1 引言
新型舰炮中的电磁轨道炮作为一种新概念武器，具有初速高、射程远、炮口动能大等明显优势，它的出现将大大提高舰炮武器系统的作战能力，其发展是“需求牵引”与“技术推动”的共同产物，为了确保电磁炮装备战斗力生成，需要开展作战能力需求生成研究，即在特定的使命任务需求下，期望新型舰炮装备所具备履行使命、完成任务的能力，针对新型舰炮开展作战能力需求生成研究，不仅为装备能力的发展和应用指明方向，优化装备资源配置，还可以帮助研究人员厘清新型舰炮在履行使命任务方面的缺陷与不足，避免研究过程与装备建设的盲目性和无序性。
本文针对新型舰炮开展作战能力需求生成方面的研究，重点研究在新型舰炮需求开发过程中所要担负的防空反导使命任务，以及完成相应使命任务所需的作战能力指标进行分析，定量生成新型舰炮的主要作战能力指标。
2 新型舰炮作战能力需求生成框架模型
所谓作战能力，军语中的定义是：作战能力亦称战斗力，是武装力量遂行作战任务的能力[1]，可以是物理性描述的战术技术指标的集合；作战能力需求分析是根据军事作战的需要，探索满足作战任务要求的作战行动以及武器装备等重要作战因素；作战能力需求生成是在其基础上，通过某一具体方法给出需求分析的定量化结果，是需求分析的目的，因此作战能力需求生成是实现从宏观使命任务到具体装备能力之间的转换，落脚点在装备能力指标的体现上。对新型舰炮进行作战能力需求分析就是实现从任务到能力的转化，作战能力需求生成模型如图1所示。
图1 作战能力需求生成模型框图
Fig.1 framework model of operational capability
requirement generation
基于任务清单、能力清单、专家知识以及历史数据将新型舰炮作战能力需求分析划分为3个阶段：使命任务的分解与体系能力的构建，作战活动与能力指标的映射分析，能力需求列表的约束优化。
1) 采用单一能力最小粒度原则，基于作战流程对使命任务进行分解，得到新型舰炮的作战活动集，建立宏观使命任务的作战活动序列，并构建新型舰炮的能力指标体系。
2) 对分解得到的作战活动与能力指标进行映射匹配，分析映射关系，建立映射规则库，在映射规则的牵引下将作战活动转化为能力需求列表。
3) 初步得到的能力需求列表指标之间仍存在多种约束关系，提取约束对能力需求列表进行约束优化，生成符合使命任务需求又满足各种约束关系的能力需求方案。
3 新型舰炮使命任务与体系能力分析
3.1 新型舰炮使命任务分解
对作战任务进行分解，可以帮助作战人员清晰地了解使命目标是通过哪些任务、子任务来实现的。作战活动是在作战中与能力对应关系相对固定、能够实现一定的作战目标，相对独立的活动单元，将作战任务分解为能够与能力指标直接进行映射的作战活动，从而实现与新型舰炮能力需求指标的匹配。采用层级任务网络法(hierarchical task networks)对使命任务进行分解，逐层细化，最终得到与能力指标相对应的作战活动层，如图2所示。
图2 作战任务的层次化分解框图
Fig.2 Hierarchical decomposition of combat task
将作战活动用有向网络图进行描述，建立作战活动序列，作战活动是由作战任务分解而来，所以一个作战活动序列可以看作是作战任务的“解剖图”。
由于新型舰炮具有优越战技性能[4]，以其防空反导作战任务为例进行分解构建作战活动序列，如图3所示。
图3 作战活动序列框图
Fig.3 Operational activity sequence diagram
3.2 新型舰炮能力指标体系构建
在系统层次化分解思想和指标体系构建原则的基础上，构建新型舰炮能力指标体系，但并不能仅局限于新型舰炮本身，根据对新型舰炮的作战使用分析，其相关配套系统也不能忽略。
同作战任务分解原理相同，对作战能力进行分层次地分析，确定能力指标的递阶层次。能力指标体系的构建要遵循层次性、协作性、功能性、涌现性等特点，新型舰炮武器系统的能力指标体系分为两大类：作战指挥系统能力指标和武器系统能力指标[8]。作战指挥系统能力指标主要是新型舰炮相关配套系统所具有的能力；武器系统能力指标主要是新型舰炮本身具有的能力，新型舰炮武器系统能力体系如图4所示。
图4 新型舰炮武器系统能力体系框图
Fig.4 Capability system of new naval gun weapon system
从体系能力出发建立的能力指标为武器装备执行任务时所应具备的最明确的能力值，通过对使命任务分解、能力指标体系构建，从微观层面细化任务与能力的表达方式，为进一步实现作战能力需求生成中任务到能力的转换奠定了基础。
4 能力需求生成中的映射分析
进行作战能力需求生成就是实现从任务到能力的转换，作战活动的具体执行就是对执行作战活动的人员或武器装备所具备能力的一种需求。作战活动的成功执行向能力指标的转换反映了使命任务需求到作战能力需求的转换，这种转换关系经过分析建模处理则可形成一种映射关系[9]，因此作战活动与能力指标之间的映射关系便是能力指标生成的桥梁，分析这种映射关系便是能力需求生成的重点。新型舰炮作战活动与能力指标之间的对应关系如图5所示。
图5 新型舰炮作战活动与能力指标对应关系框图
Fig.5 Corresponding relationship between new naval gun
operational activities and capability index
在新型舰炮的作战使用中，使命任务复杂而存在多种作战构想，对映射规则分多种情况进行处理，从而保证使命任务需求的丰富性和完整性，使得最终获取的能力指标具有更高的准确性和可识别性，根据作战活动与能力指标之间的作用关系，映射规则可分为以下4类。
1) 解析规则
解析规则是映射规则的基础，也最重要应用最广泛的一类规则。利用军事运筹，系统工程理论，作战数模等理论进行作战模拟，建立符合作战任务的数学模型，通过数学解析式对能力指标的生成过程进行分析，将抽象的作战活动转化相应的作战能力，生成能力指标的定量需求。运用解析规则，公式简单明了，便于理清能力指标之间的关系，通过影响因素的变化可分析能力指标的变化趋势，实用性强。
2) 推理规则
推理规则是指作战活动与能力指标之间存在因果逻辑，时序关系等作战规律，形成多种情况而导致能力指标取值不同，可用程序分析中if … else …的结构来表达，推理规则的本质是根据历史经验、作战规律等提取出来的。
3) 学习规则
学习规则是通过演习、实验、仿真等获得的方法经验数据等，对其进行科学严谨的归纳、分析、验证形成可运用的知识库。
4) 等价规则
等价规则比较简单，即能力指标的取值完全取决于对作战活动的执行水平要求。
根据作战活动与能力指标之间的匹配关系，结合上述4种映射规则，建立新型舰炮的作战映射模型，形成规则库，在具体的作战想定下，提取规则库即可初步生成能力需求分析指标列表，在映射规则中，解析规则运用比较广泛，映射关系的分析至关重要，直接决定了能力需求生成的准确性。
5 能力需求方案的约束优化
通过映射规则得到的能力需求列表可以保证各个能力指标所对应的作战活动被成功执行，而科学合理的能力需求方案需要满足新型舰炮各方面的约束且使作战效能最优，从本质上来讲，这是一个约束优化问题。
对新型舰炮进行作战能力需求生成最终落脚在能力指标上，因此目标函数作战效能的建立可采用指数法，为了与约束优化的一般模型相统一，即适应度函数越小越优，选取效益型指标作为分母，成本型指标作为分子，作战效能函数为：
(1)
式(1)中：x, x1,…,z1是能力指标； ω1、ω2、…、ωm+n为幂指数，一般要求ω1+ω2+…+ωm+n=1； k为一致性调整系数。
能力需求列表的约束条件可通过对使命任务、军事威胁、装备体系、历史经验等进行分析提取，主要包括：
1) 作战需求约束。作战需求约束是指为实现所担负的使命任务所必须具备的能力，即战场态势、作战目的对作战行动提出的要求。
2) 能力需求约束。能力需求约束是最重要的一类约束，主要体现在能力需求指标之间相互影响关联的基础上。指标的生成并不是单一的指标求解，而是形成类似于网络状相互影响的结构体系关系，指标之间相互制约、相互影响，对彼此具有一定的约束关系。
3) 技术发展约束。技术发展需求描述了武器装备发展预测水平，在装备体系发展建设中，往往会采用保守的技术和标准以此来降低风险，根据武器装备建设发展水平，可以给定某一能力指标的技术发展约束。
4) 其他约束。除了以上几种约束之外，通过大量的仿真、试验等得到的数据进行分析获取约束关系，或者专家根据自身经验对能力指标进行关联性分析给定约束条件，但是对于经验约束需要进一步分析确定约束的可信度。
根据上述4种约束关系，对新型舰炮在具体作战中提取约束集，建立约束优化模型为：
(2)
式(2)中： f(x)为作战效能函数； gi(x)、hi(x)为4种约束关系中的不等式约束与等式约束；指标受到决策空间[Ll, Ul]的约束。
选用可行的约束处理技术进行能力需求列表的约束优化求解，即可获得既满足约束条件又保证作战效能的新型舰炮作战能力需求方案。
6 应用实例分析
结合具体作战想定，分析新型舰炮武器的主要作战能力需求生成，作战想定如下：假设预警机探测到有敌目标4批在距我方舰艇300～400 km处向我舰以高度10 km、速度2Ma袭来，要求采用新型舰炮武器进行拦截，且拦截相当可靠，即毁伤概率达到90%，设己方舰载探测设备对空袭目标的最大航路角ψmax为60°。
由于新型舰炮能力指标较多，本文只针对新型舰炮防空反导中武器控制这一作战活动进行能力需求分析，根据战场态势，分析由任务到具体能力指标之间的映射关系转换，上文描述了映射关系中的4种规则，重点就解析规则的运用进行分析。
例如求取新型舰炮的射程时，可建立如下简易模型[11-12]，当新型舰炮弹丸以初速vw被发射时，目标以速度vm刚好经过舰载跟踪边界，在t时间后新型舰炮弹丸与目标相遇，设k=vw/vm。新型舰炮射程模型如图6所示。
图6 新型舰炮射程模型示意图
Fig.6 Range model of new naval gun
根据图6可得新型舰炮射程Ssc为：
(3)
式(3)中： Rt为舰载探测设备对空袭目标的跟踪距离； ψmax为舰载探测设备对空袭目标的最大航路角。
例如按照新型舰炮担负的使命任务和射击效能指标要求，射速指标一般应满足：
(4)
式(4)中： n为射速； P为系统对目标全航路至少命中1发的概率； r为目标域半径； DL为打击远限；DS为打击近限；vm为目标速度；K为航路修正系数； σ为全系统误差的均方差； tfL为弹丸飞行距离的时间； tfS为弹丸飞行DS距离的时间。
从作战需求出发，估算新型舰炮弹药容量下限NS为：
(5)
式(5)中： nm为新型舰炮在不补弹条件下系统规定的打击目标数；n为射速；tsc为对应Ssc的弹丸飞行时间； tm为对应(pm, hm)的弹丸飞行时间。
根据上述作战想定以及映射关系中解析规则的分析，可以初步生成在该想定下所需新型舰炮具备的一些能力指标值，由于新型舰炮发射弹丸的初速对各个指标的影响较大，这也是新型舰炮的优势之一，假定当弹丸质量为15 kg、初速为6Ma时的能力指标生成如表1所示。
表1 能力指标生成表
Table 1 Generation table of capability index
能力指标需求值射程/km[189.95,253.27]射速/(发·min-1)[21,27]弹药装载量/发[515,885]出口动能/MJ31.21
用区间数度量能力指标，可以有效地表示出,当对敌方的作战需求在一定范围内变化时，己方所必备的战术技术指标水平，使需求生成更具准确性。
进行能力需求方案的约束优化，首先要构造目标函数，即新型舰炮武器的作战效能函数，其次要进行约束关系的提取。
(6)
式(6)中：实际计算效能时，应给发射率R乘以一个时间因子β， β表示新型舰炮武器的射击时间； Tfy为反应时间； δ为系统精度； Txx为信息处理时间。
利用AHP法，对作战所涉及的能力指标进行权重分配求解作战效能。
在武器控制这一作战活动中的约束关系主要是体现在作战态势的要求以及现阶段武器的发展状况，假设现有作战能力指标约束数据如表2所示。
表2 能力指标约束数据
Table 2 Capacity index constraints
作战态势约束技术发展约束Ssc>200 kmn>25P>90%Ssc<300 kmvw<7Man<50Ns<800
通过作战效能函数与各类约束条件，构建基于约束优化的能力需求方案模型，采用基于罚函数的粒子群寻优算法进行约束的求解，得到在约束条件下能力指标的最优值如表3所示。
表3 约束优化后的能力指标
Table 3 Generation table of capability index after
constraint optimization
能力指标需求值射程/km200射速/(发·min-1)25弹药装载量/发800出口动能/MJ31.21
对约束较为复杂的最优值寻优求解中，APSO(adaptive particle swarm optimization)快速自适应粒子群优化算法表现出较好的健壮性，系统能够较快收敛，寻优解也与实际情况相符。
7 结论
1) 作战能力需求生成模型方法的可用性。建立了从微观层面分析新型舰炮在防空反导方面的作战活动以及能力指标体系，为分析两者之间的映射关系以及约束优化奠定基础。
2) 经映射关系分析、约束优化后生成的作战能力指标，具有一定的可靠性。建立新型舰炮在作战中的简易数学模型，实现能力指标的定量化生成，经约束优化后的能力需求方案保证了使武器的作战效能最大。
本文最终获得的能力需求指标处在作战需求和体系需求之间，具有“承上启下”的作用，可以指导新型舰炮武器装备的建设与发展，明确今后发展的方向和重点。但是在新型舰炮作战任务映射分析方面，由于新型舰炮这一新概念武器，作战使用还处于论证阶段，模型的建立比较简单，指标的生成还不够完善，需进一步改善。
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