兵力需求系統動(dòng)力學(xué)模型研究

第18卷第5期海軍工程大學(xué)學(xué)報Vol 18 No 52006年10月JOURNAL OF NAVAL UNIVERSITY OF ENGINEERINGOct.2006文章編號:009-3486(2006)5-0083-04兵力需求系統動(dòng)力學(xué)模型研究郭浩波,王穎龍空軍工程大學(xué)導彈學(xué)院,陜西三原713800摘要∶針對兵力需求的動(dòng)態(tài)不確定問(wèn)題定性分析兵力需求的影響因素及其相互關(guān)系運用 Vensim軟件構建兵力需求系統動(dòng)力學(xué)模型定量研究兵力需求相關(guān)變量間因果關(guān)系及需求變化旳動(dòng)態(tài)規律并進(jìn)行數值仿真.結果表明系統動(dòng)力學(xué)用于兵力需求的研究有效地解決了系統某些參數關(guān)系難以量化、數據不足等問(wèn)題.關(guān)鍵詞:兵力需求;系統動(dòng)力學(xué);仿真;模型中圖分類(lèi)號:E15文獻標識碼:AOn system dynamics model of military strength demandGUO Hao-bo, WANG Ying-longMissile college Air-Force Engineering Univ. Sanyuan 713800, ChinaAbstract: An uncertain problem with the dynamic state of military strength demand is analyzed qualitativeccording to influencing factors and their correlation. Further a system dynamics model is established andsimulated by Vensim software so as to fulfill the correlation among the variables. And the dynamic principle oflemand changes quantitatively. The results indicate that the research on the system dynamics model of militarystrength demand can effectively solve the problems such as some parameter correlation difficult to reckon andthe insufficiency of dataKey words: military strength demand system dynamics simulation model兵力需求是地面防空作戰部署的重要環(huán)節也是進(jìn)行兵力規劃的重要依據.兵力需求受多種因素的影響主要包括敵空襲兵器的類(lèi)型與規模、防空兵器的型號與作戰能力以及所擔負的防空作戰任務(wù)等,表現岀很強的動(dòng)態(tài)性和不確定性目前通常采用的方法有經(jīng)驗估算法和模擬試驗法口.經(jīng)驗估算法主要是依據被保衛目標的數量、重要等級以及保衛各類(lèi)目標所需防空兵力的經(jīng)驗數據進(jìn)行線(xiàn)性加權求和計算該方法計算模型簡(jiǎn)單經(jīng)驗性強但估算結果粗糙.模擬試驗法是通過(guò)建立防空作戰仿真模型在給定的作戰背景下進(jìn)行空防仿真對抗依據對仿真結果的分析不斷調整兵力的投入直到得出滿(mǎn)意的對抗結果最終確認所需的兵力數量模擬試驗法可以模擬較復雜背景下的作戰過(guò)程,估算結果可信度較高但一般仿真模型比較復雜仿真所需的時(shí)間也較長(cháng).文中運用系統動(dòng)力學(xué) system dynamics,SD)理論,以某型彈炮結合武器系統抗擊巡航導彈(CM)為例建立了兵力需求系統動(dòng)力學(xué)模型研究兵力需求相關(guān)因素變量間因果關(guān)系及需求變化的動(dòng)態(tài)規律并進(jìn)行數值仿真對兵力需求分析做出一次新的嘗試SD理論研究兵力需求的可行性系統動(dòng)力學(xué)將系統定義為一個(gè)由相互區別、相互作中TYH起的、為同一目的而*收稿日期200607-10;修訂日期200608-12基金項目空軍工程大學(xué)學(xué)術(shù)聯(lián)合)基金資助項目(KGD-XI02200420)作者簡(jiǎn)介郭浩波1979-)男博士生海軍工程大學(xué)學(xué)報第18卷完成某種功能的集合體3]系統動(dòng)力學(xué)從系統的微觀(guān)結構入手以實(shí)際系統原型為研究對象通過(guò)分析所要研究系統的組成要素和系統環(huán)境的邊界集中關(guān)注系統各變量之間的因果關(guān)系研究目標隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)規律為解決動(dòng)態(tài)復雜問(wèn)題提供了一個(gè)有效途徑.該方法能很好地反映復雜系統的諸多特性,比如反直觀(guān)性、對系統內多數參數的變化不敏感、含有可施加影響的壓力點(diǎn)”、全局與局部利益相矛盾、長(cháng)期效益與短期效益相矛盾等特性.對于兵力需求的研究常常遇到系統某些參數關(guān)系難以量化、數據不足或是系統難以用結構化模型來(lái)描述等問(wèn)題而系統動(dòng)力學(xué)方法具有解決這類(lèi)作戰模擬問(wèn)題的優(yōu)越性:①由于系統動(dòng)力學(xué)強調系統的行為模式主要取決于其內部的動(dòng)態(tài)結構和反饋機制因此在數據缺乏的條件下仍然可進(jìn)行研究;系統動(dòng)力學(xué)方法擅長(cháng)處理多維、非線(xiàn)性、高階、時(shí)變的系統問(wèn)題而軍事系統恰恰是具有這些特點(diǎn)的復雜系統③系統動(dòng)力學(xué)研究復雜系統問(wèn)題的方法是定性與定量結合系統綜合推理的方法.2兵力需求SD模型2.1作戰想定設藍方代表空襲方、紅方代表防御方.藍方在空襲飛機的支援下在一段時(shí)間內連續發(fā)射各種型號CM從各個(gè)方向攻擊紅方某重要保衛目標紅方在保衛目標周?chē)渴鸲嗵啄承蛷椗诮Y合武器系統在群指揮脈旅團級)統一指揮下進(jìn)行CM抗擊作戰以粉碎空襲方的作戰企圖(注洳如無(wú)特別聲明本文中的兵力需求S模型都是指某型彈炮結合武器群抗擊CM作戰的兵力需求SD模型)為了便于研究作如下假設(1)空襲方為達成作戰目的保持一定的空襲強度2)鑒于主要研究的是兵力需求模型在分析中不考慮某型彈炮結合武器對巡航導彈的探測能力,以簡(jiǎn)化模型.2.2兵力需求SD模型的因果關(guān)系圖建立兵力需求SD模型旳目的是研究攻防雙方武器數量旳消耗、CM對保衛目標的毀傷能力、防空兵力對CM的攔截能力、防空兵力的補充等之間的相互作用及各種可能岀現的作戰情況.根據這個(gè)目的要求建立了14個(gè)變量因素構成的因果關(guān)系圖3見(jiàn)圖1)藍方QM對紅方藍方QM的發(fā)射數量目標單發(fā)毀傷系數藍方Q的突防數量藍方QM對紅方紅方對藍方cM的目標的毀傷系數攔載數量藍方CM的耗損數量紅方彈炮結合戰場(chǎng)環(huán)境因子武器的補充量藍方對紅方防空紅方彈炮結合導彈的摧毀數量器的數量紅方單套武器紅方戰場(chǎng)指攔截能力系數控能力系數紅方防空導彈的紅方彈炮結合故障指數武器的損失量圖1兵力需求SD模型中國煤化工2.3兵力需求SD模型的流圖CNMHG將上述的因果關(guān)系進(jìn)行變量分類(lèi)模型中共有26個(gè)變量其中流位變量有3個(gè)流率變量有5個(gè)其它變量有18個(gè).各變量的符號表示與定義如表1所示第5期郭浩波等浜兵力需求系統動(dòng)力學(xué)模型研究表1兵力需求SD模型的變量符號與定序號變量類(lèi)型變量符號變量定義藍方CM的數量12345678流位變量藍方CM的突防數量紅方彈炮結合武器的數量BCM藍方CM的補充量藍方CM的發(fā)射量流率變量HCM藍方CM的耗損量紅方彈炮結合武器的補充量HDA紅方彈炮結合武器的耗損量CMH藍方CM對紅方目標的毀傷系數藍方CM對紅方目標單發(fā)毀傷系數012345紅方單套武器的攔截能力系數輔助變量HZK紅方戰場(chǎng)指控能力系數紅方對藍方CM的攔截數量DPB紅方彈炮結合武器的補充率ZCH戰場(chǎng)環(huán)境因子藍方CM的良好率藍方CM的出動(dòng)率18902藍方CM的初始值PCM藍方CM的命中概率藍方CM的毀傷半徑常量紅方目標的折合半徑紅方單套武器對CM的硬殺傷概率紅方單套武器對CM的軟殺傷概率方彈炮結合武器的故障率LHA藍方對紅方防空武器的毀傷率藍方CM補充率根據上述因果關(guān)系圖建立兵力需求SD模型的流圖見(jiàn)圖2)模型中的主反饋回路為藍方CM的突防數量→藍方CM對紅方目標的毀傷系數→紅方彈炮結合武器的補充量→→紅方彈炮結合武器的數量→紅方對藍方CM的攔截數量→藍方CM的耗損量→藍方CM的突防數量.CTBCL SCV圖2兵力需求SD模型中3個(gè)流位變量的狀態(tài)方程如下TYH坐化CM"=INTEC BCM-FCM SCM) SCM=800T"=INTEG + FCM-HCM p)INTEC + BDP-HDP 10)海軍工程大學(xué)學(xué)報第18卷其中: INTEG是積分運算符.其它變量間的運算關(guān)系及具體算式由于篇幅關(guān)系在此不再詳述.3仿真分析本文選用 Vensim PleⅤ ersion5.4b作為仿真平臺. Vensim Ple軟件主要有以下特點(diǎn)51)利用圖示化編程建立模型.在 Venin中“,編程"實(shí)際上并不存在只有建模的概念.只要在進(jìn)入系統后伈據操作按鈕畫(huà)岀流圖再輸入方程和參數就可以直接進(jìn)行模擬使用.2)對模型提供多種分析方法. Vensim可對模型進(jìn)行結構分析和數據集分析.結構分析包括原因樹(shù)分析、結果樹(shù)分析和反饋環(huán)列表分析.數據集分析包括變量隨時(shí)間變化的數據值及曲線(xiàn)圖分析.3)真實(shí)性檢驗對于所研究的系統對于模型中的一些重要變量依據常識和一些基本原則,可以預選提岀對其正確性的基本要求.將這些約束加到建好的模型中專(zhuān)門(mén)模擬現有模型在運行時(shí)對于這些約束的遵守情況或違反情況就可以判斷模型的合理性與真實(shí)性從而調整結構或參數.按照 Vensim ple軟件的仿真步驤仿真步長(cháng)設為0.1采用四階 Runge-kuta法)輸入初始參量可以得到紅方彈炮結合武器系統數量的變化趨勢以及與各因素變量之間的量化關(guān)系(見(jiàn)圖3).圖3的仿真結果描述了紅方彈炮結合武器系統數量DP)與藍方CM的突防數量(CMT)藍方CM對紅方目標的毀傷系數CⅦH)紅方對藍方CM攔截數量LCM)這三個(gè)因素變量之間的變化趨勢LcM仿真結果≤!a仿真結果QMT仿真結果DP仿真結果000010圖3DP與 CMT. CMH. LCM之間的變化趨勢圖仿真結果表明隨著(zhù)CM突防數量的增多所需彈炮結合武器系統的數量大幅度增加;武器系統的數量增加到一定值時(shí)由于攔截CM數量的增多CM突防數量會(huì )逐漸減少其對保衛目標的威脅也相應較少此外通過(guò)改變初始參量來(lái)實(shí)現對策分析.選取模型中具有代表作用的參量紅方戰場(chǎng)指控能力系數”通DP:情況過(guò)改變該參量的取值將彈炮結合武器系統需求量的變化作一比較(見(jiàn)圖4DP:情況從仿真結果可以看出戰場(chǎng)指控能力的提高可以大量減少彈炮結合武器系統的需求量.從另一個(gè)角度講戰場(chǎng)指控能力對于彈炮結合武器系統群抗擊巡航導彈作戰t/min效能的提高具有至關(guān)重要的作用圖4參量變化前后DP的變化比較圖情況1:紅方戰場(chǎng)指控能力系數取0.6情況2紅方戰場(chǎng)指控能力系數取0.84結束語(yǔ)中國煤化工本文結合某型彈炮結合武器系統抗擊巡航導彈的作CNMHG系統動(dòng)力學(xué)模型并在Ⅴ ensim Ple軟件的基礎上進(jìn)行了仿真實(shí)驗通過(guò)仿真實(shí)以仔山計多刈武器裝備建設與使用有價(jià)值的實(shí)驗結論.但是系統動(dòng)力學(xué)進(jìn)行兵力需求的理論研究才剛剛起步尚有許多工作要做(下轉第90頁(yè))海軍工程大學(xué)學(xué)報第18卷2.3實(shí)驗結果針對此問(wèn)題通過(guò)訓練樣本可以得到進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的輸入節點(diǎn)個(gè)數為12個(gè)輸出節點(diǎn)個(gè)數為3個(gè)將訓練樣本投入訓練經(jīng)過(guò)優(yōu)化搜索得到最優(yōu)解的隱層神經(jīng)元數為14學(xué)習率為0.3次優(yōu)解的隱層神經(jīng)元數為8學(xué)習率為0.3.當隱層神經(jīng)元數取14時(shí)對初次計算的權值再用BP方法精細化網(wǎng)絡(luò )權重網(wǎng)絡(luò )迭代48次后收斂總誤差為0.0494632得到網(wǎng)絡(luò )最終權值網(wǎng)絡(luò )進(jìn)化和訓練結束后投入驗證樣本得到的部分結果如表2所示.表2部分實(shí)驗結果序號TT1T-0100.56l110.989110.85650-0.04360.964322.4實(shí)驗結果分析在上表中對比期望輸出和實(shí)際輸出的值可以看岀該進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )是具有較好的識別能力的.實(shí)驗表明利用GA與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )相結合的方法可以?xún)?yōu)化設計出一定范圍內符合目標識別要求的進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )結構3結束語(yǔ)文中以比較成熟的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)結合遺傳算法得到了一個(gè)帶有可進(jìn)化性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )結構并將其系統化嘗試以此來(lái)改進(jìn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )中存在的某些不足然后對一個(gè)具體旳艦船雷達目標識別問(wèn)題進(jìn)行了實(shí)現取得了一定效果參考文獻[1]嚴衛.遺傳算法及其在雷達信號處理中的應用[D]南京南京航空航天大學(xué)J97[2]高雋.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )原理及仿真實(shí)例[M]北京機械工業(yè)出版社2003[3]云慶夏進(jìn)化算法[M]北京治金工業(yè)出版社2000[4]張立明人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的模型及其應用[M]上海復旦大學(xué)出版社1993[5] Li H J, Chin V. Aerospace target identification-comparison between the matching score approach and the neural networkpproach[J]. Journal of Electromagnetic Waves and Appications 1993 7(6)873-893[6]王小平曹立眀.遺傳箅法——理論、應用與軟件實(shí)現[M]西安西安交通大學(xué)出版200(上接第86頁(yè))參考文獻:[1]曹澤陽(yáng)王穎龍高虹霓.戰區地面防空兵力需求估算模型硏究[J]系統工程與電子技術(shù)2003(9)1169-1172-[2]王其藩.系統動(dòng)力學(xué)[M]北京清華大學(xué)出版社1994[3]商長(cháng)安劉志杰王鳳山系統動(dòng)力學(xué)防空戰場(chǎng)信息戰模型[V凵中國煤化工5)3-10[4]王磊谷陽(yáng)曾廣會(huì )戰斧潛射巡航導彈能力研究[J]CNMHG[5]賈仁安,丁榮華.系統動(dòng)力學(xué)-反饋動(dòng)態(tài)性復雜分析[M]北京高等教育岀版社200