導彈預警反擊作戰(zhàn)體系構(gòu)建與效能評估研究

郭小川， 陳桂明， 申軍嶺， 常雷雷， 劉鑫昌

(1. 火箭軍工程大學 裝備管理工程系, 陜西 西安 710025； 2. 91336部隊)

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導彈預警反擊作戰(zhàn)體系構(gòu)建與效能評估研究

郭小川1， 陳桂明1， 申軍嶺2， 常雷雷1， 劉鑫昌1

(1. 火箭軍工程大學 裝備管理工程系, 陜西 西安 710025； 2. 91336部隊)

針對預警反擊作戰(zhàn)體系構(gòu)建中，打擊手段多樣化和體系結(jié)構(gòu)低冗余性的需求問題，根據(jù)美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架理論，從軍事需求到作戰(zhàn)使命、作戰(zhàn)活動、作戰(zhàn)能力和武器裝備進行了系統(tǒng)分析；根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)理論，提出了基于特征根的作戰(zhàn)環(huán)計算方法和作戰(zhàn)效能評估模型。以某型號導彈預警反擊作戰(zhàn)為例，對所提出的作戰(zhàn)體系構(gòu)建與效能評估方法進行了全面驗證，并對評估結(jié)果進行了靈敏度分析和討論。

效能評估；作戰(zhàn)環(huán)；預警反擊作戰(zhàn)體系

導彈預警反擊作戰(zhàn)是指當敵方實施先發(fā)制人導彈打擊時，我方導彈部隊根據(jù)預警信息和反擊作戰(zhàn)命令，在敵方來襲導彈引爆前，完成導彈發(fā)射任務，達到打擊敵方戰(zhàn)略目標的作戰(zhàn)模式[1]。預警反擊作戰(zhàn)能夠改變遭受襲擊后被動反擊的戰(zhàn)爭局面，在軍事上爭取主動，提高我軍戰(zhàn)略力量的快速反應能力和戰(zhàn)略威懾能力。我國歷來奉行積極防御的軍事策略，因此開展預警反擊作戰(zhàn)重點問題研究十分必要。開展預警反擊作戰(zhàn)效能評估研究需要解決2個關(guān)鍵問題：一是如何分析軍事需求并構(gòu)建預警反擊作戰(zhàn)體系；二是如何有效評估預警反擊作戰(zhàn)體系的作戰(zhàn)效能。

目前軍事需求分析的主要方法包括多指標綜合法、仿真法和解析法等。多指標綜合法容易操作，但分析結(jié)果完全根據(jù)專家知識獲得，受人的知識局限性和多利益主體的影響[2]16-17。仿真法能夠直觀表達問題，便于定量分析，但是要求大量數(shù)據(jù)或精確模型進行建模，同時仿真結(jié)果的可解釋性差[3]。解析法通過建模給出解析表達式，可信性強，但是對于系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系和機理特征認識要求高，可行性不強[2]17-18。本文提出基于美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架(Department of Defense Architecture Framework，DoDAF)理論，進行軍事需求分析并構(gòu)建預警反擊作戰(zhàn)體系。

作戰(zhàn)效能衡量作戰(zhàn)體系中所有節(jié)點所發(fā)揮的整體效用。作戰(zhàn)體系效能評估理論研究與應用是武器裝備體系研究的重要內(nèi)容之一。美國開發(fā)并應用了計算探索模型等決策支持模型以及高層體系結(jié)構(gòu)，英國、法國也相應開發(fā)作戰(zhàn)建議系統(tǒng)和海上作戰(zhàn)指揮決策系統(tǒng)對作戰(zhàn)體系效能進行評估[4]。國內(nèi)學者多側(cè)重基于作戰(zhàn)對抗仿真的作戰(zhàn)體系效能評估研究，對基于網(wǎng)絡(luò)的作戰(zhàn)體系建模與優(yōu)化研究較少[5]。作戰(zhàn)環(huán)是闡述和研究作戰(zhàn)過程流程的經(jīng)典模型[6]。本文提出基于作戰(zhàn)環(huán)的武器裝備體系作戰(zhàn)效能評估與優(yōu)化，統(tǒng)籌整體與局部關(guān)系，考慮指控、偵察、打擊節(jié)點實體數(shù)量的增減對武器裝備體系作戰(zhàn)效能的影響，得出預警反擊作戰(zhàn)體系作戰(zhàn)效能最大時各節(jié)點實體數(shù)量的最優(yōu)配置。

1 預警反擊作戰(zhàn)體系構(gòu)建方法

DoDAF采用多視圖方法對預警反擊作戰(zhàn)體系進行建模，為不同利益相關(guān)者提供規(guī)范化、統(tǒng)一化的交流平臺，其“使命—任務—能力—裝備”的體系結(jié)構(gòu)建模過程符合預警反擊作戰(zhàn)軍事需求分析的邏輯[7]?；贒oDAF的預警反擊作戰(zhàn)體系構(gòu)建基本思路,如圖1所示。

圖1 基于DoDAF的預警反擊作戰(zhàn)體系構(gòu)建方法

第一步：分析軍事需求，形成作戰(zhàn)使命。應用DoDAF將作戰(zhàn)使命進一步細化為高級作戰(zhàn)概念圖，使其形象化和具體化。

第二步：將作戰(zhàn)使命細分為若干具有時序關(guān)系的作戰(zhàn)任務，并將各作戰(zhàn)任務進一步分解，得到更具體的作戰(zhàn)活動。

第三步：建立作戰(zhàn)任務(活動)與能力之間的映射關(guān)系(任務到能力映射矩陣)，并進一步將能力分解為子能力和相關(guān)性能指標。

第四步：建立能力與裝備系統(tǒng)之間的映射關(guān)系(能力到系統(tǒng)映射矩陣)，得到完成預警反擊作戰(zhàn)所需的裝備系統(tǒng)。

2 基于作戰(zhàn)環(huán)的預警反擊作戰(zhàn)效能評估方法

2.1 作戰(zhàn)環(huán)

作戰(zhàn)環(huán)是指為了完成某項作戰(zhàn)任務，作戰(zhàn)體系中的偵察監(jiān)視節(jié)點(Surveillance，S)、指揮控制節(jié)點(Decision，D)、作戰(zhàn)打擊節(jié)點(Influence，I)的裝備系統(tǒng)實體與敵方目標(Target，T)實體通過各節(jié)點的相互作用形成的單向邊鏈接所構(gòu)成的閉合回路，若干個作戰(zhàn)環(huán)構(gòu)成一個復雜的作戰(zhàn)體系網(wǎng)絡(luò)[8]。作戰(zhàn)環(huán)將武器裝備體系抽象為包含組成體系的要素和要素之間關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)，對作戰(zhàn)過程的描述與抽象，具有有向性、閉合性、時效性、動態(tài)性等特點[9-10]。作戰(zhàn)環(huán)數(shù)量表示可選擇的作戰(zhàn)路徑，體現(xiàn)出整個作戰(zhàn)體系的作戰(zhàn)能力。

2.2 基于特征值的作戰(zhàn)環(huán)計算

(1)

式中，N表示網(wǎng)絡(luò)中實體的總數(shù)量。

(2)

(3)

所有長度的作戰(zhàn)環(huán)數(shù)量為

(4)

基于式(4)，當增加預警反擊作戰(zhàn)體系中節(jié)點的數(shù)量時，作戰(zhàn)環(huán)的數(shù)量也會隨之增加，進而形成更多對敵打擊鏈路，預警反擊作戰(zhàn)體系的魯棒性增強，將更有利于完成作戰(zhàn)使命和作戰(zhàn)任務；但是同時，無限制地增加預警反擊作戰(zhàn)體系中各類節(jié)點的數(shù)量，也會導致體系的構(gòu)建出現(xiàn)成本高、體系結(jié)構(gòu)冗余等問題，因此需要通過對其效能的評估來優(yōu)化體系結(jié)構(gòu)。

2.3 作戰(zhàn)效能計算

基于2.2節(jié)提出的作戰(zhàn)環(huán)模型，本節(jié)中作戰(zhàn)效能指的是指控、偵察、打擊節(jié)點對于預警反擊作戰(zhàn)體系發(fā)揮整體作戰(zhàn)效能的貢獻程度。因此，在譚躍進[11]、張春華[4、12]]、張小可[11-12]等人已有的研究成果基礎(chǔ)上，提出評估體系作戰(zhàn)能力的效能指標

(5)

3 實例分析

3.1 導彈預警反擊作戰(zhàn)體系建模

第一步：構(gòu)建高級作戰(zhàn)概念圖，如圖2所示。

圖2 預警反擊作戰(zhàn)體系高級作戰(zhàn)概念視圖

第二步：分解各作戰(zhàn)活動得到預警反擊作戰(zhàn)活動分解視圖，如圖3所示，其中各作戰(zhàn)活動如表1所示。

圖3 預警反擊作戰(zhàn)體系作戰(zhàn)活動分解視圖

第三步：基于表1所示的15項作戰(zhàn)活動及所需作戰(zhàn)能力，建立作戰(zhàn)活動與能力的映射關(guān)系視圖，如圖4所示。

第四步：基于圖4中得到的4項作戰(zhàn)能力及支撐該能力的裝備系統(tǒng)，建立能力到裝備系統(tǒng)映射視圖，如圖5所示。

結(jié)合作戰(zhàn)環(huán)理論，各類節(jié)點及節(jié)點所配置的裝備系統(tǒng)協(xié)同完成預警反擊作戰(zhàn)任務，具體分析如下：

打擊節(jié)點包含若干導彈發(fā)射單元，假設(shè)為6個導彈發(fā)射單元。導彈發(fā)射單元1、2和3的作戰(zhàn)指令由戰(zhàn)區(qū)導彈作戰(zhàn)指揮機構(gòu)下達，導彈發(fā)射單元2到6的作戰(zhàn)命令由全軍作戰(zhàn)指揮機構(gòu)下達。指控節(jié)點包含3個實體，即全軍作戰(zhàn)指揮機構(gòu)、戰(zhàn)區(qū)導彈作戰(zhàn)指揮機構(gòu)和情報中心。偵察節(jié)點主要包括天基紅外系統(tǒng)、超視距預警雷達、彈道導彈早期預警雷達、地基X波段多功能雷達以及預警機等武器裝備系統(tǒng)。天基紅外系統(tǒng)探測來襲導彈助推段飛行的尾焰預警，向情報中心和彈道導彈早期預警雷達傳送有關(guān)信息；超視距預警雷達探測來襲導彈早期飛行狀況，向情報中心傳送來襲導彈飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)，為彈道導彈早期預警雷達精確跟蹤提供信息。地基X波段多功能雷達依據(jù)彈道導彈早期預警雷達的信息導引，精確識別和跟蹤來襲導彈。預警機對處于雷達預警系統(tǒng)盲區(qū)的超低空目標進行預警探測和跟蹤識別[13]。天基紅外系統(tǒng)和彈道導彈早期預警雷達承擔早期預警識別和引導其他偵察實體任務，是偵察節(jié)點不可缺少的裝備系統(tǒng)。

圖4 活動到能力映射關(guān)系視圖

圖5 能力到裝備系統(tǒng)映射關(guān)系視圖

本文所假設(shè)的各節(jié)點實體數(shù)量為一次預警反擊作戰(zhàn)的最小戰(zhàn)斗規(guī)模。根據(jù)實際情況可選擇對不同規(guī)模的作戰(zhàn)體系進行評估和優(yōu)化。

預警反擊大規(guī)模作戰(zhàn)中，發(fā)射單元和偵察監(jiān)視實體的數(shù)量成百上千，作戰(zhàn)指揮機構(gòu)實體數(shù)量也將數(shù)以十計。同時發(fā)射單元、偵查監(jiān)視實體以及作戰(zhàn)指揮機構(gòu)都有大量保障裝備和決策、評估系統(tǒng)等?；诒疚奶岢龅姆椒ǎ糜嬎銠C編程，能夠?qū)崿F(xiàn)在短時間內(nèi)優(yōu)化大規(guī)模作戰(zhàn)體系，消除內(nèi)部冗雜，并迅速評估其作戰(zhàn)效能。為便于說明，本文構(gòu)建具有6個打擊實體、5個偵察實體和3個指控實體的預警反擊作戰(zhàn)環(huán)網(wǎng)絡(luò)模型，如圖6所示。

圖6 預警反擊作戰(zhàn)環(huán)網(wǎng)絡(luò)圖

3.2 預警反擊作戰(zhàn)體系效能評估

以打擊節(jié)點為例，計算圖6所示預警反擊作戰(zhàn)體系的作戰(zhàn)效能。

第一步：構(gòu)造實體的鄰接矩陣A，如表2所示。

表2 鄰接矩陣A

3.3 預警反擊作戰(zhàn)體系效能靈敏性分析

1) 打擊節(jié)點。計算不同打擊實體數(shù)量下預警反擊作戰(zhàn)體系的作戰(zhàn)效能，如圖7所示。導彈發(fā)射單元1、2和3共同完成使命任務時，作戰(zhàn)效能最大；進一步增加導彈發(fā)射單元時，雖然作戰(zhàn)環(huán)的數(shù)量增加，可選擇路徑增加，但作戰(zhàn)效能開始遞減。故該作戰(zhàn)環(huán)中具有導彈發(fā)射單元1、2和3時，其作戰(zhàn)效能達到最大化、結(jié)構(gòu)趨于最優(yōu)。

圖7 不同數(shù)量打擊實體對應的作戰(zhàn)環(huán)數(shù)量和作戰(zhàn)效能

2) 指控節(jié)點。由打擊節(jié)點作戰(zhàn)效能評估知，打擊節(jié)點有3個導彈發(fā)射單元時，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)趨于最優(yōu)。計算打擊節(jié)點數(shù)量最優(yōu)配置時不同數(shù)量指控實體作戰(zhàn)效能，如圖8所示。指控節(jié)點配置情報中心、戰(zhàn)區(qū)導彈作戰(zhàn)指揮機構(gòu)和全軍作戰(zhàn)指揮機構(gòu)時，比配置情報中心和全軍作戰(zhàn)指揮機構(gòu)(或戰(zhàn)區(qū)導彈作戰(zhàn)指揮機構(gòu))時作戰(zhàn)效能大幅增加。因此，指控節(jié)點應配置3個指控實體。

圖8 不同數(shù)量指控實體對應的作戰(zhàn)環(huán)數(shù)量和作戰(zhàn)效能

3) 偵察節(jié)點。在預警反擊作戰(zhàn)體系中，天基紅外系統(tǒng)和地基X波段多功能雷達是偵察節(jié)點不可或缺的偵察實體，與其余3種偵察實體共有8種可能的組合，計算打擊節(jié)點和指控節(jié)點數(shù)量最優(yōu)配置時不同數(shù)量偵察實體的作戰(zhàn)效能，如圖9所示。作戰(zhàn)效能隨著偵察實體數(shù)量增加而波動，由于各個偵察實體的作用不同，配置相同數(shù)量的偵察實體時，作戰(zhàn)效能隨之變化。當配置天基紅外系統(tǒng)、超視距預警雷達、彈道導彈早期預警雷達和地基X波段多功能雷達4個偵察實體時，效能達到最大值。進一步增加偵察實體數(shù)量，其作戰(zhàn)效能下降。故該作戰(zhàn)環(huán)網(wǎng)絡(luò)中偵察節(jié)點配置天基紅外系統(tǒng)、超視距預警雷達、彈道導彈早期預警雷達和地基X波段多功能雷達4個偵察實體時效能達到最大。

圖9 不同數(shù)量偵察實體對應的作戰(zhàn)環(huán)數(shù)量和作戰(zhàn)效能

3.4 討 論

1) 受作戰(zhàn)環(huán)網(wǎng)絡(luò)模型中連接關(guān)系的影響，同一節(jié)點內(nèi)的不同實體在預警反擊作戰(zhàn)中作用不同。如圖7所示，打擊節(jié)點中受指控關(guān)系越多，作用影響就越大，導彈發(fā)射單元1、2和3受到指控關(guān)系最多，組合影響最大。

2) 由于不同實體在預警反擊作戰(zhàn)中作用不同，其增加對作戰(zhàn)效能的貢獻不同。如圖9所示，地基X波段多功能雷達的缺失會導致體系的作戰(zhàn)效能大幅降低。如圖8所示，指控節(jié)點的3類實體相互配合才能發(fā)揮體系的最大作戰(zhàn)效能。

3) 一味快速擴張作戰(zhàn)體系規(guī)模，增加各節(jié)點實體數(shù)量而不注重體系內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，作戰(zhàn)效能不會隨節(jié)點實體數(shù)量的增加而成比例增加。在完成作戰(zhàn)任務的基礎(chǔ)上，應該把握整體與局部的關(guān)系，優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最大化整體效能。

4 結(jié) 束 語

本文提出了基于DoDAF和作戰(zhàn)環(huán)的預警反擊作戰(zhàn)體系作戰(zhàn)效能評估方法。通過DoDAF方法建立預警反擊作戰(zhàn)體系的各類視圖，構(gòu)建預警反擊作戰(zhàn)環(huán)網(wǎng)絡(luò)模型，給出基于特征值的作戰(zhàn)環(huán)計算方法，建立作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)效能評估數(shù)學模型。實例計算了不同數(shù)量指控、偵察、打擊節(jié)點實體下預警反擊作戰(zhàn)體系的作戰(zhàn)效能，得出該體系下各類節(jié)點實體數(shù)量的最優(yōu)配置，可用于指導預警反擊作戰(zhàn)體系的建設(shè)和作戰(zhàn)運用。該方法也可用于評估聯(lián)合部隊編成后的戰(zhàn)斗力，可依據(jù)節(jié)點實體數(shù)量增長的不同，快速計算出作戰(zhàn)體系整體作戰(zhàn)效能增加程度，為訓練模擬平臺評估作戰(zhàn)雙方戰(zhàn)斗力提供方法。

作戰(zhàn)響應時間是預警反擊作戰(zhàn)中的另一個重要指標。下一步研究將考慮對模型中的邊賦權(quán)重以度量預警反擊作戰(zhàn)中作戰(zhàn)響應時間指標，并加入專家知識和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，評估預警反擊作戰(zhàn)環(huán)網(wǎng)絡(luò)模型的作戰(zhàn)效能，更加符合實際地優(yōu)化配置作戰(zhàn)體系要素。

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(編輯：李江濤)

Construction of Missile Early-warning and Counter-attack System and Effectiveness Evaluation

GUO Xiaochuan1， CHEN Guiming1， SHEN Junling2， CHANG Leilei1， LIU Xinchang1

(1. Department of Equipment Management Engineering, Rocket Force Engineering University， Xian Shaanxi 710025, China；2. 91336 Troops, China)

To meet demand on diversification of combat and low redundancy of system structure in the construction of early-warning and counter-attack system, with the system structure framework theory brought by the Department of Defense, the papers conducts systematic analysis from operational purpose, operational activities,operational capability and weapon system; based on operation loop theory, the paper proposes an operation loop computation method and operation effectiveness evaluation model based on the characteristic root; taking the early-warning and counter-attack system by a certain model of missile, the paper verifies the proposed operational system construction and effectiveness evaluation method and then conducts sensitivity analysis and discussion for the evaluation result.

effectiveness evaluation; operation loop; early-warning and counter-attack system

2016-04-14

國家自然科學基金資助項目(71201168; 71401167; 61403404)

郭小川(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為國防項目管理。chshuguoguo@sina.com 陳桂明，男，教授，博士生導師。

E252

2095-3828(2016)06-0075-07

A DOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2016.06.015