應用OODA環模型研究裝備對體系貢獻程度*

張宇，黃建新

(北京系統工程研究所 復雜系統仿真總體重點實驗室，北京 100101)

應用OODA環模型研究裝備對體系貢獻程度*

張宇，黃建新

(北京系統工程研究所 復雜系統仿真總體重點實驗室，北京 100101)

針對裝備優化問題，研究裝備對體系的貢獻作用和貢獻程度。引入OODA環理論，分析了基于OODA環的作戰體系對抗過程，將體系對抗抽象為兩大OODA環之間的對抗。然后著重分析了裝備對體系的貢獻程度，其中主要分析基于OODA環的裝備體系結構，并依據裝備到OODA環整體能力的映射過程,建立了基于OODA環的體系能力評估模型，最后對一個案例進行評估與分析，驗證了模型的可行性。

OODA環；裝備；體系對抗；能力評估；建模；貢獻程度

0 引言

在科技發展日新月異的今天，現代戰爭已成為作戰體系與體系之間的對抗，作為作戰體系重要組成實體的裝備在體系中的重要性日益增強。但體系結構及其對抗過程均十分復雜，眾多裝備在當中相互關聯發揮著不同的功能作用，由此，分析體系對抗過程，研究裝備在體系對抗中的貢獻機理，對有針對性地提升裝備戰技性能和優化裝備體系結構有著十分重要的意義。以往，評價裝備的優劣，主要是從系統層面比較單個裝備系統的綜合性能指數，而本文則將裝備系統放入體系當中，評價其對整個裝備體系能力指數的貢獻。

近年來，OODA環模型被廣泛用于體系的相關研究中，國內外一些研究人員建立了大量基于OODA環的指揮控制模型和體系對抗模型，為體系研究提供了許多新的思路和方法，如黃建明建立的作戰對抗系統動力學模型[1]、張昱提出的武器裝備體系建模方法[2]等，但大多是反映了體系對抗過程，鮮有從裝備角度分析裝備對體系的貢獻作用。美國空軍遠程火力打擊基于OODA環建立了發現-交戰的鏈路，并建立了體系動量模型(體系動量表示為作戰半徑、任務性能和鏈路速度三者的乘積)來度量任務鏈的性能，從一定程度上可以分析裝備對體系的貢獻。本文采用理論與建模相結合的分析方法，引入OODA環理論，在分析作戰體系對抗過程的基礎上，建立了基于OODA環的裝備體系能力評估模型，并著重分析了裝備對體系的貢獻作用和機理。

1 基于OODA環的體系對抗分析

1.1 OODA環的基本理論

OODA環模型是由美國空軍上校John Boyd于1987年提出的一種作戰模型，如圖1所示，它將作戰過程簡化抽象為由觀察(Observe，O)—判斷(Orient, O)—決策(Decide, D)—行動(Act, A)4個環節構成的作戰回路[3-6]，其中：

“O”，利用各類偵察探測裝備對戰場環境進行觀察和感知，從戰場環境中搜集目標的位置、狀態、屬性等信息；

“O”，將觀察環節收集到的信息和數據進行處理和融合，并對當前的戰場態勢進行評估；

“D”，依據戰場態勢制定行動計劃和方案；

“A”，依據計劃方案或上級命令指示實施相應行動。

圖1 OODA作戰環示意圖Fig.1 Schematic diagram of OODA loop

實際上，一個復雜的作戰體系對抗過程是由多個層級的OODA環并行、嵌套、迭代組合而成的復雜網絡[3-4]，但從總體層面上看,整個作戰過程最終可抽象為一個大的OODA環。為了簡化分析，將這個環抽象為由觀察、判斷、決策、行動4個節點集以及環節與環節之間的通信鏈路組成[7-8]，其中每個環節是由一個或多個功能屬性相同的子節點組成的節點集。

1.2 基于OODA環的體系對抗分析

若將體系對抗抽象成兩大OODA環的對抗，則在體系對抗過程中，體系中的各個實體通過執行相應任務構成OODA環的各個節點集，實體與實體、節點與節點之間再通過通信傳輸連接成整個作戰閉環，具體對抗過程如圖2所示。

圖2 基于OODA環的體系對抗示意圖Fig.2 Schematic diagram of SoS confrontation based on OODA loop

對于這些實體，文獻[7-8]從體系中抽象出4類實體集，即目標實體集(targets)、偵察探測實體集(sensors)、判斷決策實體集(deciders)、攻擊實體集(attackers)，本文就此抽象出第5類實體集，即用于以上實體間通信傳輸的通信鏈路實體集(communications)。

觀察節點(O)：偵察探測實體從環境中探測目標實體信息；

判斷節點(O)：偵察探測實體將探知的情報數據傳送給指揮決策實體進行融合和判斷；

決策環節(D)：指揮決策實體依據判斷結果形成行動方案并將方案信息傳送給火力打擊實體；

行動節點(A)：火力打擊實體依據行動方案對目標實施相應(打擊)行動。

節點與節點之間的通信鏈路則體現為相互關聯的實體與實體之間的通信傳輸。

2 裝備對體系的貢獻程度分析

2.1 基于OODA環的裝備體系分析

由于裝備(系統)是體系中4類實體集(sensors, deciders, attackers, communications)的重要組成部分，因此若不考慮人的因素，可將上述實體視作相應的裝備(系統)。由此，一個完整的作戰裝備體系可分為以下幾個類別，如圖3所示，這些裝備(系統)通過執行任務成為了OODA環相應節點集的子節點。

圖3 基于OODA的裝備體系分類Fig.3 Classification of WSoS based on OODA loop

偵察探測類裝備，主要指用于偵察、預警、探測、監視等裝備實體，如預警機、偵察飛機、雷達、偵察衛星、各類聲、光、電探測設備與儀器等，對應于OODA環中的觀察環節(O)，主要任務是發現并獲取目標信息數據。

指控決策類裝備，主要指用于輔助指揮員進行數據融合、情報分析以及指控決策等裝備實體，如指揮自動化系統、情報處理系統等，對應于OODA環中的判斷環節(O)和決策環節(D)，主要任務是進行情報數據的融合處理，并輔助指揮員指揮決策，形成行動方案。

火力打擊類裝備，主要指用于實施軟、硬攻擊的武器裝備系統或平臺，如各類作戰飛機、艦艇，戰斗車輛，各類導彈、炮彈以及用于電子戰、信息戰等武器裝備，對應于OODA環中的行動環節(A)，主要任務是依據行動方案對目標實施相應行動(如打擊、壓制等)。

通信傳輸類裝備，指用于保障通信傳輸的各類裝備、設備和線路，如通信衛星、各類通信系統、通信電臺等，對應于OODA環中的通信鏈路，主要任務是保障節點與節點間快速高效的通信傳輸。

其他保障類裝備在體系中發揮著直接或間接作用，主要體現為維持了整個體系對抗的穩定性和持續性。在分析其具體的貢獻作用時，可以以其保障服務對象為參考，劃分到相應的裝備種類中去。

2.2 基于OODA環的裝備貢獻機理分析與建模

由于將整個體系對抗過程抽象為OODA環的對抗，則若不考慮人的因素，整個裝備體系的作戰能力可以通過OODA環的整體能力指數來度量。因而，分析裝備及其性能參數對體系的影響可轉化為分析其對OODA環的整體能力指數的影響[6-7，9]。

OODA環的整體能力由觀察、判斷、決策、行動4個環節的能力以及環節間的通信鏈路的能力共同決定。而各環節的能力由執行相應任務的裝備(系統)的性能決定，裝備系統的性能又進一步由該裝備的主要性能指標決定，裝備性能到OODA環整體能力的聚合過程如圖4所示。該圖實際上反映了裝備對體系的貢獻機理，通過分析研究整個映射過程，可以建立裝備體系能力評估模型[8，10-15]。

圖4 裝備性能到OODA環能力的聚合過程Fig.4 Polymerization process of equipment performance to capability of OODA loop

裝備綜合性能指數可由該裝備的各項主要性能指標以一定的方法聚合而成，價值中心法、指數法等[10-11]，由于不同的裝備(系統)的特點屬性不同，所采用的具體聚合方法也有所不同，此處用一個函數表示：

Cj=Fj(p1,p2，…,pM),

(1)

式中：Cj為第j個裝備系統的綜合性能指數(無量綱值)；Fj(p)為該裝備性能指數聚合函數；pM為該裝備第M個性能指標的指標值；M為性能指標個數。

對于觀察節點，通常有多個裝備系統同時對目標信息進行觀察，探測到的目標信息則匯聚到上級信息處理中心進行數據融合。數據融合主要對應于判斷節點，它是將大量情報信息進行篩選和再處理的復雜過程。數據融合后，觀察節點和判斷節點的能力可整體表示為

(2)

由于R(x)難以度量，可用融合系數來衡量數據融合程度，該系數可由判斷節點的能力MOr來表示，它主要由指控決策裝備中的信息數據融合系統的性能決定。數據融合之前，若多個裝備系統同時對同一目標探測，則觀察系統之間相互獨立，觀察節點的能力理論上取決于觀察性能最高的系統。又由于多個裝備系統同時觀察時，整個觀察節點的觀察能力有所提高，主要體現為整體發現定位概率的提高：

(3)

基于以上分析，觀察節點和判斷節點的能力可分別表示為

(4)

MOr=1+βCOr，

(5)

若不考慮人的因素，決策節點的能力主要取決于指控決策裝備中相應輔助決策系統的性能。由于一次具體行動方案的直接決策節點通常只有一個，則決策節點的能力指數可表示為

MD=CD，

(6)

式中：MD為判斷節點的能力指數；CD為該決策裝備系統的性能指數。

對于行動節點，由于打擊毀傷能力和效果可以疊加，因而其節點能力可表示為多個攻擊打擊類裝備能力的累加[10]，即行動節點的能力指數可表示為

(7)

對于通信鏈路，若由多個通信裝備系統組合而成，則通信鏈路的整體能力指數可表示為多個系統性能指數的聚合：

(8)

由于整個OODA環由通信鏈路將4個節點串接而成，則OODA的的整體能力指數可表示為如下表達式：

EOODA=(MObMOrMDMA)1/4MC.

(9)

若以OODA環的整體能力指數來衡量，裝備體系的作戰能力，將前面各式帶入式(9)，可得裝備體系作戰能力模型表示為

(1+β(FOr(p1,…,pM)))FD(p1,…,pM)·

(10)

該模型實際上是一種基于能力指數的體系能力評估模型，能從邏輯意義上反映不同裝備系統及其性能指標對裝備體系整體能力的貢獻作用和大小。式(10)中，若對某個裝備Cj(或其某項性能指標pji)求偏導數，則所得數值為該裝備系統(或指標)對體系整體作戰能力的影響程度，該值越大，說明該裝備系統(或指標)變化對體系整體能力的影響越大。

3 案例分析

假設紅方體系擬對藍方某目標實施打擊行動，構建紅方裝備體系，并利于一定的聚合方法得到各裝備系統的無量綱性能指數如表1所示，具體聚合方法根據不同系統單元各有不同，此處不再詳述。

現研究打擊裝備系統數量與性能對體系整體能力的影響，在其他系統單元性能指數不變的情況下，根據式(10)的度量模型，打擊單元1和2性能指數C1和C2對體系能力影響可量化為

E=0.84(0.783N1C1+0.783N2C2)1/4，

(11)

若對式(11)中的C1和C2求偏導數，可得打擊單元1和2的對體系能力的影響程度為

(12)

(13)

在N1,C1,N2,C2取不同方案值的情況下，通過式(11)～(13)可計算出體系整體能力指數和打擊單元的數量、性能對體系能力的影響程度如表2所示。

表2 打擊單元對體系能力的影響

從表2可以看出，打擊系統的數量越多、性能越強，體系的整體能力就越大，相應系統對體系的貢獻也越大。如對比方案2和方案3可以看出，打擊單元3比打擊單元2對體系能力的貢獻更大。其次，打擊單元數量越多，則該系統單元對體系能力的影響程度(偏導數)越大，當數量一定時系統的性能越好，對體系能力的影響程度反而越小。這說明，當打擊單元的性能處于較低的水平時，提升系統性能值能較快提升體系的整體能力，但當其性能已處于較高水平時，再提升其性能值對體系整體能力的提升效率變得很低。因此在構建裝備體系時不僅要考慮裝備系統的性能問題還應考慮數量問題，性能與數量可以相互彌補。同時，在研究提升裝備系統性能指標時，不能盲目求高求大，而應尋找能夠滿足需求的最合適的指標值。

4 結束語

本文引入OODA環理論，分析了基于OODA環的作戰體系對抗過程，將體系對抗簡化為兩大OODA環之間的對抗。然后，著重分析了裝備對體系的貢獻機理，其中主要分析了基于OODA環的裝備體系種類劃分，并依據裝備系統性能指數到OODA環整體能力的映射關系建立了基于OODA環的體系能力評估模型，最后對一個案例進行評估與分析，所得結論與實際情況基本相符，從而驗證了上述模型的可行性。

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Study on Contribution Degree of Equipment to System of Systems Using OODA Loop Model

ZHANG Yu, HUANG Jian-xin

(Beijing Institute of System Engineering, National Key Laboratory for Complex Systems Simulation, Beijing 100101, China)

For the equipment optimization issues, the contribution degree of equipment to system-of-systems (SoS) is studied. The observe orient decide act(OODA) loop theory is introduced to analyze the process of SoS confrontation. The concept of SoS confrontation is abstracted into the confrontation between two OODA loops. Then, the contribution degree of equipment to SoS is analyzed, which includes the analysis of the structure of the weapon system of systems(WSoS) based on OODA loop. A capability evaluation model of WSoS based on OODA loop is put forward. Also, a small case is studied to verify the feasibility of the model.

observe orient decide act(OODA) loop; equipment; system-of-systems(SoS) confrontation; capability evaluation; modeling; contribution degree

2016-05-09；

2016-06-20 作者簡介：張宇(1987-)，男，四川什邡人。碩士生，主要研究方向為裝備論證與仿真。

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.02.028

E917

A

1009-086X(2017)-02-0177-06

通信地址：100101 北京9702信箱19分箱 E-mail：galaxy-man@163.com