水面舰艇火力分配技术及发展*

李 明

(武汉藏龙北路1号 武汉 430205)

水面舰艇火力分配技术及发展*

李 明

(武汉藏龙北路1号 武汉 430205)

火力分配是指挥决策的关键问题,论文对火力分配技术进行了研究。首先,将火力分配技术的发展分为人工火力分配、半自动火力分配以及自动火力分配三个阶段,并回顾了各个阶段的发展历程。然后,对火力分配中的关键问题火力分配模型和算法进行了研究,分析了静态模型、动态模型和智能模型的特点。最后,从火力分配体系以及关键技术等方面,提出了未来水面舰艇火力分配技术的发展方向。

指挥控制; 火力分配; 武器装备; 模型算法

(No. 1 Canglong North Road, Wuhan 430205)

Class Number E92

1 引言

火力分配,也称武器目标分配或目标分配,是现代战争过程中作战指挥的重要组成部分[1～2]。火力分配是指在已知对方目标信息的情况下,如何将不同杀伤力和价值的武器分配到不同的目标,使得整体的打击效果最优。

火力分配在海陆空作战中都有涉及,水面舰艇舰艇平台的火力分配有其特殊性。舰艇作为综合作战平台,承载多种多型武器,如美国阿利·伯克级驱逐舰可同时搭载舰炮、方阵快炮、舰空导弹等对空武器,还包括反舰导弹、反潜鱼雷等。在舰艇编队中,包含驱逐舰、护卫舰等多种舰艇,武器种类更加多样,火力分配方案合理性将直接影响整个编队的作战能力。因此,水面舰艇火力分配技术的研究对提升作战效能具有重要意义。

水面舰艇火力分配技术的发展依托舰上信息装备的发展。本文首先研究了火力分配技术的发展以及分配模型算法,梳理了相关方面的发展历程,在当前已有研究的基础上指出了火力分配技术存在的问题,最后给出了水面舰艇火力分配技术发展方向。

2 水面舰艇火力分配技术研究现状

2.1 火力分配技术的发展

火力分配是指挥决策的关键问题,也是对情报处理结果进一步加工生成的产品,无论指挥决策还是情报处理,其发展都与舰上装备的发展紧密相连。火力分配技术的发展与舰上装备尤其是指挥信息系统的发展息息相关,主要分为三个阶段。

1) 人工火力分配阶段

20世纪70年代之前,舰上装备较简单,传感器的应用还处于较初级阶段,舰上指控系统概念尚处形成期,功能比较单一,主要处理航速、位置等基本信息。由于受到传感器功能的限制,水面舰艇态势信息主要依靠人工观察获取,并由人工进行态势信息的筛选。该阶段舰上的武器类型单一,以不同口径的舰炮为主。

图1 人工火力分配

作战过程中,由指挥员人工对敌方目标进行搜集,然后判断目标是否进入舰炮射程,如果进入,则下达作战指令。作战指令中的武器数量以及目标方位,主要由指挥员人工判断与计算。

该阶段从态势信息的获取到作战指令的发出均由人工完成,不难看出,该过程对经验丰富的指挥员的依耐性较高,自动化程度低,火力分配的概念还在逐渐形成的过程中。

2) 半自动火力分配阶段

20世纪70年代到90年代初期,随着舰上装备技术的进步,特别是计算机技术的蓬勃发展,以及导弹武器的大量装舰,水面舰艇火力分配进入半自动化阶段。该阶段,舰上指挥信息系统的概念逐渐形成,其信息综合处理中心与武器指挥控制中心的地位逐步确立。舰上武器传感器呈现多元化的发展,各个武器传感器的信息由指挥信息系统进行搜集与显示。同时,指挥信息系统对指挥员下达的目标指示信息进行解算,分配舰炮、导弹等多种武器对敌方目标进行打击。

图2 半自动火力分配

作战过程中,指挥员对处理过的态势信息进行进一步分析整理,结合指挥信息系统提供的武器状态信息,进行火力分配的决策,并将决策信息输入到指挥信息系统。

半自动火力分配阶段,传感器对态势信息的获取更加全面,武器装备更加多样化与自动化。态势信息的获取和目标指示的解算均由指挥信息系统完成,计算机使用效率得到高,作战资源实现了共享,反应时间较短。但是,该阶段作战指挥核心的火力分配决策仍由指挥员人工完成,机器提供前端决策信息及后端控制手段。

3) 自动火力分配阶段

20世纪90年代后期开始,随着信息技术的普及,指挥信息系统在体系架构、系统功能和处理性能等方面有了质的飞跃。指挥信息系统逐渐发展成为全舰作战管理系统,成为舰上信息的集散地和控制中心,舰上所有的武器传感器均由其控制。计算性能的提升,使得指挥信息系统能够运行更加复杂的模型,实现态势信息、武器状态等多要素自动决策计算,进行初步的火力分配方案制定。

图3 自动火力分配

传感器获取的态势信息通过分布式总线(网络)实现数据资源共享,指挥信息系统对共享的综合信息进行处理,结合各个武器状态,建立火力分配模型,并对模型进行求解,得到初步决策结果,指挥员对初步决策结果进行完善并下达。

自动火力分配阶段从态势信息获取,到初步火力分配方案的制定,均由指挥信息系统根据设置的模型与算法自动完成,具有信息获取全面、计算过程迅速、分配结果准确的特点。整个过程在机器为主,人工干预的方式下完成。

2.2 火力分配模型算法

随着应用需求的发展和舰上指挥信息系统处理能力的提升,火力分配的模型算法越来越复杂,火力分配的模型和求解算法大量涌现[3～4],主要分为静态模型,动态模型以及智能模型三类。

1) 静态模型

由于早期装备能力的限制,静态模型最初的研究目的不是直接用于战场的作战指挥,而是将研究成果用于制定作战计划、指挥训练。

静态模型中,作战双方的武器或目标的状态以及重要参数均已知,且计算过程中不可更改。由于静态问题中各个状态值不可更改,因此,其模型建立在以下两个假设的基础上:

(1)所有武器同时分配和发射。并且武器发射之后,无反馈信息,但是目标的状态可获取。

(2)各个武器目标对之间相互独立。忽略武器在拦截过程中对其他武器拦截效果的影响。

在建模过程中,假设攻击方有n个目标来袭,T1,T2,…,Tn,防御方(舰艇)有m个武器平台W1,W2,…,Wm,第j(j=1,2,…,m)个武器迎击点最多可使用Bj个武器,对目标Ti最多可使用Ci个武器,第j个武器迎击点Wj迎击目标的概率为qij(i=1,2,…,n,j=1,2,…,m),武器最佳分配以分配迎击武器迎击全部目标的失败概率最小为目标。其中,迎击概率qij均已知。

图4 武器目标迎击关系

若分配武器Wj迎击目标Ti,则目标选择决策变量xij=1,否则为0。因此,静态火力分配问题转化为求解下式的最小值问题:

以上就是静态分配问题较为简单的基本模型,模型的输入与输出如图5所示。

图5 静态模型

静态模型对应的模型求解算法也较为简单,主要包括枚举法,分支定界法以及动态优化方法等[5]。这些算法的求解效率比较有限,尤其在数据量较大的情况下,将严重影响求解速度和求解质量。

2) 动态模型

随着装备能力的发展,武器与传感器逐渐丰富多样,作战环境越来越复杂,对作战的要求越来越高,静态模型逐渐不能满足作战需求。相比于静态模型,动态模型能控制的作战环境参数更多,求解规模更大。同时,动态模型中加入了时间因素,支持对整个作战过程中作战方案的动态制定。

动态问题考虑的因素更多,作战过程中,武器与目标的数量和状态处于动态变化中,当前时刻的结果会对下一时刻造成影响。因此,在静态模型的基础上,动态模型中引入了时间窗口、调整消耗最小等因素。

目前,动态问题的研究主要有三方面:多级武器目标分配[6]、基于马尔科夫决策过程的最优化分配[7]以及基于anytime的动态武器目标分配[8]。动态模型一般过程如图6所示。

图6 动态模型

动态模型的求解随着计算机技术的发展,对应的求解算法也有了很大的突破。主要是智能算法,包括人工神经网络、遗传算法、蚁群算法等[9～10]。

3) 智能模型

目前,人工智能在快速发展中,由于智能模型的适用性强,同时能够自学习,火力分配方面的研究也开始关注人工智能,建立拥有自学习能力的智能模型。

在早期的模型研究过程中基本都是优先考虑对目标的毁伤效能。在实际的打击过程中,除了目标的毁伤效能之外,还有许多其他的考虑目标,如武器使用量最少,武器使用费用最小,目标命中概率最大等。

智能模型结合多个求解目标,解决了动态模型中求解目标不可变的问题。同时,结合实时战场态势,得到己方利益最大化的分配结果。智能模型加入了更多了反馈机制,对前一次作战结果进行分析处理,进而可得到敌方武器更多的参数,如威胁程度,毁伤率等。结合获得的参数,实时调整己方的分配策略,具体为实时改变模型的求解目标,使得作战效果最佳。

图7 智能模型

智能模型中,根据反馈信息实时调整当前模型求解目标。各个目标视为相互分离的实体,在最优解的搜寻过程中是从多维进行最优解得查找,不同于单维最优得搜寻方法(各个目标之间相互关联,会有不同权重),多维求解得到的结果将更加全面。

智能模型目前尚在研究当中,其数据规模较大,智能算法仍然是最佳的求解方法。

3 水面舰艇火力分配技术发展方向和展望

3.1 火力分配技术存在的问题

1) 信息共享有待加强

舰上的信息汇聚到指挥信息系统,由指挥信息系统对其进行处理。但是,当前舰上指挥信息系统从各个武器传感器获取信息的广度和深度有待进一步的提高。在更加全面的数据分析之后,将能更好地提高火力分配效能。

2) 适用性需要深入研究

由于现代战争节奏快,舰上装备越来越丰富,装备集成的功能也复杂多样,使得火力分配处理越来越复杂,装备的可靠性与适用性需要验证。然而战争环境有限,需要大力发展仿真模拟等方式进行验证。同时,虽然试验或模拟仿真能够发现一些问题,但是实战中的环境可能更加复杂。只有通过不断完善试验与仿真环境,充分考虑实战中可能出现的情况,才能更好的对装备进行验证,有效应对实战中的突发情况,提高装备的可靠性。

3) 模型算法仍需改进

现有的研究中对新目标对当前模型求解结果的影响考虑有待加强,同时,应考虑随机因素对模型求解的影响。不论是新目标或是随机因素(包括设备故障、人员不足等)的出现,都会对当前的态势造成不同程度的影响。所有武器目标参数及状态已知的假设在实际作战中很难实现,考虑随机因素的影响,将使模型求解结果更加适应实时作战环境。

3.2 火力分配技术发展趋势

1) 综合化

指挥信息系统是当前舰上信息的集散地,搜集了舰上所有设备的信息[11]。

为了保证舰上信息的全面性以及数据综合处理,类似于美国朱姆沃尔特舰的指控系统将是未来的发展趋势。发展过程中,指挥信息系统将由传统指控系统逐渐向全舰作战管理系统的方向发展,在获取信息的广度和深度上将会有大的突破,做到攻防兼备。因此,基于全舰计算环境(TSCE)和电子设备容器箱体(EME),具有综合数据数据处理能力的指挥信息系统装备形态将是未来海军指挥信息系统的发展方向。

2) 跨平台

数据的共享对作战过程的影响日益重要,当前火力分配模型的研究以单平台的居多。多艘舰艇同时行动时,各个平台之间的数据共享与联合作战能力将直接影响战事的走势。

未来的火力分配应当是跨平台的,各个平台获取的数据将汇集到云端,由云端高性能的设备对大量数据进行处理,并将处理结果(作战命令)下达给各个平台。同时,各个平台之间的协同将是要素级,信息的上报与下达可直接与平台上的各个要素相连,缩短信息流转时间,提高作战效率。

3) 智能化

火力分配发展的另一个趋势是智能化,将指挥员从复杂或不必要的机器操作中解放,交互方式以机器建议,人工决策的方式进行。从战场态势信息获取,到指令的下达,均由机器自主完成,人工主要对重要环节进行监控、修改和放行。

随着深度学习等智能算法的发展,以及火力分配模型的不断完善,求解算法将拥有自学习的能力,能对历史作战数据进行分析,结合当前作战环境得出最优的分配结果。类似于AlphaGo,对火力分配数据不断的学习,将使得求解算法拥有深度的分析处理能力,做到真正意义上的综合决策与智能决策。

4 结语

火力分配技术是作战指挥决策的核心步骤。随着装备的发展以及模型算法应用研究的不断深入,研究人员应立足作战需求,在已有成果的基础上,突破火力分配技术在实战中应用的关键难题,加强火力分配技术在装备上的部署,实现舰上装备利用的最大化,从而显著提高系统作战效能。

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Surface Ship Weapon-Target Assignment(WTA) Technology and Its Development

LI Ming

Weapon-Target Assignment (WTA) is a vital problem in command decision. The paper studies the WTA technology. First, WTA technology is divided into three stages, including artificial stage, semi-automatic stage and automatic stage. The development process of each stage is reviewed. Second, the model and algorithm what are the key issues of WTA are researched. The characteristics of static model, dynamic model and intelligent model are analyzed. Third, from aspects of architecture and key technologies, the development of new WTA technologies is proposed.

command and control, WTA, weaponry, model algorithm

2016年7月10日,

2016年8月25日

李明,男,高级工程师,研究方向:指控系统。

E92

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.003