2022年战区弹道导弹防御的两方面最优化模型.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 战区弹道导弹防备地两方面最优化模型摘要：本文描述联合防备方法（JOINT DEFENDER ）,即一个针对来袭弹道导弹拦截武器预部署位置地两方面最优化模型 .在基础模型中,防备方预布置弹道导弹防备平台,达到最小化攻击方能够造成最大损害地目标 .我们假定攻击方能够把握防备方地预部署情形 .并且,双方对于目标价值、攻击导弹地发射站、武器系统地才能等有完整地情报.其他模型变量用于争论当限制攻击方或防备方猎取情报时地保密价值 .对于一个实际想定,我们能够通过笔记本电脑在几分钟之内评估一个完全透亮地交战,并且在几秒钟之内支配近乎最优地保密防备.联合防备方法（JOINT DEFENDER ）地数学基础和运算效率补偿了已有导弹防备方案工具必需使用启示式算法和超级运算机地现状.本模型仍可以对任意一方地隐蔽和欺诈成效价值进行特有地探究.本文用两个假定地北韩想定做为实例论证. 主题分类：导弹防备；最优化；两层整数线性规划；混合整数线性规划领域：运筹学争论/作战试验室实践.为了中途阻挡这些麻烦,我已经布置好一些对抗地武器.——他们或许用射击或者袭扰使我们愤慨莎士比亚《亨利四世》1 战区导弹防备：背景本文介绍联合防备方法（ JOINT DEFENDER ）,即一个两层最优化模型,帮助方案预布置美国及盟国绽开防备拦截武器平台,用于对抗紧急地战区导弹威逼 能够产生新地重要结论 .1.1 战区导弹威逼.解法在个人运算机上只需要几分钟,并且战区导弹能够实施具有强爆炸性、化学、生物甚至核弹头地远程攻击 .虽然除了俄罗斯没有其他敌对国家拥有能够打击美国地战区弹道导弹,但是中国和北韩正在研制导弹,并且可能在 2022 年拥有这种才能（ CIA 2001）.已有地短程和中程弹道导弹在许多地区冲突中造成直接威逼,正如两次海湾战争之时 .图 1 列举了一些现金涉及到军事方案者地战区弹道导弹 .图 1 北韩明显令人担心 .众所周知,北韩正在开发并且输出弹道导弹和导弹技术,并且有许多导弹生产名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - 设备和发射场 .图 2 描述了一些发射场和收到威逼地区域 .图 2 北韩正在研制能够打击美国西海岸以及阿拉斯加地远程洲际弹道导弹（ CIA2001 ）.假设北韩声明拥有核武器,这对于我们明白怎样正确地配置拦截武器能防备来自这个国家地战区弹道导弹攻击 .针对这种威逼,本文开创了JOINT DEFENDER ,对预置战区弹道导弹防备资源地两层整数现行规划方法 .并且用两个以韩国威力地假定想定论证 .在介绍这个新模型之前,我们先描述已投入使用地或尚在研制中地拦截平台 .并且回忆用于方案这类平台部署地现今使用地解读工具 .1.2 弹道导弹拦截平台图 3 展现了我们用到地具有代表性地防备平台,美国联合导弹防备地三个部分 . 图 3 爱国者反导系统现已部署,并运用在在“ 自由伊拉克行动”中.爱国者导弹供应对抗弹道导弹、巡航名师归纳总结 导弹以及飞行器地终极防备.它包括一个移动发射站,一个相控阵防空跟踪雷达,加上如干指挥或者支第 2 页,共 23 页援车辆 .它能够发射三种拦截导弹,PAC-2,PAC-2 GEM,PAC-3（Jane’s 2003c）.陆军正在研发利用动能拦截技术中途拦截高海拔弹道导弹地战区高层防备系统.它地组成类似于爱国者（ Jane’s 2003c） .“ 海军羊皮盾 ”应用了已部署地泰昆德罗拉导弹巡洋舰和阿雷布鲁克导弹驱赶舰.其中地每一艘战舰- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 都装载这一个AEGIS SPY-1 型相控阵雷达并且具有域战区导弹防备平台对等地功能.这些战舰现今装载着不同数量地 SM2 导弹,供应针对巡航导弹和空中打击地终极防备 .海军正在研制地 SM3 导弹,是一个大气层外地动能拦截导弹,能够中途拦截战区导弹（ Jane’ s 2003b）.战区导弹防备已经成为国防部争论和预算地重要组成部分（DoD 2004）,并且我们可以推测,在接下来几年里,美国将部署大量地新战区导弹防备系统.当然,空基激光武器已经在研制中（Jane’s 2003e）.在我们地论证地想定中,不包括这种将来系统.然而,讲这种新东西合并入JOINT DEFENDER也是简洁地 .1.3 现今战区弹道导弹方案工具 有效安排部署战区导弹防备资源是至关重要地,由于（（b）它只能在弹道导弹飞行过程中地某些特定位置摧残导弹,（a）每一个拦截武器都有有限地攻击范畴, c）弹道由导弹类型、发射站以及目标位置共同打算 .现今,联合作战指挥官能够运用一些解读工具制定预安排方案 .下面将介绍这些工具,并且指出它们地优缺点 .区域防空指挥系统 .海军地区域防空指挥系统, AN/UYQ-89,现今部署在蓝山舰、惠特尼山舰、夏洛 AEGIS 巡洋舰以及科罗拉多州地联合作战综合指挥中心（ Jane’ s2003a）.除了实时对资源和威逼地跟踪模块, AADCS包含了一个令防空指挥官可以制定方案以及具有演习潜力地战区导弹防备想定 .AADCS运用 32 位处理器地规划图形超级运算机评估,在提交一个好地结果前,运用一个基于枚举地近似启示式方法生成一串越来越复杂地防备方案 .对于想定中地每一个目标,以优先级排序, AADCS列举每一种由地方发射站、导弹类型、拦截平台所在地理位置以及中途拦截地导弹所构成地可能组合 .对于每一种组合,它评估胜利拦截区域弹道导弹地概率.一旦 AADCS确定能够产生拦截概率足够高地平台、位置以及相应地导弹组合,下一个目标地优先列表就解出了.之后部署更多地平台,以此类推.（一旦平台位置置确定,它也被当作是下一届多低优先级目标.）AADCS 能够评估防备范畴以及给出逃脱防御方案地敌导弹数期望.AADCS地暴力枚举方法确定了它对于最高优先级目标地最优防备.并且这个枚举算法连续优化一系列受限制地问题.有一些明显地不足：算法过程本质是一连续贪心启示式算法,没有顾及全局最优,它忽视了敌方策略.并且,它要求地运算平台非常昂贵.TBMCS战区冲突治理核心系统美国空军作战中心运用 TBMCS 制定战区级作战方案,用来支撑区域防空指挥 .TBMCS 支持战略计划,空战方案,预备任务,仍有执行任务、报告和分析 .最终地工程支持近距离实时情形出现 .TBMCS地模块通过防备性地 “拦截包络 ”自动运行一个潜在 “发射扇面 ”地掩盖图 .也就是,通过分析区域弹道导弹可能穿过地三维区域以及来自指定位置拦截打击二者在地球表面二维投影地交集,该模块评估人为制定预部署地方案.这个过程提出显示假定攻击导弹是否被预部署地拦截武器摧残地,看似真实地结果.这个结果收到二维投影误差地影响.TBMCS 不能最优化防备方案,由于它需要人地干预（即,推测）,它不测量一次攻击地损耗期望值,也忽视了敌方地策略 .指挥员分析方案仿真（ CAPS）从 1993 年起,导弹防备机构发起了CAPS,现由中心司令部、欧洲司令部、太平洋司令部、战略司令部、海军争论院以及其他一共50 多个战区弹道导弹方案机构主持.CAPS 帮助评估防备系统地才能和位置.可以针对人为制定地威逼想定评估人为制定地防备方案（Sparta 2004） .CAPS 操作员选取爱护防备目标概率高以及简洁最大化防备方投入导弹数地方案作为“ 最被看好 ”地防备方案 .CAPS没有像 敌方策略 .TBMCS 那样做二维地近似,但是他仍旧需要人为干预并且忽视了以上三个系统, AADCS,TBMCS 和 CAPS,在运算要求、保真度以及客观性上有宽阔地变化,运用不同地方法解决展区弹道导弹防备中地复杂问题.这些系统必需通过人工或自动地启示式算法,搜寻到名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - 好地防备方案 .但是都没有考虑到敌方可能依据侦查到地导弹防备资源预安排情形转变策略,例如针对一个已执行地防备方案 .2 对于导弹防备方案地两方最优化新算法 我们介绍一个新地预部署导弹防备资源地样式 防备设施实现最大损耗期望地内在数学最优化 策略使得最大损耗期望最小 . .第一把敌方地行动过程表示为对已知位置和才能地 .外在最优化是通过预部署防备平台以及提交适当地防备我们可以用两层整数线性规划（BLILP ）便利地表达上面地模型.然后,由于它所具有地特殊结构,我们可以把它转化为一个混合整数线性规划,从而求解.通过颠倒防备和攻击地角色,这个普适地思想可以胜利地应用于一些列网络断流问题中 .在这些问题中,一个断流器运用有限地攻击资源攻击并摧残对方地网络,达到最小化对方可以从网络中获得地最大收益地目地.Skroch 和 Brown 建立了通过阻断一个工程网络得到对于武器研发正确干扰地模型.他们地BLILP 不能转化为MILP ,并且用分解算法求解 .2.1 TBMD 地术语和假设以下地术语和假设用来描述 JOINT DEFENDER. 假设双方都能获得下面地参数和数据 . 每个攻击导弹发射台都由经纬度定位 .可能显现任意有限地分布发射台 . 每个易受攻击地目标由经纬度定位 .可能显现任意有限地目标数,并且每个目标都有一个目标价值 . 每个候选防备位置有经纬度定位 .可能显现任意有限位置置 .位置集合可以包含,例如一个由满意地理真实度地离散栅格点组成地区域 .每个敌方导弹有最大最小范畴,并且能以任意杀伤概率打击在发射台范畴之内地目标 .这个概率由导弹类型、目标以及距离发射台地距离打算 . 每个敌方攻击包括一次来自敌方发射台对易受攻击目标地导弹发射 使目标损耗期望值最大 ..敌方目标是实施一系列打击,每个防备类,包括一些给定量地平台 .每个平台加载给定数目和类型地拦截武器（反导导弹是现在仅有投入使用地,但是其它类型武器正在研制中,例如空基射线武器）.每个防备平台可能位于任何对于其防备聚类牢靠并兼容地候选防备位置..也就是说,舰船只能安置在海疆中,陆地武器在合适地区域,并且空中防备武器在安全地领空中一次独立打击（从一个发射台对单个目标发射一枚导弹）可能被任意拦截武器用任意该武器装载可用类型地导弹拦截 .依据方案目标以及战术成效考虑,我们假设每次拦截敌方导弹只用一个单独地防 御平台 .（也就是说,不排除运用平台对防备目标供应层次结构防备,但是我们不重点考虑这种复杂情况.） 定义拦截概率为拦截导弹摧残攻击导弹地概率 防备导弹以及该打击波次中地导。