基于武器裝備體系作戰網絡模型的裝備貢獻度評估

李際超，楊克巍，張小可，姜　江，卿杜政

(1.國防科學技術大學信息系統與管理學院，長沙 410073; 2.航天系統仿真重點實驗室北京仿真中心, 北京 100854)

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基于武器裝備體系作戰網絡模型的裝備貢獻度評估

李際超1，楊克巍1，張小可1，姜江1，卿杜政2

(1.國防科學技術大學信息系統與管理學院，長沙 410073; 2.航天系統仿真重點實驗室北京仿真中心, 北京 100854)

從體系角度出發，提出一種基于武器裝備體系作戰網絡模型的裝備貢獻度評估方法。首先，將武器裝備與裝備間關系分別抽象為作戰網絡中節點與邊，建立了基于作戰指標的節點與邊關系描述模型。然后，構造基于作戰環的綜合影響指標對武器裝備體系作戰網絡作戰能力進行評估，同時建立裝備的貢獻度評價模型衡量單裝備在武器裝備體系中的貢獻程度。最后，以導彈防御體系為例分析驗證了提出方法的可行性。結果顯示決策類節點在武器裝備體系中扮演重要角色。

武器裝備體系；網絡建模；作戰環；貢獻度

0　引言

武器裝備體系是在國家安全戰略和軍事戰略指導下，按照建設信息化軍隊的總體需求，適應一體化聯合作戰的特點規律，為發揮最佳的整體作戰效能，而由功能上相互聯系、性能上相互補充的各種武器裝備系統，按照一定的體系結構綜合集成的更高層次的武器裝備系統[1]。武器裝備體系作戰網絡是武器裝備體系與敵方目標共同構成的一個復雜的網絡體系。武器裝備體系作戰網絡中裝備種類繁多、關系復雜，準確合理地對武器裝備體系作戰網絡進行建模描述，從體系的角度考慮單個裝備對裝備體系的貢獻度，對于優化裝備發展規劃，推動武器裝備體系結構的設計、評估有重大意義。

目前對于武器裝備體系作戰網絡的建模主要分為理論建模[2-3]與計算機仿真建模[4-5]。理論建模方面的代表人物是美國學者Jeffrey R．Cares，2004年，運用復雜網絡理論建立了信息時代交戰模型，根據戰場中各兵力扮演的角色對戰場中兵力進行節點分類，并根據節點間關系建立網絡，從宏觀層面上對作戰網絡進行了描述[6-7]。2009年，老道明大學(Old Dominion University)的Sean Deller等人對Cares建立的信息時代交戰模型進行了進一步探討改進[8]。國內，從2004年到現在，大批軍隊院校與科研單位的學者對武器裝備體系的網絡化建模提出了見解。計算機仿真建模方面代表人物是澳大利亞國防科工組織C3研究中心(DSTO C3)的Anthony Dekker[9-10]。2002年，Dekker通過將Agent建模方法和復雜網絡理論相結合，對傳統的社會網絡分析法進行了拓展，提出了一個可用于分析C4ISR體系結構的方法，給出了C4ISR體系效能度量的系數法和調整損失交換率法。另外，Dekker還運用復雜網絡分析法結合CAVALIER軟件對軍事網絡的結構特性進行了研究。國內，金偉新、王鴻潔等人在裝備體系計算機仿真建模方面也做了大量工作。

裝備對體系的貢獻度是裝備發展規劃、裝備論證評估中的基礎問題，目前已有不少學者從不同角度研究了該問題。2012年，Boaz Golany建立網絡最優化模型來解決資源約束條件下的裝備發展規劃問題[11]。國內，2006年，劉磊提出了軍事價值的概念衡量裝備重要性[12]；2010年，常雷雷基于灰靶理論研究了裝備技術貢獻度評估方法[13]；2011年，于芹章采用價值中心法評估裝備貢獻度[14]，白松浩采用系統效能分析方法構建貢獻度評估模型[15]；2014年，侯思祥基于關鍵技術成熟度和系統集成度對海軍裝備貢獻度進行研究，張書騰提出基于任務的裝備貢獻度分析方法，季明闡述了使用試驗床開展體系貢獻率評估的流程與方法。

然而，現有的裝備貢獻度研究方法往往注重單個裝備能力高低，忽略了在完成體系作戰任務過程中裝備間的配合依賴。本文在借鑒有關概念及相關研究的基礎上，提出了一種基于武器裝備體系作戰網絡模型的裝備貢獻度評估方法，并進行了示例分析。

1　基于作戰環的武器裝備體系作戰網絡建模

1.1作戰環基本概念

現代作戰循環理論認為作戰過程是一個偵察實體發現目標，而后將目標相關信息傳遞給決策實體，決策實體通過對形勢分析后向攻擊類裝備下達攻擊命令，攻擊類裝備接到命令后對目標實施攻擊的循環過程。基于此，美國學者Jeffery R Cares 提出了信息時代交戰模型[7]，他根據作戰力量在戰場上扮演不同角色將戰場中的作戰力量分為偵察實體、決策實體、影響實體以及敵方目標:

1)偵察實體(S)：戰場上遂行偵察、監視及早期預警任務的裝備實體，如偵察衛星，雷達預警機等等。

2)決策實體(D)：戰場上遂行指揮控制任務的裝備實體，如C4ISR，航空信息中心，控制中心等等。

3)影響實體(I)：戰場上遂行火力打擊電磁干擾任務的裝備實體，例如殲擊機、驅逐艦、電磁干擾雷達等等。

4)敵方目標(T)：敵方基礎設施如機場、敵方的武器裝備艦船、敵機等。

2012年，譚躍進提出作戰環概念并將其定義為：為了完成特定的作戰任務，武器裝備體系中的偵察類、決策類、影響類等武器裝備實體與敵方目標實體構成的閉合回路。

作戰環分為標準作戰環和廣義作戰環。標準作戰環代表了作戰體系的最簡單基本環節，標準作戰環包含4種關系：偵察監視、指揮控制、影響、態勢評估。廣義作戰環中一個完整的作戰活動包括多個偵察實體和多個決策實體，廣義作戰環體現了信息的共享性和指揮的協同性。

武器裝備體系作戰網絡以敵方目標為中心，根據復雜系統與網絡理論相關知識，武器裝備體系作戰網絡建模分為4個步驟：

1)確定敵軍目標。根據未來戰爭環境分析確定敵軍目標，所有的敵軍目標節點構成敵軍目標集合，并對敵方目標抽象建立模型。

2)裝備單元節點建模。以敵軍目標集合為中心，對軍隊現有、在研、預研的武器裝備分析找出與敵軍目標相關的裝備集合，對裝備單元進行抽象建立模型。

3)邊關系建模。武器裝備體系作戰網絡邊關系具體體現就是戰場中各種形式的信息流、物質流、能量流。對裝備單元及敵方目標間信息交互進行分析，抽取節點間存在的邊關系，對其建模描述。

4)構建武器裝備體系作戰網絡。

1.2作戰網絡節點建模

武器裝備體系作戰有向網絡模型可以數學表達為

D=(V,E)

(1)

其中，V為作戰網絡節點集，E為作戰網絡有向邊集。

作戰有向網絡節點集包含偵察、決策、影響、敵方目標4類實體，即

V=S∩D∩I∩T

(2)

在如今戰爭現代化信息化背景下，武器裝備呈現復雜化、智能化、集成化、模塊化特點。單個武器裝備往往本身就是一個復雜大系統，包含了許多子系統，如偵察子系統、機動子系統、指揮控制子系統、信息傳輸與處理子系統等。

設子系統表示為subsys，則含有n個子系統的單裝備節點vi可表示為

vi={ subsysi 1,subsysi2,…，subsysin}

(3)

更進一步，對于裝備節點vi的第j個子系統subsysij可用具體戰技指標表示為

subsysij= { xij1,xij2,xij3,…,xij m}

(4)

其中，m表示子系統subsysij的戰技指標數目。

1.3作戰網絡邊關系建模

在信息化條件的戰場上，裝備間需要相互配合才能完成作戰任務，例如偵察監視類裝備通過無形的電磁信號向指揮部傳送偵察數據，指揮部通過有形的電話線向更高層指揮中心進行任務請示，攻擊裝備對敵方目標進行火力打擊、電磁干擾等等，這些形形色色的物質能量信息流構成了武器裝備體系作戰網絡中的邊。

表1　不同類型裝備實體排列組合下邊類別

武器裝備體系作戰網絡中4類實體之間共有16種不同組合方式，如表1所示：

根據文獻[8]及討論分析，S->I、S->T 、D->T、I->S、I->D、I->I、T->D、T->I、T->T這9類邊在現實作戰環境中不存在或出現概率較小，本文重點考慮其它7類邊。

Eij=f((xi1,xi2,…,xin),(xj1,xj2,…,xjm),Fk)

(5)

其中，xi1,xi2,…,xin表示節點vi作戰指標，xj1,xj2,…,xjm表示節點vj作戰指標。Fk表示邊所屬邊關系分類。

由于各類邊功能性質不同，不同分類Eij值差別較大，為便于分析處理，本文對Eij進行歸一化處理。

pij={f(Eij)|f(·)∈[0,1]}

(6)

其中，pij稱為標準邊能力值。

因此，邊集可以如式(7)表示。

(7)

其中，n表示武器裝備體系作戰網絡節點數目。

在作戰過程中，敵我雙方偵察類、決策類、影響類裝備相互配合，雙方的裝備、基礎設施等互為對方打擊目標，形成各自作戰環。作戰環以敵方目標為中心，不同的使命任務，作戰目標不同，牽引出的作戰環也不同。一個裝備實體參與的作戰環條數可能不止一條，作戰環錯雜交織將不同裝備實體、敵方目標串連形成一個復雜的作戰網絡。由于信息流物質流傳播的有向性，每一個作戰環都是有向環，武器裝備體系作戰網絡也是一個有向網絡。

對武器裝備體系的建模描述是進行武器裝備體系論證、評估、優化與結構設計的基礎。用復雜網絡對武器裝備體系進行描述與建模，在此基礎上建立裝備貢獻度評估模型，更加有利于分析武器裝備體系中各種要素之間的關系對武器裝備體系能力的影響。

2　裝備貢獻度評估模型

2.1對裝備貢獻度理解

為了提高軍隊戰斗力，武器裝備體系的研究與發展在軍事領域的地位日趨升高。作為國防建設的基礎性工作，武器裝備體系的建設和發展對提高一體化聯合作戰的作戰效能有極大的作用，是未來戰爭的關鍵建設項目。目前，世界各國正積極開展各項武器裝備對體系整體影響論證工作，而中國作為一個發展中國家，有限的國防預算和較短的發展時間更要求我軍在建設和發展武器裝備體系時必須考慮單裝備對體系的整體能力的影響，擇優進行發展，實現資源的優化配置。

武器裝備體系中裝備貢獻度研究是武器裝備體系研究的重要組成部分，關乎未來裝備發展規劃，對其研究可助于推動武器裝備體系結構的設計優化。因此，在武器裝備體系網絡化建模的基礎上，用定量化的方法分析體系內裝備對體系的貢獻度，為優化我軍武器裝備體系結構，實現資源配置的最優化指明了方向。

目前已有不少學者從不同角度對裝備貢獻度進行了研究，但對裝備貢獻度概念并未給予明確定義與闡述。本文對裝備貢獻度定義如下：裝備貢獻度是指某類特定的裝備在包含它的裝備體系和給定的作戰條件下，對體系完成作戰使命任務所發揮的能力或作戰效果的價值。

2.2基于作戰環的體系作戰能力評價指標

我方武器裝備體系最基本的任務為對敵方目標實施打擊，降低敵方目標作戰能力直至完全喪失。因此，在對一個武器裝備體系作戰網絡進行能力評價時，重點應該放在我方武器裝備體系對敵方目標的影響能力上。本文提出綜合影響指數h作為武器裝備體系作戰網絡的能力評估指標。

為計算綜合影響指數h，定義作戰環影響能力度量與武器裝備體系對敵方目標影響度量的概念。

定義1設某作戰環OLi含有邊集{ej},j=1,2,…,n,其中n為OLi含有的邊數，每條邊標準能力值為pej，定義作戰環OLi影響能力度量為UOLi=Πpei。

(8)

2.3裝備貢獻度評價指標

對于武器裝備貢獻度的一個直觀理解為若某裝備從武器裝備體系作戰網絡中移除或被摧毀，剩余武器裝備體系對敵方目標影響能力大大降低，則表示該裝備對體系貢獻度較高，反之，移除該裝備后，新舊武器裝備體系對敵方目標影響能力基本不發生改變，則表示該裝備對體系貢獻度較低。

本文將有無某裝備的體系作戰能力(效果)之差與原武器裝備體系作戰能力(效果)的比值作為衡量某裝備貢獻度的評價指標。計算為

(9)

其中，convi表示裝備vi貢獻度評價指標，G表示原武器裝備體系作戰網絡，將裝備vi從G中移除后構成新的作戰網絡G-vi，hG表示原武器裝備體系作戰網絡綜合影響指數，hG-vi表示新形成武器裝備體系作戰網絡綜合影響指數。

下面以導彈防御體系構建簡單作戰網絡說明裝備貢獻度評價過程。

3　應用案例研究

某導彈防御體系由4個偵察監視類裝備天基紅外系統S1、改進的早期預警雷達S2、X波段雷達S3、AN/SPY-1雷達S4，1個指揮控制類實體作戰管理中心D1，3個影響類裝備實體愛國者-3導彈I1、GBI攔截彈I2、標準-3導彈I3組成。該導彈防御體系面臨2個敵方目標T1、T2威脅。該導彈防御體系內各裝備及敵方目標根據作戰想定相互連接構成一個簡單作戰網絡如圖2所示。

表2展示了圖2中各邊在作戰過程中的主要功能分類。

表2　邊功能分類

本文中，假設偵察監視鏈路連接概率為95%，指揮控制與通信鏈路的連接概率為90%，愛國者-3的攔截概率為50%，GBI陸基攔截彈的攔截概率為70%，標準-3導彈的攔截概率為80%。得到作戰網絡鄰接矩陣為：

(10)

3.1導彈防御體系綜合影響指數

在導彈防御體系作戰網絡中存在許多作戰環，例如，T1->S1->D1->I1->T1(OL1)，該環表示為目標T1信息被偵察節點S1獲取，S1將信息傳給指控節點D1，D1對獲取的信息分析處理后下指令至I1，I1對目標T1實施打擊的過程。

OL1的影響能力度量值可以計算得到：

UOL1=pT1S1·pS1D1·pD1I1·pI1T1=0.95×0.90×0.90×0.50=0.384 8

表3展示了所有作戰環的影響能力度量。

實例中導彈防御體系對目標T1、T2的打擊能力計算得到：

0.538 7+0.384 8+0.538 7=3.553 1

表3　導彈防御體系包含各目標的作戰環及其影響能力度量

這里本文假定T1，T2具有同等重要性，即wT1=wT2=0.5，則計算得到作戰網絡作戰能力綜合評價指數為

h=∑wTi·EfTi=0.5×3.553 1+

0.5×2.400 9=2.977 0

3.2導彈防御體系裝備貢獻度評價

本文以改進的早期預警雷達S2為例計算武器裝備體系中單個裝備的貢獻度。去掉S2后導彈防御體系作戰網絡變為：

重新計算導彈防御體系對于T1，T2的影響能力。

0.384 8+0.538 7=1.847 0

計算去掉S2后導彈防御體系的綜合作戰能力指標：

則S2貢獻度指標計算為

表4展示了導彈防御體系中各裝備貢獻度。

從圖4可以看出在構建的簡單導彈防御體系作戰網絡實例中，作戰管理中心最為重要，因為該實例中本文只假設了一個決策類裝備實體(作戰管理中心)，所有作戰活動都需要作戰管理中心指揮控制，當它被摧毀后整個作戰網絡即會癱瘓。這與實際情況較為符合，決策類裝備實體在裝備體系作戰網絡中扮演著大腦作用，一旦摧毀將大大降低整個武器裝備體系的作戰能力。

表4　導彈防御體系中各裝備貢獻度

4　結束語

從體系角度考慮裝備對武器裝備體系的貢獻度，對于裝備預研方向選擇，優化裝備發展規劃，推動武器裝備體系結構的設計、評估有重大意義，而對武器裝備體系結構的合理建模描述是基礎。本文借鑒現代作戰循環理論，建立基于作戰環的武器裝備體系作戰網絡模型，提出綜合影響指標對武器裝備體系作戰能力進行評估，在此基礎上，構建裝備貢獻度評價指標衡量單裝備在武器裝備體系中的貢獻程度。最后，構建示例驗證提出方法的適用性與可行性。本文提出基于武器裝備體系作戰網絡模型的裝備貢獻度評估方法為體系結構的設計與優化、體系能力的評估提供了一種新思路。此外，本文提出的基于作戰環進行網絡化描述與建模的思想和方法也可以應用于其他網絡系統或體系。

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(責任編輯耿金花)

Equipment Contribution Degree Evaluation Method Based on Combat Network of Weapon System-of-Systems

LI Jichao, YANG Kewei1, ZHANG Xiaoke1, JIANG Jiang1, QING Duzheng2

(1. College of Information System and Management, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China;2.Science and Technology on Space System Simulation Laboratory, Beijing Simulation Center, Beijing 100854, China)

In the paper, an equipment contribution degree evaluation method based on combat network of weapon system-of-systems (WSOS) is proposed. Firstly, weapons and armaments are abstracted as nodes while the complicated relationships between weapon and armaments are abstracted as edges of combat network. The nodes and edges are categorized and related mathematical models based on operational indicators are built.For a better evaluation of WSOS operational effectiveness, a comprehensive evaluation index based on operation loop is put forward. Besides, an equipment contribution degree evaluation model is established to weigh the equipment contribution within the WSOS. Finally, a theater missile defense system-of-systems is taken as a case study to verify the feasibility and effectiveness of the proposed methods. The results show that the decision organs play a most important role in the WSOS.

weapon system-of-systems; network modeling; operation loop; contribution degree

1672-3813(2016)03-0001-07；DOI:10.13306/j.1672-3813.2016.03.001

2014-09-29；

2015-03-26

李際超(1990-)，男，山東青州人，博士研究生，主要研究方向為國際采辦與體系工程管理。

N936

A