基于网络中心战的两舰作战耦合与同步∗

张弘弨 王昕霄 彭京徽

（海军工程大学兵器工程学院 武汉 430033）

1 引言

随着高新科技信息技术的发展，战场形态表现出远距离大纵深作战的非线性特性和高度的不确定性，形成了高新技术条件下局部联合作战的基本战争形态［1～2］。为应对来自海洋上威胁，需要对网络中心战下的编队联合作战系统展开研究，考虑到该系统的复杂性，可采用由简单子系统上升到整体系统的研究方法。双舰协同作战是编队联合作战最简单的形式，是编队联合作战问题研究的基础，其中耦合与同步问题是网络中心战的核心概念［3］。为完善编队联合作战协同形式，提高网络中心战下编队联合作战能力，需首先解决双舰协同作战下的耦合与同步问题。

耦合动力学系统中的同步现象在物理学、数学和理论生物学等领域已经研究了很多年，已成为非线性科学的研究热点之一。1990年Pecora和Car⁃roll提出混沌同步方法［4］。20世纪对同步问题的研究主要集中在有规则拓扑结构的常规网络［5～6］。近年来复杂网络同步理论的研究得到快速发展［7～9］。其中，文献［3］从同步的稳定状态和行为一致性效果出发，给出了基于任务的作战同步能力量化方法。文献［10］从作战单元动力学行为和网络拓扑结构两个方面，对同属性作战单元的作战同步内在机理进行建模分析。

本文在两舰互连的结构下，引入舰艇状态变化的概念，借鉴了作战动力学的思想，对两舰协同作战的耦合与同步问题进行研究，重点分析单舰、双舰组成的子系统的状态变化特性，研究两舰互连情况下的信息耦合作用方式和作用效果。

2 两舰作战的耦合形式

在平台中心战中，单舰的传感器、武器与指挥控制系统（C2）紧密联系，单舰C2节点通过舰艇内部线路与自身传感器相连从而获得对外界战场态势的有限感知，并通过所获得的目标信息引导本舰武器打击目标。舰艇间通过本舰的C2节点互连，形成如图1所示连接A，由于受到线路带宽的限制，一般只能交换简单的作战状态信息。

图1 连接A

连接A中，传感器之间没有形成互连，单一的本舰传感器往往不能足够准确的跟踪、定位、识别某些类别的目标。两舰间较弱的连接使得舰艇之间很难形成作战同步。编队内舰艇无法全面掌握当前作战态势，很难根据整个作战空间内的突发事件快速地做出任务调整和应对。

在信息互连的网络中心战中，每艘舰艇的感知、C2和武器等各个节点通过高带宽的鲁棒的数字数据链路连接成网络，形成如图2所示的连接B，舰艇间共享整个战场感知视图、编队状态视图等高容量、高质量和高实时性的信息流。舰艇按照预定的作战方案和职能分配执行作战任务，独立根据作战态势做出决策。

图2 连接B

在连接B中，由于传感器网络的互连，能够克服单个传感器受到地形、环境、目标机动等造成的探测不确定性，形成了较高水准的作战空间感知能力。根据实时提供的各方作战状态信息，编队内舰艇可快速做出决策反应，根据作战态势对作战行为进行调整。但由于缺少统一的调度管理中心，难以形成同步。编队内舰艇可在攻击和防御中会出现目标遗漏、重复打击等作战协同不力的情况出现，造成弹药浪费、威胁升级等后果。

在统一任务调度的网络中心战中，作战空间态势信息、编队作战状态信息、后勤支援信息等在感知、控制和执行节点中共享，并通过统一的控制调度中心来对信息和资源进行调配，达到资源使用的最优化和作战效果的最大化，如图3所示连接C。

图3 连接C

在连接C中，由于传感器、武器和单舰指挥控制节点充分互连和控制中心的统一调配，舰艇可在全作战空间信息共享的基础上能够协调目标分配，统筹资源配置，控制编队内舰艇的角色变换，根据作战态势的变化动态调节作战任务，实现编队舰艇的高效同步，实现了整体大于部分的总和的目的［11～12］。

3 两舰的状态同步

3.1 舰艇状态的变化

在作战过程中，舰艇的作战状态在不同的离散时刻下，可归纳为空闲、攻击、补给三种离散状态，舰艇在这三种状态间的变化即为相变，如图4所示。

图4 单舰状态的相变

引起相变的关键状态变量为目标信息量和弹药剩余量，目标信息量即为待攻击目标序列数量。在空闲状态下，目标信息量为零，弹药剩余量不变；在攻击状态下，舰艇的攻击目标信息量将减少，弹药剩余量将减少；在补给状态下，弹药剩余量增加。舰艇状态相变的伪代码表示为

3.2 状态同步的定义

在两舰组成的子系统中，两舰间通过建立作战协同关系，形成了一个耦合子网，产生同步效果。网络中心战的同步效果主要体现在对信息的共享、对目标的同步打击以及后勤补给的协调上。

在两舰互连的简单耦合子系统中，同样可体现信息共享、同步打击和协调补给所实现的同步作战效果。同步定义如下：

定义1：如果耦合系统的状态变量满足关系：称耦合系统达到了完全同步状态，其中X(t)表示系统状态变量，s(t)为耦合系统状态变量的解。

定义2：如果耦合系统的状态除了时间延迟外，状态变量几乎一样，即：

称耦合系统达到了延迟同步状态。

研究两舰的状态完全同步和延迟同步的现实意义在于：当两舰处于完全同步状态下，可实现对目标的完全火力打击和集中供给，对目标的完全火力打击可集中时间和力量打击有价值目标，同时统一调度供给力量，提高供给的使用效率；当两舰处于延迟同步状态下，两舰不同时进入攻击状态或补给状态，单舰补给时另一舰处于战斗状态，这样可形成对目标的持续打击和对我方舰艇的持续防护。

4 仿真与分析

采用Repast提供的多Agent的程序设计思路，设计为Enemy和Ship两个Agent类，分别定义其方法属性。由这两类实例化为若干Enemy类的实例列表和ShipA与ShipB的两舰实例。程序流程如图5所示。

设定一次战斗的时间为5s，以每0.05s为一个时间步长；目标的出现量和处于两舰可探测区域内的位置完全随机，其中在每个步长时间目标出现量服从［0，4］内的均匀分布；设定A舰和B舰在各自可探测区域内对目标的发现概率为0.95；两舰对目标的命中概率设置为0.95；每舰的最大载弹量为10个单位，每进行一次攻击弹药消耗量为1个单位，每一次补给可补充的弹药为2个单位，补给时间为5个时间步长。

共对四种两舰不同信息互连和同步关系进行了仿真，包括：1）目标信息不共享不分配方式；2）目标信息共享不分配方式；3）目标信息共享且完全同步方式；4）目标信息共享且延迟同步方式。每种方式在目标随机出现的方式下独立运行20次取评估指标的平均值并从以下六个方面进行加以分析：（a）目标剩余视图；（b）目标剩余量；（c）每个时间步长内消灭目标数量；（d）每个时间步长内两舰的状态变化（数值“1”表示处于攻击状态，数值“0”表示处于空闲状态，数值“-1”表示处于补给状态）；（e）两舰同步攻击时间和同时补给时间的累计；（f）两舰同时处于空闲和补给状态时的目标数量。

图5 程序流程

1）目标信息不共享不分配方式

在此方式下，两舰单独探测目标信息，目标信息不共享给另一舰。仿真结果如图6。

图6 目标信息不共享不分配方式的仿真结果

由于没有完全的共享目标信息，杀伤目标只占总目标量的46%，可从图（f）中看出，两舰由于无法完全获取目标信息而造成了战斗力的闲置。由图（d）可看出两舰的大量时间处于空闲状态，但存在的目标数量仍在不断上升（图（b））。可见在此状态下，舰艇的攻击力无法完全发挥，对目标的打击效果比较差，持续攻击时间较短，两舰间基本无法形成有效的同步。

2）目标信息共享不分配方式

在此方式下，两舰共享目标信息，但在两舰间不分配目标量，两舰通过共享的目标视图随机的选择攻击目标，各自的状态给对方不造成影响。这种方式的仿真结果如图7。

图7 目标信息共享不分配方式的仿真结果

由于充分共享了目标信息，图7（b）中每时刻中存在的目标数量就与图6（b）有了明显的不同，目标数量不再持续上升，而是能够较快被消灭，战场上需打击的目标数量较少。由于战斗力的充分利用，总攻击时间在全部作战时间中的比例有所提高。可见此状态下，两舰通过对目标信息的完全共享，基本能够发挥最大的攻击力，但由于没有采用任何同步机制，因此没有对目标造成短时间内的大的杀伤量，在攻击时间上也没有形成持续性。

3）目标信息共享与分配与全同步方式

在此方式下，为了达到同步攻击的目的，在两舰间调配目标量，以实现同步攻击、同步补给的效果。图8给出了该种方式的作战仿真结果。

图8 目标信息共享与分配且完全同步方式的仿真结果

由图（b）可见，由于两舰状态的同步，在攻击状态时，战斗力会同时释放，而在补给状态时，战斗力会同时消失，因此对目标量造成的影响就是目标量会在某段时刻大量增加而在某段时刻大量的减少至零。从图（d）中可见两舰同步的状态效果。从图（f）中可以看到，尽管作战贻误时间为0，但由于两舰处于同时补给的时间较长，在同时补给的时间内目标数量呈大幅度增加趋势。可见完全同步方式，对目标的打击力量能够在短时间内集中实现，对目标造成的短期杀伤程度较大，但处于攻击时间在总作战时间中的比例相对不大，即很难保持持续的攻击能力。

4）目标信息共享且延迟同步方式

充分共享目标信息的前提下，采用延迟同步的两舰同步方式。这种方式的仿真结果如图9。

由图（b）可见，在延迟同步攻击模式下，目标在某时刻的数量增长不会如图8（b）所呈现的大幅度的增长和减少，而是在不断的持续打击下，目标数量维持在一个较低的水平。从图（d）中可见两舰的攻击状态在全作战时间中基本保持了连续性。在此状态下，两舰通过延迟同步实现了在战场上保持攻击状态，能够持续对目标展开攻击。过程中对目标高度杀伤量的比例较小，通过对战斗力的平均分配实现了战斗力的持续性。

图9 目标信息共享与共享且延迟同步方式的仿真结果

5 结语

针对网络中心战下两舰协同作战的耦合与同步问题，分析了两舰间基于目标信息共享和分配的不同耦合方式，提出了两舰间完全同步攻击和异步延迟攻击两种协同模式。通过仿真结果表明：两舰间在充分共享目标信息的条件下，作战能力将得到较大程度上的发挥，对战场中目标打击效果比无共享目标信息情况下有显著提高；通过对目标量在两舰间的共享分配可形成两舰状态的完全同步和延迟同步两种作战模式，分别实现对目标的集中打击和持续打击，使两舰的战斗力得到充分的发挥。

本文仅停留在对简单子系统的研究，在此基础上可对更高一层次的子系统间的关系以及不同功能子系统间的关系进行研究。如态势群间关系、作战组织群间关系等，具体可在如何介入作战体系以实现作战任务的协同等方面做出研究。