網絡中心戰下作戰體系生存力綜合權衡設計

楊哲, 李曙林, 周莉,2, 尹俊杰

(1.空軍工程大學 航空航天工程學院, 陜西 西安 710038;2.中國人民解放軍 95118部隊, 湖北 當陽 444100)

網絡中心戰下作戰體系生存力綜合權衡設計

楊哲1, 李曙林1, 周莉1,2, 尹俊杰1

(1.空軍工程大學 航空航天工程學院, 陜西 西安 710038;2.中國人民解放軍 95118部隊, 湖北 當陽 444100)

針對體系作戰已成為現代空戰的主要作戰模式,研究了體系生存力綜合權衡設計的方法。提出了網絡中心戰條件下作戰體系生存力的概念,基于復雜網絡理論建立了體系作戰的網絡模型;根據體系作戰的特點研究了體系生存力的評估方法,并以單位費用獲得的生存力為基礎對體系生存力設計方案進行綜合權衡。仿真結果表明,所提方法可用于指導作戰體系生存力設計。

網絡中心戰; 體系生存力; 評估; 綜合權衡

0 引言

現代戰爭具有作戰領域多維化、作戰力量聯合化的特點,作戰行動主要體現為體系與體系的對抗,作戰形態也正由平臺中心戰向網絡中心戰轉變[1]。因此,迫切需要開展對武器裝備體系生存力的相關研究。提高作戰體系的生存力,可以通過提高作戰網絡中節點的生存力、增強節點的作戰效能、提高節點間戰場信息互通和共享程度等措施實現,但這必然會以增加費用為代價,因此,體系生存力設計是一個效益與代價的綜合權衡過程,要對上述增強措施進行綜合協調和權衡才能獲得效益最大的體系生存力設計方案。

目前在飛機生存力的權衡設計領域已經取得了一定的成果[2],但尚未發現網絡中心戰條件下作戰體系生存力權衡設計相關的文獻。本文從作戰體系生存力的概念、網絡中心戰的網絡拓撲結構、作戰體系生存力綜合權衡設計等方面進行了研究及仿真分析,以指導作戰體系生存力設計。

1 作戰體系生存力概念的提出

體系作戰是現代空戰的主要作戰模式,因此有必要延伸飛機生存力的概念,提出作戰體系生存力的概念。

飛機生存力是指飛機躲避或承受人為敵對環境的能力,即飛機不被擊中或擊中后能繼續執行戰斗任務的能力,與飛機的敏感性、易損性、作戰能力、戰傷搶修性有關[3]。對應于飛機生存力,體系生存力是指在網絡中心戰條件下,武器裝備體系經過對抗后能繼續執行戰斗任務的能力,即體系不被威脅殺傷、殺傷后能通過體系重組迅速恢復戰斗力的能力,與作戰網絡中節點生存力、體系作戰能力和體系重組能力有關。

2 網絡中心戰的網絡拓撲結構分析

2.1 作戰體系的網絡化抽象

在圖論中,網絡是由節點集V和邊集E組成的圖F=(V,E),E中每條邊都有V中一對點與之相對應,網絡模型的構建最終歸結為節點和邊的生成和演化規則。本文把各個作戰個體看作節點,節點之間的信息交流看作邊,這樣網絡中心戰就抽象為一張有N個節點和M條邊的無權、無向、稀疏連通圖。

2.2 網絡模型的構建

2.2.1 模型構建原理分析

(1)節點的分類。體系作戰節點種類繁多,類型各異,對于空戰,體系中節點主要包括預警機、雷達網絡、探測偵察衛星、有人/無人偵察飛機、指揮中心、網絡通信基站、通信衛星、各類殲擊機等。因此從宏觀上將節點劃分為傳感器節點、指揮控制節點和火力打擊節點3類。

(2)節點間連接的原則和假設。指揮控制節點可以實現指揮控制節點間的組織協同,并與傳感器節點和火力打擊節點實現信息交流;不同的傳感器節點之間可以實現探測信息的共享,不同的火力打擊節點之間可以實現火力打擊信息的共享。

(3)節點間連接方法的具體化。指揮控制節點具有縱向指揮和全局性的特點,同時由于作戰形勢的多變性,該類節點還存在一定的動態隨機指揮;因此指揮控制節點的連接方式主要為全局范圍內的擇優連接,同時存在小概率的隨機連接。擇優連接是指新加入的節點,選擇與網絡中現有節點中度數[4]最大的節點進行連接;隨機連接是指新加入的節點,隨機選擇與網絡中現有的某個節點進行連接。由于體系作戰中網絡被劃分為執行不同任務的多個作戰單元,因此,傳感器節點和火力打擊節點主要采用與同類節點的單元內擇優連接,和與小概率的單元外隨機連接的方式。

2.2.2 模型構建算法

將指揮控制節點稱為重要節點,傳感器節點和火力打擊節點統稱為一般節點,基于2.2.1節的分析,建立如下的網絡模型構建算法:

(1)設節點總數為N,由少量的全互連節點開始(N0個),每間隔時間t加入1個新節點。當N0+t×1≥N時,程序結束;

(2)以概率Pz加入重要節點,且該節點帶Nz(Nz0.5)與節點進行擇優連接,以概率1-Pz1與節點進行隨機連接;

(3)以概率Py=1-Pz加入一般節點,且以概率Pyc和1-Pyc將一般節點分別設定為傳感器節點和火力打擊節點,兩種節點分別帶Nyc和Nyh(Nyc0.5)在d<3的局域內與節點進行連接,連接方式為混合連接,即以概率Pyn1(Pyn1>0.5)進行擇優連接,以概率1-Pyn1進行隨機連接;以概率Pyw=1-Pyn在d≥3的局域外與節點進行連接,連接方式仍然為混合連接,即以概率Pyw1(Pyw1>0.5)進行擇優連接,以概率1-Pyw1進行隨機連接。

定義N×N階矩陣,如果節點i和節點j之間有邊,則矩陣元素aij=1,否則aij=0,該矩陣即為作戰體系的連接矩陣。在MATLAB中編程實現上述算法生成該矩陣,并導入到Ucinet6.0[5]軟件中,即可進行作戰網絡的聚類系數、最大連通度、網絡效率[6]、作戰環[7]數量等相關拓撲性能的計算。

3 作戰體系生存力綜合權衡設計方法

3.1 作戰體系生存力的度量

3.1.1 評估指標體系的建立

由第1節的分析可知,作戰體系生存力的影響因素主要包括體系中節點的生存力、體系的作戰能力以及體系的重組能力。

(1)節點生存力。節點的生存力主要與節點的敏感性和易損性有關,為便于研究,設定所有節點的生存力相等。

(2)體系作戰能力。關于體系作戰能力的度量,文獻[7]提出了作戰環的概念,即將作戰過程抽象成一個傳感器單元發現目標,然后將目標信息傳給指揮控制單元,指揮控制單元對形勢進行分析后指揮火力打擊單元對目標實施軍事行動的環路。因此,一個作戰網絡中一方所能形成的作戰環數量,可以反映該方的作戰能力。另外,在每一次作戰循環中,節點的作戰效能必然對體系的作戰能力產生影響。由于該部分內容不是本文的研究重點,因此將其設為定值。

(3)體系重組能力。體系重組能力是指作戰體系被攻擊后,通過調配作戰資源,產生新的作戰環路,重新構成作戰網絡進行作戰的能力。本文選用聚類系數、最大連通度和網絡效率3個參數來表征體系重組能力,關于3個參數的計算公式參見文獻[4,6]。

3.1.2 評估指標的聚合

采用權重系數法[2]對體系生存力進行評估,其函數表達式為:

ei=ω1ei1+ω2ei2+…+ωmeim

(1)

式中,ei為第i層指標的目標評估指標;eik,ωk(k=1,2,…,m)分別為第i層指標值和指標權重。

3.1.3 評估指標權重的確定

采用區間層次分析法(interval-based AHP,IAHP)[8]的主觀賦權法和信息熵[9]客觀賦權法相結合的方法,來確定體系生存力各評估指標的權重。兩種評估方法的理論和計算過程見文獻[8-9]。其中,主觀權重與客觀權重相結合的計算式為:

3.2 作戰體系生存力綜合權衡

作戰體系生存力設計方案對體系生存力的影響可以根據評估指標的改變量來確定。假設有n種生存力設計方案,第i種設計方案Ti對第j個評估指標ej的改變量為rij,則體系生存力設計方案對體系生存力各指標的影響如表1所示。

表1 體系生存力設計方案對體系生存力各指標的影響Table 1 Effect of systems survivability design schemes on systems survivability

由表1和式(1)可以得出采用第i種設計方案Ti時體系生存力值PSi。設該項設計方案所需的費用Qi=單個節點費用qi×節點總數N,則根據“單位費用獲得的生存力”的思想[10],標準化后采用第i種設計方案單位費用獲得的體系生存力PQi為:

(2)

4 仿真試驗及結果分析

假設由100個武器裝備組成的作戰體系參與作戰,體系中包含指揮控制節點、傳感器節點和火力打擊節點,體系中所有節點在敵方單枚導彈打擊下的生存力P0均為0.5。敵方可發射50枚制導導彈對體系進行攻擊,攻擊方式為蓄意攻擊。

現有將體系中節點生存力P0增大到0.6, 0.7, 0.8, 0.9和分別在P0為0.5和0.8時,為體系中各節點增加2條邊、4條邊、6條邊共10種體系生存力設計方案,每種設計方案所需費用代價Qi不同。

將上述實際作戰問題抽象為復雜網絡的網絡模型,即設網絡節點總數N=100,N0=10,Pz=0.1,Nz=5,Pz1=0.7,Pyc=0.5,Nyc=2,Nyh=1,Pyn=0.7,Pyn1=0.7,Pyw1=0.7,節點作戰效能取0.6,權衡系數λ取0.6。

基于Ucinet6.0軟件得到上述體系作戰的網絡模型如圖1所示,其中“■”,“●”,“▲”分別代表指揮控制節點、傳感器節點、火力打擊節點。

當敵方具有信息優勢時,則采用蓄意攻擊,即敵方導彈首先攻擊體系中重要性最高的節點(節點度最高的節點),若度數最高的節點被摧毀后,剩余導彈繼續攻擊次重要節點,以此持續進行。經計算,得到10種體系生存力設計方案對各指標的影響如表2所示。對表2的10種方案采用3.1.2節和3.1.3節的方法進行評估;采用專家評價法得到體系生存力、體系作戰能力、體系重組能力各指標的區間數判斷矩陣如表3～表5所示;最后取體系生存力評估區間值的中間值,得到10種設計方案的體系生存力和綜合權衡評估值如表6所示,體系生存力評估值的柱狀圖如圖2所示。所得的評估結果為各設計方案的相對值,無實際物理意義。

圖1 體系作戰網絡模型Fig.1 Net model of system warfare

方 案節點生存力作戰環數量節點作戰效能聚類系數最大連通度網絡效率費用Qi/萬元原方案T00.5460.60.0150.620.1095Q0增大節點生存力T10.6550.60.0200.760.1792Q1T20.71560.60.0840.870.2783Q2T30.82760.60.1560.950.3603Q3T40.95840.60.3270.990.4341Q4加2條邊T50.5480.60.1130.790.2054Q5加4條邊T60.51210.60.0820.830.2689Q6加6條邊T70.52440.60.2140.820.2918Q7加2條邊T80.86300.60.3510.970.4415Q8加4條邊T90.812550.60.3770.970.4838Q9加6條邊T100.818000.60.3910.970.4936Q10

表3 體系生存力各指標的區間數判斷矩陣Table 3 Interval number judgment matrix of indexes for system survivability

表4 體系作戰能力各指標的區間數判斷矩陣Table 4 Interval number judgment matrix of indexes for system combat capability

表5 體系重組能力各指標的區間數判斷矩陣Table 5 Interval number judgment matrix of indexes for system reconstruction capability

表6 蓄意攻擊下體系生存力及綜合權衡評估值Table 6 System survivability and synthetic tradeoff values in deliberate attacks

續表6

圖2 蓄意攻擊下各設計方案體系生存力評估值Fig.2 Evaluation values of system survivability of the design schemes in deliberate attacks

由圖2可以看出,在敵方蓄意攻擊下,體系生存力隨著節點生存力的增大而增大,隨著節點連接邊數的增多而增大。在節點生存力較小(為0.5)時,增大節點的生存力比增加節點的邊數獲得的體系生存力增加值大,而當節點生存力較大(為0.8)時,增加節點邊數的方案可以獲得更大的體系生存力增加值。這主要是因為當節點生存力較小時,體系被敵方導彈摧毀的節點數量較大,且被摧毀的節點主要是度數相對最高的重要節點,造成網絡產生大量的孤立節點,因此即使增加節點的連接邊也很難使體系生存力有較大提高;當節點生存力較大時,體系被敵方導彈摧毀的節點較少,此時增加節點的連接邊可以有效提高網絡的作戰能力和重組能力。

另外,從表6還可以看出,若在實際中搜集到或通過費用預測等手段得到了每種方案的費用值,則可根據表6的綜合權衡值PQi進行各方案的綜合權衡,從而選出最優的方案,實現效益的最大化。

5 結論

(1)本文提出的網絡中心戰條件下作戰體系生存力的概念,拓展了生存力的研究領域,為作戰體系生存力研究提供了一種思路;

(2)體系生存力評估與綜合權衡方法全面反映了影響體系生存力的主要因素,該方法既可評估體系的生存力,也可用于體系生存力設計方案的比較,因此對作戰體系的總體設計產生積極的影響;

(3)體系作戰,應重視對信息域及關鍵節點的保護。

[1] David.Network centric warfare developing and leveraging information superiority[R].ISBN 1-57906-019-6,2000.

[2] 李壽安,張恒喜,李曙林,等.飛機生存力評估與綜合權衡方法研究[J].航空學報,2005,26(1):23-26.

[3] Ball R E.The fundamentals of aircraft combat survivability analysis and design[M].Reston: American Institute of Aeronautics and Astronautics,2003:1-5.

[4] 宣琦.基于復雜網絡理論的復雜調度問題求解方法研究[D].杭州:浙江大學,2008.

[5] 劉軍.整體網分析講義:UCINET軟件實用指南[M].上海:格致出版社,2009:34-43.

[6] Newman M E J.The structure and function of complex networks[J].SIAM Review,2003,45(1):167-256.

[7] 張耀中,張安,何勝強.基于自適應MAS的編隊對地攻防對抗系統建模研究[J].系統仿真學報, 2006,18(8):605-612.

[8] Sajjad Z.Incorporating the uncertainties of decision judgments in the analytic hierarchy process[J].European Journal of Operational Research,1991,53(2):206-216.

[9] 郭輝.空中力量體系對抗的決策與優化研究[D].西安:空軍工程大學,2010.

[10] 李壽安,宋筆鋒,李東霞,等.飛機生存力設計技術評價及選擇方法研究[J].電光與控制,2008,15(7):26-29.

Synthetictradeoffdesignofoperationssystemssurvivabilityinnetworkcentricwarfare

YANG Zhe1, LI Shu-lin1, ZHOU Li1,2, YIN Jun-jie1

(1.Aeronautics and Astronautics Engineering College, AFEU, Xi’an 710038, China;2.95118 Unit of the PLA, Dangyang 444100, China)

Since system warfare is the major war mode at present, the method of synthetic tradeoff design of operations systems survivability was studied. The concept of operations systems survivability in network centric warfare was proposed, the network model of systems warfare was established based on the theory of complex network, the evaluation method of systems survivability was studied based on the characteristics of the systems warfare, and the method of synthetic tradeoff design of systems survivability was gained based on the effectiveness got in cost unit. Simulation results show that the method can be used to instruct the design of systems survivability.

network centric warfare; systems survivability; evaluation; synthetic tradeoff

V221

A

1002-0853(2013)05-0472-05

2013-01-30;

2013-05-12; < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間:2013-08-21 16:14

863計劃項目資助(2009AA04Z406)；國家自然科學基金資助(61172083)

楊哲(1984-)，男，遼寧葫蘆島人，博士研究生，研究方向為飛機生存力設計。

(編輯：李怡)