面向服务的跨域协同作战任务效费分析

罗海龙 赵得智 王皓

（1.中国人民解放军66133 部队，北京100144；2.中国人民解放军31002 部队，北京100094）

1 引言

跨域协同是以任务需求为牵引，通过战术级别、平台级别和功能模块级别的组织协同，为作战体系内不同隶属的作战资源和功能要素建立临时协作关系［1］，实现作战资源的动态互联、互通和互操作，形成具有明确功能指向和聚合效果的虚拟任务部队或力量结构。随着扁平化指挥结构、模块化功能单元、无人化装备平台的发展建设，跨域协同作战资源的数量规模不断增加，呈现出前所未有的分布性、异构性和动态性。因此，有学者将面向服务的思想引入作战筹划过程，并已取得了一定的研究成果［2～7］。当前研究主要聚焦于服务组合模型、聚合权重求取、求解算法设计等方面，对于服务质量组合效果的考虑较为简单。因此，需要结合军事问题特点，从效费分析的角度研究跨域协同作战效果评价方法。

效费分析主要包括作战效能和预期成本两个方面。作战效能的求取通常采用基于OODA 环的数学模型方法［8～10］，通过将作战资源实体和协同运用关系分别映射为节点和边，构建作战装备体系OODA 环模型，其核心思想是在一定的作战任务目标权重的基础上，以作战任务完成概率来表征作战效能。预期成本通常采用物资和弹药消耗总价值进行衡量。

本文针对当前跨域协同“作战窗口”“冗余节点”“非对称作战”的问题特点［11～13］，充分考虑作战任务组织过程的时敏性、适应性、风险性所带来的作战效能和成本费用的不确定性，结合作战服务质量组合的时间、可靠性、成本属性，构建面向服务的跨域协同作战任务效费分析模型。

2 面向服务的跨域协同作战任务效费分析模型

2.1 作战资源功能模块的服务节点建模

OODA 环理论将作战体系中的作战资源描述为探测（S）、指挥（D）、打击（A）和目标（T）4 种类型的功能实体，功能实体之间的应用顺序关系T→S，S→D，D→A，A→T 分别描述为感知、判断、决策和打击4 种功能类型。基于面向服务的方法框架，通过作战资源服务化方法，将作战资源具有的4 种类型功能模块分别抽象为相应功能的服务节点，功能模块的功能特征和性能水平分别描述为服务功能属性和质量属性。服务节点的本质为虚拟逻辑资源，其通过将功能应用封装为标准的输入、输出接口，为作战任务提供按需动态的功能接入。

2.2 作战任务组织过程的服务组合流程建模

针对特定的作战任务，由具有感知、判断、决策、打击功能的作战资源和任务目标实体所构成的闭合回路，即是描述作战任务组织过程的OODA 环打击任务链，其中感知、判断、决策、打击4 种功能单元均是由一个或多个功能模块支撑实现。基于面向服务的方法，将作战任务组织过程构建为作战服务组合流程，流程中每个功能单元包含的服务节点按照串行、并行、选择、循环等基本结构进行组合编排。作战服务组合流程确定了服务的组合结构、功能属性。

2.3 作战服务质量组合效费分析模型

作战任务组织的核心是按照任务需求和资源属性，完成作战任务与资源匹配。基于OODA 环理论以及面向服务的方法框架，结合跨域协同作战问题特点，构建作战服务质量组合效费分析模型，如图1 所示。

图1 作战服务质量组合效费分析模型

图1 中，作战资源通过功能模块服务化转化为作战服务节点，作战任务分解描述为OODA 环功能链，进一步构建为作战服务组合流程。结合服务质量属性、服务组合结构和跨域协同特点，求取作战服务质量组合的时间、成本、可靠性，实现作战服务质量组合效费分析，最后，以效费分析结果作为作战效果优化目标，驱动完成跨域协同作战筹划。

3 面向服务的跨域协同作战任务效费分析方法

作战任务效费分析即是通过作战效能和成本费用求取任务效费比。作战效能是对作战资源以一定的组织形式完成特定作战任务能力大小的度量［14］。不同组织体系由于其自身特点而对作战效能的定义略有差别，一般以所能达到预期任务目标的程度进行度量，影响因素包括任务目标价值和任务完成概率。跨域协同“作战窗口”“冗余节点”的问题特点，导致作战任务完成概率具有时间、资源不确定性，即作战效能具有时间不确定性和资源不确定性。跨域协同“非对称作战”使得作战任务所包含的武器系统均处于对抗打击的风险环境而以一定的概率产生风险成本。因此，作战成本费用包含固定成本和风险成本两部分。

3.1 作战效能的时间不确定性分析

跨域协同作战具有信息交互频繁、行动高度并行、时间约束严格等特性，任务目标随着作战任务的阶段性、行动时间的不确定性和作战能力的动态性而具有显著的时敏特征，必须在有限的“作战窗口”内感知、定位、识别任务目标，进行快速的决策指挥和作战行动，才能有效介入敌方的OODA 环，实现相应的作战效能。跨域协同作战效能的“作战窗口”特性如图2 所示。

图2 作战效能的作战窗口特性

在实际作战场景中，交战双方的武器装备皆处于作战环中，红方的任务目标往往是蓝方OODA 作战环的一个功能单元，红方必须通过打击任务目标，破击蓝方OODA 作战环才能实现作战效能。蓝方装备资源的高速机动、作战体系快速变化使得其作战资源的任务时间具有不确定性，导致红方作战效能具有时间不确定性，即在分析计算红方作战效能时需要考虑蓝方任务时间不确定性。

本文采用三角分布对任务时间不确定性进行描述，其相比于区间数方法更精准和符合实际，相比于以往概率分布方法更简单实用，计算复杂度更小。

设实数a，b，c分别为蓝方任务时间的下限、可能值和上限，则（a，b，c）构成表示蓝方任务时间x的三角分布概率密度函数：

令作战任务OODA 环执行时间为X，则当X ＞c时，作战任务不能介入任务目标体系的OODA 环，作战效能为0；当X ＜a时，可取得预期作战效能。即由于蓝方任务时间x的不确定性，红方作战任务将以一定的概率介入其OODA 环，导致红方作战效能具有时间不确定性，其计算公式为：

作战任务的服务组合流程中各个功能单元的实现方式可能为组合结构，即红方作战任务OODA环执行时间X为作战服务组合流程中所有服务节点的时间属性按照组合结构进行聚合求得的时间T，形式化表示为：

式（4）中，h为服务节点编号；H为作战任务包含的服务节点数，即候选服务集的数量；th为服务节点h的时间属性，ℤt表示服务节点的时间属性依据各个功能单元的组合结构进行聚合计算。

综上，令服务节点h已选服务k的时间属性为，红方作战效能的时间不确定性求解公式为：

3.2 作战效能的资源不确定性分析

根据OODA 环理论，作战任务组织过程的信息流、能量流按照T→S→D→A→T逐个运行，即作战任务的完成需要感知、判断、决策和打击各个功能单元按照串行方式组合执行。因此，作战任务的完成概率为各个功能单元的可靠性指标的聚合，其形式化表示为：

式（6）中，P为完成任务概率，PO，POr，PD，PA分别为感知、判断、决策、打击功能单元的可靠性，因此，作战任务完成概率即为所有服务节点的可靠性依据相应组合结构进行聚合的值，形式化表示为：

式（7）中，ph为服务节点h的任务可靠性，ℤp表示服务节点的可靠性依据各个功能单元的组合结构进行聚合计算。

在面向服务的跨域协同作战筹划过程中，针对作战任务服务组合流程中的每一个服务节点，首先通过服务功能筛选得到满足其功能需求的多个作战服务，构成候选服务集，所有候选服务作为“冗余节点”，共同构建针对任务目标的动态打击网络。当其中一个候选服务的载体资源遭敌打击毁伤，以及由于状态变化、设备故障等原因无法执行任务功能时，相应功能节点的其余候选服务可以作为并联备份单元［8］进行替补，而不需要重新进行方案和计划的调整，提高了作战指挥的实时性、灵活性和高效性，而且从体系协同的角度，大量相同功能的服务节点也可以通过协同和互补等方式形成体系能力。例如，预警探测网络、多源融合判断、分布式协同决策等。

作战服务的并联备份提高了相应服务功能的抗毁性和可用性，增加了作战任务完成可靠性。令ah，k为候选服务集h中已选服务k的可用性，ah，i为候选服务集h中服务i的可用性，为服务节点h已选服务k的可靠性，因此，服务节点h的可用性Ah和任务可靠性ph的计算公式分别为：

式（8）中，μ为服务替换成功率，表示使用候选服务集中备份服务替换当前不可用服务时的可靠性，Mh为候选服务集h包含的服务个数。式（9）没有考虑替换服务可靠性变化带来的影响，可以看作是从作战体系角度表征打击任务链的稳定性。

综合以上分析，作战效能的资源不确定性，即打击任务链的整体可靠性计算公式为：执行任务的作战资源通常会遭到目标体系的对抗打击，当服务节点h已选作战服务k的载体资源的作战任务风险概率为rh，k时，其对任务可用性的影响为1-rh，k。令rh，i为服务节点h中服务i的任务风险概率，因此，考虑载体资源的任务风险概率时，作战效能的资源不确定性计算公式为：

并联备份的应用是通过求取每一个服务节点对应候选服务的优劣排序，当部分服务节点的首选作战服务无法执行任务功能时，随即替换为顺位的次优服务，此时打击任务链总的任务效果变化在合理范围。因此不考虑替换备份服务造成的服务时间、成本、可靠性的变化，当作战服务组合序列首选服务的不可用数量超过一定阈值后，则需要重新启动作战服务组合选择。

3.3 作战成本费用分析

作战成本费用是指执行作战任务需要付出的固定和潜在成本，也可称为直接成本和风险成本。直接成本包括弹药成本、运输成本和人员、物资等成本，即是执行作战任务的服务质量成本属性数值，表示为c。风险成本是由于作战任务的对抗性，作战服务的载体资源在执行作战任务时具有一定的概率遭敌打击毁伤而产生的成本费用。

随着全域作战能力和远程精确打击的发展，跨域协同“非对称作战” 能力进一步提升，跨域协同作战任务组织的所有武器系统均处于作战对抗的风险环境而以一定的概率产生风险成本。作战任务风险成本的影响因素包括作战资源价值和任务风险概率。作战资源价值即为作战服务载体资源的成本价值，其可以通过作战服务注册信息进行查询获取。风险概率是针对执行任务的作战资源目标特性和任务目标对抗能力，通过匹配运算发现任务目标体系针对作战资源具有感知、判断、决策、打击功能的对抗关联服务，进而求取作战资源遭敌打击毁伤的概率，即红方载体资源的任务风险概率r为蓝方对抗关联服务OODA 环的任务完成概率，其形式化表示为：

式（12）中，P＇O，P＇Or，P＇D，P＇A分别为蓝方作战体系所包含的感知、判断、决策、打击功能的对抗关联服务针对红方作战服务载体资源所具有的任务功能可靠性。

则红方作战风险成本Cr的计算公式为：

式（13）中，V为载体资源价值；Deg为载体资源的毁伤系数。对于小型武器系统、空中飞行器、无人作战平台等，Deg表征为资源被打击命中后的毁伤概率；对于地面固定设施、大型水面舰艇和人员等，Deg表征为被打击命中后的毁伤程度。

令服务节点h的已选作战服务为k，其对应载体资源的任务风险概率、资源价值、毁伤系数、服务成本属性分别为，则作战成本费用的计算公式为：

3.4 作战任务效费比求解

基于以上分析，综合得到作战任务效费比f（eff）的求解公式为：

式（16）中，E为作战效能，e为作战指挥机关确定的任务目标价值。

进一步考虑最小作战效能与最大成本费用两个约束条件，得到作战服务组合选择的目标函数为：

式（18）中，x为蓝方任务时间；yh，k为候选服务集h中服务k的选择变量，服务k被选中，则yh，k ＝1，否则yh，k ＝0。式（20）中，xh，k为候选服务集h中服务k的选择变量，服务k被选中，则xh，k ＝1，否则xh，k ＝0。式（22）中，Cmax为最大成本费用约束，Emin为最小效能约束。

4 案例分析

为验证本文模型方法的求解过程和效果，设计了红方多军兵种跨域协同打击蓝方水面舰艇作战任务，并进行仿真计算。基于任务效费比求得优选行动资源，针对敌情态势、资源数量、对抗风险3 种变化情况进行对比分析。

4.1 案例想定

蓝方水面舰艇打击编队已部署于某海域，可能对红方重要目标实施打击。红方指挥中心决定组织反击。蓝方将对红方前出执行侦察和打击行动的飞行器和舰艇实施打击，对于其他不执行机动抵近的装备不实施打击。蓝方位于红方可打击区域的任务时间预计为5 h，最少为3 h，最长为8 h，其三角分布函数表示为（3，5，8）。

红方作战资源的服务功能属性和服务质量属性见表1，其中只给出蓝方抗击目标的资源价值，包括高空侦察机、无人侦察机、轰炸机、驱逐舰、潜艇。假设针对以上5 种作战资源的目标属性进行对抗关联服务，筛选出具有打击能力的蓝方对抗关联服务的任务可靠性和毁伤效果见表2。红方作战资源的服务功能可用性均为0.9，任务目标价值为1。

表1 红方作战资源的服务功能属性和服务质量属性

表2 蓝方对抗关联服务相关属性数值设定

4.2 跨域协同作战任务组织流程

红方多军兵种跨域协同打击的任务组织流程如图3 所示。

图3 作战任务的OODA 环过程描述

根据红蓝双方部署和作战资源能力选择打击武器，预计选择远程打击的概率为p1＝0.7，选择前出打击的概率为p2＝0.3。基于作战资源的服务功能完成作战任务各个功能单元的服务匹配，得到作战服务组合流程如图4 所示。

图4 作战任务的服务组合流程

4.3 跨域协同作战任务效费分析

针对作战任务的服务组合流程，结合案例条件，基于式（17）进行作战服务组合优选，求得作战任务的优选行动资源。针对敌情态势、资源数量和对抗风险变化，求取作战任务的服务组合序列，结果见表3。计算过程中针对成本费用进行归一化处理，归一化标准为所有作战资源价值和服务成本的总和Cmax＝9 210 百万元。

表3 各种作战任务组织筹划情形的效费比

表3 中，“作战任务的服务组合实例”是求取的执行作战任务的作战资源功能模块组合序列。优选行动资源是按照表1 和表2 数据求得的结果，作为案例分析的对照参考。敌情态势变化是蓝方任务时间分布发生改变，此时优选打击资源由陆基反舰导弹2 变为陆基反舰导弹1，效费比降低为对照值的，体现了“作战窗口”的重要性。资源数量变化是增加3 个编组的无人侦察机，其相比于原优选行动资源，感知功能可用性增加，作战效能增加，体现了“冗余节点”的效果。对抗风险变化是蓝方针对潜艇的感知功能可靠性由0.4 变化为0.1，从而使得潜艇的任务风险概率减小，此时打击资源由反舰导弹（轰炸机）变为鱼雷（潜艇），增加了作战效能。虽然由于潜艇的成本价值较高使得任务成本相对增加，但是效费比也略有增加，体现了作战资源能力和作战风险的综合考量需求。

5 结束语

本文针对面向服务的跨域协同作战筹划所面临的作战效果评价问题展开研究，提出了面向服务的跨域协同作战任务效费分析方法，分析了作战效能的时间不确定性、资源不确定性、预期的风险成本，结合作战服务组合序列的时间、可靠性、成本属性、任务目标价值、载体资源成本，得到作战效能和成本费用，求得作战任务效费比。后续将结合作战资源功能模块多任务协同运用的结构约束和数量约束，构建基于效费比的跨域协同作战任务分配模型。