基于贝叶斯网络的常规导弹反舰作战效能评估

舒健生，姚 群，武 健，刘 畅，张斌伟

（火箭军工程大学初级指挥学院，西安 710025）

0 引言

常规导弹反舰作战是信息化条件下新兴的作战样式，整个作战体系在机械化、信息化浪潮的推动下，呈现出组织结构多元化、战场态势实时化、指挥流程高效化、部队行动迅速化、火力打击精准化等一系列特点，逐渐形成了一体化指挥平台下的多军种联合作战样式，对海上来袭舰艇构成了强大的威慑力。然而，在缺乏实战基础的情况下，仅仅通过装备测试和实兵演练对常规导弹反舰作战效能进行评估和论证，不仅耗时耗力，而且整个作战过程的复杂性和不确定性因素太多，基于小样本的实验根本不能够给出科学合理的结果。因此，开展常规导弹反舰作战效能的评估对优化作战流程、提升装备性能以及提高我军对海作战的实战化水平将显得意义重大。

分析已有的文献，主要集中在对反舰作战突防和毁伤方面进行的研究［1-2］，对常规导弹反舰作战总体作战效能进行评估的研究还比较少。为此，本文围绕常规导弹反舰作战效能评估展开分析研究，通过分析作战流程，构建评估指标体系，建立基于贝叶斯网络的效能评估模型，在满足时效性要求的前提下，利用贝叶斯网络评估模型的评估结果对作战体系的作战效能进行分析评估。

1 常规导弹反舰作战的体系构成

反舰武器种类繁多，依靠单一平台独立完成作战任务的武器不在少数。当前，使用常规导弹进行反舰作战已悄然兴起，其武器装备的发展和作战理论的研究还处于评估论证阶段，其作为一种新兴的作战样式，发展前景备受好评，在未来的海空天一体化防御系统中将占据重要的位置。

1.1 作战力量分析

我们理解的传统意义上的反舰作战就是海岸上火炮对临岸敌舰的轰炸，望远镜和大炮是主要的装备。而现代意义上的反舰作战是非接触性的，卫星临空全时段侦察，精导武器千里之外命中。完成这一系列工作主要由4个部分构成——情报保障、指挥控制、部队行动和火力打击。

情报保障指的是情报部门对舰船目标的全时段侦搜、发现目标后的精准定位、锁定目标后的信息融合处理和打击后的目标态势及时反馈。其主要由卫星探测装备、信息传输系统和信息处理系统等完成，为指挥机构决策部署提供详尽数据情报，为火力单元提供精准目标信息，为整个作战行动提供信息支撑和情报保障。

指挥控制指的是指挥机关的决策部署、任务规划、作战筹划、方案计划以及各级指挥机构之间的目标信息传达、指挥命令下达和反馈。其主要由通信卫星、通信网络和一体化指挥平台等系统完成，为整个信息流的闭环提供强有力的保障。作为整个作战体系的中心和大脑，在作战行动中占据着不可替代的位置。

部队行动指的是部队从接到上级作战命令至完成导弹发射准备这一阶段的所有工作，主要包括部队集结、机动、伪装以及发射准备工作，是将上级指示命令落实到任务执行环节的重要层级，是作战行动的直接组织和参与者，在整个作战行动中起着举足轻重的作用。

火力打击指常规导弹发射装备从点火发射至完成打击任务的整个过程，主要由火力单元和武器平台完成，包括导弹飞行、制导、突防、命中及摧毁，是整个作战行动的最终执行者，是能否顺利实施打击和完成作战目标的关键环节。

1.2 作战流程分析

常规导弹反舰作战基本作战流程分为作战准备和作战实施两个阶段，本文主要对作战实施阶段的作战效能评估进行分析研究。这一阶段指的是情报保障部门进行目标侦察至导弹发射单元实施发射，最终完成作战任务的整个过程，简要流程如图1所示。主要作战行动包括：

图1 常规导弹反舰作战实施阶段流程图

1）海洋监视卫星系统侦察到舰艇目标，获取目标实时位置数据，处理生成舰艇目标指示信息，并传送给指挥机构。

2）指挥机构接收到目标指示信息后，迅速进行决策部署和任务规划并向作战部队下达发射命令。

3）作战部队根据上级命令和任务规划进行发射规划，同时迅速反应，组织部队机动，到达发射阵地后进行伪装隐蔽和发射前的准备工作，等待指挥所下达点火命令。

4）发射单元接收到点火命令后，导弹发射升空，经过飞行、制导、突防，最后命中目标，完成作战任务。

2 常规导弹反舰作战效能评估指标体系

为了能够科学合理地对常规导弹反舰作战效能进行评估，就需要采用一些定性和定量的尺度对其作战能力进行度量，这种尺度就称为指标。通过对常规导弹反舰作战体系基本的力量构成，以及作战实施阶段的流程进行分析，梳理总结出能够对常规导弹反舰作战进行效能评估的指标体系。首先，结合作战特点和流程分析，对评估指标的选取进行分析考虑；然后，再根据分析结果，对效能指标体系进行具体构建。

2.1 指标体系选取的种类

本文研究的作战行动是一个包含多种要素和环节的作战行动，其作战能力的最终体现是能否成功完成打击，命中来袭目标。通过对体系作战特点和流程的具体分析，其体现出的时效性和稳定性是整个作战体系效能发挥影响最大的两个特性，基于此，在指标选取上分为时间性指标和功能性指标两大类。

2.1.1 时间性指标

这一类指标遵循的是整个作战流程的联通闭环，针对舰艇这一类时敏目标，满足时间窗口是作战成功的前提，对时间的把握就是对战机的把握，所体现的时效性尤为突出。在时间类指标的选取上，根据作战流程，梳理各环节时间指标，建立时间集合。

2.1.2 功能性指标

这一类指标就是通常用来描述武器装备性能的指标，由于作战系统过于庞大，整个作战过程涉及要素较多，影响最终作战效能的指标也相对繁杂。因此，在指标的选取上，遵循指标选取的系统性、全面性、客观性、独立性及简明性等原则，构建科学精细、合理实用的指标体系。

2.2 构建评估指标体系

通过对指标选取种类的分析，结合作战流程和作战特点，在征求了常规导弹反舰作战领域专家教授的基础上，建立了常规导弹反舰作战效能评估指标体系。该指标体系从情报保障效能、指挥控制效能、部队行动效能以及火力打击效能4个一级指标分16个二级功能性指标和12个时间性指标对常规导弹反舰作战效能进行评估［3-10］，具体如图2所示。

图2 常规导弹反舰作战效能评估指标体系

3 基于贝叶斯网络的常规导弹反舰作战效能评估模型

3.1 贝叶斯网络模型

贝叶斯网络［11-12］是用于不确定环境建模和推理的图形结构。其主要是由N个节点构成的一个有向无环图，通常可以用 N=〈〈V，E〉，P〉来表示。其中，〈V，E〉指的就是构成贝叶斯网络的这样一个有向无环图G，V={V1，V2，…，Vn}表示的是图G中的节点变量，E表示变量对应节点之间的有向边集合，P表示的是一个节点与每个相关节点的条件概率分布。在一个有向无环图中，节点Vi到节点Vj为一条有向边，用（Vi，Vj）来表示，则称Vi为Vj的父节点，Vj为Vi的子节点，没有父节点的节点称为根节点，没有子节点的节点称为叶节点。

结合贝叶斯网络的特点和构建的指标体系，对常规导弹反舰作战效能评估进行模型的建立，结果如图3所示。

图3 作战效能评估贝叶斯网络模型

3.2 节点参数的确定

通过学习贝叶斯网络的知识，总结出贝叶斯网络模型主要由贝叶斯网络结构和节点之间的概率分布。因此，在确定贝叶斯网络结构之后，就需要给出贝叶斯网络的概率分布，其中，贝叶斯网络的概率分布包括根节点的先验概率和子节点的条件概率。具体求解步骤如下所示。

3.2.1 根节点先验概率

贝叶斯网络根节点的先验概率是进行最终评估的基础，通过对常规导弹反舰作战效能评估指标体系进行分析研究，本文提出了基于隶属度加权的根节点先验概率方法，具体分3步进行求解。

Step 1：细化根节点指标，分析根节点具体影响因素，选取可量化的子指标，最后构建根节点的分化指标体系。

Step 2：采用熵权法［13］确定根节点子指标的权重。

而后，计算各子指标的熵，令第i个子指标的熵为 Hi，则

最后，计算各子指标的权重，令第i个子指标的权重为 ωi，则

3.2.2 子节点条件概率

在确定贝叶斯网络子节点条件概率上，本文采用专家经验打分和统计分析的方法，最终形成子节点的条件概率（CPT）。具体的确定方法通过举例来说明，如图4所示。

图4 三节点的贝叶斯网络结构图

在A、B、C 3个节点所构成的贝叶斯网络中，A、B为根节点，C为子节点。首先，设父节点A、B的属性等级V={好，差}，子节点C的属性等级V={好，一般，差}；而后，邀请专家评定打分，对C在A、B各自属性等级发生的情况下的属性等级进行评定打分；最后，统计专家打分结果，如表1所示，n11为A、B属性等级均为好的情况下，有n11个专家评定C的属性等级为好，同理可得其他情况下的条件概率，最终确定子节点C的CPT。

3.3 基于Netica软件的作战效能评估模型仿真

本文采用贝叶斯网络仿真软件Netica对所建立的评估模型进行仿真实验，通过对评估网络模型和相关节点的学习，本节主要是利用Netica软件实现最终的评估结果。首先，结合指标体系和贝叶斯网络模型，在Netica中进行模型的建立；而后，输入所有根节点的先验概率以及子节点的CPT；最后，运行软件进行效能评估仿真，由此得到最终的评估结果。

表1 节点C的CPT

4 实例解算与分析评估

对于常规导弹反舰作战效能评估问题，首先是应当整个体系进行时效性的评估，而后对作战体系进行功能性的评估，最后，综合两方面特性进行总体评估。

4.1 常规导弹反舰作战效能的时效性评估

常规导弹反舰作战面对的是海上大中型慢速移动目标，属于时敏性目标，从目标的发现到最后的实施打击，整个作战过程对时间的掌控和要求都特别严格，这也是作战体系完成作战任务的基本前提和保证。通常，设定作战体系在作战过程允许使用的时间为“时间窗口”，在本文中，时间窗口m与导弹的末制导范围和舰艇的最大航速有关，即m=S/v，S为导弹的末制导范围，v为舰艇的最大航速。同时，设定作战体系从目标发现到导弹完成前段飞行实际使用时间为作战体系的实际能力，称为“杀伤链长度l”。具体关系如图5所示。在常规导弹反舰作战效能评估中，首先必须判明l与m的大小，只有当l≤m时，才会进行下一步的功能性评估，否则将认定此次作战在时间上失败的可能性极大。本文设定l≤m，作战行动满足时效性要求。

图5 时间窗口和杀伤链关系示意图

4.2 常规导弹反舰作战效能的功能性评估

按照整个仿真实验的步骤，利用Netica进行仿真的具体流程如下所示。

图6 常规导弹反舰作战效能评估网络图

Step 1：构建贝叶斯网络模型。

结合2.2节构建的指标体系和3.1节建立的贝叶斯网络模型，利用Netica构造贝叶斯网络模型，如图6所示。

Step 2：输入根节点先验概率和子节点CPT。

由于篇幅原因，不一一列举先验概率和CPT的计算过程以及所有参数的输入过程，本文列举节点E1的CPT输入过程，如图7所示。

Step 3：实现评估结果。

完成所有参数输入后，运行仿真软件，即可得到评估结果，如图8所示。通过仿真实验，可以看出，整体作战效能评估结果为好。在情报保障效能中，目标信息处理能力最强，而目标探测能力还有待提高；在指挥控制效能中，态势感知能力最强，而指挥决策的效率还需要加强；在部队行动效能中，实装操作能力很强，而部队机动能力还存在短板；在火力打击效能中，发射装置的稳定性很高，而导弹突防能力还比较弱，严重影响了总体的作战效能。

图7 节点E1的CPT输入

5 结论

本文通过分析作战体系结构和基本作战流程，建立了具备时效性和功能性的常规导弹反舰作战效能评估指标体系，并分别从时效性和功能性对作战效能进行评估。以时效性为前提，在满足时效性的基础上，提出了基于贝叶斯网络的评估方法，给出了具体的评估过程，通过算例，利用Netica仿真软件，对评估方法的有效性和实用性进行了论证，并结合评估结果进行了简单的分析。但是，在常规导弹反舰作战过程中，不确定因素和不可控因素太多，因此，对于评估模型的有效性还需要进一步结合实践的具体数据进行检验，整个评估体系还需要不断的更新和优化。

图8 仿真结果