航空集群系統空對地作戰效能涌現方法研究*

楊昌發，任 勇，冷智輝，沈 亮，萬 芩

（1.航空工業洪都，南昌 330024；2.空軍研究院系統工程研究所，北京 100076）

0 引言

航空集群是由一定數量的單功能或多功能、有人或無人航空飛行器共同組成，以交感網絡為基礎，整體具有能力涌現和行為可控、可用、可發展的智能系統［1-3］。航空集群系統在不同戰場態勢下，通過不同平臺的功能耦合以及不同構型的效應來產生效能涌現［4-6］。因此，航空集群系統不是多平臺的簡單編隊，其集群能力也不是各平臺能力的簡單疊加，而是按照一定的“構型”將各平臺組織起來，實現“1+1＞2”的整體動態能力提升。

美國空軍科學顧問委員會明確指出：“未來的作戰飛行器應當以成群而非單獨的方式行動”。可見，多平臺集群作戰將成為未來空中作戰的主要樣式［7-8］。如何對航空集群系統的作戰能力進行評估，成為集群作戰領域中的研究熱點。本文基于航空集群系統典型對地作戰過程，對航空集群的特點及相應能力進行分析，在航空集群系統的網狀指標體系中提煉出了對地作戰能力評估指標體系分支，并在“機群”作戰效能評估理論的基礎上，構建了“集群”作戰效能涌現評估方法。通過航空集群系統中無人-有人機協同作戰為算例，評估集群作戰效能，為評估航空集群系統的對地攻擊作戰能力提供一種理論方法。

1 航空集群系統評估指標體系構建

1.1 指標體系概述

為了評估不同作戰行動方案或武器裝備的優劣，需要采用某種定量尺度去度量作戰行動或武器系統的效能，這種定量尺度即效能指標［9-11］。由于作戰情況的復雜性和作戰任務要求的多重性，效能評估常常不可能用單個明確定義的效能指標來表示，而需要用一組效能指標來刻畫。這些效能指標分別表示武器系統功能的各個重要屬性。

航空集群系統作戰效能評估重點考慮集群內節點的自組織能力和整體的行為調控能力，屬于體系效能范疇。對于評估指標體系的構建應實現3 個轉變，一是將“樹狀”轉變為“網狀”，結合復雜智能系統的非還原性質，各指標之間是網狀結構而非樹狀的關系；二是將“簡單求和”轉變為“涌現疊加”，不能用局部指標簡單求和來得到整體涌現效果，應尋求新的非線性方式；三是將“單一值”轉變為“結果云”，評估結果與威脅環境、目標、決策等相關，是多變的、動態的。

航空集群系統效能評估指標體系的網狀結構應由有人機集群、有人/無人協同、無人機集群3 個主要形式的空對空、空對地作戰體系組成，如圖1 所示。

圖1 航空集群作戰效能評估指標體系網狀結構

通過選取評估指標體系網狀結構中的一條樹狀分支，以非線性方式進行涌現模型構建，并在效能結果云中選取系列評估點，進行舉例分析。

1.2 指標體系中的評估要素

根據OODA 攻擊鏈，可分為探測、信息傳遞、態勢生成、任務規劃、對抗/突防/攻擊等5 個階段，并對各階段形成評估要素。

1.2.1 探測階段

由于作戰任務區域的環境復雜性、目標的不確定性等因素，使得目標搜索問題十分復雜。該階段的關鍵在于通過多機多傳感器協同配合，如可見光和紅外、可見光和雷達等傳感器相互配合，完成遮擋條件下目標的檢測與定位，并且通過任務分工，編隊構型配置等來提高區域覆蓋范圍和精度，保證時敏目標的偵察窗口［12-13］。關鍵要素包含傳感器種類、探測距離、覆蓋范圍、目標定位精度等。

1.2.2 信息傳遞階段

如何將感知到的目標、平臺狀態信息傳遞到其他個體，使得整個系統既能滿足可用帶寬限制以減小被偵測到的概率，又能滿足協同控制和決策［14-15］。該階段的關鍵在于通過各飛機作為通信網絡節點，改變不同空間分布的拓撲結構，以應對強電磁干擾環境下通信的延遲、丟包、異步等情況，并克服由于分布式的應用環境、平臺計算能力差異導致的空間、時間不確定性。關鍵要素包含時延、網絡安全性、帶寬、節點數量等。

1.2.3 態勢生成階段

由于在探測時會產生大量同類或異類的傳感器數據，需要將多源傳感器信息進行有效融合，形成統一的戰場態勢。該階段的關鍵在于將各傳感器數據進行時空統一、格式統一，轉換成系統可識別的傳感器數據報告，再經融合分配和融合控制，進行分級式融合，生成更準確的目標分類信息、精確的目標信息和高級別的戰場態勢，為決策及任務規劃提供支持。關鍵要素包含信息融合、實時交互、戰場顯示等。

1.2.4 任務規劃階段

針對多變的任務、威脅環境、集群成員損傷等情況，應進行實時任務調整和重規劃。該階段關鍵在于通過威脅的判斷、目標優先權的排序及目標分配等任務的動態分配與調度，實現多機之間的任務分配的沖突消解，任務和成員能力的協同決策，制定高效合理的任務計劃，以提高集群的任務完成率和生存能力。關鍵要素包含威脅判斷、目標優先權排序、目標分配等。

1.2.5 對抗/突防/攻擊階段

在任務規劃完成后，就要進行實施，以完成作戰任務，這個階段也是體現集群自主能力的重要方面。對于電子對抗，通過協同航線和干擾信號，可以干擾到對方雷達的整個覆蓋區，使其短時間內無法正常工作，從而為后續作戰部隊打開空中走廊。對于突防與攻擊，通過盡可能少損失來提高集群的整體生存能力，突破敵方的嚴密防空圈，到達任務區域，然后對目標發起協同攻擊，可從多個攻擊陣位、多個攻擊角度對單個或多個目標進行火力齊射，既能提升目標的殺傷概率，又能增加攻擊的突然性。關鍵要素包含武器種類、殺傷半徑、任務成功率、戰損率、平臺數量等。

1.3 效能評估指標體系

對于航空集群系統對地作戰為例，對各階段的關鍵要素進行整合，基于系統能力進行評估指標體系構建，其中包括感知能力、通信能力、組隊能力、策劃能力、打擊能力以及毀傷評估能力。

根據分層原理，可以初步劃分為3 層。

第1 層：為混合編隊協同對地攻擊的最高層，是該系統的總體效能。

第2 層：作戰能力，包括感知能力、通信能力、組隊能力、策劃能力、打擊能力以及毀傷評估能力。

第3 層：從不同角度描述其上層子系統的能力。

航空集群作戰效能評估指標體系如圖2 所示。

圖2 航空集群作戰效能評估指標體系分支

2 航空集群作戰效能涌現評估模型構建

2.1 基于“機群”作戰效能模型

根據效能評估指標體系，采用AHP 層次分析法，首先建立“機群”對地作戰能力E1的數學模型為：

式中，Ei1分別是EGZ1為感知能力；ETX1為通信能力；EZD1為組隊能力；ECH1為策劃能力；EDJ1為打擊能力；EPG1為毀傷評估能力；θs為效能損失系數，該系數與環境干擾因素相關；ξi分別是ξ1～ξ6為各能力的影響因子。εi分別是ε1～ε6為各子系統效能所占的權重，該權重系數可由專家打分后進行轉換得出。

2.2 基于“集群”作戰效能涌現模型

對于航空集群，由于經過集群自組織機制與行為調控機制的有機耦合，以及集群空間構型對作戰任務的適應性調整，使得整個群體產生了能力涌現。其中影響能力涌現的因素主要有：ZUZ 為自組織能力等級（0～10 級）；XWT 為行為調控能力等級（0～10 級）；SYX 為集群空間構型任務適應性綜合等級（0～10 級）。對于這3 種能力等級，均是0 級能力最低、10 級能力最高。詳細的等級劃分見下頁表1～表3。

表1 自組織能力等級劃分

表2 行為調控能力等級劃分

表3 集群空間構型任務適應性綜合等級劃分

結合上述因素，在機群作戰能力E1的數學模型的基礎上，建立“集群”對地作戰能力E 的數學模型為：

式中，Ei分別是EGZ為集群感知能力；ETX為集群通信能力；EZD為集群組隊能力；ECH為集群策劃能力；EDJ為集群打擊能力；EPG為集群毀傷評估能力。θs為效能損失系數，該系數與環境干擾因素相關；ξi分別是ξ1～ξ6為各能力的影響因子。εi分別是ε1～ε6為各子系統效能所占的權重。

通過指數對數法將“集群”的各分系統的能力Ei與“機群”中的各分系統的能力Ei1建立關系，其計算模型為：

式中，ZUZ 為自組織能力等級；XWT 為行為調控能力等級；SYX 為集群空間構型任務適應性綜合等級；μ（ZUZ，XWT，SYX）為自組織能力、行為調控能力以及集群空間構型任務適應性的增益函數，對于集群系統，μ≥1。其中，μ 為非線性增益函數，構造方法可參考模糊增強算法的構建方式，本文提出一種分段函數構建方法，供參考。

3 航空集群系統對地作戰效能涌現分析

根據不同威脅環境下的典型作戰場景，結合戰場構成元素的相關性能，分解出影響作戰效能評估的輸入參數，如戰場威脅等級、目標防御等級以及效能損失等，并以某型無人機和有人機協同作戰為例，列舉不同的架數分配方案，通過不同的排列組合可形成一系列的計算點，不同的計算點得出的結果可構成評估結果云。本文評估了在不同的威脅環境下3 種架數分配方案的效能，計算結果屬于“結果云”中的一部分。其中，A 方案為1 架有人機+4架無人機；B 方案為2 架有人機+6 架無人機；A 方案為2 架有人機+8 架無人機。結合上述所有情況對不同威脅及分配方案進行效能評估，具體如表4所示。從表中可以看出，在相同的威脅環境下，無人-有人飛機的數量越多，自組織能力、行為調控能力、集群空間構型任務適應性綜合等級越高，效能值越大，同時在相同的無人-有人飛機搭配方案下，戰場威脅等級越高，效能值越小。

表4 不同威脅環境下的效能計算結果

從計算結果可以看出，在低、中、高3 種威脅環境下，以自組織能力等級、行為調控能力等級，以及集群空間構型任務適應性綜合等級均以7 級為例時，航空集群的作戰效能均高于航空機群的作戰效能，即航空集群的能力出現了涌現。例如，在低威脅環境下，有人機與無人機的配比方案分別為A、B、C 3 種時，其相應的航空集群的作戰效能相對于航空機群的作戰效能均有所增加。在面對的敵方威脅不變的情況下，通過集群的作戰模式來增強自身的作戰效能，以獲取更大概率的勝算。

圖3 不同威脅環境下的能力涌現

以某無人機和有人機為例，對在相同的威脅環境下的效能涌現取均值，低、中、高3 種威脅環境下分別為16.43%、17.10%、17.73%，在其他計算輸入條件不變的情況下，環境威脅越高，航空集群作戰能力的涌現效果越明顯，即出現了“敵強我越強”的現象。航空集群充分利用多平臺在空間上能夠形成快速、多變進攻態勢的特點來彌補單機作戰能力弱的缺點，達到以弱勝強的目標。

通過選取不同威脅環境下，有人機與無人機的分配方案為A，其他參數保持不變時，通過改變自組織能力等級、行為調控能力等級以及集群空間構型任務適應性綜合等級，繪制了不同等級下的能力涌現圖。由圖4 中可知，隨著等級的不斷提高，能力的涌現不斷增加，但是增加的幅度逐漸減緩，即出現“能力增長飽和”的現象，因此，在滿足作戰需求的條件下，不必花費過多的技術、精力和成本將作戰裝備的等級提到最高。

圖4 不同等級下的能力涌現

4 結論

在航空集群系統網狀指標體系中的對地作戰效能評估指標體系分支的基礎上，結合航空集群系統作戰的自組織機制、行為調控機制，以及集群空間構型對作戰任務的適應性調整等特點，構建了集群作戰效能涌現評估方法，通過評估某型無人機與有人機的協同作戰效能，總結了不同威脅、不同機型搭配、不同的能力等級下的作戰效能涌現的特點。后期可構建集群作戰仿真系統，并根據相關試驗數據、演習打靶數據等進行數據分析回灌，在修正仿真模型后進行新一輪仿真評估迭代。隨著該理論的不斷完善，可為未來飛行器的設計、集群作戰的戰術戰法、集群智能等奠定研究基礎。