基于时序作战环的装备体系作战效能评估方法及系统

摘要

本发明提供了一种基于时序作战环的装备体系作战效能评估方法及系统，包括获取作战过程中红蓝双方装备及其性能指标、装备间连接关系；将装备划分为侦察装备S、决策装备D、打击装备A、目标装备T四种类型，将各个装备抽象为节点，分析不同装备节点间关联关系及其存在的时间，构建装备体系中存在的时序作战环；基于时序作战环构建装备体系动态网络结构；对所述装备体系动态网络结构进行装备体系作战效能评估。本发明考虑到装备体系的动态性，在静态作战环的基础上拓展出时序作战环，然后基于体系动态网络结构进行体系作战效能计算，对体系作战效能随时间的演化进行分析，在动态网络描述贴近作战现实的情况下，其评估效果更精确。

说明书

技术领域

本发明属于体系效能评估领域，尤其涉及一种基于时序作战环的装备体系作战效能评估方法及系统。

背景技术

信息技术和其他军事高技术的应用，极大地改变了作战样式，使得战争不再强调装备本身的性能，而是强调联合各类武器装备间的协同作战和配合关系。在实际作战过程中，武器装备间的交联耦合性越来越强，存在着大量的动态信息交互，要求在体系建模评估过程中考虑装备之间的交互影响关系，面向作战过程开展装备体系研究。

装备体系评估的基础是进行体系建模，当前主流的方法之一是基于网络的方法，即将装备实体抽象为网络节点，装备之间的关联关系抽象为网络中的边，它在描述装备间的关联关系方面具有独特的优势，能够反映复杂体系的网络化特性，并且已经被广泛地认可和接受。然而，这种建模方法大都是停留在静态建模的层面，即只考虑了装备间是否有能力连通，而忽略在在实际作战过程中，装备的连边是否能够真正地发挥作用，即忽略了体系对抗过程中网络的动态特性，这种基于网络的建模方法只能面向静态体系能力建设，而无法面向装备作战运用对装备体系的能力进行分析。如国防科大谭跃进教授团队提出的基于作战环的网络建模方法，它假设网络上节点间的不同连接关系是持续不断、始终存在、并且是可传递的，这种对体系交互关系的简化在描述体系作战过程、分析体系演化特征等方面遇到了挑战。根据这种方法评估得到作战过程中贡献较高的装备，有时尽管具有良好的性能，但是在战场中很可能由于各种原因没有办法与其他装备及时交互，从而不能满足实际作战需求。因此，对装备作战体系效能进行建模评估时，须考虑装备间实际动态的交互影响关系，对体系动态作战过程进行分析。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在考虑装备间动态的交互影响时，怎样对装备作战体系效能进行建模评估，提出了一种基于时序作战环的装备体系作战效能评估方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于时序作战环的装备体系作战效能评估方法，包括以下步骤：

步骤1：获取作战过程中红蓝双方装备及其属性和装备间链接关系；

步骤2：将装备划分为侦察装备S、决策装备D、打击装备A、目标装备T 四种类型，将各个装备抽象为节点，分析不同装备节点间链接关系及其存在的时间，构建出各时刻装备体系中存在的时序作战环；

步骤3：根据时间的推进基于时序作战环构建装备体系动态网络结构；

步骤4：对所述装备体系动态网络结构进行装备体系作战效能评估。

本发明还提供了一种基于时序作战环的装备体系作战效能评估系统，包括以下几个模块：

装备获取模块：用于获取作战过程中红蓝双方装备及其属性和装备间链接关系；

时序作战环构建单元：用于将装备划分为侦察装备S、决策装备D、打击装备A、目标装备T四种类型，将各个装备抽象为节点，分析不同装备节点间链接关系及其存在的时间，构建装备体系中存在的时序作战环；

动态网络构建单元：基于时序作战环构建单元所构建的时序作战环来构建装备体系动态网络结构；

效能评估单元：用于对动态网络构建单元所构建出的装备体系动态网络结构进行装备体系作战效能评估。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明基于时序作战环的装备体系作战效能评估方法及系统，考虑到装备体系的动态性，在静态作战环的基础上拓展出时序作战环，其考虑到装备的实际作战活动持续时间、有效作战活动持续时间窗、最短作战活动持续时间，以及时序作战环中的各个边并不是持续存在的，因此需要根据各种约束条件，生成每个时刻的时序作战环结构，根据时间的推进基于各时刻的网络结构构建装备体系动态网络，更加贴近作战现实情况，对于提高体系评估准确性和辅助决策奠定了基础。然后基于动态网络结构，考虑作战环的时间效率和具体完成时间，进行体系作战效能计算，对体系作战效能随时间的演化进行分析，体现了体系建模评估的动态特性。

附图说明

图1为本发明系统流程图；

图2为标准时序作战环示意图；

图3为广义时序作战环示意图；

图4为装备参战过程表示；

图5为实际作战活动持续时间示意图1；

图6为实际作战活动持续时间示意图2；

图7为有效作战活动持续时间窗的基本判别；

图8为标准时序作战环能力；

图9为广义时序作战环能力；

图10为体系作战效能示意图；

图11为装备体系动态网络中每个装备的交互接口类型；

图12为红蓝双方装备参战时间；

图13为装备体系动态网络结构；

图14为红方体系作战效能随时间的演化过程，50次的实验运行结果；

图15为红方体系作战效能随时间的演化过程；

图16为体系作战效能随时间的增加情况。

具体实施方式

图1至图16给出了本发明基于时序作战环的装备体系作战效能评估方法的一种具体实施例；具体场景为：

假设在A国某海域上空，蓝方入侵A国领空，为维护国家利益，红方针对蓝方的入侵行为，出动相应的兵力采取反击行动，双方进行空中作战。假设蓝方目标为一支战斗力较强的战斗机编队，以对蓝方目标打击为作战任务，红方出动的侦察装备包括电子侦察机、无人侦察机等，打击装备包括歼击机、无人攻击机等，决策装备包括预警机和指挥中心等。

一种基于时序作战环的装备体系作战效能评估方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：获取作战过程中红蓝双方装备及其属性和装备间链接关系；

本发明首先对参与作战任务的装备间侦察、指控、打击、协同等逻辑功能关系进行梳理，获得装备节点间的链接关系，如表1所示。

表1装备体系中装备节点间的逻辑功能关联关系

假设体系中红方装备及其性能指标如表2和表3所示：

表2红方参战侦察装备节点及其性能指标

表3红方参战打击装备节点及其性能指标

假设体系中红方每个装备配备的接口类型如图11所示。

根据装备的可用交互接口类型，红方不同装备间通信可用数据链类型如表4 所示。

表4红方不同装备之间的数据链类型

注：Link22、link16、电台话音的有效通信距离数据来源于互联网

步骤2：将装备划分为侦察装备S、决策装备D、打击装备A、目标装备T 四种类型，将各个装备抽象为节点，分析不同装备节点间链接关系及其存在的时间，构建出各时刻装备体系中存在的时序作战环；

步骤2中所述时序作战环的构建方法是：

所述时序作战环是指描述了作战过程中侦察装备S、决策装备D、打击装备 A、目标装备T间的链接关系即作战活动，所述作战活动包括情报获取活动、信息传递活动、协同活动和打击活动的作战活动；

时序作战环包括节点、边以及边存在的条件，具体为：

1)时序作战环中的节点为各装备；

时序作战环中各节点的属性为各节点装备的属性，包括各装备参与作战时间、实时部署位置、交互接口类型、接口有效通信距离、侦察范围以及装备杀伤半径；

装备参与作战时间：如图4所示，在作战过程中，装备可能不是全程参与作战的，具有一定的参战时间，即作战过程中不断伴随着装备的参与或退出。这对于装备间作战活动的发生时间和对目标打击的时效性具有决定性影响。假设作战全过程的时间窗为t

Z

(b)装备实时部署位置：装备在作战过程中的位置不是固定的，装备部署位置随作战过程实时变化，对于作战活动的发生也具有关键作用，若装备间的距离超出装备通信距离、侦察范围或打击范围，则作战活动不能发生。某装备在t 时刻的位置可表示为：

Location(t)＝{x(t),y(t),h(t)}

其中，x(t)表示该装备在t时刻的纬度，y(t)表示该装备在t时刻的经度，h(t) 表示该装备在t时刻的海拔。

(c)装备交互接口类型：装备的交互接口主要是指装备间用于信息交换的通信设备或协议，从广义上讲，可以视为一种作战专用的武器系统间的通信链路，即武器级数据链。国外 常用的数据链类型是Link系列，包括Link-11、Link14、 Link16、Link22、Link-4A等等，此外，还有TADIL系列、GPS、电台话音等等。对于某信息传递活动，只有装备的接口正常且两个装备间接口类型一致时，才能正常通信，从而保证作战活动的正常进行，即须满足：

其中，Z

(d)装备接口有效通信距离：对于某信息传递活动，在装备接口类型一致的情况下，还需要满足装备间的距离在有效通信距离范围之内，即：

Dis(Z

(e)装备侦察范围和装备杀伤半径：侦察装备的侦察范围决定着目标侦察活动能否顺利进行，打击装备的杀伤半径对于目标打击活动具有关键影响，装备间的实际距离必须在装备侦察范围和杀伤半径之内，才能保证作战环的顺利完成即：

Dis(S

其中，S

2)时序作战环中的边为各类装备之间的链接关系即作战活动；作战活动包括：

情报获取活动：表示侦察装备对敌方目标的信息获取，对应T→S边；

信息传递活动：表示我方装备之间的通信，包括我方侦察装备、决策装备、打击装备之间的通信，对应S→D边、D→S边、D→A边、A→S边、A→D边；

协同活动：表示我方侦察、决策、打击装备间的协同，对应S→S边、D→D 边、A→A边；

打击活动：表示我方打击装备对敌方目标的打击，对应A→T边；

时序作战环中边的属性包括：

有效作战活动持续时间窗：指对于某一个作战活动，在满足装备参战时间约束条件下，该作战活动可能发生的时间窗口；例如，对于某作战活动Activity

ΔT

最短作战活动持续时间：指在有效作战活动持续时间窗内，完成某作战活动所需要的最短的时间；对于瞬时活动，例如情报上传、指令下达等活动，其最短活动持续时间ΔT

实际作战活动持续时间：指完成某一作战活动实际所需要的时间，实际作战活动持续时间大于等于最短作战活动时间；对于某作战活动Activity

a.当装备Z

b.当装备Z

3)时序作战环边的存在条件：

对于情报获取活动，需要满足侦察范围约束、时间先后约束、作战活动持续时间约束，即

其中，s

对于打击活动，需要满足打击范围约束、时间先后约束、作战活动持续时间约束，即

其中，a

对于信息传递活动和协同活动，需要满足通信接口类型约束、接口有效通信距离约束、时间先后约束、作战活动持续时间约束；

InterfaceType(Z

步骤3：根据时间的推进基于时序作战环构建装备体系动态网络结构；

本实施例中基于时序作战环构建装备体系动态网络结构的方法是：

步骤3.1：判别时序作战环中边的有效作战活动持续时间窗；对于每个作战活动，其有效作战时间窗表示该作战活动的最早开始时间到最晚结束时间，根据装备参战时间状态、最短作战活动持续时间，对各时刻装备体系动态网络中每个可能的时序作战环进行判断，寻找每个时序作战环所有边可能的存在时间，多个时序作战环构成一个装备体系动态网络；

对时序作战环中边的有效作战活动持续时间窗进行判别的条件是：

其中，ΔT

在满足上述条件下，

若t

若t

若t

若t

若t

若t

步骤3.2：对有效作战活动持续时间窗的冗余时间消解，在装备参战时间交集操作的基础上，通过定义作战活动间的串行规则，调整不可能存在的活动时间窗口，对有效作战活动持续时间窗的冗余时间进行消解，根据装备体系动态网络中所有可能的时序作战环及其有效活动时间窗，得到在特定装备参战时间、作战活动最短持续时间条件下，时序作战环中所有边可能发生的有效时间；

本实施例中，对有效作战活动持续时间窗的冗余时间消解的方法是：

对于时序作战环中相邻两个作战活动Activity1,Activity2，假设Activity1发生在 Activity2之前，二者是串行关系，通过装备参战时间交集操作得到的有效作战活动时间窗分别为

ΔT

ΔT

a、b分别表示作战活动Activity1的时间窗开始时间和结束时间，c、d分别表示作战活动Activity2的时间窗开始时间和结束时间；

则定义以下冗余时间消解规则：

a)若b＞d，对ΔT

b)若a＞c，对ΔT

c)若d＜a，则意味着在作战活动Activity1开始前，作战活动Activity2就已经结束了，该时序作战环无法顺利完成，应在装备体系动态网络中删除对应的作战环；

此外，还存在以下两种情况：

d)若b＜c，则意味着作战活动Activity1和Activity2不是连续的，两个作战活动之间需要等待一段时间Δt＝c-b，记录等待时间Δt；

e)若b≥c，则说明Activity1的结束时间和Activity2的开始时间之间有重合，Activity2可以在[c,b]时间内接收Activity1产生的信息流，只要满足c≥a即可。

步骤3.3：判别考虑了装备位置和交互接口的有效作战活动持续时间窗：根据装备在每个时刻的位置、装备交互接口类型和接口有效通信距离、侦察装备侦察范围、打击装备杀伤半径约束对时序作战环中的作战活动能否发生进行判断，删除时序作战环中每个时刻不可能存在的边，对有效作战活动持续时间窗进行修改；

本实施例中对有效作战活动持续时间窗进行修改的方法是：

步骤3.3.1：装备初始位置生成：生成网络中各装备的初始位置，按照装备体系中节点间的逻辑关系，保证各装备初始位置都在相关装备的侦察、通信和杀伤范围之内；

假设整个作战过程持续时长为20个时间单位，对于体系中红、蓝双方的装备，其参战时间如图12所示。

假设情报上传和指令下达活动的最短活动持续时间为0，目标打击、侦察情报共享、决策协同活动的最短活动持续时间为1；装备在作战过程中的位置都可动，其实时位置以Δt＝1为步长，在上一时刻的基础上随机生成；红方装备间的交互接口类型、接口的有效通信距离如表4所示；侦察装备的侦察距离、打击装备的杀伤半径如表1和3所示。装备初始位置如下表5所示，各装备的初始位置均在接口的有效通信距离、侦察装备的侦察距离、打击装备的杀伤半径之内。

表5体系中装备的初始位置

步骤3.3.2：装备随机位置生成：以Δt＝1为步长，对装备体系动态网络中每个时刻的装备位置随机生成，随机位置生成法则为在上一时刻位置的基础上，在一定的范围内将装备的经度、纬度和海拔高度数据随机加减；

步骤3.3.3：时序作战环装备间接口类型匹配：按照装备体系逻辑层网络结构，对于所有可能发生链接关系的装备，将其接口类型两两匹配，若接口类型一致，则可以连通；若接口类型不一致，则该链接边失效；

步骤3.3.4：装备间边连接关系判断：对于每个时刻，首先计算装备间的距离，假设装备Z

装备Z

则根据装备位置，计算装备间实地距离的公式如下：

然后根据装备间有效通信距离、侦察范围和杀伤半径，判断出每个时刻不可连接的边；

步骤3.3.5：考虑每个时刻不可连接的边，对时序作战环中各个作战活动的有效作战活动持续时间窗进行进一步的修改，生成最终各个作战活动可能发生的时间窗，表征每个作战活动的最早开始时间和最晚结束时间，时序作战环中每条边可能存在的时间段。

步骤3.4：根据前面三个步骤，得到装备体系动态网络结构。

如表6所示，根据步骤3.1中对有效作战活动持续时间窗判别方法；步骤 3.2中考虑装备具体的参战时间、装备实时部署位置、红方装备间的交互接口类型、接口的有效通信距离、侦察装备的侦察距离、打击装备的杀伤半径等因素，经过装备参战时间交集操作、有效作战活动持续时间窗的冗余时间消解；步骤 3.3中考虑装备位置和交互接口的有效作战活动持续时间窗判别三个步骤，判断每个作战环中每个活动的最早开始时间和最晚开始时间。

表6每个时序作战环中每个作战活动的有效活动时间窗

基于上述各个时序作战环的有效作战活动时间窗，对t＝1到t＝20每个时刻网络中节点间可能发生的链接关系进行判断，生成每个时刻的网络结构，得到装备体系动态网络的时间片结构表示，如图13所示。

本发明在静态作战环的基础上拓展出时序作战环，考虑到装备的实际作战活动持续时间、有效作战活动持续时间窗、最短作战活动持续时间，以及时序作战环中的各个边并不是持续存在的，因此需要根据各种约束条件，生成每个时刻的网络结构，用时间片网络来描述网络的动态结构，更加贴近作战现实情况，对于提高体系评估准确性和辅助决策奠定了基础。

步骤4：对所述装备体系动态网络结构进行装备体系作战效能评估。

本实施例中对装备体系作战效能评估分析的方法是：

时序作战环的作战效能是对该作战环在一定时间内完成一次目标打击任务程度的度量，从时序作战环的作战能力和时间效率的角度综合衡量；

求解作战效能的公式定义为：假设以装备单元层能力为基础得到的作战环能力为C，作战环完成一次目标打击任务的时间效率为Efficiency

EC

对于[0,t]时间内，若以该种作战方式可对目标实施n次打击，则[0,t]时间内该时序作战环的作战效能EC

其中，C，Efficiency

步骤4.1：计算时序作战环的作战能力：

1)标准时序作战环作战能力C

C

本实施例中，装备单元的作战能力如表7所示。

表7装备单元层能力计算结果

2)广义时序作战环作战能力；

广义时序作战环为包含多个相互协同装备的时序作战环，如图3和图9所示，不同装备类型之间是串联关系，相同装备类型之间是并联关系，具有替代作用；

若一个广义时序作战环中包含n个存在信息共享关系的侦察装备，则整个侦察系统的侦察能力C

其中，

同理可得，决策系统的决策能力C

其中，

该广义时序作战环的作战能力可定义为：

通过以上公式，结合装备能力，可以得到体系中所有作战环的能力，如表8 所示。

表8装备体系动态网络中所有作战环的能力

步骤4.2：计算时序作战环的时间效率；

时序作战环的时间效率是指在时序作战环中，从目标侦察到完成目标打击所用的时间的倒数,从目标侦察到完成目标打击所用的时间是时序作战环中所有顺序作战活动的实际作战活动持续时间之和；

以标准时序作战环为例，其时间效率为：

Efficiency＝1/(Δt

其中，Δt

类似的，可以得到广义时序作战的时间效率，以广义作战环TSD

步骤4.3：体系整体作战效能进行评估；

设装备体系动态网络中对于某目标T

整个体系的作战效能是所有可能发生的作战环协同打击的结果，因此对于目标T

对于装备体系中所有的目标，按照目标的重要程度进行作战效能聚合，得到装备体系整体作战效能为：

其中，w

对步骤3所构建的装备体系的37个时序作战环，根据有效作战活动持续时间窗和最短作战活动持续时间，分析了每个时序作战环所有可能参与作战的时间和完成打击任务的时间，具体数据如表9所示。表中N表示相应作战环参与作战所有可能的情况，t1表示目标信息获取时刻，t2表示完成打击任务时刻，Δt 表示作战环完成打击任务所用时间，E表示作战环的时间效率。

表9每个作战环可能存在的时间及效率

对于某一个时序作战环，在[0,t]时间内，对于敌方目标，红方可能只发起一次攻击，也可能发起几次连续或不连续攻击。因此，本实施例在[0,t]时间内对表9中每个时序作战环，对该作战环所有可能的参战情况随机选择，模拟战场中可能发生的连续或不连续打击情况，得到对截止到每个时刻t，每个时序作战环在[0,t]时刻内对目标的打击次数及打击时间效率，从而计算时序作战环的作战效能及其随时间演化的情况。

对于蓝方目标，红方作战体系在[0,t]时间内对目标的打击效能实际上是 [0,t]时间内所有可能发生的作战环同步或协同打击的结果。对所有时序作战环在[0,t]时间内的作战效能进行聚合，得到红方体系整体作战效能，并运行50 次实验，取平均值，得到体系作战效能随时间变化的情况如图14所示。

从图14中可以看出，随着时间的推移，红方体系对蓝方目标的整体作战效能不断增加，到t＝20时，即作战结束时，体系效能达到最大。图15中每个时刻 t的效能值展示的是体系在[0,t]时间内的累积作战效能，为了探究每单位时间内体系作战效能的增长情况，对每个时刻作战效能评估结果做差值运算，结果如图16所示。

可以看出，[0,15]时间段内，体系作战效能的增长是不断加速的，在[11,15] 时间段内作战效能增长速度最快，在t＝16后，体系的作战效能增长速度变慢逐渐变慢。这在一定程度上也反映出了体系作战能力的相对性和动态性，即面向作战过程，体系的作战能力不是一成不变的，与体系拓扑结构随时间的演变有关。

本发明还提供了一种基于时序作战环的装备体系作战效能评估系统，包括以下几个模块：

装备获取模块：用于获取作战过程中红蓝双方装备及其属性和装备间链接关系；

时序作战环构建单元：用于将装备划分为侦察装备S、决策装备D、打击装备A、目标装备T四种类型，将各个装备抽象为节点，分析不同装备节点间链接关系及其存在的时间，构建装备体系中存在的时序作战环；

动态网络构建单元：基于时序作战环构建单元所构建的时序作战环来构建装备体系动态网络结构；

效能评估单元：用于对动态网络构建单元所构建出的装备体系动态网络结构进行装备体系作战效能评估。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。