孫寶全 顏 冰

(海軍工程大學(xué)兵器工程系 湖北 430033)

基于SEA方法的網(wǎng)絡(luò)雷陣體系效能分析*

孫寶全 顏 冰

(海軍工程大學(xué)兵器工程系 湖北 430033)

網(wǎng)絡(luò)雷陣是適應(yīng)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)的需要,效能評(píng)估對(duì)網(wǎng)絡(luò)雷陣的構(gòu)建配置具有重要的指導(dǎo)意義。利用SEA方法建立了網(wǎng)絡(luò)雷陣系統(tǒng)效能評(píng)估模型,將雷陣系統(tǒng)工作過(guò)程與使命任務(wù)緊密地結(jié)合在一起,提出了雷陣系統(tǒng)的三個(gè)主要性能量度MOP,分別建立其系統(tǒng)映射和使命映射,得到網(wǎng)絡(luò)雷陣的SEA動(dòng)態(tài)效能評(píng)估方法,為網(wǎng)絡(luò)雷陣的作戰(zhàn)使用提供了理論依據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)雷陣; 效能評(píng)估; 性能量度; 系統(tǒng)效能

Class Number TN593

1 引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)迅猛發(fā)展,現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)呈現(xiàn)出體系化對(duì)抗的趨勢(shì),網(wǎng)絡(luò)雷陣應(yīng)運(yùn)而生。網(wǎng)絡(luò)雷陣就是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接分布在廣闊區(qū)域內(nèi)的各類型傳感器裝置、水雷武器而形成的具有強(qiáng)大信息優(yōu)勢(shì)的作戰(zhàn)系統(tǒng)。如何對(duì)其進(jìn)行有效的性能評(píng)估對(duì)網(wǎng)絡(luò)雷陣的構(gòu)建使用、配置優(yōu)化等具有重要的指導(dǎo)意義[1]。

由美國(guó)麻省理工學(xué)院A.H.Levis與Vincent Bounthonnier于20世紀(jì)80年代中期提出的SEA方法因具有較強(qiáng)的分析能力和較廣的適用范圍而日益受到重視,其本質(zhì)是通過(guò)將系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與系統(tǒng)使命相聯(lián)系,通過(guò)比較系統(tǒng)運(yùn)行軌跡與系統(tǒng)使命軌跡相符合的程度來(lái)衡量其系統(tǒng)效能。符合程度越高,效能越高,反之亦然。本文利用SEA方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)雷陣的系統(tǒng)效能進(jìn)行分析。

2 SEA方法的基本思想及步驟

SEA方法將系統(tǒng)置于一定的環(huán)境中運(yùn)行,用一定的原始參數(shù)描述其運(yùn)行狀態(tài),由于環(huán)境中各種隨機(jī)因素的影響,系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)不止一個(gè),當(dāng)系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)狀態(tài)滿足使命要求的時(shí)候,可以認(rèn)為系統(tǒng)的這一狀態(tài)可以完成使命任務(wù)。由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的隨機(jī)性,系統(tǒng)落入可以完成任務(wù)的狀態(tài)是一個(gè)隨機(jī)事件,而隨機(jī)事件的概率就反應(yīng)了系統(tǒng)的效能。為將系統(tǒng)在任意狀態(tài)下完成任務(wù)的情況與使命要求相比較,需將二者置于同一性能量度空間{MOP}。SEA方法基于六個(gè)基本要素：系統(tǒng)、使命、環(huán)境、原始參數(shù)、性能量度以及系統(tǒng)效能,前三個(gè)要素用于提出問(wèn)題,后三個(gè)要素用于分析問(wèn)題。其評(píng)估的基本流程如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)雷陣SEA方法效能評(píng)估步驟

首先定義系統(tǒng)、環(huán)境和使命,并確立相互獨(dú)立的原始參數(shù)。然后確定性能量度空間,系統(tǒng)性能量度由原始參數(shù)的子集確定,可以表達(dá)為原始參數(shù)的函數(shù),系統(tǒng)的某一運(yùn)行狀態(tài)可由性能量度空間的一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示。根據(jù)系統(tǒng)在環(huán)境中的運(yùn)行狀態(tài)和特點(diǎn),建立系統(tǒng)和使命到性能量度空間的映射,即系統(tǒng)性能量度和使命性能量度,將系統(tǒng)性能量度與使命量度關(guān)聯(lián)對(duì)比計(jì)算得到系統(tǒng)效能[2～4]。

3 網(wǎng)絡(luò)雷陣系統(tǒng)效能分析模型

SEA方法本身的步驟只具有方法論上的意義,進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)需具體模型具體分析。下面利用SEA方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)雷陣模型進(jìn)行系統(tǒng)效能分析。

3.1 雷陣系統(tǒng)、環(huán)境、使命任務(wù)

系統(tǒng)——網(wǎng)絡(luò)雷陣系統(tǒng),包括信息感知網(wǎng)、指揮決策網(wǎng)、作戰(zhàn)網(wǎng)。信息感知網(wǎng)主要由各類型傳感器節(jié)點(diǎn)組成,負(fù)責(zé)監(jiān)控海區(qū),感知信息;指揮決策網(wǎng)由融合決策節(jié)點(diǎn)組成,負(fù)責(zé)對(duì)目標(biāo)判決、定位跟蹤及攻擊決策;作戰(zhàn)網(wǎng)由各水雷節(jié)點(diǎn)組成,完成最后的攻擊任務(wù)。

環(huán)境——指具體的作戰(zhàn)想定,包括戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境和雷陣監(jiān)控區(qū)域。

使命——有效地監(jiān)控作戰(zhàn)海區(qū),及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、跟蹤定位目標(biāo),并對(duì)目標(biāo)實(shí)施打擊摧毀。

3.2 雷陣系統(tǒng)效能量度空間

整個(gè)雷陣的系統(tǒng)效能指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)如圖2所示,僅選取影響效能的主要因子。

圖2 網(wǎng)絡(luò)雷陣系統(tǒng)效能指標(biāo)

根據(jù)系統(tǒng)效能指標(biāo)體系可確定系統(tǒng)效能的性能量度空間{MOP},包括三個(gè)部分：雷陣網(wǎng)絡(luò)生存能力指標(biāo)MOP1,雷陣網(wǎng)絡(luò)信息處理能力MOP2,雷陣網(wǎng)絡(luò)攻擊能力MOP3。

3.3 雷陣系統(tǒng)映射

系統(tǒng)映射是根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù),及其作戰(zhàn)規(guī)律建立的。根據(jù)性能量度空間建立系統(tǒng)性能量度映射。

3.3.1 雷陣網(wǎng)絡(luò)生存能力指標(biāo)MOP1的系統(tǒng)映射

網(wǎng)絡(luò)雷陣的生存能力主要包括兩方面的內(nèi)容,網(wǎng)絡(luò)的可靠性和網(wǎng)絡(luò)的連通性。而這兩者都與每個(gè)節(jié)點(diǎn)的有效性息息相關(guān),對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)的有效概率[5]：

1) 節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)刻處于正常工作的概率PA

(1)

式中,MTBF為節(jié)點(diǎn)平均故障間隔時(shí)間;MTTR為節(jié)點(diǎn)平均修理時(shí)間。

2) 節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)刻處于可信狀態(tài)的概率PK

PK(t)=e-t/MTBF

(2)

式中,t為節(jié)點(diǎn)執(zhí)行探測(cè)任務(wù)的時(shí)間。

節(jié)點(diǎn)有效概率PSK為

PSK=PAPK

(3)

系統(tǒng)映射MOPS1為

(4)

3.3.2 網(wǎng)絡(luò)信息處理能力指標(biāo)MOP2的系統(tǒng)映射

網(wǎng)絡(luò)信息處理能力由五部分組成,其中目標(biāo)判別能力及目標(biāo)跟蹤定位能力主要由網(wǎng)絡(luò)融合中心對(duì)情報(bào)源的融合處理能力決定,所以網(wǎng)絡(luò)信息處理能力系統(tǒng)映射MOPS2應(yīng)是發(fā)現(xiàn)目標(biāo)能力MOPS21、網(wǎng)絡(luò)融合中心融合處理能力MOPS22、信息處理時(shí)效性MOPS23和信息處理準(zhǔn)確性MOPS24的組合。

MOPS2=MOPS21×MOPS22×MOPS23×MOPS24

(5)

1) 發(fā)現(xiàn)目標(biāo)能力MOPS21

發(fā)現(xiàn)目標(biāo)能力是由網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和在覆蓋的情況下檢測(cè)概率確定的。以水雷引信為例,采用Neyman-Pearson準(zhǔn)則進(jìn)行二元假設(shè)檢驗(yàn),設(shè)檢測(cè)門限為K,引信的檢測(cè)概率為

(6)

由于網(wǎng)絡(luò)的信息融合作用可以增大發(fā)現(xiàn)目標(biāo)能力,定義MOPS21為

MOPS21=αPD

(7)

其中α為發(fā)現(xiàn)目標(biāo)能力增長(zhǎng)系數(shù)。

2) 網(wǎng)絡(luò)融合中心融合處理能力MOPS22

在網(wǎng)絡(luò)雷陣中,檢測(cè)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)僅僅是第一步,更重要地是判別目標(biāo)真?zhèn)?并對(duì)目標(biāo)實(shí)施精確跟蹤定位,這些主要由網(wǎng)絡(luò)融合中心的處理能力決定。融合中心對(duì)第i個(gè)情報(bào)源的融合處理效率為[5]

PFi(t)=α+β(1-e-ωt)

(8)

式中:α為融合決策子域的處理能力;ω為融合決策子域的處理準(zhǔn)確度;0<α+β≤1為融合決策子域信息處理能力的最大值。

式中參數(shù)的確定需要試驗(yàn)獲得。融合決策子域?qū)個(gè)情報(bào)源融合處理效率PFF為

(9)

所以定義網(wǎng)絡(luò)融合中心融合處理能力MOPS22為

MOPS22=PFF(t)

(10)

3) 信息處理時(shí)效性MOPS23

信息處理時(shí)效性的系統(tǒng)映射主要體現(xiàn)在系統(tǒng)時(shí)延,包括目標(biāo)信息獲取時(shí)延、信息處理時(shí)延、輔助決策時(shí)延、信息傳輸時(shí)延等分別用ti(i=1,2,3,4)表示以上時(shí)延,則系統(tǒng)時(shí)延可以表示為[6～7]

(11)

Δt越小,系統(tǒng)反應(yīng)速度越快,對(duì)戰(zhàn)勢(shì)越有利。假設(shè)戰(zhàn)術(shù)上所能承受最大的時(shí)延時(shí)間為tmax,則可定義信息處理時(shí)效性MOPS23為

(12)

4) 信息處理準(zhǔn)確性MOPS24

雷陣網(wǎng)絡(luò)在處理信息的時(shí)候會(huì)不可避免地引入相關(guān)誤差,包括節(jié)點(diǎn)間的定位誤差σL,時(shí)間同步誤差σt,對(duì)目標(biāo)參數(shù)的估計(jì)誤差σf,水雷節(jié)點(diǎn)導(dǎo)航精度誤差σd等,網(wǎng)絡(luò)雷陣多采用特種水雷,如定向攻擊水雷等,誤差對(duì)水雷節(jié)點(diǎn)攻擊目標(biāo)有不可忽視的影響,誤差越小,攻擊準(zhǔn)確性越高,越有利于水雷節(jié)點(diǎn)擊中毀傷目標(biāo)。定義信息處理準(zhǔn)確性MOPS24為

MOPS24=f(σt,σf,σL,σd)

(13)

3.3.3 雷陣網(wǎng)絡(luò)攻擊能力指標(biāo)MOP3的系統(tǒng)映射

現(xiàn)代海戰(zhàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)雷陣提出了大范圍封鎖、遠(yuǎn)距離精確打擊的要求。傳統(tǒng)水雷錨雷、沉底雷、漂雷等已不能滿足要求,所以網(wǎng)絡(luò)雷陣通常采用特種水雷才能發(fā)揮其應(yīng)有的效能[8～9]。網(wǎng)絡(luò)雷陣對(duì)目標(biāo)的攻擊能力主要由水雷節(jié)點(diǎn)的打擊覆蓋范圍和節(jié)點(diǎn)的命中概率決定。為提高水雷節(jié)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)的命中概率,作戰(zhàn)中多采用1～3枚雷節(jié)點(diǎn)同時(shí)對(duì)目標(biāo)實(shí)施攻擊,若一枚雷的命中概率為Pm,則n(n=1,2,3)枚雷的命中概率為

(14)

系統(tǒng)映射MOPS3可定義為

(15)

式中β為水雷節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍系數(shù)。

3.4 雷陣的使命映射

對(duì)網(wǎng)絡(luò)雷陣的使命要求是：結(jié)合使命任務(wù)和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,合理配置傳感器節(jié)點(diǎn)和水雷節(jié)點(diǎn),有效發(fā)現(xiàn)目標(biāo),有效判別,精確跟蹤定位,精確打擊并毀傷目標(biāo)。

3.4.1 雷陣網(wǎng)絡(luò)生存能力指標(biāo)MOP1的使命映射

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)雷陣的任務(wù),網(wǎng)絡(luò)雷陣的生存能力是完成使命的基礎(chǔ),保證網(wǎng)絡(luò)的完整性是獲取信息優(yōu)勢(shì),決策優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)。所以雷陣的生存力指標(biāo)必須高于一定的閾值ε,低于這個(gè)值,網(wǎng)絡(luò)的完整性受到破壞,網(wǎng)絡(luò)易癱瘓,雷陣完成任務(wù)的幾率會(huì)大大降低,所以MOPm1的值域應(yīng)為[ε,1]。

3.4.2 雷陣網(wǎng)絡(luò)信息處理能力指標(biāo)MOP2的使命映射

結(jié)合具體的戰(zhàn)場(chǎng)想定,雷陣發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率不低于閾值ω1,融合中心處理信息的能力不低于ω2,信息處理精度不低于最低戰(zhàn)術(shù)精度ω3,信息處理的時(shí)效性不低于ω4(可參考目標(biāo)通過(guò)防區(qū)的時(shí)間確定),所以雷陣網(wǎng)絡(luò)信息處理能力指標(biāo)使命映射MOPm2的值域限定在[ω1×ω2×ω3×ω4,1]。

3.4.3 網(wǎng)絡(luò)雷陣攻擊能力指標(biāo)MOP3的使命映射

水雷節(jié)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)實(shí)施攻擊是網(wǎng)絡(luò)雷陣工作的最后一環(huán),也是將網(wǎng)絡(luò)雷陣的信息優(yōu)勢(shì)和決策優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)換為行動(dòng)優(yōu)勢(shì)的一環(huán),為保證行動(dòng)的質(zhì)量,水雷節(jié)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)的命中概率不能低于閾值φ,所以雷陣網(wǎng)絡(luò)攻擊能力指標(biāo)使命映射MOPm3的值域定義在[φ,1]。

3.5 系統(tǒng)效能計(jì)算

將系統(tǒng)性能量度與使命性能量度關(guān)聯(lián)對(duì)比計(jì)算得到系統(tǒng)效能。

(16)

(17)

(18)

E=k1E1+k2E2+k3E3

(19)

式中k1,k2,k3為權(quán)重系數(shù),可由專家評(píng)估法、離差最大化法[10]等多種方法綜合得出。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用SEA方法建立網(wǎng)絡(luò)雷陣系統(tǒng)效能評(píng)估模型,模型將雷陣系統(tǒng)工作過(guò)程與使命任務(wù)緊密地結(jié)合在一起,體現(xiàn)了系統(tǒng)作戰(zhàn)的特點(diǎn)。但網(wǎng)絡(luò)雷陣是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),而且處于概念的探索階段,本文的效能評(píng)估模型對(duì)網(wǎng)絡(luò)雷陣的構(gòu)建具有一定的指導(dǎo)意義,但仍需根據(jù)網(wǎng)絡(luò)雷陣的進(jìn)一步研究探索而改進(jìn)完善。

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System Efficiency Study for Network of Mine System Based on SEA Method

SUN Baoquan YAN Bing

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Network of mine system is created to adapt to the need of modern war. Evaluation of effectives is of guiding significance for its build configuration. Efficiency evaluation model is build based on SEA method. Course of work and mission statement are closely combined. Three main measure of performs MOP are proposed, and their system mapping and mission mapping are built. Method of SEA, dynamic evaluation of effectives for network of mine system is to provide theoretical basis for the applications of network of mine system.

network of mine system, evaluation of effectives, measures of performance, system effectives

2014年5月6日,

2014年6月17日 作者簡(jiǎn)介:孫寶全,男,碩士研究生,研究方向:武器系統(tǒng)運(yùn)用與保障工程。顏冰,女,博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向:水下目標(biāo)信息探測(cè)與應(yīng)用。

TN593

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.037