武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力需求滿足度評估方法

焦安龍,許俊飛

(1.中國人民解放軍91439部隊,遼寧 大連 116041;2.海軍工程大學,湖北 武漢 430033)

隨著海軍新型武器系統(tǒng)的快速發(fā)展,其作戰(zhàn)能力能否滿足當前海上作戰(zhàn)需求,需對其進行科學的論證。作戰(zhàn)能力是表征武器裝備完成作戰(zhàn)任務的重要指標,武器裝備對敵目標進行打擊時,對其作戰(zhàn)能力有何要求,對這一過程的分析稱之為武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力需求分析。通過作戰(zhàn)能力需求分析可對武器裝備提出一系列的性能指標要求,其結果的合理性與科學性對武器裝備的發(fā)展與建設具有指導性的意義。

目前,對能力需求分析的研究很多,用于能力需求生成的成熟方法卻很少,主要針對能力需求生成的框架構建以及生成步驟等,理論比較完善,但缺少定量的分析過程[1-4],本文在這些研究基礎上,針對新型武器系統(tǒng)展開作戰(zhàn)能力需求生成方法研究,從使命任務出發(fā),研究在這一作戰(zhàn)態(tài)勢下,如何通過定量手段得到武器裝備所需的作戰(zhàn)能力指標值,重點分析從作戰(zhàn)任務到能力指標之間的映射規(guī)則,建立符合作戰(zhàn)想定的數(shù)學模型,從定量角度生成能力需求指標,在此基礎上進行能力滿足度分析。

1 框架構建

1)對武器系統(tǒng)作戰(zhàn)任務分析,需要明確海上武器裝備所面臨的使命任務,引入元任務,構建其作戰(zhàn)任務剖面,進行作戰(zhàn)任務分解,最終采用能夠實現(xiàn)一定作戰(zhàn)目標且相對獨立的最小活動單元——元任務序列,描述復雜而宏觀的作戰(zhàn)任務。

2)武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力分析,包括建立作戰(zhàn)能力指標體系,對應分析作戰(zhàn)任務與作戰(zhàn)能力之間的映射匹配關系,根據(jù)毀傷目標下的作戰(zhàn)任務建立相應的數(shù)學模型,明確任務-能力之間的映射關系,生成作戰(zhàn)能力指標需求方案[5]。

3)在生成武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力需求方案的基礎上進行能力需求滿足度評估,度量作戰(zhàn)能力完成作戰(zhàn)任務的程度,以此檢驗武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力需求生成方案的有效性。

圖1 作戰(zhàn)能力需求分析框架

2 使命任務分析

歐陽瑩之提出的綜合微觀分析方法[6](Synthetic Micro-analytic Approach, SMA)在對宏觀事物進行研究時,可以把整體分解為部分,進行局部的分析,再將局部整合起來,獲得宏觀的系統(tǒng)認知。

對武器系統(tǒng)進行使命任務分析,目的是分析在未來戰(zhàn)場環(huán)境下,武器裝備所擔負的主要作戰(zhàn)任務,由于使命任務相對宏觀,采用分解的思想,引入元任務概念,對所擔負的使命任務進行分解,形成元任務序列來表征使命任務。元任務是作戰(zhàn)行動過程中具有原子性事務處理性質的作戰(zhàn)任務,這種作戰(zhàn)任務是相對固定、相對獨立、能夠實現(xiàn)一定作戰(zhàn)目標的最小任務單元;進行作戰(zhàn)任務分解就是將宏觀的使命按照特定的原則分解成較低層次、相對明確的元任務清單。

隨著武器裝備的不斷發(fā)展,其優(yōu)越的戰(zhàn)技性能,使之在未來戰(zhàn)場具有良好的應用前景,可承擔防空反導、對海、對陸等多種使命任務,對目標進行打擊時,由艦載傳感器提供目標信息,本艦作戰(zhàn)系統(tǒng)向武器系統(tǒng)發(fā)送目標指示,由跟蹤傳感器自動跟蹤目標,跟蹤好后將數(shù)據(jù)傳給火控設備,火控設備解算后控制武器進行射擊,武器系統(tǒng)控制跟蹤傳感器獲取目標觀測信息,進行校射和毀傷評估。經分解后得到的元任務序列如圖2所示。

圖2 元任務序列圖

3 作戰(zhàn)能力分析

3.1 能力指標體系的構建

作戰(zhàn)能力是武器裝備的自身屬性,表現(xiàn)為完成具體作戰(zhàn)任務所具有的“潛力”。結合傳統(tǒng)武器系統(tǒng),建立新型武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力指標體系,武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力表現(xiàn)在威力、射擊精度、反應時間以及射擊效能上,采用自上而下的分解方式對每一級的能力指標進行分解,最終形成一個具有遞階結構的能力體系,體系的最底層即是武器裝備具體的能力指標[7]。

完成對作戰(zhàn)任務與作戰(zhàn)能力的逐層分解后,得到武器系統(tǒng)的元任務序列與能力指標體系,這種分解能夠幫助作戰(zhàn)指揮人員了解使命任務是通過哪些元任務來實現(xiàn),元任務與能力指標之間具有對應關系,這種對應關系可以明確元任務的執(zhí)行需要哪些能力作為支撐。武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力指標體系及元任務與能力指標間的對應關系如圖3所示。

圖3 能力指標體系及對應關系

3.2 映射關系分析

得到元任務與能力指標之間的對應關系,對武器系統(tǒng)實現(xiàn)作戰(zhàn)能力需求生成便落腳為元任務執(zhí)行水平到能力指標取值的轉換,這種轉換即是一種映射[8]。通過作戰(zhàn)模擬建立符合作戰(zhàn)任務的數(shù)學模型,對能力指標的生成過程進行分析,利用軍事運籌理論,系統(tǒng)工程理論,作戰(zhàn)數(shù)模原理等建立數(shù)學關系式,生成能力指標的定量需求。采用解析規(guī)則描述元任務與能力指標之間的映射規(guī)則具有明顯的優(yōu)勢,通過建立數(shù)學模型模擬作戰(zhàn)過程,公式簡單明了,便于理清能力指標之間的關系,通過影響因素的變化可分析能力指標的變化趨勢,因此通過解析映射關系可實現(xiàn)元任務到能力指標取值的定量映射分析。

武器的速度越高,對目標的毀傷能力越強,隨著裝備的不斷發(fā)展,在速度方面得到了很大的提升,如電磁軌道炮、新型火箭彈、魚水雷等武器裝備,設初速為v0,武器裝備出口動能E為[9]

(1)

式中:v0為武器初速;m為彈丸質量。

在作戰(zhàn)中要盡可能早地發(fā)現(xiàn)并捕獲目標,因此最大發(fā)現(xiàn)距離與武器系統(tǒng)的有效射程、反應時間、彈丸飛行時間等因素有關,最大發(fā)現(xiàn)距離Sd為[10]

Sd=Sr+(tpf+tfr+tsr)×va

(2)

根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢進行作戰(zhàn)能力需求生成,若已知目標在一定距離外,可將這段距離近似為最大發(fā)現(xiàn)距離,進而反推出武器系統(tǒng)的有效射程。

武器系統(tǒng)對目標的最大跟蹤距離St即為

St=Sr+(tpf+tfr)×va

(3)

武器系統(tǒng)的精度指標與射擊效能密切相關,根據(jù)系統(tǒng)的射擊效能指標要求,當系統(tǒng)的兩組誤差呈最佳匹配關系時,系統(tǒng)精度、目標特性等因素有關的參數(shù)可按照下式計算求得[11]

(4)

式中,P0為系統(tǒng)的射擊效能指標;λ為綜合影響參數(shù),與系統(tǒng)精度、目標特性等因素有關的參數(shù)。

火控系統(tǒng)誤差σc的計算則與毀傷目標的命中面積,目標的易損性以及武器系統(tǒng)發(fā)射的彈丸數(shù)有關,因此武器全系統(tǒng)隨機誤差的均方差σ、系統(tǒng)誤差M以及當對目標進行連續(xù)射擊時,連發(fā)散布誤差均方差σfs和隨動系統(tǒng)誤差的均方差σss可按下式進行估算:

(5)

(6)

(7)

式中，S為目標的命中面積;ω為毀傷目標所需平均命中彈數(shù);n為發(fā)射的彈數(shù)。σfs為武器系統(tǒng)射擊時,彈丸高低散布均方差和方向散布均方差;σss為隨動系統(tǒng)高低均方差和方位均方差;Kp為武器系統(tǒng)精度分配因子,0≤Kp≤1。

根據(jù)作戰(zhàn)任務和所要達到的毀傷效果,武器系統(tǒng)的射速指標np應滿足:

(8)

式中，np為射速,發(fā)/min;r為目標域半徑;K為目標航路修正系數(shù)。

當彈著點對目標圓心的偏差量服從瑞利分布時的單發(fā)命中概率p為

(9)

當每次發(fā)射的單發(fā)命中概率相同均為p時,對目標的毀傷概率達到P0時所需發(fā)射的彈藥數(shù)為n為

(10)

4 能力需求滿足度分析

通過武器系統(tǒng)作戰(zhàn)任務與作戰(zhàn)能力的映射分析,可以生成能力指標的需求列表。武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的提升離不開其關鍵技術的支撐,能力建設的目的就是滿足作戰(zhàn)需要,對武器系統(tǒng)進行能力需求滿足度分析,可以確定相關技術是否滿足任務能力需求。在灰色關聯(lián)分析法和理想解法的評估方法的基礎上,從貼近度和關聯(lián)度的角度分析需求滿足度,貼近度表示能力指標值與理想值之間的差距,反映了作戰(zhàn)能力指標值與理想值之間的關系;關聯(lián)度表示能力指標無論在理想與現(xiàn)實中都存在一種潛在的關聯(lián),即相似性,反映的是能力指標值作為一個整體與理想值之間的關系[12]。

根據(jù)能力需求生成過程中建立的能力指標體系,對能力指標進行規(guī)范化處理,將能力指標分為效益型與成本型,對其的規(guī)范化處理如下。效益型指標的規(guī)范化處理函數(shù)為

(11)

成本型指標的規(guī)范化處理函數(shù)為

2.2.4 建立拓撲并進行連通性分析。現(xiàn)已獲得單線河流矢量數(shù)據(jù)，并對該提取結果進行投影變換。建立個人地理數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)集，導入中軸線數(shù)據(jù)，通過添加拓撲規(guī)則完成拓撲新建及拓撲檢查。檢查無誤后新建網絡數(shù)據(jù)集，選取兩端點實現(xiàn)提取結果連通性分析。

(12)

1)采用層次分析法確定武器系統(tǒng)各能力指標對完成目標任務的不同權重w=(w1,w2,…,wn)。

2)采用改進的TOPSIS求解貼近度,經映射分析后定量得到武器裝備完成作戰(zhàn)任務的能力指標值,即決策矩陣A=(ai)1×n,結合權重集w生成加權規(guī)范矩陣B=(bi)1×n,其中bi=ai×wi;確定加權后的正理想解為B+=(w1,w2,…,wn),負理想解為B-=(0,0,…,0);根據(jù)能力指標值到正負理想解的距離d+和d-確定到理想解的相對貼近度C。

(13)

(14)

4)定義能力需求滿足程度是貼近度和關聯(lián)度的結合,S=Cα·Rβ,其中S為能力需求滿足程度,α,β∈(0,1),且α+β=1。

5 仿真分析

在武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力需求生成中,首先需要判斷武器裝備對敵方目標的發(fā)現(xiàn)距離,假定在距武器裝備150 km外有敵方導彈目標以高度為3 km、超聲速Ma=2襲來,對于武器裝備已知的作戰(zhàn)參數(shù)如表1所示,根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢分析攔截并毀傷敵方導彈目標所需的作戰(zhàn)能力。對于服從正態(tài)分布的參數(shù),每一次仿真計算中的取值用符合正態(tài)分布的隨機數(shù)來產生,已知的作戰(zhàn)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 作戰(zhàn)參數(shù)值

表2 影響參數(shù)值

根據(jù)武器系統(tǒng)作戰(zhàn)過程中的映射關系建模分析,進行作戰(zhàn)能指標的需求生成,理想值為對敵目標毀傷效果達到90%,實際值為對敵目標毀傷效果達到60%時對武器系統(tǒng)能力指標的要求,作戰(zhàn)能力指標需求值如表3、4所示。

表3 效益型指標值

表4 成本型指標值

經映射分析得到在具體作戰(zhàn)態(tài)勢下的武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力需求指標值,對指標進行規(guī)范化可得決策矩陣A:

A=[0.7999, 0.6402, 0.9291, 0.9997, 0.4178, 0.9667, 0.3478, 0.5808, 0.5942, 0.5843, 0.584, 0.4043, 0.25]。

根據(jù)層次分析法得到指標的權重w:

w=[0.2244, 0.1942, 0.0591, 0.0543, 0.0869, 0.0147, 0.0377, 0.0251, 0.0238, 0.0175, 0.0183, 0.1029, 0.1413]。

則加權決策矩陣為:

B=[0.1795, 0.1243, 0.0548, 0.0543, 0.0363, 0.0142, 0.0131, 0.0145, 0.0142, 0.0102, 0.0107, 0.0416, 0.0353]，

B+=[0.2244, 0.1942, 0.0591, 0.0543, 0.0869, 0.0147, 0.0377, 0.0251, 0.0238, 0.0175, 0.0183, 0.1029, 0.1413]，

B-=[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]。

所以由式(14)可得d+=0.0449,d-=0.1795,Cj=0.7999;由式(15)可得這組能力指標對正理想解的灰色關聯(lián)度為R+=0.7168,對負理想解的灰色關聯(lián)度為R-=0.8023,所以R=0.4719。因此武器系統(tǒng)完成該作戰(zhàn)態(tài)勢下的能力需求滿足度S=Cα·Rβ=C0.5·R0.5=0.5337。

從滿足度結果來看,能夠較好地滿足武器系統(tǒng)對來襲敵導彈目標的攔截需求,表明武器系統(tǒng)完成整個射擊任務的作戰(zhàn)能力在整個作戰(zhàn)能力指標中的重要程度,約占53.37%。按照此方法同理可得：新型武器系統(tǒng)在情報偵察、指揮控制等其他方面作戰(zhàn)能力的滿足程度,在能力需求的牽引下,充分挖掘武器系統(tǒng)所供與真實作戰(zhàn)所需的矛盾程度,依次進行相關能力的建設與發(fā)展。由于分析數(shù)據(jù)源基本來自主觀賦值,因此對相關數(shù)據(jù)采用數(shù)學方法進行修正處理,能夠較好地控制主觀判斷帶來的差錯,使評估結果更加科學可信。

6 結束語

作戰(zhàn)能力指標是武器系統(tǒng)需求論證的重要內容,本文提出的基于解析規(guī)則下的武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力需求生成方法,通過建立武器裝備在作戰(zhàn)過程中的數(shù)學仿真模型,定量生成作戰(zhàn)能力指標值,克服了傳統(tǒng)定性分析的不足,分析過程清晰直觀,生成結果科學可靠,同時采用基于GCA-TOPSIS方法評估了武器系統(tǒng)在毀傷目標條件下的任務滿足度,驗證了作戰(zhàn)能力需求生成指標的可靠性。從總體上講,該方法通過模型建立、簡單可靠,為新型武器裝備提升作戰(zhàn)能力提供一定的參考。