)搜索模型[3]

航空反潛作戰(zhàn)主要搜索器材有:聲納浮標(biāo)和吊放聲納。

1)聲納浮標(biāo)搜索

使用聲納浮標(biāo)搜潛時(shí),發(fā)現(xiàn)潛艇的概率可以看作是兩個(gè)事件“至少一個(gè)浮標(biāo)與潛艇建立接觸”和“對(duì)接觸進(jìn)行識(shí)別”同時(shí)發(fā)生的條件概率。其發(fā)現(xiàn)潛艇的概率為

式中,df為聲納浮標(biāo)的作用距離;vq為潛艇的估計(jì)速度;tb為布設(shè)浮標(biāo)場(chǎng)的時(shí)間;tj為監(jiān)聽(tīng)浮標(biāo)場(chǎng)的時(shí)間;nf為聲納浮標(biāo)的數(shù)量;Pw為聲納浮標(biāo)技術(shù)完好率;Pj為聲納浮標(biāo)獲得目標(biāo)接觸及識(shí)別概率。

2)吊放聲納搜索

若對(duì)某海域使用吊放聲納搜索了時(shí)間 T,則發(fā)現(xiàn)潛艇的概率為

式中,dd為吊放聲納作用距離;Nj為反潛機(jī)數(shù)量;Pj為吊放聲納獲得目標(biāo)接觸及識(shí)別概率;Tz為搜索周期。

1.2.2 多探測(cè)器配置

為了獲得最優(yōu)的數(shù)據(jù)采集性能,要對(duì)多個(gè)探測(cè)器進(jìn)行不同的配置。典型的配置方案有:獨(dú)立配置、目標(biāo)指示配置和混合配置。其中混合配制是將獨(dú)立配置和目標(biāo)指示配置混合起來(lái)的一種模式,如圖 2所示。其探測(cè)概率為

圖2 多探測(cè)器配置結(jié)構(gòu)[4]

式中,P為采用混合配制的探測(cè)概率,PF為信息融合增加的對(duì)潛艇目標(biāo)的探測(cè)概率。

1.2.3 信息轉(zhuǎn)換質(zhì)量分析

1)完整性指標(biāo)分析

根據(jù)以上分析,可得出探測(cè)器子域完整性指標(biāo)為

2)準(zhǔn)確性指標(biāo)分析

在探測(cè)器子域準(zhǔn)確性指標(biāo)分析中,主要以測(cè)量誤差和定向誤差作為準(zhǔn)確性指標(biāo),這些誤差是航空反潛體系對(duì)潛艇搜索概率的主要影響因素。設(shè)其測(cè)距誤差為eR,測(cè)角誤差為eθ,定向精度為eP。因此,探測(cè)器子域準(zhǔn)確性指標(biāo)為

式中,es()為誤差聚合函數(shù)。

3)時(shí)效性指標(biāo)分析

探測(cè)器子域的主要任務(wù)包括探測(cè)過(guò)程和數(shù)據(jù)融合預(yù)處理過(guò)程,因此度量時(shí)效性指標(biāo)時(shí)應(yīng)考察完成這兩個(gè)過(guò)程所需的時(shí)間Ts。因此,探測(cè)器子域時(shí)效性指標(biāo)為

1.3 融合子域信息轉(zhuǎn)換質(zhì)量分析

在航空反潛作戰(zhàn)中,依靠單一探測(cè)器提供的信息已經(jīng)無(wú)法滿足應(yīng)對(duì)復(fù)雜水聲電磁環(huán)境、高速靜音核潛艇的作戰(zhàn)需要,必須運(yùn)用各種有源和無(wú)源探測(cè)器在內(nèi)的多探測(cè)器組網(wǎng)來(lái)提供各種探測(cè)數(shù)據(jù),然后通過(guò)信息處理與融合實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并獲取目標(biāo)狀態(tài)估計(jì),在此基礎(chǔ)上提供輔助決策等作戰(zhàn)信息。

1.3.1 完整性指標(biāo)分析

信息處理與融合系統(tǒng)的融合處理質(zhì)量不僅與系統(tǒng)自身性能有關(guān),也與融合處理時(shí)間有關(guān)。此外,在融合過(guò)程中,還可能得到其他的增值信息,經(jīng)反饋調(diào)整再次融合后,從而改善融合的質(zhì)量。如下頁(yè)圖3所示。假設(shè)存在N個(gè)情報(bào)源,信息處理與融合系統(tǒng)對(duì)第i個(gè)情報(bào)源的融合處理效率為ci,且cc表示在中央融合設(shè)備上處理的同樣數(shù)值,則由可靠性理論可以得到融合子域的完整性指標(biāo)為

1.3.2 準(zhǔn)確性指標(biāo)分析

融合的目的主要是為了減少對(duì)潛艇目標(biāo)特征估計(jì)的不確定性。因此,可以用目標(biāo)特征估計(jì)方差來(lái)描述融合后的目標(biāo)特征與目標(biāo)真實(shí)特征的吻合程度。

航空反潛體系采用網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)時(shí),探測(cè)器采用聯(lián)網(wǎng)探測(cè),并且采用絕對(duì)坐標(biāo)體制,設(shè)探測(cè)器定位誤差e L、坐標(biāo)變換引入的誤差e C、時(shí)間同步精度引入的誤差et和融合算法引入的誤差ef。由此可得出融合子域準(zhǔn)確性指標(biāo)為

式中,ef()為誤差聚合函數(shù)。

1.3.3 時(shí)效性指標(biāo)分析

時(shí)效性可以定義為從探測(cè)器子域送來(lái)目標(biāo)信息到產(chǎn)生公共作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)圖(CROP)所需要的全部時(shí)間。則融合子域時(shí)效性指標(biāo)為

式中,t更新CROP所需要的全部時(shí)間。

1.4 通信網(wǎng)絡(luò)子域信息轉(zhuǎn)換質(zhì)量分析

通信網(wǎng)絡(luò)是航空反潛體系的信息傳輸基礎(chǔ),是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接和獲得信息優(yōu)勢(shì)的重要保證。

1.4.1 完整性指標(biāo)分析

通信網(wǎng)絡(luò)子域完整性指標(biāo)反映所有共享態(tài)勢(shì)信息用戶能準(zhǔn)確無(wú)誤地得到從融合中心或其他用戶經(jīng)過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娜炕虿糠謶B(tài)勢(shì)信息的比例,并以正確信息接收概率指標(biāo)來(lái)度量,也就是整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)傳遞態(tài)勢(shì)信息的能力。

圖4給出了信息融合中心分別向 3個(gè)用戶分發(fā)信息的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。設(shè)信息融合中心在t時(shí)刻向第Ui個(gè)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),其連通概率為Pt(Ui);在向用戶Ui發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),可選信道鏈路連通概率為Pj,共有k條可選信道鏈路,則融合中心到用戶Ui的連通概率可表示為

則通信網(wǎng)絡(luò)子域完整性指標(biāo)為

式中,n為所有用戶數(shù)。

1.4.2 準(zhǔn)確性指標(biāo)分析

通信網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性是指整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)向每個(gè)用戶正確分發(fā)態(tài)勢(shì)信息的能力和概率,主要體現(xiàn)在“準(zhǔn)確發(fā)送”和“準(zhǔn)確接收”兩個(gè)方面。因此,其準(zhǔn)確性主要和信息數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端的準(zhǔn)確發(fā)送概率和準(zhǔn)確接受概率相關(guān)。

設(shè)在t時(shí)刻信息融合中心 j正確發(fā)送信息的概率為P(t),而態(tài)勢(shì)信息共享用戶Ui從融合中心 j正確接收信息的概率為Pi j(t),則通信網(wǎng)絡(luò)子域準(zhǔn)確性指標(biāo)為

1.4.3 時(shí)效性指標(biāo)分析

通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)效性是相對(duì)與通信任務(wù)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的期望來(lái)評(píng)估的,可以用態(tài)勢(shì)信息從融合中心到用戶的“端到端”平均傳輸延時(shí)與期望時(shí)延O(t)之比來(lái)度量。期望時(shí)延表示某時(shí)刻對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的容許程度,此處認(rèn)為期望時(shí)延是信息傳輸前已經(jīng)給定,作為已知函數(shù)處理。則通信網(wǎng)絡(luò)子域時(shí)效性指標(biāo)為

2 認(rèn)知域

2.1 體系結(jié)構(gòu)和效能指標(biāo)

航空反潛體系認(rèn)知域包含指揮員和所有的態(tài)勢(shì)感知、方案生成與選擇以及決策命令分發(fā)的設(shè)備。包括兩個(gè)子域:決策子域和通信網(wǎng)絡(luò)子域。圖5是利用一套數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換描述認(rèn)知域的質(zhì)量轉(zhuǎn)化過(guò)程。其決策過(guò)程是先通過(guò)各點(diǎn)域指控中心對(duì)態(tài)勢(shì)進(jìn)行感知與決策,然后經(jīng)過(guò)區(qū)域指控中心對(duì)態(tài)勢(shì)進(jìn)行感知與決策,形成共享的態(tài)勢(shì)感知與決策命令,最后通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)共享態(tài)勢(shì)感知和分發(fā)決策命令。

航空反潛網(wǎng)絡(luò)化體系認(rèn)知域的核心任務(wù)就是將信息優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為決策優(yōu)勢(shì),即獲得整個(gè)作戰(zhàn)過(guò)程的最佳反潛效果。決策優(yōu)勢(shì)的獲得依賴于決策子域和通信網(wǎng)絡(luò)子域的完整性、準(zhǔn)確性和時(shí)效性。其定義如下:①完整性是指獲得決策與理想決策之間沒(méi)有缺口的程度;②準(zhǔn)確性是指決策方案與理想方案之間的一致程度;③時(shí)效性是指從信息域獲得公共相關(guān)態(tài)勢(shì)圖到?jīng)Q策命令分發(fā)到物理域所需要的時(shí)間。

2.2 決策子域決策轉(zhuǎn)換質(zhì)量分析

在決策子域的轉(zhuǎn)換質(zhì)量分析中,盡管參與態(tài)勢(shì)感知與決策的指揮員和指揮系統(tǒng)是基本相同的,但是平臺(tái)化反潛體系和網(wǎng)絡(luò)化反潛體系的決策組織結(jié)構(gòu)是不同的,網(wǎng)絡(luò)化體系采用分布式布防和協(xié)同決策,而平臺(tái)化體系采用的是完全集中式或完全分散式的決策方式,這樣就會(huì)產(chǎn)生不同的決策效果。

2.2.1 完整性指標(biāo)分析

決策子域完整性分析不僅需要研究指揮員的態(tài)勢(shì)感知與決策能力以及指揮系統(tǒng)的輔助態(tài)勢(shì)感知與決策能力,而且還要研究不同決策組織結(jié)構(gòu)對(duì)決策質(zhì)量的影響,是從局部到整體的研究過(guò)程。

1)指揮員決策效能模型

指揮員面對(duì)給定的信息進(jìn)行感知與決策是個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題,很難進(jìn)行精確描述。通過(guò)大量試驗(yàn)可知,指揮員的態(tài)勢(shì)感知與決策能力與指揮員受教育和訓(xùn)練程度、個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、當(dāng)前戰(zhàn)場(chǎng)緊張程度、指揮員占有信息的質(zhì)量等因素有關(guān)。因此,指揮員感知與決策效能一般可表示為

式中,t為處理時(shí)間;U為信息質(zhì)量;h為信息數(shù)量;T為信息處理率;sign為符號(hào)函數(shù)。

2)指揮系統(tǒng)輔助決策效能模型

指揮系統(tǒng)的輔助態(tài)勢(shì)感知與決策能力與指揮系統(tǒng)的算法、有效狀態(tài)、服務(wù)容量、服務(wù)質(zhì)量及其具有的知識(shí)庫(kù)容量等因素有關(guān)。其輔助感知與決策效率模型為

式中,T為系統(tǒng)處理能力;U為系統(tǒng)處理準(zhǔn)確度。

3)決策組織結(jié)構(gòu)

按照指揮員之間在決策過(guò)程中的相互協(xié)調(diào)程度,可將決策組織結(jié)構(gòu)分為完全集中式、完全分散式和分散集中混合式的單決策組織結(jié)構(gòu)和分布式隊(duì)決策組織結(jié)構(gòu)。不同的決策組織結(jié)構(gòu)采用不同的決策策略。指揮員做出最終決策所依據(jù)的準(zhǔn)則就是選擇最佳決策使得平均損失最小。采用不同的決策組織結(jié)構(gòu)對(duì)決策效能有不同的影響,設(shè)其影響度為V。

4)決策子域完整性指標(biāo)計(jì)算模型

根據(jù)以上對(duì)指揮員、指揮系統(tǒng)以及決策組織結(jié)構(gòu)的分析,可得出決策子域的完整性指標(biāo)為

2.2.2 準(zhǔn)確性指標(biāo)分析

航空反潛網(wǎng)絡(luò)化體系反潛作戰(zhàn)指揮員在選擇作戰(zhàn)方案或制定決策時(shí),要對(duì)作戰(zhàn)效果進(jìn)行預(yù)測(cè),所以在某種程度上,決策子域的準(zhǔn)確性可用指揮員對(duì)作戰(zhàn)效果預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性來(lái)度量。由此得出決策子域的準(zhǔn)確性指標(biāo)為

2.2.3 時(shí)效性指標(biāo)分析

決策子域時(shí)效性分析包含個(gè)體態(tài)勢(shì)感知與決策時(shí)間和共享態(tài)勢(shì)感知與決策時(shí)間。個(gè)體態(tài)勢(shì)感知與決策中不同的組織結(jié)構(gòu)對(duì)指揮員的決策時(shí)間影響不同,設(shè)影響度為T。考慮到指揮系統(tǒng)與指揮員的工作是并行的,而指揮系統(tǒng)的反應(yīng)延遲與執(zhí)行時(shí)間較指揮員短的多,所以,主要考慮指揮員的態(tài)勢(shì)感知與決策時(shí)間t0。因此,個(gè)體態(tài)勢(shì)感知與決策時(shí)間為

共享態(tài)勢(shì)感知與決策一般采用分布式隊(duì)決策組織結(jié)構(gòu),其中不同的指揮方式z、網(wǎng)絡(luò)延遲 y和目標(biāo)信息誤差w都將對(duì)決策時(shí)間產(chǎn)生影響。因此共享態(tài)勢(shì)感知與決策時(shí)間為

式中,Tx()為協(xié)同處理時(shí)間。

如果不計(jì)通信網(wǎng)絡(luò)決策傳遞時(shí)間延遲,則決策子域的時(shí)效性指標(biāo)為

式中,fj()為時(shí)間聚合函數(shù)。

2.3 通信網(wǎng)絡(luò)子域決策轉(zhuǎn)換質(zhì)量分析

通信網(wǎng)絡(luò)子域決策轉(zhuǎn)換質(zhì)量分析主要研究服務(wù)于認(rèn)知域的通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)單決策和隊(duì)決策以及共享決策的影響,其分析通信網(wǎng)絡(luò)子域信息轉(zhuǎn)換質(zhì)量的方法與分析信息域通信網(wǎng)絡(luò)子域信息轉(zhuǎn)換質(zhì)量的方法相同。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)信息域和認(rèn)知域效能評(píng)估中完整性、準(zhǔn)確性和時(shí)效性指標(biāo)的研究,最后給出了航空反潛網(wǎng)絡(luò)化體系信息域和認(rèn)知域的效能模型。該模型對(duì)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)效能評(píng)估具有一定參考價(jià)值,但上述模型還有待于進(jìn)一步仿真驗(yàn)證。下一步還將對(duì)航空反潛網(wǎng)絡(luò)化體系物理域的作戰(zhàn)效能進(jìn)行研究。

[1] 孫明太.航空反潛概論 [M].北京:軍事科學(xué)出版社,1998.

[2] Alberts D S,Garstka J J,Stein F P.Network Centric W arfare: Developing and Leveraging In formation Superiority[Z]. The DoD C4ISR Cooperative Research Program,2000.

[3] 李登峰許 騰.海軍作戰(zhàn)運(yùn)籌分析及應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007.

[4] 陳立新.防空導(dǎo)彈網(wǎng)絡(luò)化體系效能評(píng)估 [M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007.

[5] 何 友,王國(guó)宏.多傳感器信息融合及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000.

Research on Operation Effectiveness of Air Anti-submarine Network Centric System

TIAN Yun-fei1,2,YAN Jian-gang1
(1.Naval Aeronautical Engineering Academy,Yantai 264001,China,2.N avy Submarine Academy,Qingdao 266071,China)

To evaluate the effects of air anti-subm arine Network Centric W arfare system on combat outcomes,firstly decision-making quality transformation is analyzed in information domain and cognitive domain and th reemeasures of decision-making quality,such as comp leteness,correctness and currency,are given and then the measure and the metric of completeness,correctness and currency are exp lored in sub-domain,and finally themodels of evaluating the effectivenessare presented.

air anti-submarine,network centric system,information domain,cognitive domain,effectiveness evaluation

E917

A

1002-0640(2011)05-0125-04

2010-01-11

2010-04-28

田云飛(1977- ),男 ,河北石家莊人,博士研究生,主要研究方向:航空反潛戰(zhàn)術(shù)。