基于網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的兩艦作戰(zhàn)耦合與同步?

張弘弨 王昕霄 彭京徽

（海軍工程大學(xué)兵器工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

隨著高新科技信息技術(shù)的發(fā)展，戰(zhàn)場形態(tài)表現(xiàn)出遠距離大縱深作戰(zhàn)的非線性特性和高度的不確定性，形成了高新技術(shù)條件下局部聯(lián)合作戰(zhàn)的基本戰(zhàn)爭形態(tài)［1～2］。為應(yīng)對來自海洋上威脅，需要對網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下的編隊聯(lián)合作戰(zhàn)系統(tǒng)展開研究，考慮到該系統(tǒng)的復(fù)雜性，可采用由簡單子系統(tǒng)上升到整體系統(tǒng)的研究方法。雙艦協(xié)同作戰(zhàn)是編隊聯(lián)合作戰(zhàn)最簡單的形式，是編隊聯(lián)合作戰(zhàn)問題研究的基礎(chǔ)，其中耦合與同步問題是網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的核心概念［3］。為完善編隊聯(lián)合作戰(zhàn)協(xié)同形式，提高網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下編隊聯(lián)合作戰(zhàn)能力，需首先解決雙艦協(xié)同作戰(zhàn)下的耦合與同步問題。

耦合動力學(xué)系統(tǒng)中的同步現(xiàn)象在物理學(xué)、數(shù)學(xué)和理論生物學(xué)等領(lǐng)域已經(jīng)研究了很多年，已成為非線性科學(xué)的研究熱點之一。1990年P(guān)ecora和Car?roll提出混沌同步方法［4］。20世紀對同步問題的研究主要集中在有規(guī)則拓撲結(jié)構(gòu)的常規(guī)網(wǎng)絡(luò)［5～6］。近年來復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)同步理論的研究得到快速發(fā)展［7～9］。其中，文獻［3］從同步的穩(wěn)定狀態(tài)和行為一致性效果出發(fā)，給出了基于任務(wù)的作戰(zhàn)同步能力量化方法。文獻［10］從作戰(zhàn)單元動力學(xué)行為和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)兩個方面，對同屬性作戰(zhàn)單元的作戰(zhàn)同步內(nèi)在機理進行建模分析。

本文在兩艦互連的結(jié)構(gòu)下，引入艦艇狀態(tài)變化的概念，借鑒了作戰(zhàn)動力學(xué)的思想，對兩艦協(xié)同作戰(zhàn)的耦合與同步問題進行研究，重點分析單艦、雙艦組成的子系統(tǒng)的狀態(tài)變化特性，研究兩艦互連情況下的信息耦合作用方式和作用效果。

2 兩艦作戰(zhàn)的耦合形式

在平臺中心戰(zhàn)中，單艦的傳感器、武器與指揮控制系統(tǒng)（C2）緊密聯(lián)系，單艦C2節(jié)點通過艦艇內(nèi)部線路與自身傳感器相連從而獲得對外界戰(zhàn)場態(tài)勢的有限感知，并通過所獲得的目標(biāo)信息引導(dǎo)本艦武器打擊目標(biāo)。艦艇間通過本艦的C2節(jié)點互連，形成如圖1所示連接A，由于受到線路帶寬的限制，一般只能交換簡單的作戰(zhàn)狀態(tài)信息。

圖1 連接A

連接A中，傳感器之間沒有形成互連，單一的本艦傳感器往往不能足夠準(zhǔn)確的跟蹤、定位、識別某些類別的目標(biāo)。兩艦間較弱的連接使得艦艇之間很難形成作戰(zhàn)同步。編隊內(nèi)艦艇無法全面掌握當(dāng)前作戰(zhàn)態(tài)勢，很難根據(jù)整個作戰(zhàn)空間內(nèi)的突發(fā)事件快速地做出任務(wù)調(diào)整和應(yīng)對。

在信息互連的網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)中，每艘艦艇的感知、C2和武器等各個節(jié)點通過高帶寬的魯棒的數(shù)字數(shù)據(jù)鏈路連接成網(wǎng)絡(luò)，形成如圖2所示的連接B，艦艇間共享整個戰(zhàn)場感知視圖、編隊狀態(tài)視圖等高容量、高質(zhì)量和高實時性的信息流。艦艇按照預(yù)定的作戰(zhàn)方案和職能分配執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，獨立根據(jù)作戰(zhàn)態(tài)勢做出決策。

圖2 連接B

在連接B中，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的互連，能夠克服單個傳感器受到地形、環(huán)境、目標(biāo)機動等造成的探測不確定性，形成了較高水準(zhǔn)的作戰(zhàn)空間感知能力。根據(jù)實時提供的各方作戰(zhàn)狀態(tài)信息，編隊內(nèi)艦艇可快速做出決策反應(yīng)，根據(jù)作戰(zhàn)態(tài)勢對作戰(zhàn)行為進行調(diào)整。但由于缺少統(tǒng)一的調(diào)度管理中心，難以形成同步。編隊內(nèi)艦艇可在攻擊和防御中會出現(xiàn)目標(biāo)遺漏、重復(fù)打擊等作戰(zhàn)協(xié)同不力的情況出現(xiàn)，造成彈藥浪費、威脅升級等后果。

在統(tǒng)一任務(wù)調(diào)度的網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)中，作戰(zhàn)空間態(tài)勢信息、編隊作戰(zhàn)狀態(tài)信息、后勤支援信息等在感知、控制和執(zhí)行節(jié)點中共享，并通過統(tǒng)一的控制調(diào)度中心來對信息和資源進行調(diào)配，達到資源使用的最優(yōu)化和作戰(zhàn)效果的最大化，如圖3所示連接C。

圖3 連接C

在連接C中，由于傳感器、武器和單艦指揮控制節(jié)點充分互連和控制中心的統(tǒng)一調(diào)配，艦艇可在全作戰(zhàn)空間信息共享的基礎(chǔ)上能夠協(xié)調(diào)目標(biāo)分配，統(tǒng)籌資源配置，控制編隊內(nèi)艦艇的角色變換，根據(jù)作戰(zhàn)態(tài)勢的變化動態(tài)調(diào)節(jié)作戰(zhàn)任務(wù)，實現(xiàn)編隊艦艇的高效同步，實現(xiàn)了整體大于部分的總和的目的［11～12］。

3 兩艦的狀態(tài)同步

3.1 艦艇狀態(tài)的變化

在作戰(zhàn)過程中，艦艇的作戰(zhàn)狀態(tài)在不同的離散時刻下，可歸納為空閑、攻擊、補給三種離散狀態(tài)，艦艇在這三種狀態(tài)間的變化即為相變，如圖4所示。

圖4 單艦狀態(tài)的相變

引起相變的關(guān)鍵狀態(tài)變量為目標(biāo)信息量和彈藥剩余量，目標(biāo)信息量即為待攻擊目標(biāo)序列數(shù)量。在空閑狀態(tài)下，目標(biāo)信息量為零，彈藥剩余量不變；在攻擊狀態(tài)下，艦艇的攻擊目標(biāo)信息量將減少，彈藥剩余量將減少；在補給狀態(tài)下，彈藥剩余量增加。艦艇狀態(tài)相變的偽代碼表示為

3.2 狀態(tài)同步的定義

在兩艦組成的子系統(tǒng)中，兩艦間通過建立作戰(zhàn)協(xié)同關(guān)系，形成了一個耦合子網(wǎng)，產(chǎn)生同步效果。網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的同步效果主要體現(xiàn)在對信息的共享、對目標(biāo)的同步打擊以及后勤補給的協(xié)調(diào)上。

在兩艦互連的簡單耦合子系統(tǒng)中，同樣可體現(xiàn)信息共享、同步打擊和協(xié)調(diào)補給所實現(xiàn)的同步作戰(zhàn)效果。同步定義如下：

定義1：如果耦合系統(tǒng)的狀態(tài)變量滿足關(guān)系：稱耦合系統(tǒng)達到了完全同步狀態(tài)，其中X(t)表示系統(tǒng)狀態(tài)變量，s(t)為耦合系統(tǒng)狀態(tài)變量的解。

定義2：如果耦合系統(tǒng)的狀態(tài)除了時間延遲外，狀態(tài)變量幾乎一樣，即：

稱耦合系統(tǒng)達到了延遲同步狀態(tài)。

研究兩艦的狀態(tài)完全同步和延遲同步的現(xiàn)實意義在于：當(dāng)兩艦處于完全同步狀態(tài)下，可實現(xiàn)對目標(biāo)的完全火力打擊和集中供給，對目標(biāo)的完全火力打擊可集中時間和力量打擊有價值目標(biāo)，同時統(tǒng)一調(diào)度供給力量，提高供給的使用效率；當(dāng)兩艦處于延遲同步狀態(tài)下，兩艦不同時進入攻擊狀態(tài)或補給狀態(tài)，單艦補給時另一艦處于戰(zhàn)斗狀態(tài)，這樣可形成對目標(biāo)的持續(xù)打擊和對我方艦艇的持續(xù)防護。

4 仿真與分析

采用Repast提供的多Agent的程序設(shè)計思路，設(shè)計為Enemy和Ship兩個Agent類，分別定義其方法屬性。由這兩類實例化為若干Enemy類的實例列表和ShipA與ShipB的兩艦實例。程序流程如圖5所示。

設(shè)定一次戰(zhàn)斗的時間為5s，以每0.05s為一個時間步長；目標(biāo)的出現(xiàn)量和處于兩艦可探測區(qū)域內(nèi)的位置完全隨機，其中在每個步長時間目標(biāo)出現(xiàn)量服從［0，4］內(nèi)的均勻分布；設(shè)定A艦和B艦在各自可探測區(qū)域內(nèi)對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率為0.95；兩艦對目標(biāo)的命中概率設(shè)置為0.95；每艦的最大載彈量為10個單位，每進行一次攻擊彈藥消耗量為1個單位，每一次補給可補充的彈藥為2個單位，補給時間為5個時間步長。

共對四種兩艦不同信息互連和同步關(guān)系進行了仿真，包括：1）目標(biāo)信息不共享不分配方式；2）目標(biāo)信息共享不分配方式；3）目標(biāo)信息共享且完全同步方式；4）目標(biāo)信息共享且延遲同步方式。每種方式在目標(biāo)隨機出現(xiàn)的方式下獨立運行20次取評估指標(biāo)的平均值并從以下六個方面進行加以分析：（a）目標(biāo)剩余視圖；（b）目標(biāo)剩余量；（c）每個時間步長內(nèi)消滅目標(biāo)數(shù)量；（d）每個時間步長內(nèi)兩艦的狀態(tài)變化（數(shù)值“1”表示處于攻擊狀態(tài)，數(shù)值“0”表示處于空閑狀態(tài)，數(shù)值“-1”表示處于補給狀態(tài)）；（e）兩艦同步攻擊時間和同時補給時間的累計；（f）兩艦同時處于空閑和補給狀態(tài)時的目標(biāo)數(shù)量。

圖5 程序流程

1）目標(biāo)信息不共享不分配方式

在此方式下，兩艦單獨探測目標(biāo)信息，目標(biāo)信息不共享給另一艦。仿真結(jié)果如圖6。

圖6 目標(biāo)信息不共享不分配方式的仿真結(jié)果

由于沒有完全的共享目標(biāo)信息，殺傷目標(biāo)只占總目標(biāo)量的46%，可從圖（f）中看出，兩艦由于無法完全獲取目標(biāo)信息而造成了戰(zhàn)斗力的閑置。由圖（d）可看出兩艦的大量時間處于空閑狀態(tài)，但存在的目標(biāo)數(shù)量仍在不斷上升（圖（b））。可見在此狀態(tài)下，艦艇的攻擊力無法完全發(fā)揮，對目標(biāo)的打擊效果比較差，持續(xù)攻擊時間較短，兩艦間基本無法形成有效的同步。

2）目標(biāo)信息共享不分配方式

在此方式下，兩艦共享目標(biāo)信息，但在兩艦間不分配目標(biāo)量，兩艦通過共享的目標(biāo)視圖隨機的選擇攻擊目標(biāo)，各自的狀態(tài)給對方不造成影響。這種方式的仿真結(jié)果如圖7。

圖7 目標(biāo)信息共享不分配方式的仿真結(jié)果

由于充分共享了目標(biāo)信息，圖7（b）中每時刻中存在的目標(biāo)數(shù)量就與圖6（b）有了明顯的不同，目標(biāo)數(shù)量不再持續(xù)上升，而是能夠較快被消滅，戰(zhàn)場上需打擊的目標(biāo)數(shù)量較少。由于戰(zhàn)斗力的充分利用，總攻擊時間在全部作戰(zhàn)時間中的比例有所提高。可見此狀態(tài)下，兩艦通過對目標(biāo)信息的完全共享，基本能夠發(fā)揮最大的攻擊力，但由于沒有采用任何同步機制，因此沒有對目標(biāo)造成短時間內(nèi)的大的殺傷量，在攻擊時間上也沒有形成持續(xù)性。

3）目標(biāo)信息共享與分配與全同步方式

在此方式下，為了達到同步攻擊的目的，在兩艦間調(diào)配目標(biāo)量，以實現(xiàn)同步攻擊、同步補給的效果。圖8給出了該種方式的作戰(zhàn)仿真結(jié)果。

圖8 目標(biāo)信息共享與分配且完全同步方式的仿真結(jié)果

由圖（b）可見，由于兩艦狀態(tài)的同步，在攻擊狀態(tài)時，戰(zhàn)斗力會同時釋放，而在補給狀態(tài)時，戰(zhàn)斗力會同時消失，因此對目標(biāo)量造成的影響就是目標(biāo)量會在某段時刻大量增加而在某段時刻大量的減少至零。從圖（d）中可見兩艦同步的狀態(tài)效果。從圖（f）中可以看到，盡管作戰(zhàn)貽誤時間為0，但由于兩艦處于同時補給的時間較長，在同時補給的時間內(nèi)目標(biāo)數(shù)量呈大幅度增加趨勢。可見完全同步方式，對目標(biāo)的打擊力量能夠在短時間內(nèi)集中實現(xiàn)，對目標(biāo)造成的短期殺傷程度較大，但處于攻擊時間在總作戰(zhàn)時間中的比例相對不大，即很難保持持續(xù)的攻擊能力。

4）目標(biāo)信息共享且延遲同步方式

充分共享目標(biāo)信息的前提下，采用延遲同步的兩艦同步方式。這種方式的仿真結(jié)果如圖9。

由圖（b）可見，在延遲同步攻擊模式下，目標(biāo)在某時刻的數(shù)量增長不會如圖8（b）所呈現(xiàn)的大幅度的增長和減少，而是在不斷的持續(xù)打擊下，目標(biāo)數(shù)量維持在一個較低的水平。從圖（d）中可見兩艦的攻擊狀態(tài)在全作戰(zhàn)時間中基本保持了連續(xù)性。在此狀態(tài)下，兩艦通過延遲同步實現(xiàn)了在戰(zhàn)場上保持攻擊狀態(tài)，能夠持續(xù)對目標(biāo)展開攻擊。過程中對目標(biāo)高度殺傷量的比例較小，通過對戰(zhàn)斗力的平均分配實現(xiàn)了戰(zhàn)斗力的持續(xù)性。

圖9 目標(biāo)信息共享與共享且延遲同步方式的仿真結(jié)果

5 結(jié)語

針對網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下兩艦協(xié)同作戰(zhàn)的耦合與同步問題，分析了兩艦間基于目標(biāo)信息共享和分配的不同耦合方式，提出了兩艦間完全同步攻擊和異步延遲攻擊兩種協(xié)同模式。通過仿真結(jié)果表明：兩艦間在充分共享目標(biāo)信息的條件下，作戰(zhàn)能力將得到較大程度上的發(fā)揮，對戰(zhàn)場中目標(biāo)打擊效果比無共享目標(biāo)信息情況下有顯著提高；通過對目標(biāo)量在兩艦間的共享分配可形成兩艦狀態(tài)的完全同步和延遲同步兩種作戰(zhàn)模式，分別實現(xiàn)對目標(biāo)的集中打擊和持續(xù)打擊，使兩艦的戰(zhàn)斗力得到充分的發(fā)揮。

本文僅停留在對簡單子系統(tǒng)的研究，在此基礎(chǔ)上可對更高一層次的子系統(tǒng)間的關(guān)系以及不同功能子系統(tǒng)間的關(guān)系進行研究。如態(tài)勢群間關(guān)系、作戰(zhàn)組織群間關(guān)系等，具體可在如何介入作戰(zhàn)體系以實現(xiàn)作戰(zhàn)任務(wù)的協(xié)同等方面做出研究。