第18卷第5期海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)Vol 18 No 52006年10月JOURNAL OF NAVAL UNIVERSITY OF ENGINEERINGOct.2006文章編號(hào):009-3486(2006)5-0083-04兵力需求系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型研究郭浩波,王穎龍空軍工程大學(xué)導(dǎo)彈學(xué)院,陜西三原713800摘要∶針對(duì)兵力需求的動(dòng)態(tài)不確定問題定性分析兵力需求的影響因素及其相互關(guān)系運(yùn)用 Vensim軟件構(gòu)建兵力需求系統(tǒng)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(guī)律并進(jìn)行數(shù)值仿真.結(jié)果表明系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)用于兵力需求的研究有效地解決了系統(tǒng)某些參數(shù)關(guān)系難以量化、數(shù)據(jù)不足等問題.關(guān)鍵詞:兵力需求;系統(tǒng)動(dòng)力學(xué);仿真;模型中圖分類號(hào):E15文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(zhàn)部署的重要環(huán)節(jié)也是進(jìn)行兵力規(guī)劃的重要依據(jù).兵力需求受多種因素的影響主要包括敵空襲兵器的類型與規(guī)模、防空兵器的型號(hào)與作戰(zhàn)能力以及所擔(dān)負(fù)的防空作戰(zhàn)任務(wù)等,表現(xiàn)岀很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性和不確定性目前通常采用的方法有經(jīng)驗(yàn)估算法和模擬試驗(yàn)法口.經(jīng)驗(yàn)估算法主要是依據(jù)被保衛(wèi)目標(biāo)的數(shù)量、重要等級(jí)以及保衛(wèi)各類目標(biāo)所需防空兵力的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性加權(quán)求和計(jì)算該方法計(jì)算模型簡(jiǎn)單經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)但估算結(jié)果粗糙.模擬試驗(yàn)法是通過建立防空作戰(zhàn)仿真模型在給定的作戰(zhàn)背景下進(jìn)行空防仿真對(duì)抗依據(jù)對(duì)仿真結(jié)果的分析不斷調(diào)整兵力的投入直到得出滿意的對(duì)抗結(jié)果最終確認(rèn)所需的兵力數(shù)量模擬試驗(yàn)法可以模擬較復(fù)雜背景下的作戰(zhàn)過程,估算結(jié)果可信度較高但一般仿真模型比較復(fù)雜仿真所需的時(shí)間也較長(zhǎng).文中運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) system dynamics,SD)理論,以某型彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)抗擊巡航導(dǎo)彈(CM)為例建立了兵力需求系統(tǒng)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(guī)律并進(jìn)行數(shù)值仿真對(duì)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(tǒng)動(dòng)力學(xué)將系統(tǒng)定義為一個(gè)由相互區(qū)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(xiàng)目空軍工程大學(xué)學(xué)術(shù)聯(lián)合)基金資助項(xiàng)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(bào)第18卷完成某種功能的集合體3]系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)從系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)入手以實(shí)際系統(tǒng)原型為研究對(duì)象通過分析所要研究系統(tǒng)的組成要素和系統(tǒng)環(huán)境的邊界集中關(guān)注系統(tǒng)各變量之間的因果關(guān)系研究目標(biāo)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)規(guī)律為解決動(dòng)態(tài)復(fù)雜問題提供了一個(gè)有效途徑.該方法能很好地反映復(fù)雜系統(tǒng)的諸多特性,比如反直觀性、對(duì)系統(tǒng)內(nèi)多數(shù)參數(shù)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(zhǎng)期效益與短期效益相矛盾等特性.對(duì)于兵力需求的研究常常遇到系統(tǒng)某些參數(shù)關(guān)系難以量化、數(shù)據(jù)不足或是系統(tǒng)難以用結(jié)構(gòu)化模型來描述等問題而系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法具有解決這類作戰(zhàn)模擬問題的優(yōu)越性:①由于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的行為模式主要取決于其內(nèi)部的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)和反饋機(jī)制因此在數(shù)據(jù)缺乏的條件下仍然可進(jìn)行研究;系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法擅長(zhǎng)處理多維、非線性、高階、時(shí)變的系統(tǒng)問題而軍事系統(tǒng)恰恰是具有這些特點(diǎn)的復(fù)雜系統(tǒng)③系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究復(fù)雜系統(tǒng)問題的方法是定性與定量結(jié)合系統(tǒng)綜合推理的方法.2兵力需求SD模型2.1作戰(zhàn)想定設(shè)藍(lán)方代表空襲方、紅方代表防御方.藍(lán)方在空襲飛機(jī)的支援下在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)發(fā)射各種型號(hào)CM從各個(gè)方向攻擊紅方某重要保衛(wèi)目標(biāo)紅方在保衛(wèi)目標(biāo)周圍部署多套某型彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)在群指揮脈旅團(tuán)級(jí))統(tǒng)一指揮下進(jìn)行CM抗擊作戰(zhàn)以粉碎空襲方的作戰(zhàn)企圖(注洳如無特別聲明本文中的兵力需求S模型都是指某型彈炮結(jié)合武器群抗擊CM作戰(zhàn)的兵力需求SD模型)為了便于研究作如下假設(shè)(1)空襲方為達(dá)成作戰(zhàn)目的保持一定的空襲強(qiáng)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(jié)合武器對(duì)巡航導(dǎo)彈的探測(cè)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(shù)量旳消耗、CM對(duì)保衛(wèi)目標(biāo)的毀傷能力、防空兵力對(duì)CM的攔截能力、防空兵力的補(bǔ)充等之間的相互作用及各種可能岀現(xiàn)的作戰(zhàn)情況.根據(jù)這個(gè)目的要求建立了14個(gè)變量因素構(gòu)成的因果關(guān)系圖3見圖1)藍(lán)方QM對(duì)紅方藍(lán)方QM的發(fā)射數(shù)量目標(biāo)單發(fā)毀傷系數(shù)藍(lán)方Q的突防數(shù)量藍(lán)方QM對(duì)紅方紅方對(duì)藍(lán)方cM的目標(biāo)的毀傷系數(shù)攔載數(shù)量藍(lán)方CM的耗損數(shù)量紅方彈炮結(jié)合戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境因子武器的補(bǔ)充量藍(lán)方對(duì)紅方防空紅方彈炮結(jié)合導(dǎo)彈的摧毀數(shù)量器的數(shù)量紅方單套武器紅方戰(zhàn)場(chǎng)指攔截能力系數(shù)控能力系數(shù)紅方防空導(dǎo)彈的紅方彈炮結(jié)合故障指數(shù)武器的損失量圖1兵力需求SD模型中國(guó)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(hào)表示與定義如表1所示第5期郭浩波等浜兵力需求系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型研究表1兵力需求SD模型的變量符號(hào)與定序號(hào)變量類型變量符號(hào)變量定義藍(lán)方CM的數(shù)量12345678流位變量藍(lán)方CM的突防數(shù)量紅方彈炮結(jié)合武器的數(shù)量BCM藍(lán)方CM的補(bǔ)充量藍(lán)方CM的發(fā)射量流率變量HCM藍(lán)方CM的耗損量紅方彈炮結(jié)合武器的補(bǔ)充量HDA紅方彈炮結(jié)合武器的耗損量CMH藍(lán)方CM對(duì)紅方目標(biāo)的毀傷系數(shù)藍(lán)方CM對(duì)紅方目標(biāo)單發(fā)毀傷系數(shù)012345紅方單套武器的攔截能力系數(shù)輔助變量HZK紅方戰(zhàn)場(chǎng)指控能力系數(shù)紅方對(duì)藍(lán)方CM的攔截?cái)?shù)量DPB紅方彈炮結(jié)合武器的補(bǔ)充率ZCH戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境因子藍(lán)方CM的良好率藍(lán)方CM的出動(dòng)率18902藍(lán)方CM的初始值PCM藍(lán)方CM的命中概率藍(lán)方CM的毀傷半徑常量紅方目標(biāo)的折合半徑紅方單套武器對(duì)CM的硬殺傷概率紅方單套武器對(duì)CM的軟殺傷概率方彈炮結(jié)合武器的故障率LHA藍(lán)方對(duì)紅方防空武器的毀傷率藍(lán)方CM補(bǔ)充率根據(jù)上述因果關(guān)系圖建立兵力需求SD模型的流圖見圖2)模型中的主反饋回路為藍(lán)方CM的突防數(shù)量→藍(lán)方CM對(duì)紅方目標(biāo)的毀傷系數(shù)→紅方彈炮結(jié)合武器的補(bǔ)充量→→紅方彈炮結(jié)合武器的數(shù)量→紅方對(duì)藍(lán)方CM的攔截?cái)?shù)量→藍(lán)方CM的耗損量→藍(lán)方CM的突防數(shù)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(bào)第18卷其中: INTEG是積分運(yùn)算符.其它變量間的運(yùn)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(tái). 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(tǒng)后伈據(jù)操作按鈕畫岀流圖再輸入方程和參數(shù)就可以直接進(jìn)行模擬使用.2)對(duì)模型提供多種分析方法. Vensim可對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和數(shù)據(jù)集分析.結(jié)構(gòu)分析包括原因樹分析、結(jié)果樹分析和反饋環(huán)列表分析.數(shù)據(jù)集分析包括變量隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)值及曲線圖分析.3)真實(shí)性檢驗(yàn)對(duì)于所研究的系統(tǒng)對(duì)于模型中的一些重要變量依據(jù)常識(shí)和一些基本原則,可以預(yù)選提岀對(duì)其正確性的基本要求.將這些約束加到建好的模型中專門模擬現(xiàn)有模型在運(yùn)行時(shí)對(duì)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(diào)整結(jié)構(gòu)或參數(shù).按照 Vensim ple軟件的仿真步驤仿真步長(zhǎng)設(shè)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(jié)合武器系統(tǒng)數(shù)量的變化趨勢(shì)以及與各因素變量之間的量化關(guān)系(見圖3).圖3的仿真結(jié)果描述了紅方彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)數(shù)量DP)與藍(lán)方CM的突防數(shù)量(CMT)藍(lán)方CM對(duì)紅方目標(biāo)的毀傷系數(shù)CⅦH)紅方對(duì)藍(lán)方CM攔截?cái)?shù)量LCM)這三個(gè)因素變量之間的變化趨勢(shì)LcM仿真結(jié)果≤!a仿真結(jié)果QMT仿真結(jié)果DP仿真結(jié)果000010圖3DP與 CMT. CMH. LCM之間的變化趨勢(shì)圖仿真結(jié)果表明隨著CM突防數(shù)量的增多所需彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)的數(shù)量大幅度增加;武器系統(tǒng)的數(shù)量增加到一定值時(shí)由于攔截CM數(shù)量的增多CM突防數(shù)量會(huì)逐漸減少其對(duì)保衛(wèi)目標(biāo)的威脅也相應(yīng)較少此外通過改變初始參量來實(shí)現(xiàn)對(duì)策分析.選取模型中具有代表作用的參量紅方戰(zhàn)場(chǎng)指控能力系數(shù)”通DP:情況過改變?cè)搮⒘康娜≈祵椗诮Y(jié)合武器系統(tǒng)需求量的變化作一比較(見圖4DP:情況從仿真結(jié)果可以看出戰(zhàn)場(chǎng)指控能力的提高可以大量減少彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)的需求量.從另一個(gè)角度講戰(zhàn)場(chǎng)指控能力對(duì)于彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)群抗擊巡航導(dǎo)彈作戰(zhàn)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(zhàn)場(chǎng)指控能力系數(shù)取0.6情況2紅方戰(zhàn)場(chǎng)指控能力系數(shù)取0.84結(jié)束語中國(guó)煤化工本文結(jié)合某型彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)抗擊巡航導(dǎo)彈的作CNMHG系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型并在Ⅴ ensim Ple軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)通過仿真實(shí)以仔山計(jì)多刈武器裝備建設(shè)與使用有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)結(jié)論.但是系統(tǒng)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(zhuǎn)第90頁)海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)第18卷2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果針對(duì)此問題通過訓(xùn)練樣本可以得到進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為12個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為3個(gè)將訓(xùn)練樣本投入訓(xùn)練經(jīng)過優(yōu)化搜索得到最優(yōu)解的隱層神經(jīng)元數(shù)為14學(xué)習(xí)率為0.3次優(yōu)解的隱層神經(jīng)元數(shù)為8學(xué)習(xí)率為0.3.當(dāng)隱層神經(jīng)元數(shù)取14時(shí)對(duì)初次計(jì)算的權(quán)值再用BP方法精細(xì)化網(wǎng)絡(luò)權(quán)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(quán)值網(wǎng)絡(luò)進(jìn)化和訓(xùn)練結(jié)束后投入驗(yàn)證樣本得到的部分結(jié)果如表2所示.表2部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果序號(hào)TT1T-0100.56l110.989110.85650-0.04360.964322.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析在上表中對(duì)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(shí)別能力的.實(shí)驗(yàn)表明利用GA與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法可以優(yōu)化設(shè)計(jì)出一定范圍內(nèi)符合目標(biāo)識(shí)別要求的進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3結(jié)束語文中以比較成熟的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)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(jié)構(gòu)并將其系統(tǒng)化嘗試以此來改進(jìn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中存在的某些不足然后對(duì)一個(gè)具體旳艦船雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別問題進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)取得了一定效果參考文獻(xiàn)[1]嚴(yán)衛(wèi).遺傳算法及其在雷達(dá)信號(hào)處理中的應(yīng)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(jī)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(yīng)用[M]上海復(fù)旦大學(xué)出版社1993[5] Li H J, Chin V. 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