机场体系防护资源优化配置策略.pdf
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1、 第2卷 第4期V o l.2 N o.4 2 0 2 3年8月 J o u r n a l o f A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A A u g.2 0 2 3机场体系防护资源优化配置策略陈一村1,赵 健1,唐振宇1,冯进技1,刘双权2(1.军事科学院 国防工程研究院,北京 1 0 0 8 5 0;2.北京资金集中收付管理中心,北京 1 0 0 8 5 0)摘要:机场体系防护资源优化配置是避免资源投入失效、提高机场体系安全保障能力的重要手段。为合理选择机场体系及其重要节点的防护措施,以机场体系安全风险收益最
2、大化为目标函数,基于单个机场的不同特征构建了带资源总量约束的机场体系防护资源优化配置非线性模型,从体系视角系统配置主动防护措施和区域防空系统;同时,依据模型解析解的结构特征,设计了改进的粒子群算法实现模型快速求解;以某机场体系为例进行算例分析,验证了模型和算法的有效性,并量化分析了不同防护资源配置方案对机场体系安全风险收益的影响,实现了机场体系防护措施的组合优化,为机场体系的综合防护规划提供理论方法支撑。关键词:机场体系;防护资源;优化配置;防护规划 中图分类号:T J 9;TU 9 8 1D O I:1 0.1 2 0 1 8/j.i s s n.2 0 9 7-0 7 3 0.2 0 2
3、2 0 7 1 3 0 0 3O p t i m a l A l l o c a t i o n S t r a t e g y o f A i r p o r t S y s t e m P r o t e c t i o n R e s o u r c e s CHE N Y i c u n1,Z HAO J i a n1,T ANG Z h e n y u1,F E NG J i n j i1,L I U S h u a n g q u a n2(1.I n s t i t u d e o f D e f e n s e E n g i n e e r i n g,AM S o f P
4、L A,B e i j i n g 1 0 0 8 5 0,C h i n a;2.B e i j i n g C a p i t a l C o l l e c t i o n a n d P a y m e n t M a n a g e m e n t C e n t e r,B e i j i n g 1 0 0 8 5 0,C h i n a)A b s t r a c t:O p t i m a l a l l o c a t i o n o f a i r p o r t s y s t e m p r o t e c t i o n r e s o u r c e s i s
5、a n i m p o r t a n t m e a n s t o a v o i d r e-s o u r c e i n p u t f a i l u r e a n d i m p r o v e a i r p o r t s y s t e m s e c u r i t y c a p a b i l i t y.T o r e a s o n a b l y c h o o s e t h e p r o t e c t i o n m e a s u r e s f o r t h e a i r p o r t s y s t e m a n d i t s i m
6、p o r t a n t n o d e s,w i t h t h e a i r p o r t s e c u r i t y r i s k-r e t u r n m a x i m i z a-t i o n a s t h e o b j e c t i v e f u n c t i o n,t h e n o n l i n e a r m o d e l o f p r o t e c t i o n r e s o u r c e s o p t i m i z a t i o n c o n f i g u r a t i o n w i t h r e s o u
7、r c e s c o n s t r a i n t w a s b u i l t b a s e d o n d i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c s o f a s i n g l e a i r p o r t,s o a s t o a c h i e v e t h e s y s-t e m a t i c c o n f i g u r a t i o n o f a c t i v e p r o t e c t i o n m e a s u r e s a n d a r e a a i r d e f e n s
8、e s y s t e m s.M e a n w h i l e,a n i m p r o v e d p a r t i c l e s w a r m o p t i m i z a t i o n(I P S O)a l g o r i t h m w a s d e s i g n e d t o s o l v e t h e m o d e l q u i c k l y a c c o r d i n g t o t h e s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e a n a l y t i c
9、a l s o l u t i o n o f t h e m o d e l.O n e a i r p o r t s y s t e m w a s t a k e n a s a n e x a m-p l e t o v e r i f y t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e m o d e l a n d a l g o r i t h m,a n d t h e i m p a c t o f d i f f e r e n t p r o t e c t i o n r e s o u r c e a l l o c a t i
10、o n s c h e m e s o n t h e s e c u r i t y r i s k-r e t u r n o f t h e a i r p o r t s y s t e m w a s q u a n t i t a t i v e l y a n a l y z e d,w h i c h r e-a l i z e s t h e c o m b i n a t i o n o p t i m i z a t i o n o f t h e a i r p o r t s y s t e m p r o t e c t i o n m e a s u r e s
11、a n d p r o v i d e s t h e o r e t i c a l a n d m e t h o d o l o g i c a l s u p p o r t f o r c o m p r e h e n s i v e p r o t e c t i o n p l a n n i n g o f t h e a i r p o r t s y s t e m.K e y w o r d s:a i r p o r t s y s t e m;p r o t e c t i o n r e s o u r c e s;o p t i m a l a l l o c
12、a t i o n;p r o t e c t i o n p l a n n i n g 收稿日期:2 0 2 2-0 7-1 3基金项目:国家自然科学基金(5 2 1 0 2 3 9 2,5 1 7 0 8 5 5 4)。第一作者:陈一村,博士,工程师,主要研究战场体系构建。通信作者:赵 健,副研究员,主要研究国防工程综合论证。现代战争中,机场作为战场设施的重要组成部分,是夺取制空权的基础支撑,更是敌重点打击夺控目标1-2。随着武器装备的更新换代,各类远程精确打击武器的侦察定位、打击精度、打击强度和侵彻深度等性能不断提升。并且机场设施主体呈带状,跑道、机库等要点目标特征明显,大多位置固定,
13、难以伪装隐蔽和快速机动疏散,战时必将直面敌多手段、多类型的精确打击威胁3-5。此外,在机场设施处于瘫痪的时间窗内,敌航空兵会掌握大量突袭机会,进而将全面压制我机场设施的作战保障能力。因此,为保障我方航空兵作战能力的持续输出,必须提高机场设施的战场生存能力。现有研究主要从两方面进行分析。一方面,从攻防的“矛与盾”视角,为对抗敌日益提升的打击破坏手段,机场设施从以传统工程硬防护为主的被动防护理论向以“被动+主动+恢复”手段相融合的韧性防护理论转变6-7;另一方面,从攻防的“呈体系对抗”视角,机场设施从以传统单节点作战保障为主的方式向以区域 机场群体 系化组 合 运 用 的 方 式 转变8-9。2
14、0 2 0年,美 空军基地防御:重新思考陆军和空军的角色和职能 报告中也指出:空军基地的主动防护措施包括无线电频率干扰、固态激光武器和高功率微波武器等电子战武器,执行防御反空袭任务的战斗机,涵盖防空火炮、地对空导弹在内的近程防空系统;被动防护措施包括工程地下化、增加防护屏障和结构加强等,伪装、隐藏与欺骗,基地装备物资分散部署,分布式作战,以及强化设施遭攻击后恢复能力。然而,在敌攻防策略博弈下,单一设施节点防护能力增长并不代表设施体系生存能力的提高1 0-1 2。同时,采取任一防护措施,必将消耗对应规模数量的防护资源,如一定的技术人员、构造材料、设施设备和经费投入等。为了便于对防护资源进行量化分
15、析,将防护资源统一转化为费用进行计算。在与敌对体系对抗条件下,防护资源的数量总是有限的,所有机场设施都配备全部防护手段是不切实际,也不合理的。因此,亟需构建机场体系防护资源优化配置策略,合理选择机场体系及其节点的防护措施,提高机场体系防护资源利用水平,实现机场体系作战保障能力最大化。目前,针对体系级目标进行防护资源配置的相关研究大部分聚焦在优化模型方法1 3-1 5上,该方法对节点规模和节点间复杂影响具有较好的适应性。围绕机场体系遭受敌精确打击威胁场景,构建机场体系防护资源优化配置的非线性模型,设计相应求解算法确定防护资源优化配置策略,并通过案例研究验证分析了模型和算法的有效性。1 模型构建1
16、.1 机场主动防护措施及资源配置策略分析当前,机场主动防护措施可以分为单个机场防护措施和机场体系防护措施两大类,如图1所示。其中:单个机场主要通过干扰诱偏、激光毁伤、超近程拦截、超低空设障等电子对抗和火力拦截手段的组合运用,形成来袭导弹对抗体系;机场体系防护措施主要是通过远程、中程和近程区域防空系统拦截来袭弹药,且区域防空系统覆盖半径内的机场设施数量应尽可能多。此外,考虑机场跑道作为固定线型目标,其目标特征明显,以机场跑道封锁场景为例进行分析。图1 单个机场及其体系主动防护措施示意以第i个机场(1iN1)防护措施为例,令存在N2种单个机场防护措施的集合为J2。假定第j种(1jN2)防护措施的有
17、效防护概率为pj,可以使导弹无法精确命中点位或者无法实现有效破坏。若考虑导弹单发命中概率p,则导弹能够精确命中跑道点位概率的下降值p为p=p-pN2j=1(1-pj)xi j iJ1(1)式中:J1表示机场体系;xi j表示0或1变量,在第i个机场采用第j种防护措施时xi j取值为1,否则为0。以机场体系防护为例,令存在N3个潜在区域防空系统部署的点位集合为J3,N4种区域防空系统集合为J4。假定第k个点位(1kN3)部署l型区域防空系统(1lN4),其拦截概率为pl,可攻击来袭导弹,则导弹能够精确命中跑道点位概68 第2卷率的下降值p为p=p-pN3k=1N4l=1(1-pl)i k l i
18、J1(2)i k l=1di kdl&N4l=1k l=1iJ1,kJ3,lJ40其他 (3)式中:k l表示自变量,为0或1变量,在第k个点位采用部署l型区域防空系统时k l取值为1,否则为0;di k表示第i个机场与第k个点位的距离;dl表示l型区域防空系统的覆盖半径;i k l表示第i个机场是否位于第k个点位区域防空系统覆盖范围内。但是,整个机场体系的防护措施建设资源总量C是有限的,不可能无限制使用,且任意防护措施均会消耗一定的资源量,则存在N1i=1N2j=1xi jcj+N3k=1N4l=1k lslC(4)同时,对于机场体系区域防空系统,其最大部署点位数量必将满足N3k=1N4l=
19、1k l m i nCm i nlJ4cl,N3 (5)式中表示向下取整。在含有多个机场的体系中,防护资源的投入,其目标是尽可能降低机场完全被封锁的概率,以最大程度发挥机场体系对目标空域管控的保障能力。而每个机场对目标空域管控的保障能力是不一样的。第i个机场对目标空域管控的保障能力wi可以通过飞机架数gi、飞机飞行速度vi、时间周期T、出动时间t、再次出动准备时间ti以及机场到达预定任务区域r的距离di r等表示,表达式为1 6wi=giTt+ti(t-2di rvi)iJ1(6)可知,在一定时间周期T内,机场对目标区域制空权争夺的保障能力随着飞机架数的增加而提高,随着再次出动准备时间ti缩短
20、而上升。值得指出的是,再次出动准备时间ti通过采取人员的专业化训练、设施设备的配套建设和工程的冗余设计等措施,可以用统计数据的均值表示。1.2 机场受袭瘫痪概率分析为达到在一定时间窗内瘫痪机场、夺取制空权等目的,针对体系内第i个机场,假设敌使用ni枚导弹打击长LRi的机场跑道,最有利结果为ni枚导弹弹坑沿机场跑道轴线形成等间隔分布,弹坑实际破坏直径为ds,相邻弹坑中心间距为LMi+ds,跑道最大完好长度LM,如图2所示。图2 机场跑道弹坑等间隔分布示意考虑敌打击最有利条件,为有效达到打击目的,LMi应小于战机起降所需的最小跑道长度Lm i n,则LMi=LRi-midsmi+1Lm i n i
21、J1(7)因此对机场跑道进行封锁,需要的最小导弹数量mi应满足mi=LRi-Lm i nds+Lm i n iJ1(8)式中表示向上取整。此时,使用ni枚导弹在一定时间内封锁该机场所有跑道的概率bi为bi(ni)=1-(1-p)nimi nimi+1 mi-ni 1-(1-p)nimi+1 ni-nimi mi nimi0nimi (9)在机场体系中,第i个机场防护资源配置策略可表示为Xi=xi1,xi2,xi j,xi N2,第k个点位防护资源配置策略可表示为Yk=k1,k2,k l,k N4。1.3 机场体系防护资源优化配置模型设计基于上述描述与假设,考虑机场体系最大出动架次、飞机遂行任务
22、时间以及导弹打击命中概率等影响因素,将机场体系防护资源总量转化为约束条件,以机场体系安全风险收益最大化为目标,构建机场体系防护资源优化配置非线性模型,目标函数E可表示为m a xE=N1i=1(bi(ni)-fi(ni,Xi,Yk)wi(1 0)s.t.bi(ni)=78第4期 陈一村,等:机场体系防护资源优化配置策略 1-(1-p)nimi nimi+1 mi-ni 1-(1-p)nimi+1 ni-nimi mi nimi0nimi (1 1)fi(ni,Xi,Yk)=1-Pnimii nimi+1 mi-ni 1-P nimi+1 i ni-nimi mi nimi0nimi (1 2)
23、Pi=1-pk2j=1(1-pc j)xi jN3k=1N4l=1(1-ps l)i k l iJ1(1 3)Xi=xi1,xi2,xi j,xi N2 Yk=k1,k2,k l,k N4 iJ1,kJ3(1 4)wi=giTt+ti(t-2di rvi)iJ1(1 5)mi=R Li-Lm i nds+Lm i n iJ1(1 6)N1i=1N2j=1xi jcj+N3k=1N4l=1k lslC(1 7)N1i=1ni=M iJ1(1 8)i k l=1di kdl&N4l=1k l=1iJ1,kJ3,lJ40其他 (1 9)xi j0,1,k l0,1N4l=1k l1 iJ1,kJ3(
24、2 0)其中:式(1 0)表示目标函数;式(1 1)和式(1 2)分别表示不采取防护措施和采取防护措施后ni枚导弹在一定时间内封锁第i个机场跑道的概率;式(1 3)表示单枚弹药命中第i个机场跑道的概率;式(1 4)指自变量结合(Xi,Yk)的表达式;式(1 5)和式(1 6)分别指第i个机场对目标区域制空权争夺的保障能力和最低封锁导弹数量ni的计算公式;式(1 7)表示机场体系防护策略(Xi,Yk)的总费用约束;式(1 8)表示打击机场的导弹数量的守恒关系;式(1 9)表示机场是否在区域防空系统覆盖范围;式(2 0)表示自变量xi j和k l取值为0或1,且潜在点位最多只部署一种区域防空系统。
25、2 算法设计2.1 改进P S O算法设计(I P S O)由于机场体系防护资源优化配置模型属于非线性模型,且具有非凸和多约束特征,难以转化为线性模型求解得到最优解。结合区域防空系统部署点位潜在已知且数量规模有限的特点,由于启发式算法具有求解速度快,求解精度较高且不受模型本身数学特征限制,因此采用启发式算法进行求解。在启发式算法中,粒子群优化算法(p a r t i c l e s w a r m o p t i-m i z a t i o n,P S O)是一种新的基于群体智能的优化方法,具有全局优化能力,在体系优化、网络设计和安全控制等领域得到了广泛的应用1 7-1 9。该算法通常将每个粒
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- 关 键 词:
- 机场 体系 防护 资源 优化 配置 策略
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