基于系統論的水下集群作戰效能評估*

胡瑞祥，張 磊，丁元明*，張程振

（1.大連大學信息工程學院，遼寧 大連 116622；2.大連大學通信與網絡重點實驗室，遼寧 大連 116622）

0 引言

現代化的海戰中，基于潛艇和異構的無人潛航器（UUV）構建高效率、高可靠的水下作戰群裝備體系，是海軍信息化發展的必然途徑。深海為潛艇提供天然的庇護場所，其可以作為指揮控制中心，遙控指揮異構的UUV 群擔任偵察、監視、跟蹤、打擊等任務。這種作戰模式可以降低武器裝備的成本，分散被敵打擊的風險，實現對敵作戰的無人化和智能化水平。對其進行有效的評估成為亟待解決的問題。

目前效能評估的研究多集中在確權方法的改進，對系統內部聯系的研究相對較少。然而，評估一個完備的水下集群作戰系統，需要遵循系統論的相關原則。首先，系統整體性原理指出系統整體的性質和功能，不等于各要素的性質和功能的簡單加和；其次，系統層次性原理指出組成系統的諸要素會形成具有質的差異的系統等級；再次，系統的突變性原理指出系統中要素的突變總是經常發生，使得系統狀態發生變化；最后，系統的相似性原理指出系統具有同構和同態的性質，體現了世界的物質統一性。

傳統的效能評估從層次性原理出發對系統逐層分解為獨立指標，對于梳理作戰要素，簡化評估流程起到了很好的作用。但這種典型的還原論思想不可避免存在一定的局限性，體現在：割裂要素間的內在關系，忽視系統的整體性和不可分割性，導致評估結果的失真。系統作戰效能不應該是簡單的線性加和，更應該是一種非線性、有突變、整體性的效能。對于軍事效能評估系統來說，各作戰能力有較明顯的串聯特性，當其中的部分能力較低或者喪失時，對系統效能的影響較大，這里體現出系統論的突變性原理。針對上面的問題，本文從系統的相似性原理出發，將效能評估系統和串聯電路系統相映射，提出了一種新的權值和量化值合成的方法，解決了各評估模塊和系統總效能之間割裂的問題，將部分和整體的效能有機地結合起來，同時也將系統各要素間的串聯特性考慮進來，使得效能評估值更加準確和科學。

1 水下集群作戰指標體系的構建

針對水下作戰集群的裝備組成和OODA 環理論，按照觀察-判斷-決策-行動環路進行作戰，具體可分為如下4 個系統：

探測系統。采用潛艇、情報型無人潛航器和反潛型無人潛航器對海上及水下的區域進行綜合探測，將各單元的偵察信息傳遞到指揮控制系統。

通信系統。水下裝備通過潛艇、中繼型無人潛航器等組成的通信網絡，實現各個系統之間的信息傳遞。

指控系統。潛艇獲取網絡提供的態勢信息，將信息進行融合整理，作出作戰決策并將傳遞給探測系統或攻擊系統。

攻擊系統。潛艇、攻擊型無人潛航器接收指控系統的攻擊決策，利用導彈、魚雷等水下兵器對敵方武裝力量實施打擊。

這4 個系統構成一個完備的作戰體系，再加上系統自身的保障能力，每個環節都是作戰鏈路上不可或缺的重要組成部分?；诖?，本文構建了如圖1所示的作戰指標體系。

圖1 水下集群協同作戰效能評估指標體系

2 作戰效能評估指標處理和權值確定

2.1 指標值的規范化處理

定性指標采用三角模糊數兩級比例法進行量化，基本步驟如下：

3）把每一評判等級的量化值與歸一化的隸屬度向量進行加權求和。

定量指標可以分為效益型指標、成本型指標，本文采用極差變換法進行標準化處理。

效益型指標：

成本型指標：

2.2 指標的權值確定

G1 法是一種改進的層次分析法，該方法計算簡單，不必進行一致性檢驗，其一般計算步驟如下：

3）計算第n 個指標的權重：

4）依次反計算其他指標權重：

3 總效能的合成方法

傳統效能評估流程中，對系統層次分解建立指標體系，指標權值和量化值分兩條獨立路線進行，最后采用線性加和的方式得到系統總效能。而現實中的系統多是非線性系統，尤其對于軍事效能評估系統來說，一級指標具有明顯的串聯特性，本文提出一種串聯合成法合成系統總效能；二級指標間相互影響較小，和并聯電路系統相似，因此，這里命名為并聯合成法，下面對這兩種合成法進行分析討論。

3.1 并聯合成法

傳統的權值和指標值的合成，多采用的是權值和對應指標值乘積的加和。其各指標之間是并聯的組織關系，相互之間沒有耦合和制約關系。其映射的并聯電路如圖2 所示，其映射關系如表1 所示。

圖2 并聯電路系統

表1 并聯電路系統與效能評估系統映射關系圖

在干路電流的公式中，電壓U 和電流I 成正比關系，電壓U 可以調節電流的變化范圍；對應在系統總效能中，A 也起到調節總效能變化范圍的作用。多數情況下取A=1 或者A=100，限定了效能值在0～1 或者0～100 之間。

3.2 串聯合成法

對于作戰系統來說，整體和部分的內在聯系，特別是系統作戰能力之間的串聯特性如何不加考慮，會使得得出的效能值未能詳實反映系統效能。受串聯特性的啟發，將串聯電路系統引入到效能評估中，將水下集群作戰系統與電路系統相互映射，可以得到一種系統總效能的計算方法。具體的電路圖如圖3 所示，具體的映射關系如下頁表2 所示。

表2 串聯電路系統與效能評估系統映射關系圖

圖3 串聯電路系統

4 實例驗證

4.1 實例應用

潛艇：作為指揮控制中心，獲取各UUV 的態勢信息，作出作戰決策并通過通信系統傳遞給探測系統或攻擊系統。

反潛型UUV：要求具備水下自主性、目標探測和識別能力、大續航、強機動，能夠搭載足夠多的魚雷；

火力打擊型UUV：能夠搭載和發射多型號、多數量的魚雷和導彈等武器，同時對續航力和可靠性要求較高；

情報型UUV：能夠搭載多種類型的水下傳感器和聲吶等探測設備，應具備較強的偵察、識別、跟蹤、信息處理等能力；

指揮控制型UUV：主要任務是調配水下無人作戰網絡，應具備較高的自動化指揮、協調、控制和決策能力，同時對信息處理和通信能力要求較高；

以上述5 種裝備為基礎，OODA 環理論為指導，形成以潛艇為中心，不同UUV 群承擔不同作戰任務的完整水下作戰集群，如圖4 所示。參考航母作戰群以潛艇一艘若干UUV 建立典型作戰群，經專家的充分討論形成如表3 所示的7 種編配方案。

圖4 基于OODA 環理論的水下作戰集群

表3 不同編配方案

通過廣泛的專家調查和仿真結果數據的采集可以得到最底層的指標值，利用第3 節的指標處理方法，通過最底層指標值的逐層加權求和（并聯合成法）得到各方案第2 層的指標值見表4。

表4 指標值

對于第2 層指標運用G1 法求權重的過程如表5 所示。

表5 權重值的計算

4.2 結果分析

圖5 不同合成法的效能對比圖

圖6 效能差圖

從效能差圖中可以看出，配置方案中B、D、E、F的效能差值比較大；對比表4 可以看出，在這幾種編配方案中存在一個或者幾個的指標值較?。ㄔ诒? 中已經標黑），觸發了木桶效應，導致效能值的急劇下降。而其他3 種編配方案指標值相對均衡，不存在明顯的短板，所以兩種方法得到的效能值比較接近。兩者相互印證，說明了串聯合成法在此系統中應用的科學性和合理性，這也是導致兩種合成方法的效能排序不一致的原因。

5 結論

本文通過OODA 環建立了水下集群作戰指標體系，針對這種環狀結構的系統，分析了指標間存在的串聯特性，基于此將串聯電路系統與作戰效能評估系統相映射，從而得到一種新的效能評估方法——串聯合成法。從整體出發，以還原論為抓手，自上而下對系統進行詳細解算，然后再自下而上將各因素以系統觀念相結合得到最終系統效能，將總體把握下的局部分析與局部分析后的總體把握兩條線結合起來。將串聯合成法和常規的并聯合成法作對比，通過實例驗證了串聯合成法更適合應用于作戰系統中，且該方法能夠將各指標和系統效能存在的制約關系很好地表達出來，將系統論中的整體性原理和突變性原理引入到效能評估系統中，使評估的效能更加接近真實效能。