CN105306248A - 基于作战环的武器装备体系作战网络作战效能评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于作战环的武器装备体系作战网络作战效能评估方法，它涉及一种作战效能评估方法，具体涉及评估效果较好的一种基于作战环的武器装备体系作战网络作战效能谱度量评估方法。它包括以下步骤：步骤一为基于作战环的思想构建武器装备体系作战网络模型；步骤二为以作战网络模型为基础提出作战效能谱度量评估指标。本发明有益效果为：通过将基于作战环的谱度量指标与PFE/N（一种经典的作战网络作战效能评价指标）进行对比，结果显示基于作战环的谱度量指标在作战网络作战效能评估方面表现更好。

Description

基于作战环的武器装备体系作战网络作战效能评估方法

技术领域：

本发明涉及一种作战效能评估方法，具体涉及基于作战环的武器装备体系作战网络作战效能评估方法。

背景技术：

随着科技的发展和作战理论的进步，武器装备变得越来越复杂，装备间配合越来越紧密。网络中心战作为一种新的理念得到发展与推广，已变成信息化条件下描述与组织战争最佳的方式。将来的战争已变成体系间的对抗。

武器装备体系是在国家安全战略和军事战略指导下，按照建设信息化军队的总体需求，适应一体化联合作战的特点规律，为发挥最佳的整体作战效能，而由功能上相互联系、性能上相互补充的各种武器装备系统，按照一定的体系结构综合集成的更高层次的武器装备系统。武器装备体系作战网络是包含我方装备与敌方目标的复杂网络。武器装备体系作战网络作战效能高低直接影响战争胜负。因此，找到一种合理的作战效能评估方法变得十分重要。

关于武器装备体系作战效能的研究已有很多，也提出了许多评估指标，例如最短路径、网络度分布、网络集聚系数、介数、中心度等等。然而，所有的这些指标只是部分评估了网络的效能时间，复杂度较高。作战网络邻接矩阵的一些特征值具有特殊的物理意义与结构特性，这些特征值可以用来评估网络作战效能。例如，在2004年，JefferyR.Cares建立了信息时代交战模型，并且利用作战网络邻接矩阵的Perron-Frobenius特征值与节点数目的比值(PFE/N)作为评价作战网络作战效能的指标。作战网络拉普拉斯矩阵次小特征值与作战网络谱半径也是比较有代表性的度量值。然而，现有的谱分析度量指标对于作战网络的结构变化不敏感。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种设计合理的基于作战环的武器装备体系作战网络作战效能评估方法，它的谱度量指标在体系作战网络作战效能评估方面表现更好。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明采用的技术方案为：它包括以下步骤：

步骤一、基于作战环的思想构建武器装备体系作战网络模型：

(1)获取在一次实战模拟演习中红蓝双方作战力量信息；

(2)根据作战力量在战场上扮演不同角色将作战力量进行分类，其中红蓝双方内部力量分为侦察(S)、决策(D)、影响(I)三类，红蓝双方作战力量互为对方打击目标(T)；

(3)获取实战模拟演习中红蓝双方作战力量交互信息；

(4)将作战力量抽象为点，作战力量交互信息抽象为边，分别构建红蓝双方作战网络；

(5)对武器装备体系作战网络进行数学描述。

其中，侦察实体(S)是战场上遂行侦察、监视及早期预警任务的装备实体，如侦察卫星，雷达预警机等等；决策实体(D)是战场上遂行指挥控制任务的装备实体，如C4ISR、航空信息中心、控制中心等等；影响实体(I)是战场上遂行火力打击电磁干扰任务的装备实体，例如歼击机、驱逐舰、电磁干扰雷达等等；敌方目标(T)是敌方基础设施，如机场、敌方的武器装备舰船、敌机等。

作战环定义为为了完成特定的作战任务，武器装备体系中的侦察类、决策类、攻击类等武器装备实体与敌方目标实体构成的闭合回路。

步骤一中(5)，武器装备体系作战网路可以被抽象为一个复杂网络，表示为G＝(V,E)。其中V＝S|D|I|T＝{v₁,v₂,v₃,...,v_n}代表了所有的装备节点，E＝{e₁,e₂,e₃,...,e_m}表示所有的边。集合S＝{v^s ₁,v^s ₂,v^s ₃,...,v^s _k}表示了所有的侦察类节点，集合D＝{v^d ₁,v^d ₂,v^d ₃,...,v^d _l}表示了所有决策类节点，集合I＝{vⁱ ₁,vⁱ ₂,vⁱ ₃,...,vⁱ _p}表示了所有影响类节点，集合T＝{v^t ₁,v^t ₂,v^t ₃,...,v^t _q}表示了所有敌方目标节点。

步骤二、以作战网络模型为基础提出作战效能谱度量评估指标：

在武器装备体系作战网络G＝(V,E)中，节点与边的交替序列w＝v₀e₁v₁e₂...e_kv_k称为一个路径，其中v_i∈V,e_i＝＜v_i-1,v_i＞∈E，k为路经w的长度。如果在路径w＝＜v₀,v₁,...,v_k＞中，若v₀＝v_k，则w称为闭合回路。根据作战环的理念可知，一个作战环是一个闭合回路。A(G)＝(a_ij)_N×N为武器装备体系作战网络G的邻接矩阵，其中a_ij＝0or1，a_ij＝1意味着在e_i与e_j间存在一条有向边，反之则没有。易知A(G)是一个实矩阵，λ_1,λ_2,...λ_i为该矩阵的特征值。集合{λ_1,λ_2,...λ_i}成为作战网络的G的图谱。

在作战环中，目标实体可以看作是路径的起点与终点。作战环的效能代表了我方装备联合打击摧毁敌方目标的能力。一般来讲，在一个复杂的作战网络中，作战环的数量越多、性能(含可靠性和抗毁性)越高，环的节点和边越少(环的长度越短，如察打一体的无人机)，作战效果越好。因此，可以通过评价邻接矩阵A(G)中作战环的数量和性能的方式来评价体系的作战能力。当网络中包含的节点数目庞大、连接关系复杂时，精确计算作战环的数目、长度将导致计算量非常大。为了方便快捷地综合计算网络中作战环的数量、长度，基于此，我们基于图谱提出一个指标用于衡量作战网络作战效能，具体的证明和计算过程如下：

(1)计算起点和终点均为节点v_i，长度为k的作战环数目矩阵A^k中的每一个元素表示对应的网络中节点v_i到节点v_j的长度为k的途径的数目，则对角线元素为经过节点v_i的长度为k的闭途径数目，知

(2)计算长度为k的作战环数目之和n_k，

$n_k={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{n}_i^{\left(k\right)}=trace\left(A^k\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{{\mathrm{\λ}}_i}^k.;$

(3)计算加权作战环数目之和，在计算作战环的数量时，应考虑对环的长度进行加权，即越长的环，所赋权重越小，以降低较长的作战环对作战效果的影响。定义为加权作战环数目之和。权重保证了S不会发散。则

$S=\underset{k=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{n_k}{k!}=\underset{k=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{{{\mathrm{\λ}}_i}^k}{k!}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{k=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{{{\mathrm{\λ}}_i}^k}{k!}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{e}^{{\mathrm{\λ}}_i}.;$

(4)建立作战效能谱度量评估指标模型，当N很大时，S会变的特别庞大，因此我们对S重新标度：S′＝ln(S)，称S′为作战效能谱度量评估指标。

本发明有益效果为：该谱度量指标具有明确的物理意义和简单的数学表达。物理上，它描述了所有的加权作战环的数目；数学上，它衍生于图谱特征值。通过将基于作战环的谱度量指标与PFE/N(一种经典的作战网络作战效能评价指标)进行对比，结果显示基于作战环的谱度量指标在作战网络作战效能评估方面表现更好。

附图说明：

图1是本发明的作战环示意图；

图2是一个由众多作战环构成的作战网络；

图3是作战网络作战效能评估值随武器装备体系作战网边摧毁数量增加变化情况；

图4是作战网络作战效能评估值随武器装备体系作战节点摧毁数目增加的变化情况。

附图标记说明：图1中的(a)表示标准作战环、(b)表示一个包含几个侦察实体与决策实体的广义作战环、(c)表示一个由作战环构成的简单武器装备体系作战网络，图3中的(a)为基于作战环的作战效能谱度量、(b)为PFE/N，摧毁边为100条，图4中的(a)为基于作战环的作战效能谱度量、(b)为PFE/N，摧毁节点数目为20。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明的作战环示意图，图2是一个由众多作战环构成的作战网络，为了验证本文所提指标在评估武器装备体系作战网络作战效能上的可行性与有效性，我们设计了两个场景：边减少场景与点减少场景。随后我们将该指标的评估效果与PFE/N(一种经典的作战网络作战效能评估方法，为作战网络邻接矩阵Perron-Frobenius特征值与作战网络节点的比值)评估效果做了比较。

具体实施方式一：

边减少场景：

为了说明不同边类型对武器装备作战网络作战效能的影响，我们考虑边减少场景。读取在一次实战模拟演习中红蓝双方作战力量信息及红蓝双方作战力量交互信息，构建作战网络模型。该作战网络共拥有100侦察节点，50决策节点，200影响节点，20敌方目标。本文考虑六中边减少策略：(i)减少边T→S；(ii)减少边S→D；(iii)减少边S→S；(iv)减少边D→I；(v)减少边D→D；(vi)减少边I→T，每种策略摧毁边的数目为100条。

正如图3中展示的，随着武器装备体系作战网络总摧毁边数目的增多，作战环效能评估值与PFE/N评估值都在减少。对于不同策略作战效能下降速度为T→S边减少>S→S边减少>I→T边减少>D→D边减少>S→D边减少>D→I边减少，这与我们直觉相符。从结果上看，作战网络节点间连接边的摧毁对于作战网络作战效能影响较大，其中T→S在所有类型边中最为重要。这是因为T→S表示我方侦察装备对敌方目标的侦察获取。众所周知，在现代战争中敌方目标信息的侦察获取能力的高低直接影响到战争结果。

具体实施方式二：

点减少场景：

为了说明不同节点类型对武器装备作战网络作战效能的影响，我们考虑边减少场景。读取在一次实战模拟演习中红蓝双方作战力量信息及红蓝双方作战力量交互信息，构建作战网络模型。该作战网络共拥有100侦察节点，50决策节点，200影响节点，20敌方目标。本文考虑三种点减少策略：(i)减少侦察节点S；(ii)减少决策节点D；(iii)减少影响类节点，每种策略摧毁节点数目为20个。

图4(a)中展示了武器装备体系作战网络作战环效能评估值随不同节点减少变化情况，可以发现作战网络作战效能值随着节点减少而减少，并且对于不同类型作战单元的减少，作战效能区分较为明显，其中侦察节点摧毁对作战效能影响最大，影响节点摧毁对作战效能的影响较小。图4(b)展示了武器装备体系作战网络PFE/N评估值随不同节点减少变化情况，可以发现随着影响类节点的摧毁作战网络作战效能值有递增的趋势，这跟我们的直觉感知是违背的。因此PFE/N在作战网络节点变化情况下不适合用于作战效能的评估。

综上，本文提出的作战环评估指标在评估作战网络作战效能方面更为有效。

本具体实施方式的基于作战环的武器装备体系作战网络作战效能谱度量指标，具有明确的物理意义和简单的数学表达。物理上，它描述了所有的加权作战环的数目；数学上，它衍生于图谱特征值。通过将基于作战环的谱度量指标与PFE/N(一种经典的作战网络作战效能评价指标)进行对比，结果显示，基于作战环的谱度量指标在作战网络作战效能评估方面表现更好。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.基于作战环的武器装备体系作战网络作战效能评估方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、基于作战环的思想构建武器装备体系作战网络模型：

（1）获取在一次实战模拟演习中红蓝双方作战力量信息；

（2）根据作战力量在战场上扮演不同角色将作战力量进行分类，其中红蓝双方内部力量分为侦察（S）、决策（D）、影响（I）三类，红蓝双方作战力量互为对方打击目标（T）；

（3）获取实战模拟演习中红蓝双方作战力量交互信息；

（4）将作战力量抽象为点，作战力量交互信息抽象为边，分别构建红蓝双方作战网络；

（5）对武器装备体系作战网络进行数学描述，一个作战网络可以表示为，其中代表了所有的装备节点，表示所有的边，集合表示了所有的侦察类节点，集合表示了所有决策类节点，集合表示了所有影响类节点，集合表示了所有敌方目标节点；

步骤二、以作战网络模型为基础提出作战效能谱度量评估指标：

（1）作战环定义，作战环定义为为了完成特定的作战任务，武器装备体系中的侦察类、决策类、攻击类等武器装备实体与敌方目标实体构成的闭合回路；

（2）在武器装备体系作战网络中，节点与边的交替序列称为一个路径，其中，k为路经的长度，如果在路径中，若，则称为闭合回路，根据作战环的理念可知，一个作战环是一个闭合回路，为武器装备体系作战网络的邻接矩阵，其中，意味着在与间存在一条有向边，反之则没有，易知是一个实矩阵，为该矩阵的特征值，集合成为作战网络的的图谱；

（3）计算起点和终点均为节点，长度为的作战环数目，矩阵中的每一个元素表示对应的网络中节点到节点的长度为的途径的数目，则对角线元素为经过节点的长度为k的闭途径数目，知；

（4）计算长度为k的作战环数目之和，

；

（5）计算加权作战环数目之和，在计算作战环的数量时，应考虑对环的长度进行加权，即越长的环，所赋权重越小，以降低较长的作战环对作战效果的影响，定义为加权作战环数目之和，权重保证了不会发散，则

；

（6）建立作战效能谱度量评估指标模型，当N很大时，S会变的特别庞大，因此我们对S重新标度：，称为作战效能谱度量评估指标。