岸艦導彈作戰體系網絡效能評估?

邵云龍 孫學鋒 隋江波 鄭恩超

（1.海軍航空大學 煙臺 264001）（2.中國人民解放軍92771部隊 青島 266500）

1 引言

從近期幾場局部戰爭來看，實施以導彈武器為主要打擊兵器的遠程精確打擊，將是未來海上作戰的主要作戰樣式［1］。岸艦導彈作為海軍現役主戰反艦導彈之一，是打擊敵大中型水面艦艇的主要岸防武器。隨著信息技術的不斷發展，信息化、智能化和協同作戰，已逐步成為未來高技術戰場環境下岸艦導彈武器系統的主要發展方向［2］。因此，如何定量分析武器系統的網絡效能顯得尤為重要。

2 岸艦導彈武器系統結構功能

目前，岸艦導彈武器系統由預警探測節點、指揮控制節點和火力打擊節點組成。預警探測節點，主要由空間偵察衛星、預警機、遠程偵察機、超視距雷達、作戰艦艇和艦載直升機等構成，用于提供戰場態勢，對目標進行識別跟蹤和打擊效果評估，并將目標數據向指控中心（作戰平臺）傳輸。指揮控制中心，主要由岸基指控中心、編隊指揮艦或預警機擔任，用于接收遠程偵察預警兵力提供的戰場信息，進行數據處理和數據融合，提供統一的戰場感知，進行作戰指揮決策，向火力平臺分發目標指示數據和進行火力分配。岸艦導彈火力單元，主要由岸艦導彈發射平臺組成，用于完成導彈裝載和機動接收指控中心和探測平臺提供的目標指示，求解火控數據，并實施導彈發射任務［3］。

信息協同下的網絡化岸艦導彈作戰，其優點在于整個作戰系統中單個單元的失效不會導致武器系統整體的失效，增強了作戰系統的魯棒性和作戰能力。武器系統的結構關系主要表現在節點之間的信息交互，包括由探測節點向指揮控制節點或打擊節點提供的目標信息，由指控節點對探測節點和打擊節點提供的指控信息等［4］。

為表述武器系統內部結構和信息交互關系，本文基于復雜網絡理論對岸艦導彈體系結構建模，用復雜網絡中的節點來表示探測、指揮控制和打擊節點，用邊來表示三類節點之間的信息交互關系。

3 網絡效能評估模型

3.1 作戰系統網絡效能概述

要對岸艦導彈作戰體系的網絡效能進行評估，首先要給網絡效能一個合理的定位，裝備作戰效能的層次結構如圖1所示［5］。裝備作戰效能評估研究是根據主要指標因素，在數據收集的基礎上，運用評估方法，建立綜合反映裝備達到規定目標的能力測度算法和模型。準確的效能評估，可以為裝備作戰使用、新裝備研發、戰法研究等提供理論和決策依據。

圖1 裝備作戰效能層次劃分

首先，裝備作戰效能可劃分為裝備系統效能和作戰行動效能。裝備系統效能是作戰行動效能發揮的基礎。其次，裝備系統效能又可劃分為單項效能、系統效能和體系效能［6］三個方面。

單項效能是指裝備系統在某一特定能力上所能達到的程度，例如預警探測單元的探測效能、導彈的突防效能、指揮控制單元的指控效能等。系統效能是可用性、可信性和固有作戰能力的函數。系統效能是隨著系統作戰的發展提出的概念，其主要強調的是系統中各作戰單元間的相互作用效果。

網絡是作戰系統形成的基礎，因此，網絡效能是系統效能有效發揮的關鍵，作戰系統效能評估應以網絡效能為重點。網絡效能關注的是基于網絡的作戰平臺之間信息交互作用的結果，本文所研究的岸艦導彈作戰體系網絡效能評估指的就是系統效能中的網絡效能。

3.2 指標因素分析

結合岸艦導彈作戰體系結構和作戰實際，本節通過復雜網絡的統計特征值建立岸艦導彈網絡整體效能指標，其最重要的五個指標分別為時效性、連通性、重組性、網絡化效能指數和魯棒性。

1）時效性［7］

時效性是指作戰體系中各作戰實體間信息共享時間的效率，其考量的是信息在作戰實體間傳遞的時間。為方便分析網絡模型的整體效能，只考慮實體之間互相連通需要的跳數，即實體之間連通所需要的邊數，不考慮作戰實體之間實際的距離。取兩個節點間的距離的倒數來表征系統的時效性，定義岸艦導彈殺作戰體系的時效性指標：

其中，N為網絡結構節點數，dij為節點i與節點j之間的最短距離。

2）連通性

復雜網絡理論中，使用網絡密度來衡量網絡的連接程度。網絡密度的取值越大，證明該網絡的連通程度越好，構建網絡的代價也就越高；反之，網絡密度越小，連通程度越低。但是，網絡密度考慮的只是節點之間的連通性，而沒有考慮到節點之間的連通距離。對于網絡密度相同的網絡，平均路徑長度大的網絡連通性較差。由此，我們使用網絡密度和平均路徑長度兩個指標來定義作戰網絡結構的連通性，網絡連通系數：

其中，M為網絡結構的邊數，dij為節點i與節點j之間的最短距離。

3）魯棒性［8］

魯棒性是指網絡中的節點在失效或者降效的情況下，仍然保持原有效能的能力，它是評估體系是否穩定的一個重要指標。為了方便與其他指標進行綜合分析，本文主要通過網絡拓撲結構來分析系統魯棒性。通過復雜網絡參量得知，節點連接度在一定程度上反映了其在網絡中的重要性。節點度越大，其在系統結構中地位越重要。定義網絡中節點的重要度：

通過定義網絡的結構熵來度量系統魯棒性：

4）抗毀性［9］

系統的抗毀性是指網絡結構中的關鍵節點（節點介數大）失效后，其他節點保持連通的能力。因此，系統的抗毀性與關鍵節點失效前后的體系連通性有關。定義系統抗毀性：

其中C'為關鍵節點失效后的體系連通性，C為關鍵節點失效前的體系連通性。

5）緊密性

緊密性實際是作戰體系網絡結構的緊密程度，是對網絡結構中節點間信息共享效率的度量。定義系統緊密性為系統結構中任意一個節點與其他節點之間最短距離之和的均值：

3.3 確定指標因素權重

本文使用層次分析法［10］確定指標因素的權重，該方法的優點是通過層次分解的方法把定性指標轉化為定量指標進行計算，其具有清晰的邏輯性和很好的參考價值。

1）構建判斷矩陣

根據1-9標度方法構建網絡效能指標因素評價矩陣：

表1 岸艦導彈網絡效能指標判斷矩陣

求解構建的判斷矩陣，求得該判斷矩陣的最大特征值λmax=5.0132，其對應的特征向量為v=(0 .1440，0.2785，0.7178，0.6048，0.1440 )。

2）一致性檢驗

為保證結論合理，需要對判斷矩陣進行一致性檢驗。層次分析法中引入判斷矩陣最大特征根以外的其余特征根的負平均值，作為度量判斷矩陣偏離一致性的指標，用來檢查決策者判斷思維的一致性。

對于階數不同的判斷矩陣來說，一致誤差會有所不同，一致性指標值CI的值要求也不同，因此還需要引入平均隨機一致性指標RI。對于1-9階判斷矩陣，RI值如表2所示。

表2 判斷矩陣平均隨機一致性指標［11］

將判CI與RI之比稱為隨機一致性比率，記為CR。當時，則判斷矩陣具有滿意的一致性，否則就需要對判斷矩陣進行調整，以達到滿意的一致性。通過計算，判斷矩陣的隨即以執行比率：

所以，構建的判斷矩陣達到滿意的一致性，可以進行后續評估。將特征向量歸一化后得到五個因素的權重向量為ω=(0.0762，0.1474，0.3800，0.3202，0.0762)。

3.4 整體效能模型

岸艦導彈作戰體系的網絡效能分析，可以用時效性、連通性、魯棒性、抗毀性、緊密性這五個指標來描述，設岸艦導彈作戰體系的整體網絡效能為E，則：

式中，T為系統的時效性，C為系統的連通性，R為系統的魯棒性，S為系統的抗毀性，Cl為系統的緊密性。

4 實例分析

為了驗證評估模型的可行性，分析岸艦導彈作戰體系網絡效能，本文以平臺中心戰和信息化協同兩種模式下的岸艦導彈作戰體系結構為例，比較相同網絡規模情況下（同等數量的預警探測節點、指揮控制節點和火力打擊節點）不同網絡結構岸艦導彈體系網絡效能的差異。

假設整個體系由4個預警探測單元（C1、C2、C3、C4），1個上級指揮所（D5），4輛指控車（D1、D2、D3、D4）和16輛發射車（I1-I16）組成，使用Ucinet軟件進行仿真和指標解算，平臺中心戰的體系結構仿真圖分別如圖2所示。

圖2 平臺中心戰模式下岸艦導彈作戰體系網絡結構

在圖1的基礎上對火力打擊單元和指揮控制單元進行部分網絡協同。將四輛指控車兩兩互連，同一指控車下屬的四輛發射車兩兩互連，跨指控車建制的各增加一條連邊，將四個“小團體”連成環狀，形成的網絡結構如圖3所示。

圖3 信息化協同模式下岸艦導彈作戰體系網絡結構

岸艦導彈作戰體系網絡效能指標原始值如表3所示。

表3 岸艦導彈作戰體系網絡效能指標值

本文選用比重法對指標進行歸一化處理，比重法是指將指標原始值轉化為其在指標值總和中所占的比重，表達式為［12］

其中，xij為指標原始值，yij為歸一化值。效能指標值歸一化后的指標值如表4所示。

為了更加直觀地反映網絡協同后，岸艦導彈作戰體系網絡效能各指標值和整體效能的變化情況，將歸一化后的性能指標繪制成圖表，如圖4所示。

表4 岸艦導彈作戰體系網絡效能指標歸一化值

圖4 岸艦導彈作戰系統網絡效能對比

通過圖4可以看出，在作戰節點數量和類型均相同的情況下，不同的節點連接方式和網絡結構，對作戰系統的單項和整體網絡效能均有不同程度的影響。下面，對網絡效能各單項和整體指標進行分析。

1）時效性指標有所增加。發射車節點之間、指控車節點之間通過連接實現了網絡協同，增加的連邊使作戰系統網絡結構的平均最短路徑變小，信息傳遞的時延減小、速度加快。

2）連通性指標增幅較大。這是因為，連通性指標為網絡密度和平均最短路徑的比值，在節點數不變的情況下，網絡密度隨著連邊的增加而增大，而平均最短路徑隨著連邊的增加而減小，作戰系統的連通性增強。

3）魯棒性指標有所增加。魯棒性指標考量的是作戰系統網絡結構節點度分布的均勻性。原結構中，度數最高的節點為對海突擊指揮所，發射車之間、指控車之間增加連邊后，發射車和指控車節點的度數有所增加，使系統的度分布趨于均勻，作戰系統的魯棒性增強。

4）抗毀性指標有所增加?？箽院饬康氖窍到y中關鍵節點失效后系統保持原有性能的能力。原結構中，關鍵節點為對海突擊指揮所，發射車之間、指控車之間增加連邊后，關鍵節點的數量有所增加，敵方的重點攻擊選擇將變得更加困難，作戰系統的抗毀性增強。

5）緊密性指標有所增加。系統網絡結構的平均最短路徑變小，網絡結構的信息共享效率更加高效，內聚性更強。

6）整體網絡效能。網絡協同后，各單項指標值均出現了一定程度的增加，因此作戰系統整體網絡效能有了一定提升，較原結構增加了34.65%。

5 結語

本文基于層次分析法構建了岸艦導彈作戰體系網絡效能評估模型，整合時效性、連通性、魯棒性、抗毀性和緊密性五個指標對體系的網絡效能進行評價。通過實例分析驗證了模型的有效性，該模型為岸艦導彈作戰體系網絡效能評估和結構優化分析提供了簡便算法，提高了時效性、可靠性和科學性。