島礁防空電子對抗裝備體系構建與效能評估

曹嘉平, 歐萌歆, 李易珊, 姜 江, 李際超

(國防科技大學系統工程學院, 湖南 長沙 410073)

0 引 言

隨著智能化時代的到來,部分軍事強國不斷調整軍事作戰手段,美國推出的“第三次抵消戰略”助推武器裝備在大規模集群、分布式機動以及近距離作戰等方面進一步發展[1]。2020年以來,新冠肺炎疫情對世界各國的政治、經濟、文化、軍事等方面造成沉重打擊,島礁安全成為當前作戰研究的熱點問題。

遠海島礁防護作戰形式日益嚴峻,面臨的空中威脅有增無減[2]。由于特殊的地理條件和環境條件,島礁防空面臨諸多難點。韓鋒等[3]認為島礁防空面臨的主要困難包括發現距離近、反應時間少,電磁環境復雜、干擾嚴重,面積狹小、缺乏機動,防御縱深、防御難度大以及環境惡劣、裝備壓力大五個方面。陳健等[4]認為與天基、海基、空基相比,基岸電子對抗裝備機動能力有限,島礁陣地選擇是制勝的關鍵,提出基于雙目標優化的岸基電子對抗裝備多島礁部署陣地選擇模型。從現實應用出發,高松等[5]認為島礁防空電子對抗的任務主要包括奪取制電磁權、要地電子防護和支援防空部隊三方面。

馬賽克戰是由美國國防部高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)于2017年8月提出的一種作戰概念,其核心思想旨在通過人的指揮與機器的控制相結合的人機交互方法,對分散的軍事力量進行快速組合和重組,以此為軍隊創造適應性并為敵人創造復雜性和不確定性[6]。馬賽克戰的特點可以對標馬賽克拼圖的特點[7]。馬賽克拼圖由眾多馬賽克碎片組成,碎片可以隨意調節、使用時靈活多變、拼裝迅速。馬賽克戰的最小實用要素,如雷達、導航、導彈等分解鑲嵌在具有高彈性的網絡上,并保證一定的節點冗余,通過高彈性網絡和冗余節點實現殺傷路徑多域化,使未來的馬賽克部隊在整個軍事行動中具有高度適應性,以最大程度降低被毀傷節點的價值[8]。

現代戰爭由體系支撐,完善的體系有助于取得作戰優勢,世界軍事強國在構建防空作戰“硬打擊”裝備體系的同時,逐漸重視電子對抗“軟抗擊”裝備體系建設[5]。針對島礁自身的局限性和島礁防空電子對抗作戰的諸多痛點,結合對馬賽克作戰特點的理解與分析,本文旨在構建基于馬賽克戰的島礁防空電子對抗裝備體系并基于復雜網絡理論對構建的裝備體系進行效能評估。

1 基于DoDAF2.0的裝備體系建模方法架構

系統建模語言(systems modeling language, SysML)是對象管理組織(object management group, OMG)與部分企業、政府機構以及學術組織為綜合強調對象及其交互的統一建模語言(unified modeling language, UML) 和結構化方法而提出的面向系統工程體系結構設計的統一建模語言。 SysML以UML 2.5的子集合為基礎,為解決UML在系統工程體系結構設計方面的缺陷提供了額外的支持,特別是在系統的結構、特定需求、行為、分配和系統屬性約束等方面提供了工程分析[9-10]。美國國防部于2010年9月提出的國防部體系結構框架(Department of Defense Architecture Framework, DoDAF)V2.02與軍事電子信息系統體系架構(command, control, communications, computers, and intelligence surveillance reconnaissance architecture framework, C4ISR AF)和早期的DoDAF相比,能夠靈活地創建體系架構來滿足客戶需求,是一個由多個視圖或視角組成的架構,有利于整合并促進不同能力和綜合架構之間的互操作性。同時,其以“數據”為中心,體系架構創建從屬于數據的收集、加工和儲存以支持更高效的決策[11]。

SysML作為一種面向系統工程的結構設計,能夠將系統建模過程以圖形的可視化方式呈現出來,有效解決了基于文本的系統工程不直觀、二義性強的缺陷,是基于模型的系統工程(model-based system engineering,MBSE)在需求、行為、結構以及參數方面與其他工程分析模型結合的語義基礎,符合武器裝備體系的建模要求,為裝備間的復雜交互關系建模奠定了基礎[12]。然而,無論是SysML還是其他的如集成計算機輔助制造定義方法(integrated computer aided manufacturing definition method, IDEF)、UML等建模語言所建立的系統結構都是靜態的,無法進行系統的仿真或是動態性能測量[13]。而DoDAF2.0作為一種可執行系統架構,能夠對系統從數據、模型以及視圖三方面進行描述,是目前最為成熟的體系架構方法[14]。本文應用DoDAF2.0體系架構方法對裝備體系進行結構設計,并用SysML對裝備體系構建過程進行描述,以基于SysML的DoDAF模型為建模方法,對基于馬賽克的島礁防空電子對抗裝備體系進行建模,DoDAF2.0模型的SysML描述如表1所示[15]。

表1 DoDAF2.0模型的SysML描述Table 1 SysML description of each DoDAF2.0 model

John Boyd于1987年提出的OODA(observe, orient, decide, act)循環將整個軍事控制領域的作戰過程分為觀察、判斷、決策以及行動4個環節,是對體系作戰的高度抽象,形成作戰體系回路[16-17]。譚躍進等[18]于2012年在OODA環的基礎上,將其擴展到武器裝備研究領域,得到武器裝備體系的網絡化描述與建模方法,將作戰過程中武器裝備體系的實體分為4類,分別是目標類T、偵察類S、決策類D以及影響類I,并形成作戰環。本文僅考慮基于OODA環的單方武器裝備體系,不考慮作戰的多方,因此只選擇偵察類、決策類以及影響類裝備作為基本裝備類型,在作戰效能評估時僅對以上三類節點進行評估。同時,根據基于馬賽克的島礁防空電子對抗裝備體系的特點,保障類裝備和通信類裝備發揮了重要作用,因此對武器裝備體系進行建模時考慮5類裝備[19]。

2 基于SysML的島礁防空電子對抗裝備體系建模實例

2.1 建模背景

假定紅方某島礁接收到藍方入侵情報,為抵御空襲威脅,指揮人員結合人工智能控制系統迅速部署電子對抗無人機、系留氣球載雷達、作戰保障機等兵力元素,組網構成島礁防空電子對抗裝備體系,完成御敵作戰任務。裝備體系建模將從上述作戰想定出發,根據作戰任務需求并結合馬賽克思想構建基于OODA環的單方武器裝備體系。

SysML建模流程如圖1所示。首先,對體系需求進行分析,確定涉及的運行場景,繪制用例圖(頂層作戰概念圖OV-1)。隨后,構建每個用例對應的活動圖,并在此基礎上繪制體現整個作戰流程的黑盒活動圖和白盒活動圖(作戰活動模型OV-5b)。從活動圖出發,手動生成時序圖(作戰事件跟蹤模型OV-6c、系統事件跟蹤模型SV-10c)。接著,根據活動圖中各類裝備在作戰活動中的協作關系構建塊定義圖(能力分類模型CV-2、能力依賴關系模型CV-4、組織關系模型OV-4)。進而,生成內部塊定義圖(系統接口表述模型SV-1),并對每個塊繪制對應的狀態圖(作戰狀態轉換模型OV-6b、系統狀態轉換模型SV-10b)。最后,根據狀態圖自動生成時序圖。

圖1 SysML建模流程Fig.1 SysML modeling process

2.2 SysML建模

根據圖1中所示建模流程,下面以島礁防空電子對抗裝備體系為例,運用SysML進行建模。首先根據需求分析結果將作戰場景劃分為偵察預警跟蹤、作戰指揮控制、作戰保障、通信保障和電子對抗作戰5個部分。考慮到馬賽克戰對裝備實惠性、可擴展性、靈活性等方面的要求及島礁作戰的特殊性,確定了體系的9類參與者,如圖2所示。偵察類裝備包括電子偵察無人機(根據指揮節點分配的任務進行目標偵察和戰況監測)、電子偵察船(偵察電磁信息、光電信息,并提供情報保障)、系留氣球載雷達(有效延伸對海對空探測范圍,提高預警能力)[20];指揮類裝備預警指揮機(具備任務分配、效能評估等指揮決策功能,人工智能指揮控制系統提供輔助決策);保障類裝備作戰保障機(負責處理作戰單元的保障請求);通信類裝備通信系統(為體系內的所有節點提供通信保障);對抗類裝備包括地面雷達對抗部隊(負責雷達干擾)、地面通信對抗部隊(負責通信干擾)、電子對抗無人機(負責火力打擊)。各裝備之間的協作關系如圖3所示。

圖2 頂層作戰概念圖(OV-1)Fig.2 High-level operational concept graphic (OV-1)

圖3 組織關系模型(OV-4)Fig.3 Organizational relationships model (OV-4)

梳理用例圖中5個運行場景對應的活動圖,構建體現整個作戰活動的白盒活動圖,得到島礁防空電子對抗作戰流程如圖4所示。首先,由預警指揮機下達偵察指令,偵察裝備群接收偵察指令后進行協同偵察,并將偵察到的戰場信息發送給預警指揮機。預警指揮機對搜集到的態勢信息進行分析處理,完成對作戰任務的分配,并將任務分配到各裝備群。隨后偵察裝備群和對抗裝備群開始執行偵察和對抗任務,并完成局部作戰效能評估。評估形成的全局態勢信息將發送給預警指揮機,預警指揮機進行總體作戰效能評估后決定是否繼續執行作戰任務。若任務完成則下達撤退指令,各作戰裝備返航,任務結束;若任務未完成則下達作戰指令,各作戰裝備繼續執行作戰任務。通信系統為整個作戰過程提供通信保障。在作戰過程中,若對抗裝備群在局部評估中發現需要作戰保障,則向預警指揮機發送保障請求,預警指揮機處理作戰請求,并向作戰保障機下達保障指令,作戰保障機執行保障任務。

圖4 作戰活動模型(OV-5b)Fig.4 Operational activity model (OV-5b)

白盒活動圖中將不同裝備群劃分為不同的泳道,有效刻畫了裝備群間的交互作用,在此基礎上得到手動繪制的時序圖如圖5所示。

圖5 系統事件跟蹤模型(SV-10c)Fig.5 Systems event-trace model (SV-10c)

在接收到作戰開始的指令后,預警指揮機向偵察類裝備下達偵察指令,偵察類裝備轉到偵察狀態,在識別到敵方目標后,向預警指揮機反饋信息,預警指揮機接收信息,進入分析狀態。隨后,預警指揮機將任務分配給各類裝備,各裝備分別進入偵察、打擊、干擾狀態。在作戰過程中,偵察類及對抗類裝備可根據自身局部評估情況判斷是否需要作戰保障,整個保障過程為可選過程,因此使用opt選項。在裝備發出保障請求后,預警指揮機對保障請求進行處理,并向作戰保障機下達保障指令,隨后作戰保障機與申請保障的裝備在保障地點完成保障。在每輪作戰完成后,預警指揮機向各裝備下達信息收集指令,各裝備將局部評估結果反饋給預警指揮機,預警指揮機對信息進行分析,判斷作戰是否成功,該部分采用alt抉擇組合片段。若不成功,則重復作戰任務,因此在unsuccessful選項中采用loop循環組合片段。若成功,則預警指揮機向各裝備下達撤退指令,各裝備返航,作戰活動結束。

3 基于馬賽克的島礁防空電子對抗裝備體系效能評估

3.1 島礁防空電子對抗網絡模型

隨著作戰理論和通信、網絡、指揮控制系統等技術日新月異不斷發展,軍事力量結構和作戰指揮體系趨向于復雜化、信息化[21]。 1997年美國海軍作戰部長杰伊·約翰遜海軍上將首先提出“網絡中心戰”一詞,標志著戰爭形態開始從機械化向信息化轉變,即從平臺中心化向網絡中心化轉變。網絡中心戰是指各級指揮機構按照層級部署,形成“中心式”作戰網,信息和指控權在戰略層高度集中、戰役層相對穩定、戰術層分散機動[22-23]。戰場指揮官依靠戰事透明度來對戰場實施高度集中的控制,這樣的指控結構使得決策傳遞速度慢,一旦關鍵指控節點被擊毀,整個作戰網的信息傳遞將陷入癱瘓。

近年來,隨著戰爭形勢向智能化發展,為重新奪回大國競爭的絕對優勢,美國戰略與預算評估中心(The Center for Strategic and Budgetary Assessments, CSBA)于2019年發表《重奪制海權:美國海軍水面艦隊向決策中心戰轉型》,意在構建決策中心戰理念以干擾敵方在OODA環的“決策”階段做出準確判斷,并隨后在2020年發表《馬賽克戰:利用人工智能和自主系統實施決策中心戰》,將馬賽克戰作為決策中心戰的一種具體實現形式,構建一張高度靈活、機動的“殺傷網”,以積小勝為大勝[24-25]。

遠海島礁戰略位置重要、海洋資源豐富,具有極大的軍事價值,易成為敵方攻擊目標。島礁防空電子對抗是防空作戰中的一個重要環節,是多兵力多平臺合力發揮作戰效能的體系對抗。由于島礁地勢平坦、面積狹小,防御難度大,偵察預警距離近[26],要求裝備體系具備快速反應、敏捷打擊等作戰能力。同時,由于島礁電磁環境復雜,易受干擾,要求裝備體系具備高自適應性,抗打擊能力強。具備動態協調、靈活組網等特征的馬賽克戰理念符合島礁防空電子對抗作戰的要求。根據馬賽克戰的理念,將大型部隊馬賽克化成彼此獨立的作戰單元,并通過通信技術維持作戰單元內的網絡暢通,共享數據信息,相互協調完成作戰任務,可有效解決傳統裝備體系中存在的裝備間缺乏互通性的問題。另一方面,馬賽克戰改變了傳統的鏈式作戰結構,以“殺傷網”的形式大大降低了斷鏈風險,提高了網絡的重構性。接下來將對“中心式”和“馬賽克式”作戰網進行效能評估,對比分析馬賽克理念對裝備體系效能的影響。

3.2 基于復雜網絡理論的作戰網效能評估

復雜網絡分析方法作為一種新的作戰體系評估方法得到了廣泛應用[27]。本文選取網絡的抗毀性和魯棒性作為復雜網絡分析效能評估指標,對中心式作戰網和馬賽克式作戰網進行仿真實驗,通過結果比對,體現馬賽克式作戰網的優越性。

網絡抗毀性是在網絡中的節點或邊發生自然失效或遭受故意攻擊的條件下,網絡拓撲結構保持連通的能力,即作戰網絡中裝備節點遭受敵方攻擊喪失通信功能時,作戰網絡剩余節點間保持連通的能力。基于圖論的網絡抗毀性度量指標主要包括連通度、堅韌度、完整度、粘連度、離散度和膨脹系數等。作戰環數量越多代表作戰網絡閉途徑數目越多,即網絡抗毀性越強[28-29]。本文選取作戰網絡的自然連通度作為度量網絡抗毀性的定量指標,其測度具體計算過程[30]如下所示。

首先,計算網絡中的路徑數S:

(1)

(2)

式中:λ1,λ2,…,λN表示實方陣A(G)的特征根,集合{λ1,λ2,…,λN}為無向圖G的特征譜。

(3)

網絡的魯棒性是指網絡的健壯性與抗干擾能力,即在外界環境改變的情況下保持網絡本身不變的能力,本文通過級聯失效來測度網絡的魯棒性。級聯失效是一種傳播擴散現象,通常網絡中的節點和連邊的負荷承載能力有限,當一部分節點或連邊失效后負荷會通過節點或連邊之間的耦合關系在網絡上進行重新分布,進而引發其他節點或連邊失效,產生連鎖反應[31]。節點或邊的初始負荷、節點或邊的容量、負載重分策略是影響級聯失效的3個主要因素,一般用最短路介數Li和級聯失效后的網絡最大聯通片規模M來分別測度節點或邊的初始負荷和網絡受影響程度,如下所示:

(4)

Ci=(1+α)Li

(5)

式中:α∈[0,1]是可調參數。

(6)

式中:NA為級聯失效發生后網絡中最大連通片中含有節點的數目;NB為級聯失效發生前網絡中最大連通片中含有節點的數目。

3.3 仿真實驗

在實際情況中,一個裝備體系作戰網絡是由成百上千個(條)節點和連邊構成,幾乎沒有辦法對實際網絡進行全面而準確地建模,同時由于實際數據不可公開,本文依據OODA環的“殺傷網“理論,結合實際項目中裝備的特點,根據作戰想定,分別基于網絡中心戰和決策中心戰構建中心式作戰網和馬賽克式作戰網,如圖6和圖7所示。

圖6 中心式作戰網Fig.6 Center-based operational network

圖7 馬賽克式作戰網Fig.7 Mosaic-based operational network

圖6和圖7均含有5個決策類節點、17個影響類節點和8個偵察類節點,其中紅色代表決策類節點、黃色代表影響類節點、藍色代表偵察類節點。圖6所示中心式作戰網中有一個中心指控節點,命名為a0,中心指控節點控制四個次級指控節點,分別命名為b1、c1、d1、e1,次級指控節點之間沒有通信交互。每一個次級指控節點均控制若干個偵察類節點和影響類節點,每個次級指控節點下的影響類節點和偵察類節點間均沒有通信交互。而圖7中沒有中心指控節點,a0、b1、c1、d1、e1均為同級指控節點,且相互之間均有通信交互,每一個指控節點下均有若干影響類節點和偵察類節點,之間均有通信交互。

首先對中心式作戰網和馬賽克式作戰網分別進行抗毀性實驗,即分別計算中心式作戰網和馬賽克式作戰網的自然連通度,計算得到中心式作戰網的自然連通度為1.039,馬賽克式作戰網的自然連通度為3.733。可以發現,馬賽克式作戰網的自然連通度大于中心式作戰網的自然連通度。依據作戰網中節點自然聯通度的大小,按照從大到小順序依次移去節點,來模仿戰場上裝備節點被擊毀的過程,觀察網絡的自然聯通度變化,如圖8所示。

圖8 中心式作戰網和馬賽克式作戰網在指定攻擊策略下的網絡抗毀性變化Fig.8 Changes of network destructibility of central-based operational network and mosaic-based operational network under specified attack strategies

依據圖8可以看到,當移除中心式作戰網所有決策類節點時,網絡的自然連通度為0,即網絡通信完全中斷,而對于馬賽克式作戰網,移除網絡90%以上的節點時,網絡自然連通度依然沒有消失。綜上,馬賽克式作戰網的抗毀性更優越。

接下來,對中心式作戰網和馬賽克式作戰網分別進行級聯失效實驗,即隨機攻擊網絡中的一個節點,研究該節點受到攻擊后的級聯失效過程,如圖9所示。

圖9 中心式作戰網和馬賽克式作戰網最大連通片相對比例隨容忍度變化比較Fig.9 Relative proportions of the maximum connected pieces in the central-based operational network and mosaic-based operational network compared with tolerance

可以看到,當容忍度介于0.22與0.97之間時,馬賽克式作戰網的最大連通片相對比例均大于中心式作戰網,且隨著容忍度增大,馬賽克式作戰網的最大連通片相對比例變化較平穩,而中心式作戰網的最大連通片相對比例波動較大。綜上,馬賽克式作戰網的魯棒性更優越。

3.4 不同規模網絡仿真實驗

為驗證結論的穩健性,現在不同規模網絡上進行仿真實驗,分別構建裝備數量為50、100、250和500的中心式作戰網和馬賽克式作戰網,每個網絡包含決策類、影響類和偵察類裝備,構建規則同第3.3節。對以上網絡進行抗毀性實驗,計算得不同網絡的自然連通度如表2所示。

表2 不同規模和類別網絡的自然連通度Table 2 Natural connectivity of different sizes and categories networks

可以發現,不同規模下馬賽克式作戰網的自然連通度均大于中心式作戰網的自然連通度。依據作戰網中節點自然聯通度的大小,按照從大到小順序依次移去節點,來模仿戰場上裝備節點被擊毀的過程,網絡的自然聯通度隨被移去節點數量的變化如圖10所示。可以看到隨著網絡規模的增加,馬賽克式作戰網移去90%以上節點時,網絡自然連通度依然沒有消失,而中心式作戰網移去決策類節點后自然連通度接近于0。綜上,馬賽克式作戰網的抗毀性更優。

圖10 不同規模中心式作戰網和馬賽克式作戰網在指定攻擊策略下的網絡抗毀性變化Fig.10 Changes of network destructibility of central-based operational network and mosaic-based operational network with different sizes under specified attack strategies

4 結束語

島礁作戰作為當前的熱點話題,吸引了國內外許多學者參與研究。本文聚焦島礁防空作戰中的電子對抗戰,結合美軍提出的決策中心戰的作戰理念,構建其武器裝備體系,并基于復雜網絡分析技術,對該裝備體系進行效能評估。在構建武器裝備體系過程中,借鑒OODA作戰環的思想選取武器裝備,并結合DoDAF2.0模型的SysML描述對各裝備的交互過程進行可視化呈現,為未來島礁防空電子對抗戰的武器裝備體系建設提供合理化參考。為對比基于網絡中心戰和決策中心戰的武器裝備體系在作戰效能上的優劣,選取抗毀性和魯棒性作為網絡評估指標,實驗證明本文所構建網絡在評估指標上的優越性。

在進一步研究中,要在裝備選擇和網絡建模上突出島礁作戰的特點,對裝備節點和作戰流程進行更具體的討論,使建立的模型更貼合真實的作戰環境。同時,應對島礁防空作戰網絡構建更全面的評估指標體系。該指標體系不應局限于網絡性能指標,對于特定的指標應進行多角度定量化研究。目前,基于馬賽克戰的島礁防空電子對抗裝備體系的研究尚處于起步階段,相信在未來的研究中會有更具體和詳細的實現。