胡瑞祥，張 磊，丁元明*，張程振

（1.大連大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116622；2.大連大學(xué)通信與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116622）

0 引言

現(xiàn)代化的海戰(zhàn)中，基于潛艇和異構(gòu)的無人潛航器（UUV）構(gòu)建高效率、高可靠的水下作戰(zhàn)群裝備體系，是海軍信息化發(fā)展的必然途徑。深海為潛艇提供天然的庇護(hù)場(chǎng)所，其可以作為指揮控制中心，遙控指揮異構(gòu)的UUV 群擔(dān)任偵察、監(jiān)視、跟蹤、打擊等任務(wù)。這種作戰(zhàn)模式可以降低武器裝備的成本，分散被敵打擊的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)敵作戰(zhàn)的無人化和智能化水平。對(duì)其進(jìn)行有效的評(píng)估成為亟待解決的問題。

目前效能評(píng)估的研究多集中在確權(quán)方法的改進(jìn)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部聯(lián)系的研究相對(duì)較少。然而，評(píng)估一個(gè)完備的水下集群作戰(zhàn)系統(tǒng)，需要遵循系統(tǒng)論的相關(guān)原則。首先，系統(tǒng)整體性原理指出系統(tǒng)整體的性質(zhì)和功能，不等于各要素的性質(zhì)和功能的簡(jiǎn)單加和；其次，系統(tǒng)層次性原理指出組成系統(tǒng)的諸要素會(huì)形成具有質(zhì)的差異的系統(tǒng)等級(jí)；再次，系統(tǒng)的突變性原理指出系統(tǒng)中要素的突變總是經(jīng)常發(fā)生，使得系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化；最后，系統(tǒng)的相似性原理指出系統(tǒng)具有同構(gòu)和同態(tài)的性質(zhì)，體現(xiàn)了世界的物質(zhì)統(tǒng)一性。

傳統(tǒng)的效能評(píng)估從層次性原理出發(fā)對(duì)系統(tǒng)逐層分解為獨(dú)立指標(biāo)，對(duì)于梳理作戰(zhàn)要素，簡(jiǎn)化評(píng)估流程起到了很好的作用。但這種典型的還原論思想不可避免存在一定的局限性，體現(xiàn)在：割裂要素間的內(nèi)在關(guān)系，忽視系統(tǒng)的整體性和不可分割性，導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果的失真。系統(tǒng)作戰(zhàn)效能不應(yīng)該是簡(jiǎn)單的線性加和，更應(yīng)該是一種非線性、有突變、整體性的效能。對(duì)于軍事效能評(píng)估系統(tǒng)來說，各作戰(zhàn)能力有較明顯的串聯(lián)特性，當(dāng)其中的部分能力較低或者喪失時(shí)，對(duì)系統(tǒng)效能的影響較大，這里體現(xiàn)出系統(tǒng)論的突變性原理。針對(duì)上面的問題，本文從系統(tǒng)的相似性原理出發(fā)，將效能評(píng)估系統(tǒng)和串聯(lián)電路系統(tǒng)相映射，提出了一種新的權(quán)值和量化值合成的方法，解決了各評(píng)估模塊和系統(tǒng)總效能之間割裂的問題，將部分和整體的效能有機(jī)地結(jié)合起來，同時(shí)也將系統(tǒng)各要素間的串聯(lián)特性考慮進(jìn)來，使得效能評(píng)估值更加準(zhǔn)確和科學(xué)。

1 水下集群作戰(zhàn)指標(biāo)體系的構(gòu)建

針對(duì)水下作戰(zhàn)集群的裝備組成和OODA 環(huán)理論，按照觀察-判斷-決策-行動(dòng)環(huán)路進(jìn)行作戰(zhàn)，具體可分為如下4 個(gè)系統(tǒng)：

探測(cè)系統(tǒng)。采用潛艇、情報(bào)型無人潛航器和反潛型無人潛航器對(duì)海上及水下的區(qū)域進(jìn)行綜合探測(cè)，將各單元的偵察信息傳遞到指揮控制系統(tǒng)。

通信系統(tǒng)。水下裝備通過潛艇、中繼型無人潛航器等組成的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)之間的信息傳遞。

指控系統(tǒng)。潛艇獲取網(wǎng)絡(luò)提供的態(tài)勢(shì)信息，將信息進(jìn)行融合整理，作出作戰(zhàn)決策并將傳遞給探測(cè)系統(tǒng)或攻擊系統(tǒng)。

攻擊系統(tǒng)。潛艇、攻擊型無人潛航器接收指控系統(tǒng)的攻擊決策，利用導(dǎo)彈、魚雷等水下兵器對(duì)敵方武裝力量實(shí)施打擊。

這4 個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)完備的作戰(zhàn)體系，再加上系統(tǒng)自身的保障能力，每個(gè)環(huán)節(jié)都是作戰(zhàn)鏈路上不可或缺的重要組成部分。基于此，本文構(gòu)建了如圖1所示的作戰(zhàn)指標(biāo)體系。

圖1 水下集群協(xié)同作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系

2 作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)處理和權(quán)值確定

2.1 指標(biāo)值的規(guī)范化處理

定性指標(biāo)采用三角模糊數(shù)兩級(jí)比例法進(jìn)行量化，基本步驟如下：

3）把每一評(píng)判等級(jí)的量化值與歸一化的隸屬度向量進(jìn)行加權(quán)求和。

定量指標(biāo)可以分為效益型指標(biāo)、成本型指標(biāo)，本文采用極差變換法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

效益型指標(biāo)：

成本型指標(biāo)：

2.2 指標(biāo)的權(quán)值確定

G1 法是一種改進(jìn)的層次分析法，該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，不必進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，其一般計(jì)算步驟如下：

3）計(jì)算第n 個(gè)指標(biāo)的權(quán)重：

4）依次反計(jì)算其他指標(biāo)權(quán)重：

3 總效能的合成方法

傳統(tǒng)效能評(píng)估流程中，對(duì)系統(tǒng)層次分解建立指標(biāo)體系，指標(biāo)權(quán)值和量化值分兩條獨(dú)立路線進(jìn)行，最后采用線性加和的方式得到系統(tǒng)總效能。而現(xiàn)實(shí)中的系統(tǒng)多是非線性系統(tǒng)，尤其對(duì)于軍事效能評(píng)估系統(tǒng)來說，一級(jí)指標(biāo)具有明顯的串聯(lián)特性，本文提出一種串聯(lián)合成法合成系統(tǒng)總效能；二級(jí)指標(biāo)間相互影響較小，和并聯(lián)電路系統(tǒng)相似，因此，這里命名為并聯(lián)合成法，下面對(duì)這兩種合成法進(jìn)行分析討論。

3.1 并聯(lián)合成法

傳統(tǒng)的權(quán)值和指標(biāo)值的合成，多采用的是權(quán)值和對(duì)應(yīng)指標(biāo)值乘積的加和。其各指標(biāo)之間是并聯(lián)的組織關(guān)系，相互之間沒有耦合和制約關(guān)系。其映射的并聯(lián)電路如圖2 所示，其映射關(guān)系如表1 所示。

圖2 并聯(lián)電路系統(tǒng)

表1 并聯(lián)電路系統(tǒng)與效能評(píng)估系統(tǒng)映射關(guān)系圖

在干路電流的公式中，電壓U 和電流I 成正比關(guān)系，電壓U 可以調(diào)節(jié)電流的變化范圍；對(duì)應(yīng)在系統(tǒng)總效能中，A 也起到調(diào)節(jié)總效能變化范圍的作用。多數(shù)情況下取A=1 或者A=100，限定了效能值在0～1 或者0～100 之間。

3.2 串聯(lián)合成法

對(duì)于作戰(zhàn)系統(tǒng)來說，整體和部分的內(nèi)在聯(lián)系，特別是系統(tǒng)作戰(zhàn)能力之間的串聯(lián)特性如何不加考慮，會(huì)使得得出的效能值未能詳實(shí)反映系統(tǒng)效能。受串聯(lián)特性的啟發(fā)，將串聯(lián)電路系統(tǒng)引入到效能評(píng)估中，將水下集群作戰(zhàn)系統(tǒng)與電路系統(tǒng)相互映射，可以得到一種系統(tǒng)總效能的計(jì)算方法。具體的電路圖如圖3 所示，具體的映射關(guān)系如下頁(yè)表2 所示。

表2 串聯(lián)電路系統(tǒng)與效能評(píng)估系統(tǒng)映射關(guān)系圖

圖3 串聯(lián)電路系統(tǒng)

4 實(shí)例驗(yàn)證

4.1 實(shí)例應(yīng)用

潛艇：作為指揮控制中心，獲取各UUV 的態(tài)勢(shì)信息，作出作戰(zhàn)決策并通過通信系統(tǒng)傳遞給探測(cè)系統(tǒng)或攻擊系統(tǒng)。

反潛型UUV：要求具備水下自主性、目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別能力、大續(xù)航、強(qiáng)機(jī)動(dòng)，能夠搭載足夠多的魚雷；

火力打擊型UUV：能夠搭載和發(fā)射多型號(hào)、多數(shù)量的魚雷和導(dǎo)彈等武器，同時(shí)對(duì)續(xù)航力和可靠性要求較高；

情報(bào)型UUV：能夠搭載多種類型的水下傳感器和聲吶等探測(cè)設(shè)備，應(yīng)具備較強(qiáng)的偵察、識(shí)別、跟蹤、信息處理等能力；

指揮控制型UUV：主要任務(wù)是調(diào)配水下無人作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)具備較高的自動(dòng)化指揮、協(xié)調(diào)、控制和決策能力，同時(shí)對(duì)信息處理和通信能力要求較高；

以上述5 種裝備為基礎(chǔ)，OODA 環(huán)理論為指導(dǎo)，形成以潛艇為中心，不同UUV 群承擔(dān)不同作戰(zhàn)任務(wù)的完整水下作戰(zhàn)集群，如圖4 所示。參考航母作戰(zhàn)群以潛艇一艘若干UUV 建立典型作戰(zhàn)群，經(jīng)專家的充分討論形成如表3 所示的7 種編配方案。

圖4 基于OODA 環(huán)理論的水下作戰(zhàn)集群

表3 不同編配方案

通過廣泛的專家調(diào)查和仿真結(jié)果數(shù)據(jù)的采集可以得到最底層的指標(biāo)值，利用第3 節(jié)的指標(biāo)處理方法，通過最底層指標(biāo)值的逐層加權(quán)求和（并聯(lián)合成法）得到各方案第2 層的指標(biāo)值見表4。

表4 指標(biāo)值

對(duì)于第2 層指標(biāo)運(yùn)用G1 法求權(quán)重的過程如表5 所示。

表5 權(quán)重值的計(jì)算

4.2 結(jié)果分析

圖5 不同合成法的效能對(duì)比圖

圖6 效能差圖

從效能差圖中可以看出，配置方案中B、D、E、F的效能差值比較大；對(duì)比表4 可以看出，在這幾種編配方案中存在一個(gè)或者幾個(gè)的指標(biāo)值較?。ㄔ诒? 中已經(jīng)標(biāo)黑），觸發(fā)了木桶效應(yīng)，導(dǎo)致效能值的急劇下降。而其他3 種編配方案指標(biāo)值相對(duì)均衡，不存在明顯的短板，所以兩種方法得到的效能值比較接近。兩者相互印證，說明了串聯(lián)合成法在此系統(tǒng)中應(yīng)用的科學(xué)性和合理性，這也是導(dǎo)致兩種合成方法的效能排序不一致的原因。

5 結(jié)論

本文通過OODA 環(huán)建立了水下集群作戰(zhàn)指標(biāo)體系，針對(duì)這種環(huán)狀結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，分析了指標(biāo)間存在的串聯(lián)特性，基于此將串聯(lián)電路系統(tǒng)與作戰(zhàn)效能評(píng)估系統(tǒng)相映射，從而得到一種新的效能評(píng)估方法——串聯(lián)合成法。從整體出發(fā)，以還原論為抓手，自上而下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)解算，然后再自下而上將各因素以系統(tǒng)觀念相結(jié)合得到最終系統(tǒng)效能，將總體把握下的局部分析與局部分析后的總體把握兩條線結(jié)合起來。將串聯(lián)合成法和常規(guī)的并聯(lián)合成法作對(duì)比，通過實(shí)例驗(yàn)證了串聯(lián)合成法更適合應(yīng)用于作戰(zhàn)系統(tǒng)中，且該方法能夠?qū)⒏髦笜?biāo)和系統(tǒng)效能存在的制約關(guān)系很好地表達(dá)出來，將系統(tǒng)論中的整體性原理和突變性原理引入到效能評(píng)估系統(tǒng)中，使評(píng)估的效能更加接近真實(shí)效能。