网络化作战体系关键目标打击筹划研究

杨国利 李云龙 王宁

1．解放军66136 部队北京100042 2．中国国际工程咨询有限公司北京100044

近年来随着战争形态的不断演进,作战体系日益呈现网络化特征,各个目标通过逻辑流和信息流进行有机关联形成多层异质复杂网络,实现联合聚能、整体释能[1−3].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打击筹划需要在单个目标特性分析的基础上进行升华,从整体出发认识体系,围绕作战任务进行目标选择,立足作战效益组织打击筹划[4].

为实现作战目的,目标保障需要紧紧抓住“打什么、怎么打”这一指挥员最关注的问题,着眼体系破击、权衡利弊、精打要害,力争以小的代价换取大的战果.其中“打什么”这一问题的关键在于精确目标选择[5−6],而“怎么打” 这一问题的关键在于科学打击筹划[7].鉴于不同目标在不同任务中发挥着不同的作用,一些目标在某些任务中地位重要,但在另外一些任务中可能无足轻重,因此,需要面向具体任务选择打击目标.另外,目标与目标之间存在复杂的关联关系,打击某个目标可能会引起其他目标的能力发生变化,导致级联失效,进而影响打击效果,因此,进行打击筹划需要全面考虑目标打击顺序和力量协同.

关于各种群体、组织、网络中的关键节点挖掘研究已经取得了相当丰硕的成果[8−10],主要体现在两方面.一是从运筹优化的角度出发,Kempe、Goyal、Chen 等人运用贪婪算法、进化算法等求解能够造出大规模级联失效的关键节点集合[11],特别是针对网络关系的不确定性和网络规模的可扩展性做出了深入研究[12−13].二是从体系重心的角度出发,Kitsak、L¨u等人通过设计各类启发式指标,例如中心度、介数、特征值、K-shell、PageRank、HITS 等[14−15],来刻画体系中的关键节点.基于这两类方法衍生出许多经典的目标选择理论,包括工业网理论、五环目标理论、重心理论等[16−17].然而,越来越多的实际情况表明,一些选择的关键节点由于现有兵器能力不足或当前打击资源有限而不能实施有效破击,因此,在开展目标保障研究中不仅需要考虑选择哪些目标进行打击的问题,而且还需考虑如何运用现有资源开展打击筹划的问题.

基于网络化作战体系进行关键目标打击筹划的核心问题就是立足现有打击兵器如何通过设计打击顺序和打击组合来实现打击代价的最小化.众所周知,在网络化作战体系中各个节点能力的有效发挥依赖其他相关联节点为其提供的信息支撑、资源保障和防御力量[6].针对网络化作战体系展现出多层异质特性,进行关键目标打击筹划首先需要构建多层异质网络明确系统组成、节点关系和运行机理;然后针对关键目标开展打击可行性分析,立足目标突防计算目标打击顺序对弹量消耗的影响;最后根据现有资源约束,对打击目标进行合理组合,最终提出最优打击方案实现打击代价最小化.

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,按照一定的指挥关系、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.实际情况下的目标体系有多种划分,按敌我性质可分为打击类目标和防卫类目标;按部署方式可分为固定类目标和移动类目标,按功能类别可分为政治、经济、军事、民生类目标等.对于交通(例如桥梁、隧道、车站等)、电力(例如发电厂、变电站等)、油气(例如炼油厂、供气站等)、工厂(例如造船厂、汽车厂等)、机关(例如政府部门、研究机构等)等政治、经济、民生类目标,其对作战行动的影响十分巨大,但又难以定量定性刻画,因此,本研究暂不考虑这些目标,而是聚焦于与作战行动直接相关的目标,以网络化形式展现其组成结构和运行机理,为开展打击筹划提供数据基础.

具体而言,进行网络化目标体系构建需从系统论的角度出发,综合考虑目标个体的物理特性和目标之间的相互作用.为全面展现目标体系的“整体性、特殊性、关联性、动态性”[16],其构建过程需要按照“先目标组成,后结构关联,再运行机理” 的步骤实施.

1.1 目标体系组成

根据目标功能特性,典型目标体系通常可以分为:侦察预警系统(R)、指挥控制系统(C)、防空反导系统(D)、火力打击系统(F)、网电攻击系统(I)和综合保障系统(S)6 类.其中,侦察预警系统主要由各类固定、机动侦察预警力量和与其相配套的设施构成;指挥控制系统主要包括各类指挥机构和指挥通信网络等;防空反导系统主要由海上、陆上、空中各种防空反导设施、装备和力量组成;火力打击系统主要由地面、海上、空中和太空各类作战飞机、舰艇等火力平台构成;网电攻击系统主要包括通信干扰、电子对抗、雷达干扰、网络攻防力量等;综合保障系统主要由直接服务于作战的油料、弹药、军械仓库和维修库组成.

1.2 网络结构关联

体系结构决定体系功能,目标与目标之间结构关联是网络化作战体系的核心内容,能够实现个体特性和整体功能的耦合.基于FINC 模型[2,18],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.上述5 种关系将目标体系通过信息流和逻辑流交织在统一的时空维度中,进而形成要素完整、功能齐全的多层异质网络,如图1所示[6].

图1 网络化作战体系示意图

需要指出的是,上述5 种关系是网络化目标体系中目标与目标之间的典型关系,其表现形式可以为通过通信链路传输的信息流,例如侦察预警目标捕获情报信息,通过光纤、微波等通信手段,上报至指挥控制节点,形成上报关系;而又有一些关系,其存在不依赖信息流的作用而是基于特定规则的逻辑关联,例如地空导弹阵地对某机场的防护关系,二者之间没有信息链路,但是二者之间存在潜在的逻辑关联.

1.3 体系运行机理

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,其中侦察预警目标是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;指挥控制目标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;防空反导和综合保障目标是体系免于打击和生存延续的重要支撑,是持续作战的有力保证;火力打击和网电攻击目标是转化信息优势和决策优势为力量优势的主要抓手,是发挥武器效能的直接手段.体系整体能力的发挥依赖“侦察决策防护保障打击”链路的完整性,如图2所示.

2 目标突防分析

基于网络化作战体系,对于给定的关键节点打击目标清单,如何立足现有打击武器进行目标突防,尽可能地降低作战代价、提高作战效益是目标保障工作的重要组成部分.鉴于侦察预警、防空反导、火力打击、网电对抗等防御手段对来袭打击武器可能造成不同程度的软硬杀伤,对所选定的打击目标,需充分考虑打击路径上的防御力量,并将其列入打击对象综合筹划、逐个破击,才能有效实现作战意图,降低打击代价.

对于所选定的目标和相关联的防御力量,以什么样的顺序进行打击,最终突防成功率是不一样的,所产生的代价成本是不同的,对作战行动甚至作战全局所产生效益也是不同的.进行目标突防分析,需重点考虑将那些毁瘫后能对其他目标造成连带影响或级联失效的目标作为优先打击对象,从而能够有效降低打击代价.

网络化作战体系中各个目标之间通过一系列关系将信息和功能进行耦合,实现OODA 链路的闭环.以图3所示的目标突防示例中,在打击目标F过程中,侦察预警目标R能够及时发现来袭武器,并将其上报至指挥控制目标C1,经过信息融合和决策部署,指挥控制目标C2 组织防空反导目标D对来袭武器实施防御拦截.因此在对目标F 实施打击的过程中,需要充分考虑目标R、C、D对其打击效益的影响.

1)先打击R,后打击F:能够造成侦察预警信息的缺失,进而无法进行相应的指挥决策,导致防空反导目标不能有效展开实施拦截,最终目标F得不到防护而被摧毁.

2)先打击D,后打击F:侦察预警信息经C1、C2融合决策,防空反导目标D对来袭武器实施拦截直至其被摧毁,最终目标F在D遭受打击之后得不到防护而被摧毁.

3)先打击C,后打击F:侦察预警信息经C1 融合决策,但由于C2 遭到打击而无法传递至防空反导目标D,进而不能有效展开实施拦截,最终目标F得不到防护而被摧毁.

需要指出的是,对于同类目标,彼此之间存在相互协同、相互配合的关系.例如防空反导目标中的中段拦截武器、末端高空拦截武器和末端低空拦截武器之间形成一段两层式或两段三层式拦截网络,打击顺序不同打击效益也大不相同.另外,对于不同类的目标,在网络化体系中存在一些目标对于其他目标起到重要的支撑作用,打击顺序不同也会导致打击效益的差别,例如侦察预警目标对防空反导目标的信息支援作用有助于其及时进入打击状态最大发挥防护效能.

图2 网络化作战体系运行机理示意图

图3 目标突防分析示意图

综上所述,考虑到目标本身的特性以及目标之间的关系,打击武器对于不同的打击目标所付出的代价是不一样的,在有防护条件下对目标实施打击和无防护条件下的打击所需的耗弹量也大不一样.尽管都是针对同一目标(即目标F)实施突防,上述3种打击方案由于打击顺序、打击目标的不同导致不同的作战效费比.因此在可行打击目标清单中,需要统一纳入所选定目标相关联的防御、指控、预警目标等,最后根据弹量消耗量的多少对不同的打击方案进行优选排序.

3 目标组合优化

鉴于可行打击目标清单中可能包含多个需要打击的目标,而每个目标又有大量与其关联的防御力量,因此,需要通过打击目标协同解决多个可行打击目标之间的打击顺序和组合优化问题.理想条件下(即具有足够数量与目标匹配的打击武器与弹量),对所有选定目标同时并行实施打击即可实现作战意图,但是由于弹目匹配约束和武器数量的限制,现实情况下不可能做到多个目标同时打击.因此,对于需要打击的关键目标集合以及与其相关联的防御、指控、预警目标,需在弹目匹配和现有武器数量的约束下,根据弹量消耗总量来对打击方案进行优化排序.通过打击目标组合优化能够有效利用目标在网络化体系中的级联失效作用,降低代价成本,提升作战效益.

其中,c(t,i,j)为在第t波次内使用武器i打击第j个目标的弹量消耗,m(i,j)为弹目匹配函数,m(i,j)= 1意味着二者匹配,Ci为单位波次内武器i的最大可用数量.求解上述优化问题即可获得目标打击协同表,例如在表3所示的目标打击协同示例中可以看出,为实现作战意图需要打击Ti,Tj和Tk3 个目标,而这些目标相关联的防御、指控、预警目标有T1,T2,T3,···,T7.对于Ti,T j和Tk这3 个目标,其各自涉及的目标打击顺序为:

1)T1.→T2.→T3.→Ti

2)T4.→T5.→T2.→T6.→T j

3)T4.→T5.→T7.→Tk

其中,T2 为Ti和T j共同关联目标,T4、T5 为T j和Tk共同关联的目标.根据目标打击协同表,打击目标T5 需要T4 都被打击之后才能进行,而T1 与T4、T5之间不存在顺序约束关系,可并行实施,当且仅当T1、T4、T5 都被打击之后才能对T2、T7 实施打击.另外,各个目标对应的打击武器(W1,W2,W3)需符合弹目匹配和武器数量的约束.

表1 目标打击协同表

4 案例分析研究

本研究针对假定作战体系进行网络化模型构建,并选定关键目标开展打击筹划.在该典型目标体系中,共有主要目标19 个,其中指挥控制目标4 个,侦察预警目标7 个,防空反导目标6 个,火力打击目标2 个.各个目标之间的关联关系和能力作用范围如图4所示.在该作战体系中,指挥控制目标C2 为联合指挥中枢,其接收情报指控中心C0 的战场信息,并对反导指控中心C1 和打击指控中心C3 进行指挥控制.侦察预警目标R0、R1、R2,···,R6 等将战场态势汇聚于C0 进行情报融合.反导指控中心C1 对中段反导目标D0、末端高层反导目标D1 和末端低层反导目标D2、D3、D4、D5 等进行指挥控制,其中D0 可为C0、C1、C2、C3、R0、R1、R3、D1、D2、D3、D4、D5、F0、F1 等目标实施中段防御拦截;D1 可为C0、C1、C2、C3、R0、R1、R3、D3、D4、D5、F1等目标实施末端高层防御拦截;D2 可为F0,D3 可为R3,D4 可为C2、F1,D5 可为C0 提供末端低层防御拦截.打击指控中心C3 对火力打击目标F0、F1 进行指挥控制.

图4 网络化作战体系结构与能力示意图

4.1 目标FFF0 打击筹划

针对某作战任务,需要对关键目标F0 开展打击筹划.考虑到其相关联的目标在网络化作战体系OODA 中可为其提供预警信息、反导防御和决策支持,故需要将这些目标统一纳入打击清单开展打击筹划,力争用最小的弹量消耗取得毁伤F0 的目的.由图5可以看出对于打击F0,侦察预警类目标R0、R2、R3 和R6 为其提供预警信息,防空反导类目标D0 和D2 为其提供防御拦截,指挥控制类C0、C1、C2 为其提供决策支持.

图5 打击目标F0 涉及的关联目标示意图

根据打击武器和打击目标之间的弹目匹配关系,选定适宜性打击武器,自西北方向,以1 000 m/s 的速度向F0 实施打击,各个关联目标为其提供的预警、反导、决策支持情况如表2所示(表中相关性能参数皆为假定数据).由此可见,各个目标性能的发挥依赖于“从情报到决策再到打击”链条的完整性,进行体系破击必须组织开展科学的打击筹划,选取合适的目标按照特定的顺序实施打击,以实现打击效益的最大化.

在此案例中,假设各个目标的毁伤要求设置为中度毁伤,其中侦察预警类目标需消耗弹量1 枚,防空反导类目标需消耗弹量1 枚,指挥控制类目标需消耗弹量30 枚,火力打击类目标需消耗弹量10枚.按照上述提出的打击目标协同方法,本研究在弹目匹配和现有武器数量的约束下,对F0 相关联的R0、R2、R3、R6、D0、D2 等目标进行打击顺序和协同的优化求解,共获得9 000 余种打击方案,如表3简要所示.其中,方案0:不先行打击关联目标,直接打击F0,消耗弹量25 枚;方案1:先打击D2,后打击F0,消耗弹量23 枚;方案2:先打击D0,后打击F0,消耗弹量22 枚等.

鉴于各个目标之间彼此关联,打击侦察预警类目标、防空反导类目标、指挥控制类目标所带来的影响不尽相同.各个方案对应的序号和弹量消耗对应关系如图6所示,可见打击不同的关联目标,以不同的打击顺序、按不同的组合进行打击,会造成很大的打击成本差异,弹量消耗成本在16 枚～43 枚之间波动,最优打击策略为第4 方案,其弹量消耗仅为16 枚.

表2 F0 关联目标性能表

表3 F0 目标打击方案表

图6 F0 打击方案与弹量消耗对应关系图

对于最优打击方案(图7),其首先在第1 波次打击目标D0,消耗弹量4 枚,削弱目标体系中段拦截能力;尔后在第2 波次打击目标D2,消耗弹量2 枚,削弱其末端低空拦截能力;最后在没有防御拦截的条件下,打击F0,只需消耗弹量10 枚,即可实现作战意图,且整体打击代价最低,整个过程仅需消耗弹量16 枚.

4.2 目标FFF1 打击筹划

针对某作战任务,需要对关键目标F1 开展打击筹划.考虑到其相关联的目标在网络化作战体系OODA 中可为其提供预警信息、反导防御和决策支持,图8可以看出对于打击F1,侦察预警类目标R1、R2、R3 和R4 为其提供预警信息,防空反导类目标D0、D1 和D4 为其提供防御拦截,指挥控制类C0、C1、C2 为其提供决策支持.

根据打击武器和打击目标之间的弹目匹配关系,选定适宜性打击武器,自西北方向,以1 000 m/s 的速度向F1 实施打击,各个关联目标为其提供的预警、反导、决策支持情况如表4所示(表中相关性能参数皆为假定数据).由此可见,各个目标性能的发挥依赖于“从情报到决策再到打击”链条的完整性,进行体系破击必须组织开展科学的打击筹划,选取合适的目标按照特定的顺序实施打击,以实现打击效益的最大化.

图7 目标F0 最优打击方案示意图

表4 F1 关联目标性能表

在此案例中,按照上述提出的打击目标协同方法,本研究在弹目匹配和现有武器数量的约束下,对F1 相关联的R1、R2、R3、R4、D0、D1、D4 等目标进行打击顺序和协同的优化求解,共获得90 000 余种打击方案,如表5所示.其中,方案0:不先行打击关联目标,直接打击F1,消耗弹量31 枚;方案1:先打击D0,后打击F1,消耗弹量29 枚;方案2:先打击D1,后打击F1,消耗弹量33 枚;方案3:先打击D4,后打击F1,消耗弹量35 枚等.

各个方案对应的序号和弹量消耗对应关系如图9所示,可见打击不同的关联目标,以不同的打击顺序、按不同的组合进行打击,会造成很大的打击成本差异,弹量消耗成本在20 枚～60 余枚之间波动,最优打击策略为第15 方案,其弹量消耗仅为20 枚.

对于最优打击方案(图10),其首先在第1 波次打击目标D0,消耗弹量4 枚,削弱目标体系中段拦截能力;尔后在第2 波次打击目标D1,消耗弹量4 枚,削弱其末端高空拦截能力;尔后在第3 波次打击目标D4,消耗弹量2 枚,削弱其末端低空拦截能力;最后在没有防御拦截的条件下,打击F1,只需消耗弹量10 枚,即可实现作战意图,且整体打击代价最低,整 个过程仅需消耗弹量20 枚.

图8 打击目标F1 涉及的关联目标示意图

表5 F1 目标打击方案表

图9 F1 打击方案与弹量消耗对应关系图

综合上述分别打击F0 和F1 两个案例可见,在网络化作战体系中,关键目标的打击筹划必须紧紧围绕进攻武器、打击路径和关联目标开展,以最小化弹量消耗为目的,在不同的打击顺序和组合中优选最佳方案.

5 结论

本研究立足作战任务,构建网络化作战体系模型,突出目标个体之间的相互作用和体系整体运行机理.针对特定时间、特定地域、特定环境下的具体任务,本研究通过选取满足作战任务需求的可行打击目标,针对打击目标制约、打击手段有限、打击条件受限的实际情况,通过打击弹目匹配、目标突防分析和打击目标协同,求解最优打击方案,为“怎么打”这一关键问题提供量化手段.

本研究将目标选择和打击筹划统一在网络化作战体系框架下,以打击必要性和打击可行性为牵引,以定量计算和优化求解为手段,很好地阐释了作战研究“精算、深算、细算”的本质.需要指出的是,战争条件下对方作战体系的构成、关联和运行机理建模必须依赖情报支援,而其往往具有很大的不确定性,如何提升本方法在不确定条件下的有效性和通用性将是下一步研究的重点.