网络化作战体系中的关键目标选择研究

杨国利 邹瑞涛 任步春 张博

随着战争形态的不断演进,联合作战体系日益呈现网络化、层次化、关联化的特点[1].作战体系中目标与目标之间绝非单纯独立的存在,而是通过逻辑流、信息流将从事作战行动相关的武器、装备、设施、力量相互关联,形成一个多层异构复杂网络,即网络化作战体系(Networked Operation System of Systems)[2−3],用以融合各个目标的能力,实现联合聚能,整体释能.

网络化作战体系中的关键目标选择研究主流的方法包括基于价值的目标选择方法和基于效果的目标选择方法,前者侧重通过定性、定量方法综合多种指标对各个目标进行排序,后者强调以某些目标失效后体系能力的下降衡量这些目标的贡献.鉴于网络化作战体系节点众多,功能各异,关联复杂,进行精确科学的目标分析选择[4−7]需要从单个目标特性的基础上进一步升华,从整体出发认识体系,把握目标与目标之间的内在关联,具体而言需要深刻理解网络化作战体系由内而外所呈现的3点特性[6−7]:

1)作战体系中的各类目标基于功能差异性可抽象为6种层次:侦察预警层、指挥控制层、防空反导层、火力打击层、信息攻击层和综合保障层,即“多层性”.网络化作战体系的多层性可将功能各异的目标区别开来,突出主体功能,便于从宏观角度把握目标特性,指导目标选择的方向.

2)基于各个目标的部署位置、型号、数量以及相关能力参数等基本信息,同层内各个目标节点之间的能力差异明显,即“异构性”.网络化作战体系的异构性强调目标个体的能力差异,特别是功能相同或相近的目标,其个体能力的大小很大程度上影响着目标选择的先后次序.

3)系统与系统之间、系统与目标之间、目标与目标之间可通过信息流和逻辑流进行结构关联,整合各种作战力量形成合力,即“关联性”[8−9].网络化作战体系的关联性旨在整合网络中各个目标的个体功能,凸显目标与目标之间的相互作用和相互影响,便于分析单个目标失效后造成的连锁反应.

因此,网络化作战体系目标分析选择需针对多个目标和目标系统组成的目标体系,综合分析研究其组成结构、节点关系、运行机制、系统效能等,计算整体作战效能,求解关键目标节点.本文的主要内容包括目标体系构建、体系能力分析和关键目标选择3部分.

1 目标体系构建

作战体系通常由作战系统、作战要素和作战单元,按照一定指挥关系、组织架构和运行方式构成,并在一定环境中实现特定作战功能的有机整体.目标体系构建能够为后续目标分析选择奠定数据基础,其构建原则必须充分体现目标体系的各个方面.具体而言,应遵循“整体性、特殊性、关联性、动态性”的基本原则,从系统论的角度出发综合考虑目标本身的物理特性和目标之间的相互作用.为全面展现作战体系目标特性和结构关系,目标体系构建需要按照“先目标特性,后系统分层,再结构关联”的步骤实施.

1.1 目标特征获取

目标特性获取是目标数据准备的主要内容,主要面向性质单一、地理位置相对独立的目标,例如指挥所、导弹阵地、雷达站、机场、港口等,这些目标是构成目标系统和目标体系的基础.目标特性数据获取途径包含技术器材侦察、人力情报侦察和公开资料搜集3种方式,主要内容为目标组成、地理位置、功能参数、外部特征、结构材质、要害部位等要素.

1.2 系统层次划分

划分目标系统层次是将一系列性质相同或相近的单个目标,按照特定的划分规则,形成多个系统层次,便于更好地研究和把握目标特性和运行规律.根据目标功能特性,本研究将目标体系分为:侦察预警系统(R)、指挥控制系统(C2)、防空反导系统(D)、火力打击系统(F)、信息攻防系统(I)和综合保障系统(S)等6类[2,6].具体内容如表1所示.

离体消化的参数和离体消化程序参照赵峰的方法[7]，胃蛋白酶和胰液素酶的消化时间3～4 h最佳，水解温度为38℃，胃蛋白酶水解的最适pH值为2～3，胰液素酶水解的最适pH值为6.6，胃蛋白酶（P7000）、胰液素（P7545-25G）不是肉鸭的特异性酶，其中饲料添加量、pH值等消化参数做了具体调整。

表1 作战体系层次划分

1.3 网络结构关联

构建目标体系需要将目标之间的关联通过上报关系、指控关系、保障关系、防护关系和协同关系等5种关系进行表征,实现信息流和逻辑流统一时空维度的交织,进而形成要素完整、功能齐全的整体网络.从纵向上看,目标个体对目标系统的影响正在不断增大,一旦某个重要目标功能降低,将对该类目标或目标系统产生重大影响.从横向上看,不同层次上的目标系统之间都存在着一种相互依赖、相互影响的关系,这些系统围绕体系作战效能的发挥形成非线性的关联,牵一发而动全身.

体系结构决定体系功能,结构关联是网络化作战体系的核心内容,能够实现个体功能和网络拓扑的耦合,便于分析目标与目标之间的相互作用和相互影响[6−7].本研究将作战体系中目标关系明确为以下5类:上报关系源于侦察预警目标,指控关系源于指挥控制目标,防护关系源于防空反导目标,保障关系源于综合保障目标,协同关系关联各种同类目标.通过上述方法实现目标体系构建示意图如图1所示.

2 体系能力分析

基于构建完成的目标体系进行体系能力分析,有利于把握敌作战重心、敌作战体系的威胁程度和强弱点,确保联合作战指挥员正确指挥和组织作战行动.进行体系能力分析应立足整体认识体系,凸显作战全过程,运用定量定性相结合的方法,从系统论的角度出发分析体系整体能力.体系能力分析可为关键目标选择提供效能函数和量化指标,其主要内容包括单个目标能力分析和体系整体能力分析.

2.1 单个目标能力分析

单个目标能力分析主要依据目标个体的功能属性,结合其自身的战技参数,分析计算6类目标对应的侦察预警能力、指挥控制能力、防护抗击能力、火力打击能力、信息攻防能力和运输补给能力.其中侦察预警能力主要分析雷达站、技侦阵地、海空预警平台等目标的部署配置、探测能力和机动范围;指挥控制能力主要分析指挥机构和通信装备决策水平、通联程度和指控范围;防护抗击能力主要指分析防空导弹阵地的拦截范围、准备时间和成功拦截概率;火力打击能力主要分析战机、舰艇、制导武器装备的部署配置、打击范围和打击精度等;信息攻防能力主要分析电磁武器和网络平台的作用范围、强度和破坏之后的恢复能力;运输补给能力主要分析后勤保障力量的输送范围、时间和数量.

为便于量化计算,本文侦察预警类目标中防空雷达站的侦察预警能力通过其探测半径rr计算,侦察机、预警机等移动类目标的侦察预警能力则通过其探测半径和活动半径计算,即rr+rm.

指挥控制类目标的指挥控制能力由其与其他指控节点和作战链路中末端节点(侦察预警目标R,防空反导目标D,火力打击目标F和信息攻防目标I)的连通矩阵Φ决定.

防空反导类目标的防护抗击能力通过其拦截导弹杀伤半径rd和最大装备导弹数量Mn进行计算.

信息攻防类目标的信息攻防能力通过其信息(网络)攻击范围和平台活动半径进行计算,即ri+rm.

2.2 体系整体能力分析

作战体系整体能力分析需要将目标个体能力通过作战体系网络中的逻辑流和信息流进行融合,汇聚形成体系能力,实现联合聚能、整体释能.从传感器到发射器的OODA(侦察、聚焦、决策、行动)链路是信息化条件下的联合作战的核心,其中侦察预警是目标体系有效运行的前提和基础,是指挥决策和部队行动的重要依据;指挥控制是作战体系支配和协调其他系统运行的中枢,是决定作战进程和结局的核心环节;信火打击是转化信息优势和决策优势为力量优势的主要抓手,是体系抗击和打击的直接力量.体系整体能力依赖“侦察决策信火”链路的完整性.

进行体系整体能力分析需要明确体系的运行机理,把握目标之间的有机关联,围绕OODA链路,汇聚链路中的各种个体能力,融合形成以有效火力打击能力(Effective Force Ability,EFA)、有效防护抗击能力(Effective Defense Ability,EDA)和有效信息攻防能力(Effective Information Ability,EIA)为代表的联合作战体系能力,作为体系整体能力的评价指标[10].

EFA是指侦察情报(R)经指挥控制(C2)后通过火力打击目标(F)实施火力打击行动所展现的能力.在本研究中,EFA的计算公式如下所示[6],其中Qr2r为侦察目标融合面积,PrmMn为火力打击目标杀伤能力加和:

EDA是指侦察情报(R)经指挥控制(C2)后通过防空反导目标(D)实施防护抗击行动所展现的能力.在本研究中,EDA的计算公式如下所示[6],其中Qr2r为侦察目标融合面积,PrdMn为防空反导目标防护能力加和:EIA是指侦察情报(R)经过指挥控制(C2)后通过信息攻击目标(I)实施信息作战行动所展现的能力.在本研究中,EIA的计算公式如下所示[6],其中Qr2r为侦察目标融合面积,Q(ri+rm)2为信息攻防目标作用融合面积:

式中,Φ为连通矩阵函数,表明OODA末端节点(侦察预警目标R,防空反导目标D,火力打击目标F和信息攻防目标I)与指挥控制目标(C2)之间是否有链路相通;Π为面积融合函数;P为线性加和函数.

3 关键目标选择

在体系破击思想指导下,关键目标选取贵在精而不在多,在打击成本有限的前提下,以破坏敌从传感器到发射器的无缝链接为核心,精选敌方作战体系的关键节点给予重点打击,制造无法遏止的连锁反应,导致作战体系出现“雪崩”现象,以达到破网断链、毁点瘫面的目的.关键目标选择是联合作战指挥决策关注的重点,其求解步骤包括设定目标约束,级联失效分析和迭代优化求解.

3.1 设定目标约束

联合作战体系对抗的关键是降低敌方的EFA、EDA和EIA,这3种有效能力是6类目标在作战体系网络中相互作用、整体运作的综合体现.在此基础上,破击一定数量的目标集合x,使得作战体系能力的下降最大程度地满足作战目的,即各项整体能力指标的下降最大:

其中,EFA0,EDA0和EIA0是目标破击前体系能力.另外,打击目标集合需要满足限避打约束(x∈.Ω)和打击代价约束(c(x)≤C),其中,Ω为非限避打目标集合,c(x)为破击目标x所付出的代价,C为总体代价约束,通常定义为打击目标数目的上限.

需要指出的是,进行目标打击可行性分析要考虑己方作战能力和战争环境对目标打击的约束.通过分析打击兵器的打击距离、打击精度、打击数量、打击时间窗口等特性以及目标自身的机动性、防护性、易损性、修复性等特性,从客观实际出发判断打击代价.另外,需要就打击目标的政治影响、经济影响、人文影响等社会环境和地理条件、水文条件、气象条件、电磁条件等自然环境进行分析,准确把握目标打击的附带损伤.

3.2 级联失效分析

作战体系网络将信息流和逻辑流延伸到各个目标,各种联合作战能力也通过作战体系网络将各种目标进行有机融合.鉴于目标之间的相互关联,单个目标失效之后可能会造成连带效应,进而造成一系列相关体系能力的下降或丧失.如图3所示的级联失效示意案例,摧毁某侦察预警目标,可能会影响相关指挥控制目标的决策水平,进而影响OODA链路末端的火力打击能力,于是有效火力打击能力就会受到削弱.因此,破击某些目标(x),需要根据网络联通结构和体系能力融合指标,进行级联失效分析评估,得到相应体系能力的下降水平:EFA(x),EDA(x),EIA(x).

3.3 迭代优化求解

根据作战目的,设定目标函数和约束条件,需要通过优化算法求解获取最优目标集合,使得敌方体系各项能力下降最大化[11].在作战体系网络规模较大的情况下,进化算法[12](主要包括遗传算法、蚁群算法、粒子群算法等)中的NSGA-II(带精英策略的非支配排序的遗传算法)[13−15]具有运行速度快,收敛效果好等特点,可以作为关键目标选择的基准算法.通过非支配排序分层和遗传交叉变异,不断迭代生成新的解集来保持收敛性和分布均匀,最后在非支配前沿(即Pareto前沿,如图4所示)获取最优解集合,列入打击目标清单.其中,对于给定打击目标数量约束条件下的Pareto前沿应满足如下条件[14]:

本研究基于NSGA-II的关键目标选择算法代码示意如图5所示.

4 案例分析研究

针对某特定作战体系,下面本研究将分析作战体系整体能力,精确定位体系关键节点,继而为实施有效反击削弱敌进攻能力提供重要支撑.

在图6所示的作战体系中,主要有指挥控制(蓝色)、侦察预警(绿色)、火力打击(红色)和防空反导(青色)4类目标,其相互作用关系如图所示.假设各类目标中的节点具有无差异性,则有效火力打击能力EFA和有效防护抗击能力EDA分别可由相应的有效火力打击链条数目和有效防护抗击链条数目表示.初始状态下,该作战体系的有效火力打击能力为432,有效防护抗击能力为3780,整体能力之和为4212.

通过构建网络化作战体系,将多种目标通过多层异构网络实现相互关联,获得如图7和图8所示的网络特性,其中图7为最短链路长度分布,图8为相邻节点度分布.由图可见,该网络体系链路长度分布较广,大部分节点度数较低,个别节点度数较低但处于枢纽地位.

针对该作战体系,基于不同数量规模的打击约束(n=2,4,6,8),通过NSGA-II多目标优化方法本文获得如图9所示的4种关键目标节点破击策略.

各个策略相应的有效火力打击能力EFA和有效防护抗击能力EDA如表2所示.由此可见,精确的关键目标选择能够有效削弱作战体系整体能力,为“击节–断链–瘫面”行动提供决策支持.

5 结论

聚焦信息化条件下的联合作战指挥决策,本研究深入讨论作战究竟该“打什么”这一核心问题.本文将错综复杂的战场目标通过网络化的形式进行展现,并设计有效的体系整体能力指标用于挖掘关键目标节点.这种经过严格优化计算的目标分析选择有助于实现科学决策,是“精算、深算、细算”的集中体现.需要指出的是,本算法计算复杂度随着网络节点数目、目标破击数量和整体性能指标计算难度的增加而大幅增长,在保留结果准确性的同时提升计算效率将是下一步的研究重点.

表2 作战体系能力变化