CN112417710B - 基于作战环的武器装备体系贡献度评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于作战环的武器装备体系贡献度评估方法，基于作战环理论，根据不同类别装备间的互联关系，从节点、边等层次建立武器装备体系作战网络模型，利用环与环间的交联反映武器装备体系作战网络的复杂性和涌现性，提出一种高效、合理的武器装备体系贡献度评估方法。本发明基于作战环理论建立武器装备体系作战网络模型，突出武器装备体系的涌现和演化特性，能够高效、合理地对武器装备体系贡献度进行评估，为武器装备的论证、研制和应用提供决策支持和理论依据。

Description

基于作战环的武器装备体系贡献度评估方法

技术领域

本发明涉及体系贡献度评估领域，具体涉及一种武器装备贡献度评估方法。

背景技术

随着现代战争形态逐渐向信息化战争转变，各型武器装备凭借信息资源进行协同配合，不再是单一作战力量或军兵种间的对抗，而是以体系对抗为主要形式展开作战行动。针对武器装备体系发展建设的需求，武器装备体系贡献度作为装备发展规划、装备体系建设的重要辅助决策依据，能够对国防军事决策问题提供数据分析支撑，对推动武器装备体系科学发展有着关键作用。

武器装备体系贡献度评估主要是通过度量武器装备对体系的增益效果来反映装备对体系的重要程度。目前，根据体系作战能力变化评估武器装备体系贡献度主要采用基于“分解-聚合”的评估方法和基于仿真的评估方法。

基于“分解-综合”的评估方法对影响体系的各项因素指标进行了详细的阐述与解释，并考虑了层次间或同层级间指标的关联关系，易于评估人员的理解与执行。但由于在分解至综合的聚合过程中，大多还是采用加权和或加权积的线性聚合方法，无法充分体现体系的涌现性。

基于仿真的评估方法能够通过模拟逼真的体系作战对抗环境以及采用实际的战术战法实现装备对体系的贡献度评估，但是仿真过程中更偏重于定量数据的展现，对于定性数据的表达还存在一定问题，并且仿真平台的开发难度较大。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于作战环的武器装备体系贡献度评估方法。本发明基于作战环理论，根据不同类别装备间的互联关系，从节点、边等层次建立武器装备体系作战网络模型，利用环与环间的交联反映武器装备体系作战网络的复杂性和涌现性，提出一种高效、合理的武器装备体系贡献度评估方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤一：对作战网络中的节点和边分别进行建模，构建基于作战环的武器装备体系作战网络模型；

(1)节点的建模；

根据武器装备体系中各作战实体执行作战任务时的功能作用，将作战实体抽象为目标节点、侦察节点、指挥决策节点和打击节点四类节点，建立作战网络的节点集合Q＝[T,S,D,I]，其中，

为目标节点集合，指为完成使命任务而需要实施攻击的敌方作战实体，n_T为目标节点的个数；

为侦察节点集合，指进行战场情报收集、为指挥决策节点提供信息支持的我方作战实体，n_S为侦察节点的个数；

为指挥决策节点集合，指能接收侦察节点传来的情报信息，进行分析决策并进行作战指挥的我方作战实体，n_D为指挥决策节点的个数；

为打击节点集合，指对敌方目标造成毁伤或严重干扰的武器装备，n_I为打击节点的个数；

(2)边的建模

建立作战网络节点集合之后，分析节点之间的关联关系，将节点之间的关系抽象为作战网络中的边，所有的边构成作战网络的边集合R＝[R_TS,R_SD,R_DI,R_IT,R_SS,R_DD]；

其中，R_TS＝{T_i→S_j},T_i∈T,i∈{1,2,…,n_T},S_j∈S,j∈{1,2,…,n_S}，表示侦察环节的集合，即侦察节点S_j对目标节点T_i进行侦察；

R_SD＝{S_j→D_m},S_j∈S,j∈{1,2,…,n_S},D_m∈D,m∈{1,2,…,n_D}，表示决策环节的集合，即侦察节点S_j向指挥决策节点D_m发送目标节点的信息；

R_DI＝{D_m→I_n},D_m∈D,m∈{1,2,…,n_D},I_n∈I,n∈{1,2,…,n_I}，表示指挥环节的集合，即指挥决策节点D_m向打击节点I_n发送作战命令；

R_IT＝{I_n→T_i},I_n∈I,n∈{1,2,…,n_I},T_i∈T,i∈{1,2,…,n_T}，表示打击环节的集合，即打击节点I_n对目标节点T_i进行打击；

R_SS＝{S_u→S_v},S_u,S_v∈S,u,v∈{1,2,…,n_S},u≠v，表示共享环节的集合，即侦察节点S_u、S_v之间进行信息共享；

R_DD＝{D_w→D_z},D_w,D_z∈D,w,z∈{1,2,…,n_D},w≠z，表示协同环节的集合，即指挥决策节点D_w、D_z之间进行协同指挥；

(3)作战网络模型构建

通过建立的作战网络的节点集合Q和边集合R，构建武器装备体系的作战网络模型：G＝(Q,R)，其中，Q＝[T,S,D,I]为作战网络的节点集合，R＝[R_TS,R_SD,R_DI,R_IT,R_SS,R_DD]为作战网络的边集合；

步骤二：建立作战网络的邻接矩阵，确定作战环数；

作战网络中有M个作战节点，建立邻接矩阵为：

其中：M＝n_T+n_S+n_D+n_I,1≤x,y≤M，根据邻接矩阵的幂运算可知，矩阵A^k的对角线元素

表示经过作战节点t且长度为k的作战环的数量，1≤t≤M；作战环必须包含目标节点，将作战节点t取为目标节点，从而排除同一个作战环被多次计算的情况，保证作战环数计算结果的可靠性；因此，作战环数计算公式为：

式中：N为作战环数；N_k为长度为k的作战环个数；t为目标节点；L为单个作战环最多能包含的节点个数，由于作战环中侦察节点、指挥决策节点、打击节点和目标节点至少各一个，故4≤k≤L；

步骤三：建立作战网络中各节点的能力指标体系，构建相应的能力指标模型并求解，得到各节点的作战能力值；

根据作战网络中各节点的功能作用，分析各节点具备的主要作战能力，并将各作战能力分解为相应的作战节点参数，构建各节点的能力指标体系，并用能力向量表示各节点所具有的能力指标；目标节点的能力向量为

其中，

为目标节点的能力指标，e为目标节点能力指标的个数；侦察节点的能力向量为

其中，

为侦察节点的能力指标，f为侦察节点能力指标的个数；指挥决策节点的能力向量为

其中，

为指挥决策节点的能力指标，g为指挥决策节点能力指标的个数；打击节点的能力向量为

其中，

为打击节点的能力指标，h为打击节点能力指标的个数；

建立能力指标体系之后，构建各节点作战能力的数学模型，并根据作战节点参数对作战能力模型进行求解，计算得到作战体系中各节点的作战能力值；

步骤四：利用能力需求满足度分析方法评估武器装备体系中各作战环的作战能力；

r为作战环q(1≤q≤N)的一条边，该边由p(1≤p≤e+f+g+h)种作战能力C₁,C₂,…,C_p支撑完成，不同的作战能力对该边的作用程度不同，作战能力C_l(1≤l≤p)的权重为ω_l，ω_l通过层次分析法确定，则边r的作战效果P(r)为：

式中：S(C_l)为能力需求满足度函数；

由于作战环是有向且闭合的，所以作战环中的每条边，都会对下一条边产生影响，并最终影响整个作战环的作战能力；定义作战环q的作战能力为：

E_q＝P_q(T→S)·P_q(S→D)·P_q(D→I)·P_q(I→T) (5)

式中：P_q(T→S)＝P_q(T_i→S_j),T_i∈T,S_j∈S，P_q(T→S)为作战环q的侦察效果，

P_q(T_i→S_j)为侦察环节T_i→S_j的作战效果；

P_q(S→D)＝1-(1-P_q(S_j→D_m))·Π(1-P_q(S_u→S_v)),S_j,S_u,S_v∈S,D_m∈D，P_q(S→D)

为作战环q的决策效果，P_q(S_j→D_m)为决策环节S_j→D_m的作战效果，P_q(S_u→S_v)为共享环节S_u→S_v的作战效果；

P_q(D→I)＝1-(1-P_q(D_m→I_n))·Π(1-P_q(D_w→D_z)),D_m,D_w,D_z∈D,I_n∈I，

P_q(D→I)为作战环q的指挥效果，P_q(D_m→I_n)为指挥环节D_m→I_n的作战效果，P_q(D_w→D_z)为协同环节D_w→D_z的作战效果；

P_q(I→T)＝P_q(I_n→T_i),T_i∈T,I_n∈I，P_q(I→T)为作战环q的打击效果，P_q(I_n→T_i)为打击环节I_n→T_i的作战效果；

步骤五：由作战网络中各作战环的作战能力，计算得到武器装备体系作战能力；

在作战网络中，同一个目标节点可能对应多个作战环；作战体系中的各作战节点在同一时刻只能对一个作战环的信息进行响应，故用所有作战环中作战能力的最大值来评估武器装备体系作战能力，体系作战能力表示为：

E＝max{E₁,E₂,…,E_N} (6)

式中：E为体系作战能力，E₁,E₂,…,E_N为作战网络中各作战环的作战能力；

步骤六：根据待评估武器装备加入体系前后的作战环数和体系作战能力，计算该武器装备的体系贡献度；

通过步骤一至步骤五，计算装备体系的作战环数N和体系作战能力E；将待评估武器装备μ从原装备体系中移除，得到新的作战网络，并重复步骤一至步骤五，求得新装备体系的作战环数N′和体系作战能力E′，则待评估武器装备μ的体系贡献度为：

式中：Y_μ表示待评估武器装备μ的体系贡献度；N′、N表示装备μ加入体系前后的作战环数；E′、E表示装备μ加入体系前后的体系作战能力；α和β表示作战环数和体系作战能力的权重，由层次分析法确定。

所述能力需求满足度S(C_l)是指给定某一使命任务，作战节点固有能力满足使命任务所需作战能力的程度；根据作战能力的特征，按照效益型和成本型两类能力指标分别计算；

(1)效益型能力指标的需求满足度为：

式中：C_l为作战节点的固有能力；

为能力C_l的需求值；

为能力C_l的最小阈值，

和

由专家打分法给出，对于效益型指标，

C_l越接近

越好；

(2)成本型能力指标的需求满足度为：

式中：C_l为作战节点的固有能力；

为能力C_l的需求值；

为能力C_l的最大阈值，

和

由专家打分法给出，对于成本型指标，

C_l越接近

越好。

所述能力需求满足度S(C_l)取值范围为[0,1]。

本发明的有益效果在于，基于作战环理论建立武器装备体系作战网络模型，突出武器装备体系的涌现和演化特性，能够高效、合理地对武器装备体系贡献度进行评估，为武器装备的论证、研制和应用提供决策支持和理论依据。

附图说明

图1是新型导弹打击大型水面舰艇作战体系的作战网络模型示意图。

图2是节点的能力指标体系示意图。

图3是移除新型导弹后的体系作战网络模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

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。

具体实施方式如下：

近年来，红方与蓝方因为领土争端产生不少冲突。红方为维护国家的权益，利用新型导弹对蓝方入侵的大型水面舰艇进行海上反击。作战流程为：天波超视距雷达、海洋监视卫星对可疑海域进行侦察，并通过通信卫星将大型水面舰艇的位置、速度、航向等信息传回地面指挥中心，地面指挥中心对以上两种探测方式所获得的探测信息进行信息融合。地面指挥中心根据当前战场态势、敌方目标信息等因素，制定作战方案，并将作战方案发送给在空中待命的轰炸机。轰炸机挂载新型导弹至目标区域，发射导弹对目标进行攻击。除了新型导弹以外，红方还可以采用弹道导弹和巡航导弹对蓝方大型水面舰艇进行打击。

步骤一：

将新型导弹打击大型水面舰艇作战体系中的作战实体抽象为4类作战节点，其中侦察节点集为S＝{天波超视距雷达S₁,海洋监视卫星S₂}；指挥决策节点集为D＝{地面指挥中心D₁}；打击节点集为I＝{新型导弹I₁,弹道导弹I₂,巡航导弹I₃}；目标节点集为T＝{大型水面舰艇T₁}。

分析作战节点之间的关联关系，将节点间的关系抽象为作战网络中的边，其中侦察环节的集合为：R_TS＝{T₁→S₁,T₁→S₂}；决策环节的集合为R_SD＝{S₁→D₁,S₂→D₁}；指挥环节的集合为R_DI＝{D₁→I₁,D₁→I₂,D₁→I₃}；打击环节的集合为R_IT＝{I₁→T₁,I₂→T₁,I₃→T₁}；共享环节的集合为R_SS＝{S₁→S₂}。

根据以上节点和边的建模，构建新型导弹打击大型水面舰艇作战体系的作战网络模型，如图1所示。

步骤二：

作战网络中共有7个节点，建立其邻接矩阵为：

计算邻接矩阵A的4次幂为：

将作战节点1取为目标节点，则根据A⁴的对角线元素

可知N₄＝6，即长度为4的作战环有6个。同理，计算A⁵，可得：

单个作战环最多包含5个节点，因此，该作战体系的作战环数为N＝N₄+N₅＝9。

步骤三：

构建作战体系中各节点的能力指标体系，如图2所示。

侦察节点的能力向量为

其中：

为目标探测能力，

为信息通信能力；

指挥决策节点的能力向量为

其中：

为信息融合能力，

为武器控制能力，

为辅助决策能力；

打击节点的能力向量为

其中：

为火力毁伤能力，

为精确打击能力，

为武器突防能力，

为导航精度能力，

为武器机动能力；

目标节点的能力向量为

其中：

为抗打击能力，

为反侦察能力。

对能力指标体系中的定性指标和定量指标分别进行建模并计算，得出各节点的作战能力值。

步骤四：

结合新型导弹打击大型水面舰艇的作战流程，综合考虑红方面临的战略威胁及作战需求，通过专家打分法给出作战能力需求值及阈值。根据各作战节点的固有能力值及能力需求值，利用能力需求满足度分析方法，评估该作战体系中各作战环的作战能力。评估结果如表1所示。

表1体系中各作战环的作战能力

步骤五：

根据表1的评估结果，由式(6)可得，新型导弹打击大型水面舰艇作战体系的作战能力为E＝max{E₁,E₂,…,E₉}＝0.552。

步骤六：

将待评估的新型导弹I₁从原作战体系中移除，得到新的作战网络，如图3所示，重复步骤一到步骤五，求得新作战体系的作战环数为N′＝6，体系作战能力为E′＝0.450。

根据原作战体系和新作战体系的作战环数及体系作战能力，通过层次分析法确定其权重为α＝0.4、β＝0.6，由式(7)，可得新型导弹I₁的体系贡献度为

Claims (3)

1.一种基于作战环的武器装备体系贡献度评估方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一：对作战网络中的节点和边分别进行建模，构建基于作战环的武器装备体系作战网络模型；

(1)节点的建模；

根据武器装备体系中各作战实体执行作战任务时的功能作用，将作战实体抽象为目标节点、侦察节点、指挥决策节点和打击节点四类节点，建立作战网络的节点集合Q＝[T,S,D,I]，其中，

为目标节点集合，指为完成使命任务而需要实施攻击的敌方作战实体，n_T为目标节点的个数；

为侦察节点集合，指进行战场情报收集、为指挥决策节点提供信息支持的我方作战实体，n_S为侦察节点的个数；

为指挥决策节点集合，指能接收侦察节点传来的情报信息，进行分析决策并进行作战指挥的我方作战实体，n_D为指挥决策节点的个数；

为打击节点集合，指对敌方目标造成毁伤或严重干扰的武器装备，n_I为打击节点的个数；

(2)边的建模

建立作战网络节点集合之后，分析节点之间的关联关系，将节点之间的关系抽象为作战网络中的边，所有的边构成作战网络的边集合R＝[R_TS,R_SD,R_DI,R_IT,R_SS,R_DD]；

其中，R_TS＝{T_i→S_j},T_i∈T,i∈{1,2,…,n_T},S_j∈S,j∈{1,2,…,n_S}，表示侦察环节的集合，即侦察节点S_j对目标节点T_i进行侦察；

R_SD＝{S_j→D_m},S_j∈S,j∈{1,2,…,n_S},D_m∈D,m∈{1,2,…,n_D}，表示决策环节的集合，即侦察节点S_j向指挥决策节点D_m发送目标节点的信息；

R_DI＝{D_m→I_n},D_m∈D,m∈{1,2,…,n_D},I_n∈I,n∈{1,2,…,n_I}，表示指挥环节的集合，即指挥决策节点D_m向打击节点I_n发送作战命令；

R_IT＝{I_n→T_i},I_n∈I,n∈{1,2,…,n_I},T_i∈T,i∈{1,2,…,n_T}，表示打击环节的集合，即打击节点I_n对目标节点T_i进行打击；

R_SS＝{S_u→S_v},S_u,S_v∈S,u,v∈{1,2,…,n_S},u≠v，表示共享环节的集合，即侦察节点S_u、S_v之间进行信息共享；

R_DD＝{D_w→D_z},D_w,D_z∈D,w,z∈{1,2,…,n_D},w≠z，表示协同环节的集合，即指挥决策节点D_w、D_z之间进行协同指挥；

(3)作战网络模型构建

通过建立的作战网络的节点集合Q和边集合R，构建武器装备体系的作战网络模型：G＝(Q,R)，其中，Q＝[T,S,D,I]为作战网络的节点集合，R＝[R_TS,R_SD,R_DI,R_IT,R_SS,R_DD]为作战网络的边集合；

步骤二：建立作战网络的邻接矩阵，确定作战环数；

作战网络中有M个作战节点，建立邻接矩阵为：

其中：M＝n_T+n_S+n_D+n_I,1≤x,y≤M，根据邻接矩阵的幂运算可知，矩阵A^k的对角线元素

表示经过作战节点t且长度为k的作战环的数量，1≤t≤M；作战环必须包含目标节点，将作战节点t取为目标节点，从而排除同一个作战环被多次计算的情况，保证作战环数计算结果的可靠性；因此，作战环数计算公式为：

式中：N为作战环数；N_k为长度为k的作战环个数；t为目标节点；L为单个作战环最多能包含的节点个数，由于作战环中侦察节点、指挥决策节点、打击节点和目标节点至少各一个，故4≤k≤L；

步骤三：建立作战网络中各节点的能力指标体系，构建相应的能力指标模型并求解，得到各节点的作战能力值；

根据作战网络中各节点的功能作用，分析各节点具备的主要作战能力，并将各作战能力分解为相应的作战节点参数，构建各节点的能力指标体系，并用能力向量表示各节点所具有的能力指标；目标节点的能力向量为

其中，

为目标节点的能力指标，e为目标节点能力指标的个数；侦察节点的能力向量为

其中，

为侦察节点的能力指标，f为侦察节点能力指标的个数；指挥决策节点的能力向量为

其中，

为指挥决策节点的能力指标，g为指挥决策节点能力指标的个数；打击节点的能力向量为

其中，

为打击节点的能力指标，h为打击节点能力指标的个数；

建立能力指标体系之后，构建各节点作战能力的数学模型，并根据作战节点参数对作战能力模型进行求解，计算得到作战体系中各节点的作战能力值；

步骤四：利用能力需求满足度分析方法评估武器装备体系中各作战环的作战能力；

r为作战环q(1≤q≤N)的一条边，该边由p(1≤p≤e+f+g+h)种作战能力C₁,C₂,…,C_p支撑完成，不同的作战能力对该边的作用程度不同，作战能力C_l(1≤l≤p)的权重为ω_l，ω_l通过层次分析法确定，则边r的作战效果P(r)为：

式中：S(C_l)为能力需求满足度函数；

定义作战环q的作战能力为：

E_q＝P_q(T→S)·P_q(S→D)·P_q(D→I)·P_q(I→T) (5)

式中：P_q(T→S)＝P_q(T_i→S_j),T_i∈T,S_j∈S，P_q(T→S)为作战环q的侦察效果，P_q(T_i→S_j)为侦察环节T_i→S_j的作战效果；

P_q(S→D)＝1-(1-P_q(S_j→D_m))·Π(1-P_q(S_u→S_v)),S_j,S_u,S_v∈S,D_m∈D，P_q(S→D)为作战环q的决策效果，P_q(S_j→D_m)为决策环节S_j→D_m的作战效果，P_q(S_u→S_v)为共享环节S_u→S_v的作战效果；

P_q(D→I)＝1-(1-P_q(D_m→I_n))·Π(1-P_q(D_w→D_z)),D_m,D_w,D_z∈D,I_n∈I，P_q(D→I)为作战环q的指挥效果，P_q(D_m→I_n)为指挥环节D_m→I_n的作战效果，P_q(D_w→D_z)为协同环节D_w→D_z的作战效果；

P_q(I→T)＝P_q(I_n→T_i),T_i∈T,I_n∈I，P_q(I→T)为作战环q的打击效果，P_q(I_n→T_i)为打击环节I_n→T_i的作战效果；

步骤五：由作战网络中各作战环的作战能力，计算得到武器装备体系作战能力；

在作战网络中，同一个目标节点可能对应多个作战环；作战体系中的各作战节点在同一时刻只能对一个作战环的信息进行响应，故用所有作战环中作战能力的最大值来评估武器装备体系作战能力，体系作战能力表示为：

E＝max{E₁,E₂,…,E_N} (6)

式中：E为体系作战能力，E₁,E₂,…,E_N为作战网络中各作战环的作战能力；

步骤六：根据待评估武器装备加入体系前后的作战环数和体系作战能力，计算该武器装备的体系贡献度；

通过步骤一至步骤五，计算装备体系的作战环数N和体系作战能力E；将待评估武器装备μ从原装备体系中移除，得到新的作战网络，并重复步骤一至步骤五，求得新装备体系的作战环数N′和体系作战能力E′，则待评估武器装备μ的体系贡献度为：

式中：Y_μ表示待评估武器装备μ的体系贡献度；N′、N表示装备μ加入体系前后的作战环数；E′、E表示装备μ加入体系前后的体系作战能力；α和β表示作战环数和体系作战能力的权重，由层次分析法确定。

2.根据权利要求1所述的基于作战环的武器装备体系贡献度评估方法，其特征在于：

所述能力需求满足度S(C_l)指给定某一使命任务，作战节点固有能力满足使命任务所需作战能力的程度；根据作战能力的特征，按照效益型和成本型两类能力指标分别计算；

(1)效益型能力指标的需求满足度为：

式中：C_l为作战节点的固有能力；

为能力C_l的需求值；

为能力C_l的最小阈值，

和

由专家打分法给出，对于效益型指标，

(2)成本型能力指标的需求满足度为：

式中：C_l为作战节点的固有能力；

为能力C_l的需求值；

为能力C_l的最大阈值，

和

由专家打分法给出，对于成本型指标，

3.根据权利要求1所述的基于作战环的武器装备体系贡献度评估方法，其特征在于：

所述能力需求满足度S(C_l)取值范围为[0,1]。

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