中国指挥与控制学会会刊 
合成营装备体系是指在对抗条件下,由功能上互相联系、性能上互相补充的各种武器装备系统,按照一定结构耦合成的、更高层次的武器装备系统[1]。从概念内涵上理解,合成营装备体系是系统的系统(System of Systems),是一个更高级的系统;从拓扑结构上理解,合成营装备体系组分系统多样,各组分系统交互紧密,因果关系复杂,是一个典型的复杂系统。合成营装备体系的复杂特性为体系效能分析带来诸多困难。
当前,针对装备体系效能分析有两个层面。一是物理层面,是指以组成体系的实体为主体,研究其组分系统的交互行为和技战术性能的耦合效应产生的体系级涌现效果。由于合成营装备体系组分系统的复杂交互行为,导致性能指标间的因果关系难以理清,所以,从物理层面分析体系效能存在一定的困难。二是结构层面,是指将装备体系中的实体和信息流抽象为网络中的节点和边,以网络拓扑结构为对象,研究体系的网络化结构特征所涌现出的效能,从结构层面分析体系效能可以规避物理层面存在的复杂因果关系问题。同时,由于合成营装备体系结构决定着对抗过程中装备体系防御的完备性及打击的有效性、快速性[1],所以,装备体系结构是影响装备体系有效性的核心因素。
合成营装备体系与复杂网络有天然的结构类似性,所以,复杂网络理论为从结构层面研究合成营装备体系效能提供了一种可行的方法。要以复杂网络理论为基础研究装备体系效能,首先要解决的是认识体系结构的问题,其次要解决的是分析体系效能的问题。
在复杂网络建模和体系效能分析方面,高翔等[2]提出加权超网模型方法进行体系结构建模,该方法在超网模型的基础上增加网络边的权重,更加符合实际情况,但是,加权超网模型不便于指挥人员理解;提出基于邻接矩阵的PFE值方法(非负最大特征值)进行体系效能分析,该方法有一定的参考性。孙盛智等[4]将OODA环时效性作为海警装备体系作战能力评估的主要指标,但是文章中只给出了海警装备体系作战过程,并没有给出具体的装备体系网络拓扑结构。贾子英等[5]对防空体系生存能力指标进行研究,从物理生存能力和结构生存能力两方面进行指标体系构建,在此基础上评估防空装备体系生存能力,其所构建的指标体系割裂了指标间的关联关系,导致指标体系不能合理地反映装备体系的复杂特性,因此,评估结果客观性不足。
综上所述,为了能够科学、合理地分析装备体系效能,本文以复杂网络理论为基础,提出基于作战环的装备体系对抗过程建模方法,首先解决和认识体系结构的问题,然后,在体系结构建模的基础上,利用网络邻接矩阵的PFE值对体系效能进行分析,解决体系效能的分析问题。
1 合成营装备体系特性分析
合成营装备体系产生涌现性效果的主要原因是其装备体系具有的复杂特性,复杂特性主要体现在体系结构层面和组分系统层面。合理地分析合成营装备体系复杂特性,是科学地构建体系效能指标体系的基本条件。
1.1 体系结构特性分析
体系结构特性主要包括涌现性、不确定性、分布性[3]。
涌现性:各组分系统的复杂交互行为产生体系的涌现性,体系涌现出的能力正是体系的效能。体系涌现出的能力大于各部分能力的简单和,即“1+1>2”,且涌现出的整体性质可以与组分完全不同。
分布性:体系的各组分系统脱离体系可以独立完成作战任务,在空间上不必集中于一处,可以实现分散布置,避免遭遇敌集中打击。
不确定性:装备体系与复杂战场环境交互产生的不确定因素,以及作战过程中指挥人员带来的不确定因素,导致装备体系产生涌现结果的不确定性。不确定性主要体现在装备体系效能既可能产生正向涌现,也可能产生负向涌现。
1.2 组分系统特性分析
组分系统特性主要包括多元性、差异性等[3]。
多元性:体系是由系统的系统组成,多个系统相互作用才能组成体系。
差异性:各组分系统的性质必须不同。体系是一个异质的高级系统,对不同性质组分系统的差异性进行整合才能形成体系。
2 基于作战环的装备体系对抗过程建模
作战环理论是在对作战过程进行建模的基础上,对军事活动进行分析研究,该理论认为作战环的行动过程就是体系发挥整体能力的过程。对装备体系对抗过程进行建模就是重现体系发挥整体能力的过程,同时也是体系效能分析的必要前提。
2.1 作战环基本理论
作战过程是由观察、判断、决策、打击(Observe,Orient,Decision,Action,OODA)构成的作战环[6]。作战环基本过程是:“O”,侦察装备对敌方目标进行感知,生成情报信息;“O”,情报信息通过信息网回传到指挥所中的情报分析席,情报分析席对情报信息汇总、融合,详细分析后形成态势感知图;“D”,指挥员根据战场态势定下作战决心,并上传到火力打击装备;“A”,火力打击装备根据任务分配对敌方目标进行打击,侦察装备评估敌目标毁伤程度,并上传至指挥所,如此反复交替,直至目标被完全摧毁,如图1 所示。该理论的基本观点是:取得战争胜利的关键在于缩短自身的OODA环时间以取得先发制人的效果,或者是攻击敌方OODA环中的重要环节以造成敌方装备体系坍塌的效果。该理论的本质是:将装备组分系统在作战过程中的交互行为映射为OODA环中的节点、边和权重。
2.2 基于作战环的装备体系复杂网络模型
单个OODA环表示一条简单链路,多个OODA环叠加在一起形成复杂网络。在装备体系对抗过程中,存在多个OODA环相互叠加的现象,装备体系对抗过程OODA环可以抽象为复杂网络模型。装备体系复杂网络模型是针对装备体系效能分析构建的一个抽象表示,它包括节点、边和权重。
定义1:装备体系复杂网络模型是通过多条OODA环将装备实体进行连接而形成的多重异构网络,该网络强调从整体上分析体系的结构功能。
定义2:复杂网络模型中的节点对应合成营装备体系中的实体,一般分为四类:侦察节点、指控节点、火力打击节点、目标节点。在实际作战过程中,装备体系各类节点中包含多个子节点,且存在多个目标节点。复杂网络中的节点可以表示为侦察节点集合I、指控节点集合D、火力打击节点集合F、目标节点集合T。所有实体对应的节点形成节点集合U,U=(I,D,F,T)。其中,侦察节点主要是用于发现和确定敌兵力、战斗部署和行动的变化,预备队和增援力量的位置及其动向,指挥所、重要武器阵地等重要目标的变化等信息。指控节点主要是用于辅助指挥员进行决策指挥,进行战场信息的收集、处理、融合、判断和分发等工作。火力打击节点是根据指控节点的命令,按照任务划分对各自目标进行火力打击,进而达到一定的作战目的。目标节点主要是指敌方人员、装备、指挥所、阵地、工事等目标。
定义3:复杂网络模型中的边对应合成营装备组分系统实体之间的信息交互,在装备体系复杂网络模型中一般包含三种类型:通信流、传感流、指控流。根据实际情况,信息交互主要存在六种情况:T→I、I→I、I→D、D→D、D→F、F→T,所有的信息交互都依赖于信息传输系统[7],如表1 所示。
表1 基本信息流 |
| 类型 | 实例 | 实例说明 |
|---|---|---|
| 传感流 | T→I I→I | 侦察节点发现敌方目标 侦察节点间相互交换敌情 |
| 通信流 | I→D | 侦察节点将敌情上传至指控节点 |
| 指控流 | D→D D→F F→T | 指控节点间交互指挥信息 指控节点将打击命令分发至打击节点 打击节点对敌目标进行打击 |
只有一对节点间存在信息交互时,可以用边e进行连接,e由节点对表示,如eID=(Ii,Dj),i,j=1,2,3,…,n。所有边形成的集合为E。
由于在实际作战过程中,受到战场环境的影响,实体间的信息交互充满不确定性,实体间的信息交互并不是完全、绝对高质量的,所以,要为复杂网络模型中的边进行赋权。
定义4:复杂网络模型中边的权重wij对应合成营装备组分系统实体之间信息交互的成功率、获取率等具有实际意义的数值Pij,且Pij∈[0,1](i,j=1,2,…,n),如火力打击节点F与目标节点T之间边的权重代表目标的毁伤概率。若两个节点之间有边相连,则wij=Pij;若不存在边,则wij=0。所有边的权重形成集合ω。
定义5:合成营装备体系的复杂网络模型可以用一个三元组表示:
G=(U,E,ω)
其中,U表示节点的集合,E表示边的集合,ω表示边的权重的集合。
复杂网络模型的表现和存储方式可以是邻接矩阵。A=[aij]为复杂网络G的邻接矩阵,矩阵元素aij表示相邻节点之间的边的权重。若节点i到节点j有边相连,则aij∈(0,1);若节点i到节点j无边相连,则aij=0[3]。
2.3 基于作战环的合成营装备体系对抗过程模型构建过程
基于作战环的合成营装备体系对抗过程模型构建过程可分为以下三步。
Step1:根据使命任务确定作战目标,再根据作战目标分析装备体系完成作战目标所需的作战能力,进一步分析支撑作战能力所需的装备体系构成,最后,对作战过程进行分析。
Step2:依据作战过程,根据装备体系实体的不同功能,按类抽象成复杂网络中的侦察类节点、指控类节点、攻击类节点和目标节点,并形成关于节点的集合U;分析作战过程中各装备之间的关联关系,将组分系统间的信息交互行为抽象为复杂网络中的边,并形成关于边的集合E。对边进行分析判断,明确边的物理意义,并将物理意义的数值抽象为边的权重,形成关于边权重的集合ω。
Step3:网络模型拓扑结构的构建。将集合U中的元素ui(i=1,2,…,n)分别列出,以集合E中的元素eij(i=1,2,…,n,j=1,2,…,n,i≠j)为准则,对ui和uj两两进行连接,构建网络模型拓扑结构。具体构建过程如图2 所示。
3 实例验证
本节以某重型合成旅遂行高寒边境通道作战任务为背景,对重型合成营装备体系进行复杂网络建模,在此基础上,对其装备体系网络化效能进行研究。
3.1 基本想定
假设敌装甲部队三个单位在我边境地区重要通道与我方重型合成营持续对峙。敌方三个单位信息全部被我方侦察力量感知,我方侦察力量将目标信息传至情报侦察席,情报侦察席融合信息形成态势图上传至作战指挥中心,作战指挥中心形成作战计划并分发至各指控单元。
3.2 重型合成营装备体系复杂网络建模
重型合成营装备体系是以信息网为依托,各组分系统按照一定关系耦合而成的装备体系,是典型的复杂网络。
Step1:根据使命任务确定作战目标:重型合成营遂行高寒边境通道作战任务,是为了遏制敌战略意图,有效打击敌目标。
根据作战目标确定作战能力:重型合成营在遂行通道作战任务中,需要具备侦察、打击、防护、保障、评估等能力。
根据作战能力确定装备体系构成:按照性能资源类进行划分,可以将重型合成营装备体系分为指挥信息系统、火力打击系统、情报侦察系统、综合保障系统、机动突击系统。
指挥控制系统是指挥员根据任务划分对体系内的各类装备系统、平台进行指挥和控制,主要包括各级指挥车。
火力打击系统是指按照任务划分,对敌目标进行火力打击的装备系统,主要包括迫榴炮、反坦克导弹等。
情报侦察系统是指对战场态势进行侦察,获取敌方信息的系统。情报侦察系统主要由装甲侦察车组成。
综合保障系统是指对装备进行维修、保养的装备平台组成的集合。
机动突击系统主要包括步兵战车和坦克。
重型合成营装备体系作战过程分析如图3 所示。
根据重型合成营装备体系使命任务,本文将重型合成营装备体系归纳为侦察感知、判断决策以及作战行动三个主要的阶段[8],如图3 所示。
侦察感知阶段:在该阶段,重型合成营装甲侦察车辆和侦察兵对战场情况进行探测和侦察,主要明确敌装备、人员数量、位置、作战意图以及工事情况。对侦察到的目标进行初步评估,并将情报信息上传至指挥中心的情报侦察席。
判断决策阶段:在该阶段,情报侦察席对上传情报信息进行汇总分析,形成战场态势图。指挥员对战场态势进行研判,遂定下决心并形成作战方案。
作战行动阶段:各分队按照任务展开部署,火力打击系统对敌目标进行打击。侦察分队对目标毁伤情况进行探测评估,将结果上传至指挥中心,由指挥中心分析判断是否继续对敌目标进行打击。
Step2:网络模型节点和边的抽取
在进行第二步前,应将重型合成营装备体系中具备不同功能的组成部分,按照作战环中节点的分类进行归类划分,形成基于作战环的重型合成营装备体系,为后续节点抽取做好铺垫。
节点的抽取:侦察类节点I共有3个:I1、I2、I3;由于重型合成营装备体系火力打击系统主要体现为压制火力和突击火力,所以,火力打击节点F由火力打击系统与机动突击系统共同组成,共有5个节点:F1、F2、F3、F4、F5;指挥控制节点D共有8个:指挥中心3个,分别为D0、D6、D7,以及各火力打击节点的指控节点D1、D2、D3、D4、D5。按照作战想定,敌方共有3个目标:T1、T2、T3。节点集合U=(I1,I2,I3,F1,F2,F3,F4,F5,D0,D6,D7,D1,D2,D3,D4,D5,T1,T2,T3)。
网络边的抽取:根据作战流程及作战任务划分,对装备体系实体之间的信息交互进行抽象。
1)指控流
F→T的边表示火力打击节点按照任务划分对敌方目标进行火力打击,共6条,可抽象为: 、 、 、 、 、 。
D→F的边表示各指控节点向各火力打击系统下达打击指令,共5条,可抽象为: 、 、 、 、 。
D→D的边表示指挥所内各席位指控信息交互,共3条,可抽象为: 、 、 。
2)通信流
I→D的边表示侦察节点将侦察情报上传至情报侦察席,共3条,可抽象为: 、 、 。
3)传感流
T→I的边表示侦察节点对敌目标集群进行侦察探测,共9条,可抽象为: 、 、 (i=1,2,3)。
I→I的边表示三个侦察节点之间进行侦察信息交互,共3条,可抽象为: 、 、 。
边的集合E=( , , , , , )。
4)边权重的抽象
F→T边的军事意义是火力打击系统毁伤敌方目标的概率。
$w_{F i T_{j}}=P_{F i T_{j}}=\frac{\text { 毁伤目标次数 }}{\text { 火力打击总次数 }}$
D→F边的军事意义是攻击指令传达的完整性概率。
$w_{D i F j}=P_{D i F j}=1-\frac{\text { 攻击指令传输误码次数 }}{\text { 攻击指令总传输次数 }}$
T→I边的军事意义是侦察装备对目标的识别率。
$w_{T i j j}=P_{T i i j}=1-\frac{\text { 错误侦察次数 }}{\text { 总侦察次数 }}$
I→D边的军事意义是情报信息传输的完整性概率。
$w_{I i D j}=P_{I i D j}=1-\frac{\text { 情报上传误码次数 }}{\text { 情报信息上传总次数 }}$
I→I边的军事意义是情报信息共享的准确概率。
$w_{\text {Iilj }}=P_{\text {Iilj }}=1-\frac{\text { 情报共享误码次数 }}{\text { 情报信息共享传输次数 }}$
D→D边的军事意义是指令信息传输的完整性概率。
$w_{D i D j}=P_{D i D j}=1-\frac{\text { 指令信息传输误码次数 }}{\text { 指令信息传输总次数 }}$
Step3:网络拓扑结构构建
以边集合E中节点对的关联关系为准则,节点集合U中的节点元素为对象,对集合U内有关联关系的节点对进行连接,进而构建出某时刻重型合成营装备体系对抗过程复杂网络模型。如图4 所示。
3.3 基于PFE值的重型合成营装备体系效能分析
根据复杂网络理论可知,装备体系效能通过邻接矩阵的PFE值计算后进行度量,具体公式如下:
λs=λPFE/N
其中,N表示网络中节点的个数;λPFE表示网络邻接矩阵的最大特征值;λs表示装备体系的效能,λs的数值越大,代表装备体系效能越强,反之则相反。
复杂网络模型中边权重Pij可以根据装备体系仿真试验中的历史数据进行赋值,结果如下:
=1; =1; =1; =0.8; =0.85; =0.85; =0.9; =0.95; =0.85; =0.85; =0.85; =0.85; =0.85; =0.85; =0.85; =0.85; =0.85; =0.85; =0.85; =0.8; =0.8; =0.75; =0.8; =1; =1; =1; =1; =1; =1; =0.7; =0.9; =0.85。
在基本想定情况下,重型合成营装备体系对抗过程复杂网络模型的邻接矩阵A1为
A1= 通过计算,矩阵A1的λPFE=2.868 8,根据式(8)可知,在基本想定情况下,该重型合成营装备体系作战效能λs=2.868 8/19=0.151 0。
对抗态势2:假设敌方侦察力量发现我营指挥车并引导火力进行打击,指挥车遭遇打击后部分通信功能受损,具体体现为火力打击席位通信功能下降,不能向坦克1连与装步1连发送攻击指令,且向坦克2连、装步2连与火力连发送火力打击指令的数量与质量急剧下降,情报侦察席接收侦察信息的能力下降。其网络模型如图5 所示。
对抗态势2中,由于营指挥车不能向坦克1连与装步1连发送攻击指令,所以,在态势2装备体系网络模型中,节点D7与节点D1、D4断开连接,且节点D1、D4分别与节点F1、F4断开连接,节点F1到T1,F4到T2、T3均断开连接;由于营指挥车与坦克2连、装步2连与火力连之间通信能力减弱,所以,节点D7与节点D2、D3、D5之间边的权重降低,令它们之间边的权重降为 =0.2, =0.25, =0.3;由于营级指挥车收集、接收情报信息能力减弱,所以,节点D6与节点I1、I2、I3之间边的权重降低,令它们之间边的权重降为 =0.3, =0.2, =0.3,其余边的连接状态及权重与基本态势下装备体系网络模型中保持一致,进而建立态势2装备体系网络模型邻接矩阵A2,通过计算,λPFE=2.857 6,根据式(8)可知,在对抗态势2中,该重型合成营装备体系作战效能λs=2.857 6/19=0.140 4。
事实上,合成营装备体系是在“网络中心战”背景下构建的,“网络中心战”概念认为,信息力是装备体系作战效能发挥的倍增器,通过实时信息共享,可以实现作战效能最大化[9]。因此,对比分析两种不同态势下合成营装备体系作战效能值可知:我营级指挥车遭遇打击,造成信息传输功能受损,导致整体信息传输能力变弱,从而使得合成营装备体系作战效能明显降低。
营级指挥车在对抗过程中发挥着“头脑”的作用,对于整个装备体系极为重要,是作战指挥的中心;同时,营级指挥车是战场信息收集、处理、传输的中心,是影响装备体系信息共享的关键节点。正是因为营级指挥车具有如此重要的地位,所以,也成为敌打击的主要目标,遭遇敌打击后由于其功能的丧失或损坏极有可能造成装备体系坍塌,从而失去战斗能力。
针对上述问题,美军提出“马赛克战”作战概念,致力于解决现有作战体系过于注重和依赖高性能、先进多功能平台的问题,将“大而全”的高性能平台转变为“小而散”的高科技、低成本平台[10],从而可以避免装备体系中关键节点遭遇打击造成体系坍塌的后果,该作战概念为未来装备体系发展与建设提供了新方向。
4 结束语
本文从装备体系涌现性效果产生机理入手,构建了装备体系对抗过程复杂网络模型,并从网络拓扑结构角度研究了装备体系效能,且通过实例验证了所提方法的有效性,最后,对评估结果进行分析,为合成营装备体系的建设与发展提出建议。