应用OODA环模型研究装备对体系贡献程度*

张宇，黄建新

(北京系统工程研究所 复杂系统仿真总体重点实验室，北京 100101)

应用OODA环模型研究装备对体系贡献程度*

张宇，黄建新

(北京系统工程研究所 复杂系统仿真总体重点实验室，北京 100101)

针对装备优化问题，研究装备对体系的贡献作用和贡献程度。引入OODA环理论，分析了基于OODA环的作战体系对抗过程，将体系对抗抽象为两大OODA环之间的对抗。然后着重分析了装备对体系的贡献程度，其中主要分析基于OODA环的装备体系结构，并依据装备到OODA环整体能力的映射过程,建立了基于OODA环的体系能力评估模型，最后对一个案例进行评估与分析，验证了模型的可行性。

OODA环；装备；体系对抗；能力评估；建模；贡献程度

0 引言

在科技发展日新月异的今天，现代战争已成为作战体系与体系之间的对抗，作为作战体系重要组成实体的装备在体系中的重要性日益增强。但体系结构及其对抗过程均十分复杂，众多装备在当中相互关联发挥着不同的功能作用，由此，分析体系对抗过程，研究装备在体系对抗中的贡献机理，对有针对性地提升装备战技性能和优化装备体系结构有着十分重要的意义。以往，评价装备的优劣，主要是从系统层面比较单个装备系统的综合性能指数，而本文则将装备系统放入体系当中，评价其对整个装备体系能力指数的贡献。

近年来，OODA环模型被广泛用于体系的相关研究中，国内外一些研究人员建立了大量基于OODA环的指挥控制模型和体系对抗模型，为体系研究提供了许多新的思路和方法，如黄建明建立的作战对抗系统动力学模型[1]、张昱提出的武器装备体系建模方法[2]等，但大多是反映了体系对抗过程，鲜有从装备角度分析装备对体系的贡献作用。美国空军远程火力打击基于OODA环建立了发现-交战的链路，并建立了体系动量模型(体系动量表示为作战半径、任务性能和链路速度三者的乘积)来度量任务链的性能，从一定程度上可以分析装备对体系的贡献。本文采用理论与建模相结合的分析方法，引入OODA环理论，在分析作战体系对抗过程的基础上，建立了基于OODA环的装备体系能力评估模型，并着重分析了装备对体系的贡献作用和机理。

1 基于OODA环的体系对抗分析

1.1 OODA环的基本理论

OODA环模型是由美国空军上校John Boyd于1987年提出的一种作战模型，如图1所示，它将作战过程简化抽象为由观察(Observe，O)—判断(Orient, O)—决策(Decide, D)—行动(Act, A)4个环节构成的作战回路[3-6]，其中：

“O”，利用各类侦察探测装备对战场环境进行观察和感知，从战场环境中搜集目标的位置、状态、属性等信息；

“O”，将观察环节收集到的信息和数据进行处理和融合，并对当前的战场态势进行评估；

“D”，依据战场态势制定行动计划和方案；

“A”，依据计划方案或上级命令指示实施相应行动。

图1 OODA作战环示意图Fig.1 Schematic diagram of OODA loop

实际上，一个复杂的作战体系对抗过程是由多个层级的OODA环并行、嵌套、迭代组合而成的复杂网络[3-4]，但从总体层面上看,整个作战过程最终可抽象为一个大的OODA环。为了简化分析，将这个环抽象为由观察、判断、决策、行动4个节点集以及环节与环节之间的通信链路组成[7-8]，其中每个环节是由一个或多个功能属性相同的子节点组成的节点集。

1.2 基于OODA环的体系对抗分析

若将体系对抗抽象成两大OODA环的对抗，则在体系对抗过程中，体系中的各个实体通过执行相应任务构成OODA环的各个节点集，实体与实体、节点与节点之间再通过通信传输连接成整个作战闭环，具体对抗过程如图2所示。

图2 基于OODA环的体系对抗示意图Fig.2 Schematic diagram of SoS confrontation based on OODA loop

对于这些实体，文献[7-8]从体系中抽象出4类实体集，即目标实体集(targets)、侦察探测实体集(sensors)、判断决策实体集(deciders)、攻击实体集(attackers)，本文就此抽象出第5类实体集，即用于以上实体间通信传输的通信链路实体集(communications)。

观察节点(O)：侦察探测实体从环境中探测目标实体信息；

判断节点(O)：侦察探测实体将探知的情报数据传送给指挥决策实体进行融合和判断；

决策环节(D)：指挥决策实体依据判断结果形成行动方案并将方案信息传送给火力打击实体；

行动节点(A)：火力打击实体依据行动方案对目标实施相应(打击)行动。

节点与节点之间的通信链路则体现为相互关联的实体与实体之间的通信传输。

2 装备对体系的贡献程度分析

2.1 基于OODA环的装备体系分析

由于装备(系统)是体系中4类实体集(sensors, deciders, attackers, communications)的重要组成部分，因此若不考虑人的因素，可将上述实体视作相应的装备(系统)。由此，一个完整的作战装备体系可分为以下几个类别，如图3所示，这些装备(系统)通过执行任务成为了OODA环相应节点集的子节点。

图3 基于OODA的装备体系分类Fig.3 Classification of WSoS based on OODA loop

侦察探测类装备，主要指用于侦察、预警、探测、监视等装备实体，如预警机、侦察飞机、雷达、侦察卫星、各类声、光、电探测设备与仪器等，对应于OODA环中的观察环节(O)，主要任务是发现并获取目标信息数据。

指控决策类装备，主要指用于辅助指挥员进行数据融合、情报分析以及指控决策等装备实体，如指挥自动化系统、情报处理系统等，对应于OODA环中的判断环节(O)和决策环节(D)，主要任务是进行情报数据的融合处理，并辅助指挥员指挥决策，形成行动方案。

火力打击类装备，主要指用于实施软、硬攻击的武器装备系统或平台，如各类作战飞机、舰艇，战斗车辆，各类导弹、炮弹以及用于电子战、信息战等武器装备，对应于OODA环中的行动环节(A)，主要任务是依据行动方案对目标实施相应行动(如打击、压制等)。

通信传输类装备，指用于保障通信传输的各类装备、设备和线路，如通信卫星、各类通信系统、通信电台等，对应于OODA环中的通信链路，主要任务是保障节点与节点间快速高效的通信传输。

其他保障类装备在体系中发挥着直接或间接作用，主要体现为维持了整个体系对抗的稳定性和持续性。在分析其具体的贡献作用时，可以以其保障服务对象为参考，划分到相应的装备种类中去。

2.2 基于OODA环的装备贡献机理分析与建模

由于将整个体系对抗过程抽象为OODA环的对抗，则若不考虑人的因素，整个装备体系的作战能力可以通过OODA环的整体能力指数来度量。因而，分析装备及其性能参数对体系的影响可转化为分析其对OODA环的整体能力指数的影响[6-7，9]。

OODA环的整体能力由观察、判断、决策、行动4个环节的能力以及环节间的通信链路的能力共同决定。而各环节的能力由执行相应任务的装备(系统)的性能决定，装备系统的性能又进一步由该装备的主要性能指标决定，装备性能到OODA环整体能力的聚合过程如图4所示。该图实际上反映了装备对体系的贡献机理，通过分析研究整个映射过程，可以建立装备体系能力评估模型[8，10-15]。

图4 装备性能到OODA环能力的聚合过程Fig.4 Polymerization process of equipment performance to capability of OODA loop

装备综合性能指数可由该装备的各项主要性能指标以一定的方法聚合而成，价值中心法、指数法等[10-11]，由于不同的装备(系统)的特点属性不同，所采用的具体聚合方法也有所不同，此处用一个函数表示：

Cj=Fj(p1,p2，…,pM),

(1)

式中：Cj为第j个装备系统的综合性能指数(无量纲值)；Fj(p)为该装备性能指数聚合函数；pM为该装备第M个性能指标的指标值；M为性能指标个数。

对于观察节点，通常有多个装备系统同时对目标信息进行观察，探测到的目标信息则汇聚到上级信息处理中心进行数据融合。数据融合主要对应于判断节点，它是将大量情报信息进行筛选和再处理的复杂过程。数据融合后，观察节点和判断节点的能力可整体表示为

(2)

由于R(x)难以度量，可用融合系数来衡量数据融合程度，该系数可由判断节点的能力MOr来表示，它主要由指控决策装备中的信息数据融合系统的性能决定。数据融合之前，若多个装备系统同时对同一目标探测，则观察系统之间相互独立，观察节点的能力理论上取决于观察性能最高的系统。又由于多个装备系统同时观察时，整个观察节点的观察能力有所提高，主要体现为整体发现定位概率的提高：

(3)

基于以上分析，观察节点和判断节点的能力可分别表示为

(4)

MOr=1+βCOr，

(5)

若不考虑人的因素，决策节点的能力主要取决于指控决策装备中相应辅助决策系统的性能。由于一次具体行动方案的直接决策节点通常只有一个，则决策节点的能力指数可表示为

MD=CD，

(6)

式中：MD为判断节点的能力指数；CD为该决策装备系统的性能指数。

对于行动节点，由于打击毁伤能力和效果可以叠加，因而其节点能力可表示为多个攻击打击类装备能力的累加[10]，即行动节点的能力指数可表示为

(7)

对于通信链路，若由多个通信装备系统组合而成，则通信链路的整体能力指数可表示为多个系统性能指数的聚合：

(8)

由于整个OODA环由通信链路将4个节点串接而成，则OODA的的整体能力指数可表示为如下表达式：

EOODA=(MObMOrMDMA)1/4MC.

(9)

若以OODA环的整体能力指数来衡量，装备体系的作战能力，将前面各式带入式(9)，可得装备体系作战能力模型表示为

(1+β(FOr(p1,…,pM)))FD(p1,…,pM)·

(10)

该模型实际上是一种基于能力指数的体系能力评估模型，能从逻辑意义上反映不同装备系统及其性能指标对装备体系整体能力的贡献作用和大小。式(10)中，若对某个装备Cj(或其某项性能指标pji)求偏导数，则所得数值为该装备系统(或指标)对体系整体作战能力的影响程度，该值越大，说明该装备系统(或指标)变化对体系整体能力的影响越大。

3 案例分析

假设红方体系拟对蓝方某目标实施打击行动，构建红方装备体系，并利于一定的聚合方法得到各装备系统的无量纲性能指数如表1所示，具体聚合方法根据不同系统单元各有不同，此处不再详述。

现研究打击装备系统数量与性能对体系整体能力的影响，在其他系统单元性能指数不变的情况下，根据式(10)的度量模型，打击单元1和2性能指数C1和C2对体系能力影响可量化为

E=0.84(0.783N1C1+0.783N2C2)1/4，

(11)

若对式(11)中的C1和C2求偏导数，可得打击单元1和2的对体系能力的影响程度为

(12)

(13)

在N1,C1,N2,C2取不同方案值的情况下，通过式(11)～(13)可计算出体系整体能力指数和打击单元的数量、性能对体系能力的影响程度如表2所示。

表2 打击单元对体系能力的影响

从表2可以看出，打击系统的数量越多、性能越强，体系的整体能力就越大，相应系统对体系的贡献也越大。如对比方案2和方案3可以看出，打击单元3比打击单元2对体系能力的贡献更大。其次，打击单元数量越多，则该系统单元对体系能力的影响程度(偏导数)越大，当数量一定时系统的性能越好，对体系能力的影响程度反而越小。这说明，当打击单元的性能处于较低的水平时，提升系统性能值能较快提升体系的整体能力，但当其性能已处于较高水平时，再提升其性能值对体系整体能力的提升效率变得很低。因此在构建装备体系时不仅要考虑装备系统的性能问题还应考虑数量问题，性能与数量可以相互弥补。同时，在研究提升装备系统性能指标时，不能盲目求高求大，而应寻找能够满足需求的最合适的指标值。

4 结束语

本文引入OODA环理论，分析了基于OODA环的作战体系对抗过程，将体系对抗简化为两大OODA环之间的对抗。然后，着重分析了装备对体系的贡献机理，其中主要分析了基于OODA环的装备体系种类划分，并依据装备系统性能指数到OODA环整体能力的映射关系建立了基于OODA环的体系能力评估模型，最后对一个案例进行评估与分析，所得结论与实际情况基本相符，从而验证了上述模型的可行性。

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Study on Contribution Degree of Equipment to System of Systems Using OODA Loop Model

ZHANG Yu, HUANG Jian-xin

(Beijing Institute of System Engineering, National Key Laboratory for Complex Systems Simulation, Beijing 100101, China)

For the equipment optimization issues, the contribution degree of equipment to system-of-systems (SoS) is studied. The observe orient decide act(OODA) loop theory is introduced to analyze the process of SoS confrontation. The concept of SoS confrontation is abstracted into the confrontation between two OODA loops. Then, the contribution degree of equipment to SoS is analyzed, which includes the analysis of the structure of the weapon system of systems(WSoS) based on OODA loop. A capability evaluation model of WSoS based on OODA loop is put forward. Also, a small case is studied to verify the feasibility of the model.

observe orient decide act(OODA) loop; equipment; system-of-systems(SoS) confrontation; capability evaluation; modeling; contribution degree

2016-05-09；

2016-06-20 作者简介：张宇(1987-)，男，四川什邡人。硕士生，主要研究方向为装备论证与仿真。

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.02.028

E917

A

1009-086X(2017)-02-0177-06

通信地址：100101 北京9702信箱19分箱 E-mail：galaxy-man@163.com