装备体系可靠性概念、建模与预计方法研究

武器装备体系执行任务复杂多样, 其可靠性直接影响装备战备完好性与效能。传统可靠性建模与预计方法未充分考虑装备体系组成系统之间的资源共享与信息融合特征, 难以满足现代化装备体系化和集群化需求。因此, 分析给出装备体系可靠性相关概念, 并提出了一种基于广义有效OODA(observation, orientation, decision, action)环的装备体系可靠性建模与预计方法。首先, 对装备系统与体系可靠性相关概念进行辨析, 分析装备体系可靠性、维修性、测试性、保障性和安全性概念内涵。其次, 考虑装备体系节点异质性与连边有向性, 建立资源与信息共享条件下的装备体系OODA网络模型。然后, 考虑装备体系节点与通信链路的随机、蓄意攻击失效和重构策略, 提出基于广义OODA环的装备体系可靠性建模与预计方法。最后, 以100个无人机组成的无人装备体系为对象验证所提方法的有效性与实用性, 进而提升其作战效能。

https://www.sys-ele.com/article/2024/1001-506X/20240615.shtml

武器装备体系是指由多个功能上相互联系、相互作用的装备协同工作、有机整合而形成的新质作战力量, 以协同编队作战体系为例, 各平台分别承担态势感知、任务规划、指挥决策、行动控制、火力打击等功能, 在战争中杀伤链路可快速闭合，形成非对称优势，发挥歼击要害等重要作用。某类海上作战体系由航空母舰、濒海战斗舰、无人水面舰艇、无人机、直升机和通信链路等平台组成, 这些平台协同工作进行探测并消灭目标, 如目标船只、潜艇和鱼雷等。同时, 该体系的各组成平台都具有一个或多个能力, 并通过系统之间的协作形成更高级别的作战能力。可以说, 以数据和信息技术为代表的高新技术的广泛应用, 将国防设施与装备通过网络数据与通信系统相连接, 实现了体系要素之间的互联、互通、互操作, 使得系统或装备之间的联系和交互变得越来越频繁和紧密, 从而实现体系整体的稳定、可靠与智能化运行。 装备体系有多系统集成、维数大、可变元素多、涌现性和演化性强等特点。在任务环境下, 武器装备体系具有节点易损毁、时间强约束、任务高动态、拓扑快演化等特征, 其局部异常情况(包括节点故障、功能退化、结构拓扑失效等内部扰动, 以及任务变化、对抗干扰、环境冲击、拦截破坏等外部扰动)可能诱发体系任务链条断开、拓扑结构崩溃、信息传输中断、杀伤网络瘫痪等全局性异常或失效, 增加其整体运行的内在风险, 使体系性能发生降级, 降低任务执行效率, 甚至导致顶层任务失败。为适应战争需求, 针对体系任务受强对抗环境影响大、难以评价可靠性动态影响等问题, 开展装备体系/集群可靠性建模与预计方法研究, 对确保装备体系在跨域、捷变、强干扰等复杂作战条件下安全可靠地完成各项任务具有重要作用。 由于装备体系具有复杂性、涌现性、整体性、协同性与开放性等复杂特性, 应用当前面向复杂系统的可靠性工程方法已经无法有效地解决与处理装备体系相关问题。体系可靠性是体系战斗力生成和保持的重要基础, 不仅直接影响着装备的作战模式、作战规模以及持续作战能力, 影响效能的发挥和提高, 影响装备的全生命周期费用, 而且直接反映了体系战备完好性和完成作战任务的成功率, 对于战争进程具有重要的影响。因此, 为提升装备体系的作战能力, 亟需开展装备体系可靠性建模与预计方法研究, 为提升装备体系作战效能提供有力支持。 目前, 在装备体系可靠性研究方面尚处于初期阶段, 主要集中在概念和技术框架上, 还未形成一套完整的、可有效处理体系问题的工程化方法论。装备体系可靠性建模方法主要应用包括马尔可夫链、表决系统模型、离散事件仿真、Petri网、系统动力学和复杂网络理论等。其中, 基于复杂网络理论进行体系可靠性、脆弱性、鲁棒性和韧性的研究被广泛采用[1-3]。杨克巍等[4-5]以装备体系为对象, 围绕装备体系架构、体系需求工程、装备体系建模分析与仿真评估、网络体系建模分析与分析方法、体系优化设计理论与方法、体系贡献度等内容展开研究。罗爱民等[6-7]以装备体系为对象, 围绕军事架构技术、体系结构建模、军事信息系统综合集成和装备体系分析评价等方面开展研究。潘星等[8]基于体系工程中需求开发和能力要求分析, 提出了以装备体系保障为中心的装备体系可靠性、维修性、保障性指标与论证方法。龙慧[9]基于复杂网络理论对武器装备网络模型优化以及风险评估进行了研究。Dui等[10]利用表决系统和重要度理论, 提出了无人飞行器集群任务可靠性建模与拓扑结构优化设计方法。Wang等[11]利用多层级耦合网络和复杂网络脆弱性指标, 建立了面向系统和网络化任务的无人飞行器集群任务可靠性建模与评估方法。Liang等[12]基于秩分布-标准熵、全端可靠性和自然连通性三类指标, 对水下航行器集群任务可靠性进行多方面的分析与评估。然后, 基于复杂网络建模方法仅针对其网络拓扑特性进行建模描述, 分析集群复杂网络指标, 但复杂网络指标尚无确定的评价与衡量标准, 且对装备体系节点的异质性和连边的有向性考虑不足。 近年来, 装备体系研究重点已从随机过程、复杂网络和多智能体系统转向OODA(observation, orientation, decision, action)环和杀伤链理论[13]。装备体系中各组成系统具有不同的功能, 如探测、识别、决策、通信和打击。当多个装备系统以体系形式运行时, 可以协同结合为OODA环。在装备体系中, OODA环是指多个装备进行迭代协调的过程, 通过交互和合作以实现共同的目标, 其强调了装备的相互关联性, 使其能够适应并有效地完成复杂任务。由于外部冲击在装备体系运行中逐渐变得不可预测和不可避免[14], 很难评估各种外部冲击影响下的装备体系可靠性。通过考虑OODA环和杀伤链遭受木马、电磁攻击和火力攻击等外部冲击的情况, 为装备体系可靠性建模与预计提供了一个新的视角。Chen等[15]提出了有效杀伤链概念, 并给出可重构无人装备体系任务可靠性建模与预计方法。Sun等[16]提出了一种基于杀伤链的无人机群作战能力评估方法。Li等[17]利用OODA环和杀伤链的概念, 建立了一种基于时间作战网络、面向能力的装备贡献分析方法。通过集成分层参考架构和杀伤链。Hahn等[18]提出了信息物理系统的安全性分析框架。Singh等[19]通过集成基于网络、基于模型和机器学习的入侵检测系统, 为智能电网构建了基于网络杀伤链的混合入侵检测系统框架。Li等[13]分析了基于杀伤链的无人装备体系作战网络的结构鲁棒性, 为设计更具弹性的无人装备体系提供技术支撑。Jia等[20]建立了基于加权超网络的搜救体系定量能力评估模型。Xu等[21]建立了包括蜂群模型开发、失效模型、韧性评估以及级联失效和自修复机制的无人自主蜂群的失效分析框架。Liu等[22]通过考虑不同的恶意攻击策略, 提出了一种基于复杂网络的集群可靠性评估方法。Li等[23]利用OODA环和杀伤链, 探索了具有不同类型功能实体和信息流的异构无人装备体系功能鲁棒性。Sun等[24]提出了基于多集群协同的无人装备体系韧性模型与评估算法。王耀祖等[25]提出了基于杀伤链路的作战体系网络模型和关键节点识别方法。白光晗等[26]面向集群编队队形和任务, 建立基于表决系统的无人机集群任务可靠性模型。 综上, 装备体系可靠性建模与预计方法研究仍处于初级阶段, 且多为静态可靠性模型, 未充分考虑装备体系动态变化过程中各要素、层次、状态以及结构和功能逻辑关系等因素; 基于实时对抗仿真的评估方法计算资源消耗大, 成本高, 效率低, 难以满足作战任务过程中体系可靠性预计的实时性要求, 建模的标准化程度不足, 不利于评估结果的可信性提升, 尚缺乏系统的可靠性建模与预计的理论、方法与工具支撑。因此, 本文通过考虑内外部干扰和动态重构策略, 提出了一种基于广义有效OODA环的装备体系可靠性建模与预计方法, 以指导装备体系结构设计, 确保装备体系在作战任务中能够可靠地执行任务, 从而提升其作战效能。