兵力需求系统动力学模型研究

第18卷第5期海军工程大学学报Vol 18 No 52006年10月JOURNAL OF NAVAL UNIVERSITY OF ENGINEERINGOct.2006文章编号:009-3486(2006)5-0083-04兵力需求系统动力学模型研究郭浩波,王颖龙空军工程大学导弹学院,陕西三原713800摘要∶针对兵力需求的动态不确定问题定性分析兵力需求的影响因素及其相互关系运用 Vensim软件构建兵力需求系统动力学模型定量研究兵力需求相关变量间因果关系及需求变化旳动态规律并进行数值仿真.结果表明系统动力学用于兵力需求的研究有效地解决了系统某些参数关系难以量化、数据不足等问题.关键词:兵力需求;系统动力学;仿真;模型中图分类号:E15文献标识码: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战部署的重要环节也是进行兵力规划的重要依据.兵力需求受多种因素的影响主要包括敌空袭兵器的类型与规模、防空兵器的型号与作战能力以及所担负的防空作战任务等,表现岀很强的动态性和不确定性目前通常采用的方法有经验估算法和模拟试验法口.经验估算法主要是依据被保卫目标的数量、重要等级以及保卫各类目标所需防空兵力的经验数据进行线性加权求和计算该方法计算模型简单经验性强但估算结果粗糙.模拟试验法是通过建立防空作战仿真模型在给定的作战背景下进行空防仿真对抗依据对仿真结果的分析不断调整兵力的投入直到得出满意的对抗结果最终确认所需的兵力数量模拟试验法可以模拟较复杂背景下的作战过程,估算结果可信度较高但一般仿真模型比较复杂仿真所需的时间也较长.文中运用系统动力学 system dynamics,SD)理论,以某型弹炮结合武器系统抗击巡航导弹(CM)为例建立了兵力需求系统动力学模型研究兵力需求相关因素变量间因果关系及需求变化的动态规律并进行数值仿真对兵力需求分析做出一次新的尝试SD理论研究兵力需求的可行性系统动力学将系统定义为一个由相互区别、相互作中TYH起的、为同一目的而*收稿日期200607-10;修订日期200608-12基金项目空军工程大学学术联合)基金资助项目(KGD-XI02200420)作者简介郭浩波1979-)男博士生海军工程大学学报第18卷完成某种功能的集合体3]系统动力学从系统的微观结构入手以实际系统原型为研究对象通过分析所要研究系统的组成要素和系统环境的边界集中关注系统各变量之间的因果关系研究目标随时间变化的动态规律为解决动态复杂问题提供了一个有效途径.该方法能很好地反映复杂系统的诸多特性,比如反直观性、对系统內多数参数的变化不敏感、含有可施加影响的压力点”、全局与局部利益相矛盾、长期效益与短期效益相矛盾等特性.对于兵力需求的研究常常遇到系统某些参数关系难以量化、数据不足或是系统难以用结构化模型来描述等问题而系统动力学方法具有解决这类作战模拟问题的优越性:①由于系统动力学强调系统的行为模式主要取决于其内部的动态结构和反馈机制因此在数据缺乏的条件下仍然可进行研究;系统动力学方法擅长处理多维、非线性、高阶、时变的系统问题而军事系统恰恰是具有这些特点的复杂系统③系统动力学研究复杂系统问题的方法是定性与定量结合系统综合推理的方法.2兵力需求SD模型2.1作战想定设蓝方代表空袭方、红方代表防御方.蓝方在空袭飞机的支援下在一段时间内连续发射各种型号CM从各个方向攻击红方某重要保卫目标红方在保卫目标周围部署多套某型弹炮结合武器系统在群指挥脈旅团级)统一指挥下进行CM抗击作战以粉碎空袭方的作战企图(注洳如无特别声明本文中的兵力需求S模型都是指某型弹炮结合武器群抗击CM作战的兵力需求SD模型)为了便于研究作如下假设(1)空袭方为达成作战目的保持一定的空袭强度2)鉴于主要研究的是兵力需求模型在分析中不考虑某型弹炮结合武器对巡航导弹的探测能力,以简化模型.2.2兵力需求SD模型的因果关系图建立兵力需求SD模型旳目的是研究攻防双方武器数量旳消耗、CM对保卫目标的毁伤能力、防空兵力对CM的拦截能力、防空兵力的补充等之间的相互作用及各种可能岀现的作战情况.根据这个目的要求建立了14个变量因素构成的因果关系图3见图1)蓝方QM对红方蓝方QM的发射数量目标单发毁伤系数蓝方Q的突防数量蓝方QM对红方红方对蓝方cM的目标的毁伤系数拦载数量蓝方CM的耗损数量红方弹炮结合战场环境因子武器的补充量蓝方对红方防空红方弹炮结合导弹的摧毁数量器的数量红方单套武器红方战场指拦截能力系数控能力系数红方防空导弹的红方弹炮结合故障指数武器的损失量图1兵力需求SD模型中国煤化工2.3兵力需求SD模型的流图CNMHG将上述的因果关系进行变量分类模型中共有26个变量其中流位变量有3个流率变量有5个其它变量有18个.各变量的符号表示与定义如表1所示第5期郭浩波等浜兵力需求系统动力学模型研究表1兵力需求SD模型的变量符号与定序号变量类型变量符号变量定义蓝方CM的数量12345678流位变量蓝方CM的突防数量红方弹炮结合武器的数量BCM蓝方CM的补充量蓝方CM的发射量流率变量HCM蓝方CM的耗损量红方弹炮结合武器的补充量HDA红方弹炮结合武器的耗损量CMH蓝方CM对红方目标的毁伤系数蓝方CM对红方目标单发毁伤系数012345红方单套武器的拦截能力系数辅助变量HZK红方战场指控能力系数红方对蓝方CM的拦截数量DPB红方弹炮结合武器的补充率ZCH战场环境因子蓝方CM的良好率蓝方CM的出动率18902蓝方CM的初始值PCM蓝方CM的命中概率蓝方CM的毁伤半径常量红方目标的折合半径红方单套武器对CM的硬杀伤概率红方单套武器对CM的软杀伤概率方弹炮结合武器的故障率LHA蓝方对红方防空武器的毁伤率蓝方CM补充率根据上述因果关系图建立兵力需求SD模型的流图见图2)模型中的主反馈回路为蓝方CM的突防数量→蓝方CM对红方目标的毁伤系数→红方弹炮结合武器的补充量→→红方弹炮结合武器的数量→红方对蓝方CM的拦截数量→蓝方CM的耗损量→蓝方CM的突防数量.CTBCL SCV图2兵力需求SD模型中3个流位变量的状态方程如下TYH坐化CM"=INTEC BCM-FCM SCM) SCM=800T"=INTEG + FCM-HCM p)INTEC + BDP-HDP 10)海军工程大学学报第18卷其中: INTEG是积分运算符.其它变量间的运算关系及具体算式由于篇幅关系在此不再详述.3仿真分析本文选用 Vensim PleⅤ ersion5.4b作为仿真平台. Vensim Ple软件主要有以下特点51)利用图示化编程建立模型.在 Venin中“,编程"实际上并不存在只有建模的概念.只要在进入系统后伈据操作按钮画岀流图再输入方程和参数就可以直接进行模拟使用.2)对模型提供多种分析方法. Vensim可对模型进行结构分析和数据集分析.结构分析包括原因树分析、结果树分析和反馈环列表分析.数据集分析包括变量随时间变化的数据值及曲线图分析.3)真实性检验对于所研究的系统对于模型中的一些重要变量依据常识和一些基本原则,可以预选提岀对其正确性的基本要求.将这些约束加到建好的模型中专门模拟现有模型在运行时对于这些约束的遵守情况或违反情况就可以判断模型的合理性与真实性从而调整结构或参数.按照 Vensim ple软件的仿真步骧仿真步长设为0.1采用四阶 Runge-kuta法)输入初始参量可以得到红方弹炮结合武器系统数量的变化趋势以及与各因素变量之间的量化关系(见图3).图3的仿真结果描述了红方弹炮结合武器系统数量DP)与蓝方CM的突防数量(CMT)蓝方CM对红方目标的毁伤系数CⅦH)红方对蓝方CM拦截数量LCM)这三个因素变量之间的变化趋势LcM仿真结果≤!a仿真结果QMT仿真结果DP仿真结果000010图3DP与 CMT. CMH. LCM之间的变化趋势图仿真结果表明随着CM突防数量的增多所需弹炮结合武器系统的数量大幅度增加;武器系统的数量增加到一定值时由于拦截CM数量的增多CM突防数量会逐渐减少其对保卫目标的威胁也相应较少此外通过改变初始参量来实现对策分析.选取模型中具有代表作用的参量红方战场指控能力系数”通DP:情况过改变该参量的取值将弹炮结合武器系统需求量的变化作一比较(见图4DP:情况从仿真结果可以看出战场指控能力的提高可以大量减少弹炮结合武器系统的需求量.从另一个角度讲战场指控能力对于弹炮结合武器系统群抗击巡航导弹作战t/min效能的提高具有至关重要的作用图4参量变化前后DP的变化比较图情况1:红方战场指控能力系数取0.6情况2紅方战场指控能力系数取0.84结束语中国煤化工本文结合某型弹炮结合武器系统抗击巡航导弹的作CNMHG系统动力学模型并在Ⅴ ensim Ple软件的基础上进行了仿真实验通过仿真实以仔山计多刈武器装备建设与使用有价值的实验结论.但是系统动力学进行兵力需求的理论研究才刚刚起步尚有许多工作要做(下转第90页)海军工程大学学报第18卷2.3实验结果针对此问题通过训练样本可以得到进化神经网络的输入节点个数为12个输出节点个数为3个将训练样本投入训练经过优化搜索得到最优解的隐层神经元数为14学习率为0.3次优解的隐层神经元数为8学习率为0.3.当隐层神经元数取14时对初次计算的权值再用BP方法精细化网络权重网络迭代48次后收敛总误差为0.0494632得到网络最终权值网络进化和训练结束后投入验证样本得到的部分结果如表2所示.表2部分实验结果序号TT1T-0100.56l110.989110.85650-0.04360.964322.4实验结果分析在上表中对比期望输出和实际输出的值可以看岀该进化神经网络是具有较好的识别能力的.实验表明利用GA与BP神经网络相结合的方法可以优化设计出一定范围内符合目标识别要求的进化神经网络结构3结束语文中以比较成熟的人工神经网络技术结合遗传算法得到了一个带有可进化性的神经网络结构并将其系统化尝试以此来改进人工神经网络中存在的某些不足然后对一个具体旳舰船雷达目标识别问题进行了实现取得了一定效果参考文献[1]严卫.遗传算法及其在雷达信号处理中的应用[D]南京南京航空航天大学J97[2]高隽.人工神经网络原理及仿真实例[M]北京机械工业出版社2003[3]云庆夏进化算法[M]北京治金工业出版社2000[4]张立明人工神经网络的模型及其应用[M]上海复旦大学出版社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.遗传箅法——理论、应用与软件实现[M]西安西安交通大学出版200(上接第86页)参考文献:[1]曹泽阳王颖龙高虹霓.战区地面防空兵力需求估算模型硏究[J]系统工程与电子技术2003(9)1169-1172-[2]王其藩.系统动力学[M]北京清华大学出版社1994[3]商长安刘志杰王凤山系统动力学防空战场信息战模型[V凵中国煤化工5)3-10[4]王磊谷阳曾广会战斧潜射巡航导弹能力研究[J]CNMHG[5]贾仁安,丁荣华.系统动力学-反馈动态性复杂分析[M]北京高等教育岀版社200