張 帆
(北京理工大學(xué),北京 100081)
隨著計算機技術(shù)、通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等新興技術(shù)的迅猛發(fā)展,使得傳統(tǒng)的戰(zhàn)爭形態(tài)、軍事思想和軍隊建設(shè)發(fā)生了重要而深遠的變化。為了掌握更精確的戰(zhàn)場信息、縮短火控系統(tǒng)的反應(yīng)時間,對網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)的研究越來越受到人們的關(guān)注[1-2]。目前傳統(tǒng)的功能集中的火控體系結(jié)構(gòu)因受多種因素影響不再適應(yīng)新形勢下的作戰(zhàn)要求[3]。信息化、精確化的火力正取代傳統(tǒng)的火力;精確、高效和單發(fā)運用火力的方式正取代傳統(tǒng)的密集火力。現(xiàn)代戰(zhàn)爭中強火力不再簡單地指火力密度和速度,而更是指火力的及時性、精確性和高效性。這種變化使精確作戰(zhàn)在戰(zhàn)爭中出現(xiàn),是一種建立在“信息”與“火力”融合基礎(chǔ)上的作戰(zhàn)方式,是以信息技術(shù)、精確技術(shù)為核心的打擊系統(tǒng)間的對抗[4-5]。因此,為最大程度發(fā)揮系統(tǒng)中各作戰(zhàn)單元的總體作戰(zhàn)效能,需要利用開放式的體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的理論與方法來構(gòu)建新的火控系統(tǒng),使得原來單一的火控體系轉(zhuǎn)變?yōu)橹笓]控制與火力控制一體化的網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng),提升未來武器系統(tǒng)火控系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力、可靠性、可維護性和戰(zhàn)場生存能力,為作戰(zhàn)指揮體制的改革提供必要的技術(shù)條件。
網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)指在既定體系結(jié)構(gòu)下通過網(wǎng)絡(luò)連接分布在某一地域內(nèi)多數(shù)量多種類的火力控制系統(tǒng),構(gòu)成一個具有模塊結(jié)構(gòu)、實時傳遞精確目標航路數(shù)據(jù)和作戰(zhàn)指揮命令的網(wǎng)絡(luò),以實現(xiàn)各作戰(zhàn)單元之間互連互通[2]。網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)特別強調(diào)對所有生產(chǎn)廠家與用戶具有相同的公平、公示、公用的入網(wǎng)條件,所以又可稱為開放式火控系統(tǒng)[6]。
傳統(tǒng)的火控系統(tǒng)都是基于樹狀指揮控制層次的,如果探測器被擊毀,則整個火控單元將失去作戰(zhàn)能力,如果指揮系統(tǒng)被摧毀,則其所管轄的各火控單元則轉(zhuǎn)入單獨作戰(zhàn)模式,不可避免地出現(xiàn)重復(fù)射擊或漏射擊的情況。面對外敵目標來襲,由于火控探測器搜索范圍有限,在沒有預(yù)警信息引導(dǎo)的情況下,依靠自身探測器很難及時發(fā)現(xiàn)目標,從而導(dǎo)致火力系統(tǒng)殺傷區(qū)域縮小甚至錯過最佳打擊時機。在網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)條件下,傳統(tǒng)的指揮控制結(jié)構(gòu)限制了作戰(zhàn)單元之間的信息交互,難以適應(yīng)復(fù)雜多變的作戰(zhàn)環(huán)境,影響了系統(tǒng)整體作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。
網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)具有以下特征,可以克服以上缺陷,適應(yīng)復(fù)雜多變的作戰(zhàn)環(huán)境,實現(xiàn)對敵的精確有效打擊。1)以計算機網(wǎng)絡(luò)為中心,通過通訊技術(shù)使得在地理上分散的多個作戰(zhàn)單元無縫地連接起來形成一體化傳輸網(wǎng)絡(luò),提供任意節(jié)點之間的信息互通能力,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對作戰(zhàn)空間的廣域覆蓋;2)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間信息傳遞經(jīng)過的層次要盡可能少,各個節(jié)點能夠?qū)λ枰男畔①Y源進行訪問和使用。同時各個節(jié)點能夠面向任務(wù),在完成自身能力要求的基礎(chǔ)上,配合完成信息感知、信息收集、信息處理、作戰(zhàn)組織、指揮決策、戰(zhàn)場監(jiān)視和作戰(zhàn)評估等活動。而信息傳遞層次的減少可有效提高信息流的運行速度,從體系上實現(xiàn)了作戰(zhàn)信息流程的優(yōu)化;3)各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以針對特定的應(yīng)用需求,在標準的網(wǎng)絡(luò)接口和靈活的集成機制支持下,動態(tài)地按照需求組合成不同規(guī)模的作戰(zhàn)系統(tǒng)。在防空網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)中,要求網(wǎng)絡(luò)的指揮控制中心具有一定的可變性和分散性,各節(jié)點可以根據(jù)作戰(zhàn)需求靈活改變節(jié)點間的隸屬關(guān)系,可以根據(jù)作戰(zhàn)進程組成不同形式的防空部署樣式;4)信息基礎(chǔ)設(shè)施對接入的任何一類單元,能夠自動完成配置(包括:指揮關(guān)系、信息處理關(guān)系、信息交互關(guān)系等),各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以根據(jù)作戰(zhàn)需求隨時地加入或退出系統(tǒng);5)當網(wǎng)絡(luò)內(nèi)某些單元被摧毀或干擾時,系統(tǒng)能夠快速、及時地進行體系結(jié)構(gòu)重組、恢復(fù)工作。
網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)主要由火控網(wǎng)中心和入網(wǎng)的火控系統(tǒng)以及火力系統(tǒng)組成。目前的網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,應(yīng)用和研究比較廣泛的是分布式網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),其優(yōu)點在于可以大間隔配置火力單元和探測單元,進而提高生存能力。分布式網(wǎng)絡(luò)火控系統(tǒng)可將友鄰單元和各個指揮所通過有線或者無線的方式連接成一個網(wǎng)絡(luò),每個單元都可以與火控網(wǎng)指揮節(jié)點及友鄰作戰(zhàn)節(jié)點進行信息交流,將本單元得到的目標信息與網(wǎng)絡(luò)上傳出的目標信息進行融合,極大地擴展了探測和跟蹤范圍,提高了對敵目標的探測精度,能夠更好地應(yīng)對突防目標的來襲[7-8]。分布式網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為分層分布式網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和完全分布式網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中分層式網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示[2]。
依據(jù)各系統(tǒng)模塊單元之間能夠靈活擴展、相互配合的原則,某一確定范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)可由一個火控網(wǎng)中心單元和多個作戰(zhàn)單元構(gòu)成。同時,網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)是一個開放式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小可根據(jù)戰(zhàn)場實際情況進行設(shè)置。同一確定范圍內(nèi)的作戰(zhàn)單元之間可以直接通信,而不同范圍內(nèi)的作戰(zhàn)單元可以借助火控網(wǎng)中心完成通信,實現(xiàn)所有作戰(zhàn)單元的相互配合。
這種分層分布式的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),突出優(yōu)勢明顯。與完全分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比,其不僅指揮層次明確,也大大減少系統(tǒng)開銷,并且能夠合理控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通訊流量,當區(qū)域子網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸量較大時,各子網(wǎng)間可以互不干擾地進行通訊,系統(tǒng)吞吐量高;比集中式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強了同級單元節(jié)點間互聯(lián),系統(tǒng)協(xié)調(diào)能力加強,通信鏈路可以自由靈活選擇,并且不易被監(jiān)聽破壞,符合現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的標準[2]。
網(wǎng)絡(luò)化火控作戰(zhàn)系統(tǒng)采用的是多平臺協(xié)同作戰(zhàn)方式,是在傳統(tǒng)火控作戰(zhàn)流程目標搜索探測、目標跟蹤、火控解算和武器發(fā)射控制基礎(chǔ)上,增加多平臺信息融合和目標威脅評估、多平臺協(xié)同打擊方案規(guī)劃構(gòu)成的。作戰(zhàn)流程中的各項功能可由一個武器平臺完成,也可由不同武器平臺完成,其中目標探測信息由多個武器平臺共同完成,并形成統(tǒng)一的戰(zhàn)斗態(tài)勢。網(wǎng)絡(luò)化火控作戰(zhàn)流程如圖2所示[8]。
目前,由于技術(shù)條件、人力物力資源等的限制,依靠有限的實戰(zhàn)演習(xí),難以對如此復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)的合理性、有效性、穩(wěn)定性、高精度性以及相關(guān)器件、兵力部署等算法作出綜合的評判。但隨著計算機技術(shù)和仿真技術(shù)的飛速發(fā)展和成熟,利用仿真技術(shù)建立高逼真的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境來進行作戰(zhàn)任務(wù)的仿真研究,可以大大降低成本,減少人力和物力的消耗[9]。
網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)自誕生以來,已經(jīng)得到了長足發(fā)展。文獻[8,10]中,給出了陸戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)的功能定位,描述了陸戰(zhàn)武器網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)發(fā)展的新思路。文獻[11]對末端防御武器火控系統(tǒng)面臨的問題及發(fā)展方向進行了分析,為提高陸軍一體化作戰(zhàn)協(xié)同能力提供了參考。文獻[12]針對現(xiàn)行分布式防空武器的火控系統(tǒng)不能滿足網(wǎng)絡(luò)化要求的缺陷,提出了基于公用網(wǎng)的營級網(wǎng)絡(luò)火控平臺構(gòu)建技術(shù)。文獻[13]中根據(jù)艦載火控系統(tǒng)的特點采用先進的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù),實現(xiàn)了多級分布式實時火控網(wǎng)絡(luò)開發(fā)環(huán)境研究。文獻[14]提出了基于UML和HLA的艦載網(wǎng)絡(luò)化防空火控系統(tǒng)設(shè)計。為了充分利用戰(zhàn)場資源,在限定時間內(nèi),最大化摧毀敵對目標,文獻[15]提出了動態(tài)部署的混合優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)火控系統(tǒng)。為了驗證理論技術(shù)的可行性,文獻[16]提出了基于組件技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)仿真研究。網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)的效能好壞直接影響多平臺協(xié)同作戰(zhàn)的威力,文獻[17]基于信息流對網(wǎng)絡(luò)化防空火控系統(tǒng)的效能進行了評估。文獻[18]通過對C4KISR系統(tǒng)的發(fā)展回顧,對網(wǎng)絡(luò)化、信息化條件下的火力控制系統(tǒng)進行了發(fā)展分析,提出了新一代火力控制系統(tǒng)研發(fā)的新思路。
人們對網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)優(yōu)化控制的研究也一直在繼續(xù),并且取得一定進展。文獻[19-20]將網(wǎng)絡(luò)化控制簡化為帶時延的隨機過程來研究,利用不同的算法設(shè)計控制器,實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化最優(yōu)控制。文獻[21]假定系統(tǒng)是單輸入單輸出的,并且控制器與被控系統(tǒng)之間通信只受信噪比限制的條件下,最小化跟蹤誤差,研究了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制。文獻[22]從控制理論的角度研究了網(wǎng)絡(luò)擁塞問題,把擁塞和網(wǎng)絡(luò)帶寬分別作為狀態(tài)變量和控制變量,建立了擁塞和帶寬之間的線性時不變模型,研究了網(wǎng)絡(luò)擁塞優(yōu)化問題。文獻[23]從帶寬優(yōu)化配置、周期協(xié)調(diào)化和非周期數(shù)據(jù)調(diào)度等方面研究了分布式網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)優(yōu)化協(xié)同設(shè)計。
網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的發(fā)展雖然取得很大進展。但由于網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的大型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)。不僅具有一般復(fù)雜控制系統(tǒng)所具有的高維、強耦合、非線性、時變、多層次性、隨機性、不確定性、不完全性、多模式、多約束、多目標等復(fù)雜性,還具有兩個特殊的復(fù)雜性:1)地理分散,因而有分散信息反饋、分布信息融合、分布式計算與處理、分布式計算與處理、分散控制與管理等問題;2)通訊問題,包括通訊傳輸?shù)难舆t和突發(fā)性、數(shù)據(jù)包的丟失、路由器或通訊鏈路的故障、信息產(chǎn)生的隨機性、網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)的不確定性、網(wǎng)絡(luò)全局知識的不完整性等問題[24-25]。網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)的優(yōu)化控制,需要綜合考慮上述各方面因素,將變得十分復(fù)雜。但實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)的優(yōu)化控制,將會使網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)效能最大化。因此,在網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)發(fā)展日趨成熟的同時,加強對網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)優(yōu)化控制的研究就顯得尤為重要。
新時代的戰(zhàn)爭中,“有人/無人平臺協(xié)同正在成為現(xiàn)代作戰(zhàn)的主要模式”,歐美等國家都在為應(yīng)對未來智能化機器人戰(zhàn)爭積極準備[26]。
網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)的智能化發(fā)展勢在必行,研究和開發(fā)具有自主識別與攔截、自主跟蹤目標和自主精準打擊等功能的網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)已成為重中之重,能夠適應(yīng)無人作戰(zhàn)平臺的自主網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)發(fā)展的最終目標,需要不斷朝著智能化方向研究和發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)。
本文采用模糊層次分析法對網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)效能進行評估。
網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)完成特定的使命任務(wù)是通過各隸屬子系統(tǒng)緊密協(xié)作共同完成的一系列特定的工作來實現(xiàn)的,在整個系統(tǒng)工作流程中,這些功能又通過多個效能指標來體現(xiàn),將這些功能以及相對應(yīng)的性能指標按照一定標準的組成層次結(jié)構(gòu),就構(gòu)成了系統(tǒng)完成特定任務(wù)使命的效能評估指標體系。因此,網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)的效能評估指標體系應(yīng)該具有一般信息系統(tǒng)的信息流層次結(jié)構(gòu)。
因此,基于網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)獲取信息優(yōu)勢的特點,充分考慮信息在網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)中所起的關(guān)鍵作用,可從信息獲取、信息處理、信息利用、信息保障的角度,構(gòu)建如圖3所示的面向信息的系統(tǒng)評估指標體系,實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)及其子系統(tǒng)模塊的效能和指標的評估與分析[27]。
系統(tǒng)評估數(shù)據(jù)處理是對系統(tǒng)進行客觀評價的重要環(huán)節(jié)。指標值可分為兩種情況,一種是有系統(tǒng)物理特性直接決定的,比如誤碼率等。另一種是定性指標,如安全保密性等,只能由專家評分確定。通過基于HLA的網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)仿真平臺運行得出的數(shù)據(jù)映射出圖3中系統(tǒng)評估體系的指標值如表1所示,系統(tǒng)仿真中選取自動+人工優(yōu)化方案數(shù)據(jù)信息,均為仿真系統(tǒng)模擬運行結(jié)果。
表1 系統(tǒng)評估體系的指標值
指標體系值確定之后,需要確定各指標權(quán)重。指標權(quán)重確定屬于數(shù)據(jù)處理中數(shù)據(jù)泛化的范疇,指標權(quán)重確定的合理與否直接影響到系統(tǒng)效能分析的正確性。運用主觀賦權(quán)法對指標權(quán)重進行確定,確定結(jié)果是融合了專家主觀偏好與臆斷的,具有隨意性,而且重復(fù)計算結(jié)果不一致,可靠性低;而運用客觀賦權(quán)法對指標權(quán)重進行確定,雖然通過完善的數(shù)學(xué)理論對權(quán)重進行計算,但缺少了專家的能動性與主觀偏好,因此,采用兩種模式相結(jié)合的機制,使得指標權(quán)重能更真實地反映出系統(tǒng)指標對系統(tǒng)效能的作用關(guān)系。
考慮多個專家決策情況,主觀賦權(quán)法是在AHP確定每個專家決策者確定的權(quán)重的基礎(chǔ)上,利用目標函數(shù)最優(yōu)求解出主觀權(quán)重。
多個專家決策者 DMk(k=1,2,…,q)給出了關(guān)系屬性全中的偏好信息,上述通過AHP確定屬性權(quán)向量為,其中,,k=1,2,…,q。設(shè)每個專家決策的重要程度為,其中,。
構(gòu)造如下數(shù)學(xué)模型,計算主觀最優(yōu)權(quán)重:
客觀賦權(quán)采用基于信息熵值的權(quán)重確定模式,緊密結(jié)合仿真數(shù)據(jù),注重數(shù)據(jù)內(nèi)在聯(lián)系。信息熵方法中,設(shè)有n個方案m個指標,多指標對多對象的評價矩陣,aij為第i個方案第j個指標值。對采用線性尺度變化規(guī)范化歸一化處理得到。
當屬性指標j為效益型屬性時:
當屬性指標j為成本型屬性時:
在求得主客觀權(quán)值的基礎(chǔ)上,采用加權(quán)求和的集成方法計算理想權(quán)值。
顯然最終結(jié)果受系數(shù)α與β的影響,為了分析方便,不妨設(shè)α與β滿足。為了確定使各種排序均最優(yōu)的系數(shù)α與β,假設(shè)各排序方案等權(quán),線性綜合得單元最優(yōu)化模型:
構(gòu)造拉格朗日函數(shù)形式為
將兩者歸一化確定最終主客觀加權(quán)系數(shù)為
由上述方法,求得各層指標權(quán)重如下頁表2所示。
模糊綜合評估方法主要是依托模糊數(shù)學(xué)理論中的模糊變換原理和最大隸屬關(guān)系,在考慮了待評估對象所有相關(guān)因素的基礎(chǔ)上,對系統(tǒng)作出綜合評價。方法步驟如下:
表2 各層指標權(quán)重值
6)對評價結(jié)果B分析處理后,利用B=W×R進行模糊評價,得到系統(tǒng)效能評估向量,最后利用得到百分制的系統(tǒng)效能值。
根據(jù)表2的系統(tǒng)評估指標值,及上述模糊綜合評價方法流程,結(jié)合專家知識經(jīng)驗設(shè)定模糊隸屬度函數(shù)的參數(shù),可以得到系統(tǒng)效能的模糊隸屬度向量為。
綜上所述,通過對影響網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)效能指標的分析,利用層次分析法分析確定了各項指標的權(quán)值,在此基礎(chǔ)上,利用模糊綜合評判方法,結(jié)合專家知識和經(jīng)驗建立了網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)效能評判模型,并計算出了系統(tǒng)的效能值。通過對網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)效能的分析評估,驗證了前述評估方法的有效性,為網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)效能奠定了基礎(chǔ),對評估整個網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能具有重大意義。同時,通過最終效能值與傳統(tǒng)非網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)效能值相比較,可以得出,網(wǎng)絡(luò)化的火控作戰(zhàn)系統(tǒng)比傳統(tǒng)的火控作戰(zhàn)模式效能大幅度提高,更具戰(zhàn)斗力。
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)的不斷提高,以信息化、網(wǎng)絡(luò)化為核心的新軍事變革,將推動著網(wǎng)絡(luò)化火控系統(tǒng)技術(shù)不斷向前發(fā)展,但信息化、網(wǎng)絡(luò)化條件下火控系統(tǒng)的發(fā)展充滿了機遇和挑戰(zhàn),只有把握武器裝備信息化、網(wǎng)絡(luò)化的本質(zhì),不斷創(chuàng)新系統(tǒng)設(shè)計方法和理念,才能實現(xiàn)技術(shù)的趕超和跨越式發(fā)展,才能更好地適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要[29-32]。
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