楊小小,綦輝,陳磊
(1.海軍潛艇學(xué)院;2.92038部隊(duì),山東青島266042)
基于改進(jìn)ADC法的潛艇反潛作戰(zhàn)方案效能評(píng)估
楊小小1,綦輝1,陳磊2
(1.海軍潛艇學(xué)院;2.92038部隊(duì),山東青島266042)
反潛是潛艇最富挑戰(zhàn)性的一種任務(wù),對(duì)潛艇的反潛作戰(zhàn)方案進(jìn)行評(píng)估是評(píng)價(jià)反潛效能的有力手段。文章對(duì)武器系統(tǒng)評(píng)估中常用的ADC法進(jìn)行了改進(jìn),在考慮潛艇的協(xié)同能力、生存能力、作戰(zhàn)人員素養(yǎng)、作戰(zhàn)環(huán)境因素的基礎(chǔ)上,提出了潛艇反潛作戰(zhàn)的評(píng)估指標(biāo)體系。對(duì)于假定的作戰(zhàn)條件,分別采用潛艇的3大基本戰(zhàn)法作為作戰(zhàn)方案,運(yùn)用改進(jìn)的ADC法,評(píng)估3大基本戰(zhàn)法在潛艇反潛作戰(zhàn)行動(dòng)方案中的效能。計(jì)算結(jié)果表明,利用改進(jìn)ADC法進(jìn)行潛艇反潛作戰(zhàn)效能評(píng)估是有效可行的。
作戰(zhàn)效能;潛艇作戰(zhàn);ADC法
作戰(zhàn)方案評(píng)估是指揮決策過(guò)程中關(guān)鍵的一步。有了齊全的作戰(zhàn)方案,如果不能正確地進(jìn)行評(píng)估,就無(wú)法選擇最優(yōu)的方案。在未來(lái)海戰(zhàn)中,潛艇兵力是作戰(zhàn)的主要力量。為適應(yīng)未來(lái)海戰(zhàn)時(shí)效性的需要,必須做到對(duì)潛艇作戰(zhàn)方案進(jìn)行快速高效評(píng)估,為指揮員或指揮機(jī)關(guān)提供決策支持。作戰(zhàn)方案的評(píng)估和優(yōu)選又是一個(gè)極其復(fù)雜的工作,需要相關(guān)的支持理論,以及科學(xué)有效的評(píng)估準(zhǔn)則、方法和程序。
對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行效能評(píng)估,僅靠單因素性能指標(biāo)或者多性能指標(biāo)的窮舉法來(lái)確定系統(tǒng)整體效能已經(jīng)不能夠滿足信息化戰(zhàn)爭(zhēng)條件下武器裝備系統(tǒng)效能評(píng)估的要求。目前常用方法有層次分析法[1]、專家征詢法[2]、判別分析法[3]、聚類分析法[4]、灰色模糊分析法[5]和ADC方法[6]等。
相比之下,ADC法有考慮問(wèn)題全面、數(shù)學(xué)模型嚴(yán)謹(jǐn)、模型層次清晰、效能指標(biāo)含義明確、能鮮明反映武器裝備系統(tǒng)效能的物理本質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)[7],被認(rèn)為是有效通用的系統(tǒng)評(píng)估模型,在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在ADC模型中,作戰(zhàn)能力向量是系統(tǒng)效能集中的體現(xiàn),也是評(píng)估系統(tǒng)效能的關(guān)鍵,武器系統(tǒng)整體效能的發(fā)揮既受固有作戰(zhàn)能力向量影響,又受戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境影響。為使武器裝備系統(tǒng)效能評(píng)估更加符合實(shí)際,應(yīng)將人員素質(zhì)和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)度引入系統(tǒng)效能評(píng)估模型中。
本文根據(jù)潛艇所能擔(dān)負(fù)的作戰(zhàn)任務(wù)和潛艇的作戰(zhàn)能力,從效能的角度制定潛艇反潛作戰(zhàn)方案效能評(píng)估指標(biāo)體系,針對(duì)作戰(zhàn)想定將潛艇3大基本戰(zhàn)法作為作戰(zhàn)方案,并運(yùn)用改進(jìn)的ADC法對(duì)作戰(zhàn)效能進(jìn)行評(píng)估比較,利用概率計(jì)算解析法實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)方案的評(píng)估優(yōu)選過(guò)程。
美國(guó)工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會(huì)(WSEIAC)對(duì)系統(tǒng)效能作如下定義:“系統(tǒng)效能是預(yù)期一個(gè)系統(tǒng)能夠滿足(完成)一組特定任務(wù)要求的程度的量度”[8]。
由此,潛艇作戰(zhàn)方案效能可定義為:在某種作戰(zhàn)環(huán)境下,潛艇能夠完成某項(xiàng)作戰(zhàn)任務(wù)要求的量度,也是潛艇在執(zhí)行某項(xiàng)作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)潛艇作戰(zhàn)能力的量度,或是潛艇作戰(zhàn)效能的體現(xiàn)。它包括5個(gè)方面的內(nèi)容:
1)對(duì)象就是系統(tǒng),所謂效能,只能是系統(tǒng)的效能;
2)任何作戰(zhàn)方案的效能只能針對(duì)潛艇某項(xiàng)作戰(zhàn)任務(wù)而言,作戰(zhàn)任務(wù)變了,作戰(zhàn)方案效能隨之改變;
3)潛艇作戰(zhàn)方案效能,只能是特定的條件(包括自然環(huán)境、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境等條件)下的效能;
4)“某項(xiàng)作戰(zhàn)任務(wù)要求”蘊(yùn)含著“特定時(shí)間”的要求;
5)量度是潛艇完成“某項(xiàng)作戰(zhàn)任務(wù)要求的程度”,這個(gè)“程度”的大小反映了潛艇完成指定作戰(zhàn)任務(wù)的能力。
ADC法是美國(guó)陸軍效能委員會(huì)于1970年提出的,適用于武器系統(tǒng)效能評(píng)定的一種方法。效能的評(píng)估模型為
式中:A為系統(tǒng)可用性向量,表示系統(tǒng)在開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)是處于不同狀態(tài)的概率;D為系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)可信性矩陣,表示系統(tǒng)在開(kāi)始處于某一狀態(tài),而在使用過(guò)程又轉(zhuǎn)移到另一狀態(tài)的概率;C為系統(tǒng)能力向量,表示系統(tǒng)在最后的可能狀態(tài)中達(dá)到某項(xiàng)效能指標(biāo)。
ADC法的基本思想[9]:綜合考慮系統(tǒng)各個(gè)階段的性能指標(biāo),來(lái)對(duì)系統(tǒng)效能進(jìn)行評(píng)估,在本質(zhì)上與階段概率法相同。
在評(píng)估潛艇反潛作戰(zhàn)方案效能時(shí),潛艇反潛是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、對(duì)抗的過(guò)程。潛艇展開(kāi)到作戰(zhàn)海域有可能遭受到對(duì)方反潛兵力的打擊,在作戰(zhàn)時(shí),是潛艇與敵潛艇對(duì)抗與反對(duì)抗的過(guò)程。因此,在制定作戰(zhàn)能力C指標(biāo)時(shí),應(yīng)考慮到潛艇與對(duì)方反潛兵力對(duì)抗時(shí)的生存能力S。另外,潛艇反潛作戰(zhàn)往往需要其他兵力的協(xié)同,需要考慮潛艇的協(xié)同能力。
潛艇反潛作戰(zhàn)效能的發(fā)揮,既受潛艇系統(tǒng)自身固有能力的影響,又受使用人員和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的影響。為使系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評(píng)估更符合實(shí)際,將使用人員能力素質(zhì)R和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境影響因素H引入系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評(píng)估。改進(jìn)后的潛艇反潛作戰(zhàn)效能評(píng)估模型表達(dá)式為
潛艇的作戰(zhàn)效能的評(píng)估是以評(píng)價(jià)指標(biāo)為基礎(chǔ)的。圖1是利用效能分析法建立的潛艇反潛作戰(zhàn)方案的評(píng)估指標(biāo)體系。
圖1 潛艇反潛作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系Fig.1 Submarine anti-submarine combat effectiveness evaluation index system
可用性包括潛艇的可用性及武器平臺(tái)的可用性,由于潛艇反潛過(guò)程中常采用魚(yú)雷作為攻擊武器,因而武器的可用性即魚(yú)雷的可用性。潛艇和魚(yú)雷都存在2種狀態(tài)“工作”和“故障”。因此,潛艇系統(tǒng)共有4種初始狀態(tài),分別為A1、A2、A3和A4,潛艇系統(tǒng)的初始狀態(tài)可用性向量為A=(A1,A2,A3,A4)。
潛艇的可用性概率Asub為
式中:MTBFsub為潛艇平均無(wú)故障工作時(shí)間;MTTRsub為潛艇平均修復(fù)時(shí)間。
魚(yú)雷的可用性概率Ayl為
式中:MTBFyl為魚(yú)雷平均無(wú)故障工作時(shí)間;MTTRyl為魚(yú)雷平均修復(fù)時(shí)間。
則潛艇系統(tǒng)的可用性向量為
由上述分析可知,潛艇系統(tǒng)在反潛作戰(zhàn)過(guò)程中存在4種狀態(tài),且在戰(zhàn)斗過(guò)程中,故障一般都無(wú)法維修,即子系統(tǒng)由故障狀態(tài)轉(zhuǎn)移到工作狀態(tài)。因此,潛艇系統(tǒng)的可信性矩陣是一個(gè)4×4的上三角矩陣:
式中,dij表示潛艇系統(tǒng)在作戰(zhàn)中由初始狀態(tài)i轉(zhuǎn)到狀態(tài)j的概率。
對(duì)潛艇平臺(tái)和魚(yú)雷武器,α11、α12、α21、α22和β11、β12、β21、β22分別表示:潛艇平臺(tái)和魚(yú)雷武器一直處于正常狀態(tài)、從正常到故障狀態(tài)、從故障到正常狀態(tài)、一直處于故障狀態(tài)的概率,T為系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間。若已知系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)期間的故障率λ、修復(fù)率μ,系統(tǒng)處于對(duì)抗?fàn)顟B(tài),μ1、μ2為0。故障與維修均服從指數(shù)分布,可以求得可修復(fù)裝備可信賴性矩陣中的元素如下:
因?yàn)闈撏到y(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)由潛艇平臺(tái)和魚(yú)雷武器串聯(lián)決定,所以有:
潛艇系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力指消滅敵潛艇的能力,即對(duì)抗最終結(jié)果敵潛艇被消滅的概率[5]??纱_定能力矩陣
式中,ci表示潛艇系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中,在狀態(tài)i下完成任務(wù)的概率,它包括潛艇系統(tǒng)的協(xié)同能力、攻擊能力和生存能力,分別用協(xié)同概率px、攻擊概率pg和生存概率ps來(lái)表示,ci=px,i·pg,i·ps,i。
潛艇的協(xié)同能力主要體現(xiàn)在潛艇的通信指揮能力,潛艇的協(xié)同概率px為通信指揮概率pt。
令潛艇系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率為pf,魚(yú)雷命中目標(biāo)的概率為pm,毀傷目標(biāo)的概率ph,抗干擾概率pk,潛艇系統(tǒng)的攻擊能力概率為
令敵潛艇的發(fā)現(xiàn)概率為pdf,其魚(yú)雷的命中概率為pdm,毀傷概率為pdh,抗干擾概率pdk,潛艇系統(tǒng)的生存能力概率為
使用人因素是指操作人員和指揮人員的素質(zhì)對(duì)系統(tǒng)效能發(fā)揮的影響,主要由特定部隊(duì)人員滿編率、使用人員的軍政素質(zhì)、戰(zhàn)時(shí)的心理素質(zhì)和平時(shí)人機(jī)結(jié)合訓(xùn)練水平?jīng)Q定,這些指標(biāo)和系統(tǒng)作戰(zhàn)效能成正相關(guān),如圖1所示。使用人因素R的表達(dá)式為
式中:ωi為各指標(biāo)權(quán)重,由專家打分確定;ri為各指標(biāo)因素在作戰(zhàn)中所能達(dá)到的程度,用概率的形式表示,其值由上級(jí)軍事主管部門(mén)根據(jù)歷次演習(xí)情況和平時(shí)訓(xùn)練考核情況確定。
戰(zhàn)場(chǎng)外部環(huán)境對(duì)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能具有重大的影響,不同的環(huán)境對(duì)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的影響不同,相同環(huán)境中,各種因素對(duì)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的影響也不盡相同。具體的環(huán)境中具體考慮的環(huán)境因索也有區(qū)別,圖1列出的是戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能影響的一般因素。
戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境影響系數(shù)H的表達(dá)式為
式中:ωi為各指標(biāo)權(quán)重,由專家打分確定;hi為各個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境影響因素對(duì)系統(tǒng)效能的損傷率,由專家根據(jù)作戰(zhàn)時(shí)的具體情況確定。
假定藍(lán)方某型潛艇到紅方附近海域探測(cè)重要情報(bào),紅方派出某潛艇應(yīng)對(duì),目的擊沉藍(lán)方潛艇。
在利用本文提出的改進(jìn)ADC法進(jìn)行潛艇作戰(zhàn)效能評(píng)估時(shí),潛艇3大戰(zhàn)法主要體現(xiàn)在作戰(zhàn)能力C的不同,而作戰(zhàn)能力的不同又體現(xiàn)在攻擊能力G和生存能力S。攻擊能力體現(xiàn)在紅方潛艇發(fā)現(xiàn)藍(lán)方潛艇的概率pf、魚(yú)雷命中藍(lán)方潛艇的概率pm;生存能力S體現(xiàn)在藍(lán)方潛艇的發(fā)現(xiàn)概率為pdf和藍(lán)方魚(yú)雷的命中概率pdm,因而通過(guò)分別計(jì)算3種戰(zhàn)法的pf、pm、pdf和pdm,利用改進(jìn)的ADC法評(píng)估它們的反潛作戰(zhàn)效能,從而達(dá)到在特定作戰(zhàn)環(huán)境下比較3大戰(zhàn)法優(yōu)劣的目的。
1)陣地設(shè)伏。陣地設(shè)伏是預(yù)先將潛艇配置在藍(lán)方潛艇必經(jīng)海區(qū)的一個(gè)或幾個(gè)陣地內(nèi),對(duì)目標(biāo)進(jìn)行伏擊的一種戰(zhàn)斗使用方法。陣地設(shè)伏的特點(diǎn)是伏擊,“以靜打動(dòng)”,組織指揮比較簡(jiǎn)單,潛艇對(duì)通過(guò)陣地的藍(lán)方潛艇有較高的發(fā)現(xiàn)和攻擊概率。但潛艇控制的海區(qū)范圍較小,在陣地內(nèi)長(zhǎng)期待機(jī)保持隱蔽比較困難。
2)區(qū)域巡航。區(qū)域巡航是指潛艇在一個(gè)相對(duì)開(kāi)闊的海區(qū)內(nèi)采用游動(dòng)和待機(jī)相結(jié)合的方式進(jìn)行戰(zhàn)斗活動(dòng)的方法。其實(shí)質(zhì)是為遂行所受領(lǐng)的任務(wù),給每艘潛艇指定一塊較大的海域,潛艇在此海域范圍內(nèi)充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性,主動(dòng)靈活地搜索和襲擊藍(lán)方潛艇。
3)引導(dǎo)攻擊。引導(dǎo)攻擊是指潛艇在指揮所或引導(dǎo)兵力的引導(dǎo)下,進(jìn)行接敵展開(kāi),對(duì)藍(lán)方實(shí)施攻擊的一種戰(zhàn)斗方法。它與陣地設(shè)伏和區(qū)域巡航的主要區(qū)別是:有可靠的偵察引導(dǎo)保障;潛艇需要進(jìn)行較長(zhǎng)距離的機(jī)動(dòng)。
假設(shè)在這次潛艇反潛作戰(zhàn)中,紅方某型號(hào)潛艇部隊(duì)特點(diǎn)人員滿編率高,官兵軍政素質(zhì)高,長(zhǎng)期駐守在一線,對(duì)周?chē)h(huán)境熟悉。藍(lán)方潛艇特點(diǎn):電子戰(zhàn)能力、偵察能力較好,武器裝備高技術(shù)化。下面給出的潛艇的探測(cè)概率、生存概率、魚(yú)雷命中概率值等參數(shù),是根據(jù)文獻(xiàn)[9-13]綜合考慮得到的。
根據(jù)系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能參數(shù)計(jì)算潛艇連續(xù)工作10 h的系統(tǒng)作戰(zhàn)效能,T=10 h,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。該潛艇系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間MTBF為100 h,平均修復(fù)時(shí)間MTTR為1 h,該魚(yú)雷系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間MTBF為200 h,平均修復(fù)時(shí)間MTTR為
根據(jù)3.1節(jié)的計(jì)算公式有:
根據(jù)3.2節(jié)的計(jì)算公式有:
1)陣地設(shè)伏。由于紅方潛艇存在其他探測(cè)跟蹤設(shè)備的保障,紅方潛艇的探測(cè)概率要明顯優(yōu)于藍(lán)方潛艇,即pf>pdf。紅方潛艇的性能參數(shù):pf=0.85,pm=0.9,ph=0.75,pk=0.8;px=1。
藍(lán)方潛艇的性能參數(shù):pdf=0.6,pdm=0.95,pdh=0.8,pdk=0.85,因此,
在潛艇故障狀態(tài)下,若被藍(lán)方潛艇發(fā)現(xiàn),pdf=1,則:ps=1-0.95×0.8×0.85=0.354 0,
c2=pg·ps=0.459×0.354 0=0.162 5;
在魚(yú)雷故障狀態(tài)下,pg=0,c3=c4=0。
2)區(qū)域巡航。采用區(qū)域巡航戰(zhàn)法時(shí),由于紅方潛艇機(jī)動(dòng)能力有限、發(fā)現(xiàn)藍(lán)方艦船的距離較近,與藍(lán)方遭遇的概率比較低,因此發(fā)現(xiàn)概率較小pf=0.6,使得命中概率隨之降低pm=0.75;同樣,藍(lán)方潛艇的發(fā)現(xiàn)概率和命中概率也降低為pdf=0.5,pdm=0.8。
3)引導(dǎo)攻擊。采用引導(dǎo)攻擊戰(zhàn)法時(shí),由于紅方潛艇能夠獲得持續(xù)可靠的偵察引導(dǎo)保障,潛艇可以及時(shí)獲得必要的信息,并且具有與指揮所的雙向通信能力,即協(xié)同能力較好,使得發(fā)現(xiàn)和攻擊概率較高,pf=0.9,pm=0.95;相反,藍(lán)方潛艇的發(fā)現(xiàn)和攻擊概率要下降,pdf=0.5,pdm=0.8。
由于使用人員的素質(zhì)能力量化具有主觀性較強(qiáng)的特點(diǎn),因而咨詢權(quán)威專家對(duì)使用人員的素質(zhì)能力分向量權(quán)重進(jìn)行兩兩比較打分,如表1所示。
表1 使用人員素質(zhì)能力分向量?jī)蓛杀容^打分表Tab.1 Mutual comparison marking of personnel quality ability vectors
使用該系統(tǒng)的部隊(duì)的上級(jí)軍事主管部門(mén)根據(jù)歷次演習(xí)情況和平時(shí)訓(xùn)練考核情況,確定該部隊(duì)的指揮員和系統(tǒng)操作人員的素質(zhì)能力所能達(dá)到的程度,具體結(jié)果如表2所示。
表2 某部隊(duì)使用人員素質(zhì)能力表Tab.2 Quality ability of personnel of some unit
咨詢專家對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境影響因素分向量權(quán)重進(jìn)行打分,如表3所示。
表3 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境向量?jī)蓛杀容^打分表Tab.3 Mutual comparison marking of battlement environment vectors
根據(jù)上面打分表,計(jì)算得:
滿足一致性指標(biāo)。
研究專家對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境影響因素進(jìn)行打分見(jiàn)表4。
表4 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境影響因素表Tab.4 Affected factors of battlement environment
由潛艇反潛作戰(zhàn)行動(dòng)效能評(píng)估指標(biāo),結(jié)合武器系統(tǒng)評(píng)估的ADC法,潛艇反潛作戰(zhàn)行動(dòng)方案評(píng)估如下。
1)陣地伏擊法:
2)區(qū)域巡航法:
3)引導(dǎo)攻擊法:
從計(jì)算結(jié)果可以看出,在本文作戰(zhàn)想定中,利用改進(jìn)ADC法,得到潛艇3大戰(zhàn)法反潛作戰(zhàn)效能的評(píng)估優(yōu)劣比較結(jié)果為:引導(dǎo)攻擊法>陣地伏擊法>區(qū)域巡航法,即在這種作戰(zhàn)條件下,引導(dǎo)攻擊法是最優(yōu)的,但是這種戰(zhàn)法需要可靠的引導(dǎo)保障,并且需要和指揮所之間具有雙向通信能力。
本文建立了基于改進(jìn)ADC法的潛艇作戰(zhàn)方案效果評(píng)估指標(biāo)體系,并進(jìn)行仿真計(jì)算,得到在某種作戰(zhàn)條件下的潛艇3大戰(zhàn)法反潛作戰(zhàn)效能評(píng)估的結(jié)果,表明該方法用于潛艇反潛作戰(zhàn)效能評(píng)估是有效可行的。
“3種戰(zhàn)法”中的每一種戰(zhàn)法都具有自己的特點(diǎn)和規(guī)律,使用時(shí)機(jī)也不一樣,應(yīng)根據(jù)不同的任務(wù)要求、敵情、我情和海區(qū)情況選用。另外,上述3種潛艇的基本戰(zhàn)斗方法雖具有普遍的規(guī)律性和相對(duì)的穩(wěn)定性,但也不是一成不變的。隨著現(xiàn)代軍事高技術(shù)日新月異的發(fā)展,潛艇基本戰(zhàn)法依賴的條件和因素在不斷地發(fā)生變化,對(duì)潛艇戰(zhàn)斗規(guī)律和指導(dǎo)規(guī)律的認(rèn)識(shí)也有待于不斷地深化,本文提出的改進(jìn)ADC模型作戰(zhàn)效能評(píng)估能夠?yàn)橥晟坪桶l(fā)展?jié)撏У幕緫?zhàn)斗方法提供一定的參考價(jià)值。
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E911
A
2014-01-11;
2014-04-08
楊小?。?981-),男,博士生。
1673-1522(2014)03-0285-06
10.7682/j.issn.1673-1522.2014.03.018