武器系統作戰能力需求滿足度評估方法

焦安龍,許俊飛

(1.中國人民解放軍91439部隊,遼寧 大連 116041;2.海軍工程大學,湖北 武漢 430033)

隨著海軍新型武器系統的快速發展,其作戰能力能否滿足當前海上作戰需求,需對其進行科學的論證。作戰能力是表征武器裝備完成作戰任務的重要指標,武器裝備對敵目標進行打擊時,對其作戰能力有何要求,對這一過程的分析稱之為武器系統作戰能力需求分析。通過作戰能力需求分析可對武器裝備提出一系列的性能指標要求,其結果的合理性與科學性對武器裝備的發展與建設具有指導性的意義。

目前,對能力需求分析的研究很多,用于能力需求生成的成熟方法卻很少,主要針對能力需求生成的框架構建以及生成步驟等,理論比較完善,但缺少定量的分析過程[1-4],本文在這些研究基礎上,針對新型武器系統展開作戰能力需求生成方法研究,從使命任務出發,研究在這一作戰態勢下,如何通過定量手段得到武器裝備所需的作戰能力指標值,重點分析從作戰任務到能力指標之間的映射規則,建立符合作戰想定的數學模型,從定量角度生成能力需求指標,在此基礎上進行能力滿足度分析。

1 框架構建

1)對武器系統作戰任務分析,需要明確海上武器裝備所面臨的使命任務,引入元任務,構建其作戰任務剖面,進行作戰任務分解,最終采用能夠實現一定作戰目標且相對獨立的最小活動單元——元任務序列,描述復雜而宏觀的作戰任務。

2)武器系統作戰能力分析,包括建立作戰能力指標體系,對應分析作戰任務與作戰能力之間的映射匹配關系,根據毀傷目標下的作戰任務建立相應的數學模型,明確任務-能力之間的映射關系,生成作戰能力指標需求方案[5]。

3)在生成武器系統作戰能力需求方案的基礎上進行能力需求滿足度評估,度量作戰能力完成作戰任務的程度,以此檢驗武器系統作戰能力需求生成方案的有效性。

圖1 作戰能力需求分析框架

2 使命任務分析

歐陽瑩之提出的綜合微觀分析方法[6](Synthetic Micro-analytic Approach, SMA)在對宏觀事物進行研究時,可以把整體分解為部分,進行局部的分析,再將局部整合起來,獲得宏觀的系統認知。

對武器系統進行使命任務分析,目的是分析在未來戰場環境下,武器裝備所擔負的主要作戰任務,由于使命任務相對宏觀,采用分解的思想,引入元任務概念,對所擔負的使命任務進行分解,形成元任務序列來表征使命任務。元任務是作戰行動過程中具有原子性事務處理性質的作戰任務,這種作戰任務是相對固定、相對獨立、能夠實現一定作戰目標的最小任務單元;進行作戰任務分解就是將宏觀的使命按照特定的原則分解成較低層次、相對明確的元任務清單。

隨著武器裝備的不斷發展,其優越的戰技性能,使之在未來戰場具有良好的應用前景,可承擔防空反導、對海、對陸等多種使命任務,對目標進行打擊時,由艦載傳感器提供目標信息,本艦作戰系統向武器系統發送目標指示,由跟蹤傳感器自動跟蹤目標,跟蹤好后將數據傳給火控設備,火控設備解算后控制武器進行射擊,武器系統控制跟蹤傳感器獲取目標觀測信息,進行校射和毀傷評估。經分解后得到的元任務序列如圖2所示。

圖2 元任務序列圖

3 作戰能力分析

3.1 能力指標體系的構建

作戰能力是武器裝備的自身屬性,表現為完成具體作戰任務所具有的“潛力”。結合傳統武器系統,建立新型武器系統的作戰能力指標體系,武器系統的作戰能力表現在威力、射擊精度、反應時間以及射擊效能上,采用自上而下的分解方式對每一級的能力指標進行分解,最終形成一個具有遞階結構的能力體系,體系的最底層即是武器裝備具體的能力指標[7]。

完成對作戰任務與作戰能力的逐層分解后,得到武器系統的元任務序列與能力指標體系,這種分解能夠幫助作戰指揮人員了解使命任務是通過哪些元任務來實現,元任務與能力指標之間具有對應關系,這種對應關系可以明確元任務的執行需要哪些能力作為支撐。武器系統作戰能力指標體系及元任務與能力指標間的對應關系如圖3所示。

圖3 能力指標體系及對應關系

3.2 映射關系分析

得到元任務與能力指標之間的對應關系,對武器系統實現作戰能力需求生成便落腳為元任務執行水平到能力指標取值的轉換,這種轉換即是一種映射[8]。通過作戰模擬建立符合作戰任務的數學模型,對能力指標的生成過程進行分析,利用軍事運籌理論,系統工程理論,作戰數模原理等建立數學關系式,生成能力指標的定量需求。采用解析規則描述元任務與能力指標之間的映射規則具有明顯的優勢,通過建立數學模型模擬作戰過程,公式簡單明了,便于理清能力指標之間的關系,通過影響因素的變化可分析能力指標的變化趨勢,因此通過解析映射關系可實現元任務到能力指標取值的定量映射分析。

武器的速度越高,對目標的毀傷能力越強,隨著裝備的不斷發展,在速度方面得到了很大的提升,如電磁軌道炮、新型火箭彈、魚水雷等武器裝備,設初速為v0,武器裝備出口動能E為[9]

(1)

式中:v0為武器初速;m為彈丸質量。

在作戰中要盡可能早地發現并捕獲目標,因此最大發現距離與武器系統的有效射程、反應時間、彈丸飛行時間等因素有關,最大發現距離Sd為[10]

Sd=Sr+(tpf+tfr+tsr)×va

(2)

根據戰場態勢進行作戰能力需求生成,若已知目標在一定距離外,可將這段距離近似為最大發現距離,進而反推出武器系統的有效射程。

武器系統對目標的最大跟蹤距離St即為

St=Sr+(tpf+tfr)×va

(3)

武器系統的精度指標與射擊效能密切相關,根據系統的射擊效能指標要求,當系統的兩組誤差呈最佳匹配關系時,系統精度、目標特性等因素有關的參數可按照下式計算求得[11]

(4)

式中,P0為系統的射擊效能指標;λ為綜合影響參數,與系統精度、目標特性等因素有關的參數。

火控系統誤差σc的計算則與毀傷目標的命中面積,目標的易損性以及武器系統發射的彈丸數有關,因此武器全系統隨機誤差的均方差σ、系統誤差M以及當對目標進行連續射擊時,連發散布誤差均方差σfs和隨動系統誤差的均方差σss可按下式進行估算:

(5)

(6)

(7)

式中，S為目標的命中面積;ω為毀傷目標所需平均命中彈數;n為發射的彈數。σfs為武器系統射擊時,彈丸高低散布均方差和方向散布均方差;σss為隨動系統高低均方差和方位均方差;Kp為武器系統精度分配因子,0≤Kp≤1。

根據作戰任務和所要達到的毀傷效果,武器系統的射速指標np應滿足:

(8)

式中，np為射速,發/min;r為目標域半徑;K為目標航路修正系數。

當彈著點對目標圓心的偏差量服從瑞利分布時的單發命中概率p為

(9)

當每次發射的單發命中概率相同均為p時,對目標的毀傷概率達到P0時所需發射的彈藥數為n為

(10)

4 能力需求滿足度分析

通過武器系統作戰任務與作戰能力的映射分析,可以生成能力指標的需求列表。武器系統作戰能力的提升離不開其關鍵技術的支撐,能力建設的目的就是滿足作戰需要,對武器系統進行能力需求滿足度分析,可以確定相關技術是否滿足任務能力需求。在灰色關聯分析法和理想解法的評估方法的基礎上,從貼近度和關聯度的角度分析需求滿足度,貼近度表示能力指標值與理想值之間的差距,反映了作戰能力指標值與理想值之間的關系;關聯度表示能力指標無論在理想與現實中都存在一種潛在的關聯,即相似性,反映的是能力指標值作為一個整體與理想值之間的關系[12]。

根據能力需求生成過程中建立的能力指標體系,對能力指標進行規范化處理,將能力指標分為效益型與成本型,對其的規范化處理如下。效益型指標的規范化處理函數為

(11)

成本型指標的規范化處理函數為

2.2.4 建立拓撲并進行連通性分析?，F已獲得單線河流矢量數據，并對該提取結果進行投影變換。建立個人地理數據庫和數據集，導入中軸線數據，通過添加拓撲規則完成拓撲新建及拓撲檢查。檢查無誤后新建網絡數據集，選取兩端點實現提取結果連通性分析。

(12)

1)采用層次分析法確定武器系統各能力指標對完成目標任務的不同權重w=(w1,w2,…,wn)。

2)采用改進的TOPSIS求解貼近度,經映射分析后定量得到武器裝備完成作戰任務的能力指標值,即決策矩陣A=(ai)1×n,結合權重集w生成加權規范矩陣B=(bi)1×n,其中bi=ai×wi;確定加權后的正理想解為B+=(w1,w2,…,wn),負理想解為B-=(0,0,…,0);根據能力指標值到正負理想解的距離d+和d-確定到理想解的相對貼近度C。

(13)

(14)

4)定義能力需求滿足程度是貼近度和關聯度的結合,S=Cα·Rβ,其中S為能力需求滿足程度,α,β∈(0,1),且α+β=1。

5 仿真分析

在武器系統作戰能力需求生成中,首先需要判斷武器裝備對敵方目標的發現距離,假定在距武器裝備150 km外有敵方導彈目標以高度為3 km、超聲速Ma=2襲來,對于武器裝備已知的作戰參數如表1所示,根據戰場態勢分析攔截并毀傷敵方導彈目標所需的作戰能力。對于服從正態分布的參數,每一次仿真計算中的取值用符合正態分布的隨機數來產生,已知的作戰參數如表1、表2所示。

表1 作戰參數值

表2 影響參數值

根據武器系統作戰過程中的映射關系建模分析,進行作戰能指標的需求生成,理想值為對敵目標毀傷效果達到90%,實際值為對敵目標毀傷效果達到60%時對武器系統能力指標的要求,作戰能力指標需求值如表3、4所示。

表3 效益型指標值

表4 成本型指標值

經映射分析得到在具體作戰態勢下的武器系統作戰能力需求指標值,對指標進行規范化可得決策矩陣A:

A=[0.7999, 0.6402, 0.9291, 0.9997, 0.4178, 0.9667, 0.3478, 0.5808, 0.5942, 0.5843, 0.584, 0.4043, 0.25]。

根據層次分析法得到指標的權重w:

w=[0.2244, 0.1942, 0.0591, 0.0543, 0.0869, 0.0147, 0.0377, 0.0251, 0.0238, 0.0175, 0.0183, 0.1029, 0.1413]。

則加權決策矩陣為:

B=[0.1795, 0.1243, 0.0548, 0.0543, 0.0363, 0.0142, 0.0131, 0.0145, 0.0142, 0.0102, 0.0107, 0.0416, 0.0353]，

B+=[0.2244, 0.1942, 0.0591, 0.0543, 0.0869, 0.0147, 0.0377, 0.0251, 0.0238, 0.0175, 0.0183, 0.1029, 0.1413]，

B-=[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]。

所以由式(14)可得d+=0.0449,d-=0.1795,Cj=0.7999;由式(15)可得這組能力指標對正理想解的灰色關聯度為R+=0.7168,對負理想解的灰色關聯度為R-=0.8023,所以R=0.4719。因此武器系統完成該作戰態勢下的能力需求滿足度S=Cα·Rβ=C0.5·R0.5=0.5337。

從滿足度結果來看,能夠較好地滿足武器系統對來襲敵導彈目標的攔截需求,表明武器系統完成整個射擊任務的作戰能力在整個作戰能力指標中的重要程度,約占53.37%。按照此方法同理可得：新型武器系統在情報偵察、指揮控制等其他方面作戰能力的滿足程度,在能力需求的牽引下,充分挖掘武器系統所供與真實作戰所需的矛盾程度,依次進行相關能力的建設與發展。由于分析數據源基本來自主觀賦值,因此對相關數據采用數學方法進行修正處理,能夠較好地控制主觀判斷帶來的差錯,使評估結果更加科學可信。

6 結束語

作戰能力指標是武器系統需求論證的重要內容,本文提出的基于解析規則下的武器系統作戰能力需求生成方法,通過建立武器裝備在作戰過程中的數學仿真模型,定量生成作戰能力指標值,克服了傳統定性分析的不足,分析過程清晰直觀,生成結果科學可靠,同時采用基于GCA-TOPSIS方法評估了武器系統在毀傷目標條件下的任務滿足度,驗證了作戰能力需求生成指標的可靠性。從總體上講,該方法通過模型建立、簡單可靠,為新型武器裝備提升作戰能力提供一定的參考。