新型艦炮武器作戰(zhàn)能力需求生成方法研究

陸 飏，許俊飛

(1.陸軍勤務學院 訓練基地，武漢 430000； 2.海軍工程大學， 武漢 430033)

1 引言

新型艦炮中的電磁軌道炮作為一種新概念武器，具有初速高、射程遠、炮口動能大等明顯優(yōu)勢，它的出現(xiàn)將大大提高艦炮武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力，其發(fā)展是“需求牽引”與“技術(shù)推動”的共同產(chǎn)物，為了確保電磁炮裝備戰(zhàn)斗力生成，需要開展作戰(zhàn)能力需求生成研究，即在特定的使命任務需求下，期望新型艦炮裝備所具備履行使命、完成任務的能力，針對新型艦炮開展作戰(zhàn)能力需求生成研究，不僅為裝備能力的發(fā)展和應用指明方向，優(yōu)化裝備資源配置，還可以幫助研究人員厘清新型艦炮在履行使命任務方面的缺陷與不足，避免研究過程與裝備建設的盲目性和無序性。

本文針對新型艦炮開展作戰(zhàn)能力需求生成方面的研究，重點研究在新型艦炮需求開發(fā)過程中所要擔負的防空反導使命任務，以及完成相應使命任務所需的作戰(zhàn)能力指標進行分析，定量生成新型艦炮的主要作戰(zhàn)能力指標。

2 新型艦炮作戰(zhàn)能力需求生成框架模型

所謂作戰(zhàn)能力，軍語中的定義是：作戰(zhàn)能力亦稱戰(zhàn)斗力，是武裝力量遂行作戰(zhàn)任務的能力[1]，可以是物理性描述的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標的集合；作戰(zhàn)能力需求分析是根據(jù)軍事作戰(zhàn)的需要，探索滿足作戰(zhàn)任務要求的作戰(zhàn)行動以及武器裝備等重要作戰(zhàn)因素；作戰(zhàn)能力需求生成是在其基礎上，通過某一具體方法給出需求分析的定量化結(jié)果，是需求分析的目的，因此作戰(zhàn)能力需求生成是實現(xiàn)從宏觀使命任務到具體裝備能力之間的轉(zhuǎn)換，落腳點在裝備能力指標的體現(xiàn)上。對新型艦炮進行作戰(zhàn)能力需求分析就是實現(xiàn)從任務到能力的轉(zhuǎn)化，作戰(zhàn)能力需求生成模型如圖1所示。

圖1 作戰(zhàn)能力需求生成模型框圖

基于任務清單、能力清單、專家知識以及歷史數(shù)據(jù)將新型艦炮作戰(zhàn)能力需求分析劃分為3個階段：使命任務的分解與體系能力的構(gòu)建，作戰(zhàn)活動與能力指標的映射分析，能力需求列表的約束優(yōu)化。

1) 采用單一能力最小粒度原則，基于作戰(zhàn)流程對使命任務進行分解，得到新型艦炮的作戰(zhàn)活動集，建立宏觀使命任務的作戰(zhàn)活動序列，并構(gòu)建新型艦炮的能力指標體系。

2) 對分解得到的作戰(zhàn)活動與能力指標進行映射匹配，分析映射關(guān)系，建立映射規(guī)則庫，在映射規(guī)則的牽引下將作戰(zhàn)活動轉(zhuǎn)化為能力需求列表。

3) 初步得到的能力需求列表指標之間仍存在多種約束關(guān)系，提取約束對能力需求列表進行約束優(yōu)化，生成符合使命任務需求又滿足各種約束關(guān)系的能力需求方案。

3 新型艦炮使命任務與體系能力分析

3.1 新型艦炮使命任務分解

對作戰(zhàn)任務進行分解，可以幫助作戰(zhàn)人員清晰地了解使命目標是通過哪些任務、子任務來實現(xiàn)的。作戰(zhàn)活動是在作戰(zhàn)中與能力對應關(guān)系相對固定、能夠?qū)崿F(xiàn)一定的作戰(zhàn)目標，相對獨立的活動單元，將作戰(zhàn)任務分解為能夠與能力指標直接進行映射的作戰(zhàn)活動，從而實現(xiàn)與新型艦炮能力需求指標的匹配。采用層級任務網(wǎng)絡法(hierarchical task networks)對使命任務進行分解，逐層細化，最終得到與能力指標相對應的作戰(zhàn)活動層，如圖2所示。

圖2 作戰(zhàn)任務的層次化分解框圖

將作戰(zhàn)活動用有向網(wǎng)絡圖進行描述，建立作戰(zhàn)活動序列，作戰(zhàn)活動是由作戰(zhàn)任務分解而來，所以一個作戰(zhàn)活動序列可以看作是作戰(zhàn)任務的“解剖圖”。

由于新型艦炮具有優(yōu)越戰(zhàn)技性能[4]，以其防空反導作戰(zhàn)任務為例進行分解構(gòu)建作戰(zhàn)活動序列，如圖3所示。

圖3 作戰(zhàn)活動序列框圖

3.2 新型艦炮能力指標體系構(gòu)建

在系統(tǒng)層次化分解思想和指標體系構(gòu)建原則的基礎上，構(gòu)建新型艦炮能力指標體系，但并不能僅局限于新型艦炮本身，根據(jù)對新型艦炮的作戰(zhàn)使用分析，其相關(guān)配套系統(tǒng)也不能忽略。

同作戰(zhàn)任務分解原理相同，對作戰(zhàn)能力進行分層次地分析，確定能力指標的遞階層次。能力指標體系的構(gòu)建要遵循層次性、協(xié)作性、功能性、涌現(xiàn)性等特點，新型艦炮武器系統(tǒng)的能力指標體系分為兩大類：作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)能力指標和武器系統(tǒng)能力指標[8]。作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)能力指標主要是新型艦炮相關(guān)配套系統(tǒng)所具有的能力；武器系統(tǒng)能力指標主要是新型艦炮本身具有的能力，新型艦炮武器系統(tǒng)能力體系如圖4所示。

圖4 新型艦炮武器系統(tǒng)能力體系框圖

從體系能力出發(fā)建立的能力指標為武器裝備執(zhí)行任務時所應具備的最明確的能力值，通過對使命任務分解、能力指標體系構(gòu)建，從微觀層面細化任務與能力的表達方式，為進一步實現(xiàn)作戰(zhàn)能力需求生成中任務到能力的轉(zhuǎn)換奠定了基礎。

4 能力需求生成中的映射分析

進行作戰(zhàn)能力需求生成就是實現(xiàn)從任務到能力的轉(zhuǎn)換，作戰(zhàn)活動的具體執(zhí)行就是對執(zhí)行作戰(zhàn)活動的人員或武器裝備所具備能力的一種需求。作戰(zhàn)活動的成功執(zhí)行向能力指標的轉(zhuǎn)換反映了使命任務需求到作戰(zhàn)能力需求的轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換關(guān)系經(jīng)過分析建模處理則可形成一種映射關(guān)系[9]，因此作戰(zhàn)活動與能力指標之間的映射關(guān)系便是能力指標生成的橋梁，分析這種映射關(guān)系便是能力需求生成的重點。新型艦炮作戰(zhàn)活動與能力指標之間的對應關(guān)系如圖5所示。

圖5 新型艦炮作戰(zhàn)活動與能力指標對應關(guān)系框圖

在新型艦炮的作戰(zhàn)使用中，使命任務復雜而存在多種作戰(zhàn)構(gòu)想，對映射規(guī)則分多種情況進行處理，從而保證使命任務需求的豐富性和完整性，使得最終獲取的能力指標具有更高的準確性和可識別性，根據(jù)作戰(zhàn)活動與能力指標之間的作用關(guān)系，映射規(guī)則可分為以下4類。

1) 解析規(guī)則

解析規(guī)則是映射規(guī)則的基礎，也最重要應用最廣泛的一類規(guī)則。利用軍事運籌，系統(tǒng)工程理論，作戰(zhàn)數(shù)模等理論進行作戰(zhàn)模擬，建立符合作戰(zhàn)任務的數(shù)學模型，通過數(shù)學解析式對能力指標的生成過程進行分析，將抽象的作戰(zhàn)活動轉(zhuǎn)化相應的作戰(zhàn)能力，生成能力指標的定量需求。運用解析規(guī)則，公式簡單明了，便于理清能力指標之間的關(guān)系，通過影響因素的變化可分析能力指標的變化趨勢，實用性強。

2) 推理規(guī)則

推理規(guī)則是指作戰(zhàn)活動與能力指標之間存在因果邏輯，時序關(guān)系等作戰(zhàn)規(guī)律，形成多種情況而導致能力指標取值不同，可用程序分析中if … else …的結(jié)構(gòu)來表達，推理規(guī)則的本質(zhì)是根據(jù)歷史經(jīng)驗、作戰(zhàn)規(guī)律等提取出來的。

3) 學習規(guī)則

學習規(guī)則是通過演習、實驗、仿真等獲得的方法經(jīng)驗數(shù)據(jù)等，對其進行科學嚴謹?shù)臍w納、分析、驗證形成可運用的知識庫。

4) 等價規(guī)則

等價規(guī)則比較簡單，即能力指標的取值完全取決于對作戰(zhàn)活動的執(zhí)行水平要求。

根據(jù)作戰(zhàn)活動與能力指標之間的匹配關(guān)系，結(jié)合上述4種映射規(guī)則，建立新型艦炮的作戰(zhàn)映射模型，形成規(guī)則庫，在具體的作戰(zhàn)想定下，提取規(guī)則庫即可初步生成能力需求分析指標列表，在映射規(guī)則中，解析規(guī)則運用比較廣泛，映射關(guān)系的分析至關(guān)重要，直接決定了能力需求生成的準確性。

5 能力需求方案的約束優(yōu)化

通過映射規(guī)則得到的能力需求列表可以保證各個能力指標所對應的作戰(zhàn)活動被成功執(zhí)行，而科學合理的能力需求方案需要滿足新型艦炮各方面的約束且使作戰(zhàn)效能最優(yōu)，從本質(zhì)上來講，這是一個約束優(yōu)化問題。

對新型艦炮進行作戰(zhàn)能力需求生成最終落腳在能力指標上，因此目標函數(shù)作戰(zhàn)效能的建立可采用指數(shù)法，為了與約束優(yōu)化的一般模型相統(tǒng)一，即適應度函數(shù)越小越優(yōu)，選取效益型指標作為分母，成本型指標作為分子，作戰(zhàn)效能函數(shù)為：

(1)

式(1)中：x,x1,…,z1是能力指標；ω1、ω2、…、ωm+n為冪指數(shù)，一般要求ω1+ω2+…+ωm+n=1；k為一致性調(diào)整系數(shù)。

能力需求列表的約束條件可通過對使命任務、軍事威脅、裝備體系、歷史經(jīng)驗等進行分析提取，主要包括：

1) 作戰(zhàn)需求約束。作戰(zhàn)需求約束是指為實現(xiàn)所擔負的使命任務所必須具備的能力，即戰(zhàn)場態(tài)勢、作戰(zhàn)目的對作戰(zhàn)行動提出的要求。

2) 能力需求約束。能力需求約束是最重要的一類約束，主要體現(xiàn)在能力需求指標之間相互影響關(guān)聯(lián)的基礎上。指標的生成并不是單一的指標求解，而是形成類似于網(wǎng)絡狀相互影響的結(jié)構(gòu)體系關(guān)系，指標之間相互制約、相互影響，對彼此具有一定的約束關(guān)系。

3) 技術(shù)發(fā)展約束。技術(shù)發(fā)展需求描述了武器裝備發(fā)展預測水平，在裝備體系發(fā)展建設中，往往會采用保守的技術(shù)和標準以此來降低風險，根據(jù)武器裝備建設發(fā)展水平，可以給定某一能力指標的技術(shù)發(fā)展約束。

4) 其他約束。除了以上幾種約束之外，通過大量的仿真、試驗等得到的數(shù)據(jù)進行分析獲取約束關(guān)系，或者專家根據(jù)自身經(jīng)驗對能力指標進行關(guān)聯(lián)性分析給定約束條件，但是對于經(jīng)驗約束需要進一步分析確定約束的可信度。

根據(jù)上述4種約束關(guān)系，對新型艦炮在具體作戰(zhàn)中提取約束集，建立約束優(yōu)化模型為：

(2)

式(2)中：f(x)為作戰(zhàn)效能函數(shù)；gi(x)、hi(x)為4種約束關(guān)系中的不等式約束與等式約束；指標受到?jīng)Q策空間[Ll,Ul]的約束。

選用可行的約束處理技術(shù)進行能力需求列表的約束優(yōu)化求解，即可獲得既滿足約束條件又保證作戰(zhàn)效能的新型艦炮作戰(zhàn)能力需求方案。

6 應用實例分析

結(jié)合具體作戰(zhàn)想定，分析新型艦炮武器的主要作戰(zhàn)能力需求生成，作戰(zhàn)想定如下：假設預警機探測到有敵目標4批在距我方艦艇300～400 km處向我艦以高度10 km、速度2Ma襲來，要求采用新型艦炮武器進行攔截，且攔截相當可靠，即毀傷概率達到90%，設己方艦載探測設備對空襲目標的最大航路角ψmax為60°。

由于新型艦炮能力指標較多，本文只針對新型艦炮防空反導中武器控制這一作戰(zhàn)活動進行能力需求分析，根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢，分析由任務到具體能力指標之間的映射關(guān)系轉(zhuǎn)換，上文描述了映射關(guān)系中的4種規(guī)則，重點就解析規(guī)則的運用進行分析。

例如求取新型艦炮的射程時，可建立如下簡易模型[11-12]，當新型艦炮彈丸以初速vw被發(fā)射時，目標以速度vm剛好經(jīng)過艦載跟蹤邊界，在t時間后新型艦炮彈丸與目標相遇，設k=vw/vm。新型艦炮射程模型如圖6所示。

圖6 新型艦炮射程模型示意圖

根據(jù)圖6可得新型艦炮射程Ssc為：

(3)

式(3)中：Rt為艦載探測設備對空襲目標的跟蹤距離；ψmax為艦載探測設備對空襲目標的最大航路角。

例如按照新型艦炮擔負的使命任務和射擊效能指標要求，射速指標一般應滿足：

(4)

式(4)中：n為射速；P為系統(tǒng)對目標全航路至少命中1發(fā)的概率；r為目標域半徑；DL為打擊遠限；DS為打擊近限；vm為目標速度；K為航路修正系數(shù)；σ為全系統(tǒng)誤差的均方差；tfL為彈丸飛行距離的時間；tfS為彈丸飛行DS距離的時間。

從作戰(zhàn)需求出發(fā)，估算新型艦炮彈藥容量下限NS為：

(5)

式(5)中：nm為新型艦炮在不補彈條件下系統(tǒng)規(guī)定的打擊目標數(shù)；n為射速；tsc為對應Ssc的彈丸飛行時間；tm為對應(pm,hm)的彈丸飛行時間。

根據(jù)上述作戰(zhàn)想定以及映射關(guān)系中解析規(guī)則的分析，可以初步生成在該想定下所需新型艦炮具備的一些能力指標值，由于新型艦炮發(fā)射彈丸的初速對各個指標的影響較大，這也是新型艦炮的優(yōu)勢之一，假定當彈丸質(zhì)量為15 kg、初速為6Ma時的能力指標生成如表1所示。

表1 能力指標生成表

用區(qū)間數(shù)度量能力指標，可以有效地表示出,當對敵方的作戰(zhàn)需求在一定范圍內(nèi)變化時，己方所必備的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標水平，使需求生成更具準確性。

進行能力需求方案的約束優(yōu)化，首先要構(gòu)造目標函數(shù)，即新型艦炮武器的作戰(zhàn)效能函數(shù)，其次要進行約束關(guān)系的提取。

(6)

式(6)中：實際計算效能時，應給發(fā)射率R乘以一個時間因子β，β表示新型艦炮武器的射擊時間；Tfy為反應時間；δ為系統(tǒng)精度；Txx為信息處理時間。

利用AHP法，對作戰(zhàn)所涉及的能力指標進行權(quán)重分配求解作戰(zhàn)效能。

在武器控制這一作戰(zhàn)活動中的約束關(guān)系主要是體現(xiàn)在作戰(zhàn)態(tài)勢的要求以及現(xiàn)階段武器的發(fā)展狀況，假設現(xiàn)有作戰(zhàn)能力指標約束數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 能力指標約束數(shù)據(jù)

通過作戰(zhàn)效能函數(shù)與各類約束條件，構(gòu)建基于約束優(yōu)化的能力需求方案模型，采用基于罰函數(shù)的粒子群尋優(yōu)算法進行約束的求解，得到在約束條件下能力指標的最優(yōu)值如表3所示。

表3 約束優(yōu)化后的能力指標

對約束較為復雜的最優(yōu)值尋優(yōu)求解中，APSO(adaptive particle swarm optimization)快速自適應粒子群優(yōu)化算法表現(xiàn)出較好的健壯性，系統(tǒng)能夠較快收斂，尋優(yōu)解也與實際情況相符。

7 結(jié)論

1) 作戰(zhàn)能力需求生成模型方法的可用性。建立了從微觀層面分析新型艦炮在防空反導方面的作戰(zhàn)活動以及能力指標體系，為分析兩者之間的映射關(guān)系以及約束優(yōu)化奠定基礎。

2) 經(jīng)映射關(guān)系分析、約束優(yōu)化后生成的作戰(zhàn)能力指標，具有一定的可靠性。建立新型艦炮在作戰(zhàn)中的簡易數(shù)學模型，實現(xiàn)能力指標的定量化生成，經(jīng)約束優(yōu)化后的能力需求方案保證了使武器的作戰(zhàn)效能最大。

本文最終獲得的能力需求指標處在作戰(zhàn)需求和體系需求之間，具有“承上啟下”的作用，可以指導新型艦炮武器裝備的建設與發(fā)展，明確今后發(fā)展的方向和重點。但是在新型艦炮作戰(zhàn)任務映射分析方面，由于新型艦炮這一新概念武器，作戰(zhàn)使用還處于論證階段，模型的建立比較簡單，指標的生成還不夠完善，需進一步改善。