基于SEA方法的網絡雷陣體系效能分析*

孫寶全 顏 冰

(海軍工程大學兵器工程系 湖北 430033)

基于SEA方法的網絡雷陣體系效能分析*

孫寶全 顏 冰

(海軍工程大學兵器工程系 湖北 430033)

網絡雷陣是適應現代化戰爭的需要,效能評估對網絡雷陣的構建配置具有重要的指導意義。利用SEA方法建立了網絡雷陣系統效能評估模型,將雷陣系統工作過程與使命任務緊密地結合在一起,提出了雷陣系統的三個主要性能量度MOP,分別建立其系統映射和使命映射,得到網絡雷陣的SEA動態效能評估方法,為網絡雷陣的作戰使用提供了理論依據。

網絡雷陣; 效能評估; 性能量度; 系統效能

Class Number TN593

1 引言

隨著現代信息技術迅猛發展,現代化戰爭呈現出體系化對抗的趨勢,網絡雷陣應運而生。網絡雷陣就是通過網絡連接分布在廣闊區域內的各類型傳感器裝置、水雷武器而形成的具有強大信息優勢的作戰系統。如何對其進行有效的性能評估對網絡雷陣的構建使用、配置優化等具有重要的指導意義[1]。

由美國麻省理工學院A.H.Levis與Vincent Bounthonnier于20世紀80年代中期提出的SEA方法因具有較強的分析能力和較廣的適用范圍而日益受到重視,其本質是通過將系統的實際運行狀態與系統使命相聯系,通過比較系統運行軌跡與系統使命軌跡相符合的程度來衡量其系統效能。符合程度越高,效能越高,反之亦然。本文利用SEA方法對網絡雷陣的系統效能進行分析。

2 SEA方法的基本思想及步驟

SEA方法將系統置于一定的環境中運行,用一定的原始參數描述其運行狀態,由于環境中各種隨機因素的影響,系統的運行狀態不止一個,當系統的一個或多個狀態滿足使命要求的時候,可以認為系統的這一狀態可以完成使命任務。由于系統運行時的隨機性,系統落入可以完成任務的狀態是一個隨機事件,而隨機事件的概率就反應了系統的效能。為將系統在任意狀態下完成任務的情況與使命要求相比較,需將二者置于同一性能量度空間{MOP}。SEA方法基于六個基本要素：系統、使命、環境、原始參數、性能量度以及系統效能,前三個要素用于提出問題,后三個要素用于分析問題。其評估的基本流程如圖1所示。

圖1 網絡雷陣SEA方法效能評估步驟

首先定義系統、環境和使命,并確立相互獨立的原始參數。然后確定性能量度空間,系統性能量度由原始參數的子集確定,可以表達為原始參數的函數,系統的某一運行狀態可由性能量度空間的一個點來表示。根據系統在環境中的運行狀態和特點,建立系統和使命到性能量度空間的映射,即系統性能量度和使命性能量度,將系統性能量度與使命量度關聯對比計算得到系統效能[2～4]。

3 網絡雷陣系統效能分析模型

SEA方法本身的步驟只具有方法論上的意義,進行評價時需具體模型具體分析。下面利用SEA方法對網絡雷陣模型進行系統效能分析。

3.1 雷陣系統、環境、使命任務

系統——網絡雷陣系統,包括信息感知網、指揮決策網、作戰網。信息感知網主要由各類型傳感器節點組成,負責監控海區,感知信息;指揮決策網由融合決策節點組成,負責對目標判決、定位跟蹤及攻擊決策;作戰網由各水雷節點組成,完成最后的攻擊任務。

環境——指具體的作戰想定,包括戰場自然環境和雷陣監控區域。

使命——有效地監控作戰海區,及時發現目標、跟蹤定位目標,并對目標實施打擊摧毀。

3.2 雷陣系統效能量度空間

整個雷陣的系統效能指標體系層次結構如圖2所示,僅選取影響效能的主要因子。

圖2 網絡雷陣系統效能指標

根據系統效能指標體系可確定系統效能的性能量度空間{MOP},包括三個部分：雷陣網絡生存能力指標MOP1,雷陣網絡信息處理能力MOP2,雷陣網絡攻擊能力MOP3。

3.3 雷陣系統映射

系統映射是根據系統的結構和參數,及其作戰規律建立的。根據性能量度空間建立系統性能量度映射。

3.3.1 雷陣網絡生存能力指標MOP1的系統映射

網絡雷陣的生存能力主要包括兩方面的內容,網絡的可靠性和網絡的連通性。而這兩者都與每個節點的有效性息息相關,對單個節點的有效概率[5]：

1) 節點在任意時刻處于正常工作的概率PA

(1)

式中,MTBF為節點平均故障間隔時間;MTTR為節點平均修理時間。

2) 節點在任意時刻處于可信狀態的概率PK

PK(t)=e-t/MTBF

(2)

式中,t為節點執行探測任務的時間。

節點有效概率PSK為

PSK=PAPK

(3)

系統映射MOPS1為

(4)

3.3.2 網絡信息處理能力指標MOP2的系統映射

網絡信息處理能力由五部分組成,其中目標判別能力及目標跟蹤定位能力主要由網絡融合中心對情報源的融合處理能力決定,所以網絡信息處理能力系統映射MOPS2應是發現目標能力MOPS21、網絡融合中心融合處理能力MOPS22、信息處理時效性MOPS23和信息處理準確性MOPS24的組合。

MOPS2=MOPS21×MOPS22×MOPS23×MOPS24

(5)

1) 發現目標能力MOPS21

發現目標能力是由網絡覆蓋范圍和在覆蓋的情況下檢測概率確定的。以水雷引信為例,采用Neyman-Pearson準則進行二元假設檢驗,設檢測門限為K,引信的檢測概率為

(6)

由于網絡的信息融合作用可以增大發現目標能力,定義MOPS21為

MOPS21=αPD

(7)

其中α為發現目標能力增長系數。

2) 網絡融合中心融合處理能力MOPS22

在網絡雷陣中,檢測發現目標僅僅是第一步,更重要地是判別目標真偽,并對目標實施精確跟蹤定位,這些主要由網絡融合中心的處理能力決定。融合中心對第i個情報源的融合處理效率為[5]

PFi(t)=α+β(1-e-ωt)

(8)

式中:α為融合決策子域的處理能力;ω為融合決策子域的處理準確度;0<α+β≤1為融合決策子域信息處理能力的最大值。

式中參數的確定需要試驗獲得。融合決策子域對k個情報源融合處理效率PFF為

(9)

所以定義網絡融合中心融合處理能力MOPS22為

MOPS22=PFF(t)

(10)

3) 信息處理時效性MOPS23

信息處理時效性的系統映射主要體現在系統時延,包括目標信息獲取時延、信息處理時延、輔助決策時延、信息傳輸時延等分別用ti(i=1,2,3,4)表示以上時延,則系統時延可以表示為[6～7]

(11)

Δt越小,系統反應速度越快,對戰勢越有利。假設戰術上所能承受最大的時延時間為tmax,則可定義信息處理時效性MOPS23為

(12)

4) 信息處理準確性MOPS24

雷陣網絡在處理信息的時候會不可避免地引入相關誤差,包括節點間的定位誤差σL,時間同步誤差σt,對目標參數的估計誤差σf,水雷節點導航精度誤差σd等,網絡雷陣多采用特種水雷,如定向攻擊水雷等,誤差對水雷節點攻擊目標有不可忽視的影響,誤差越小,攻擊準確性越高,越有利于水雷節點擊中毀傷目標。定義信息處理準確性MOPS24為

MOPS24=f(σt,σf,σL,σd)

(13)

3.3.3 雷陣網絡攻擊能力指標MOP3的系統映射

現代海戰對網絡雷陣提出了大范圍封鎖、遠距離精確打擊的要求。傳統水雷錨雷、沉底雷、漂雷等已不能滿足要求,所以網絡雷陣通常采用特種水雷才能發揮其應有的效能[8～9]。網絡雷陣對目標的攻擊能力主要由水雷節點的打擊覆蓋范圍和節點的命中概率決定。為提高水雷節點對目標的命中概率,作戰中多采用1～3枚雷節點同時對目標實施攻擊,若一枚雷的命中概率為Pm,則n(n=1,2,3)枚雷的命中概率為

(14)

系統映射MOPS3可定義為

(15)

式中β為水雷節點覆蓋范圍系數。

3.4 雷陣的使命映射

對網絡雷陣的使命要求是：結合使命任務和戰場環境,合理配置傳感器節點和水雷節點,有效發現目標,有效判別,精確跟蹤定位,精確打擊并毀傷目標。

3.4.1 雷陣網絡生存能力指標MOP1的使命映射

根據網絡雷陣的任務,網絡雷陣的生存能力是完成使命的基礎,保證網絡的完整性是獲取信息優勢,決策優勢的基礎。所以雷陣的生存力指標必須高于一定的閾值ε,低于這個值,網絡的完整性受到破壞,網絡易癱瘓,雷陣完成任務的幾率會大大降低,所以MOPm1的值域應為[ε,1]。

3.4.2 雷陣網絡信息處理能力指標MOP2的使命映射

結合具體的戰場想定,雷陣發現目標的概率不低于閾值ω1,融合中心處理信息的能力不低于ω2,信息處理精度不低于最低戰術精度ω3,信息處理的時效性不低于ω4(可參考目標通過防區的時間確定),所以雷陣網絡信息處理能力指標使命映射MOPm2的值域限定在[ω1×ω2×ω3×ω4,1]。

3.4.3 網絡雷陣攻擊能力指標MOP3的使命映射

水雷節點對目標實施攻擊是網絡雷陣工作的最后一環,也是將網絡雷陣的信息優勢和決策優勢轉換為行動優勢的一環,為保證行動的質量,水雷節點對目標的命中概率不能低于閾值φ,所以雷陣網絡攻擊能力指標使命映射MOPm3的值域定義在[φ,1]。

3.5 系統效能計算

將系統性能量度與使命性能量度關聯對比計算得到系統效能。

(16)

(17)

(18)

E=k1E1+k2E2+k3E3

(19)

式中k1,k2,k3為權重系數,可由專家評估法、離差最大化法[10]等多種方法綜合得出。

4 結語

本文利用SEA方法建立網絡雷陣系統效能評估模型,模型將雷陣系統工作過程與使命任務緊密地結合在一起,體現了系統作戰的特點。但網絡雷陣是一個復雜的系統,而且處于概念的探索階段,本文的效能評估模型對網絡雷陣的構建具有一定的指導意義,但仍需根據網絡雷陣的進一步研究探索而改進完善。

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System Efficiency Study for Network of Mine System Based on SEA Method

SUN Baoquan YAN Bing

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Network of mine system is created to adapt to the need of modern war. Evaluation of effectives is of guiding significance for its build configuration. Efficiency evaluation model is build based on SEA method. Course of work and mission statement are closely combined. Three main measure of performs MOP are proposed, and their system mapping and mission mapping are built. Method of SEA, dynamic evaluation of effectives for network of mine system is to provide theoretical basis for the applications of network of mine system.

network of mine system, evaluation of effectives, measures of performance, system effectives

2014年5月6日,

2014年6月17日 作者簡介:孫寶全,男,碩士研究生,研究方向:武器系統運用與保障工程。顏冰,女,博士,教授,博士生導師,研究方向:水下目標信息探測與應用。

TN593

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.037