李琳琳, 路云飛, 張 壯, 和 何

(火箭軍工程大學信息工程系, 陜西 西安 710025)

0 引 言

信息優(yōu)勢[1]定義為“不斷地采集、處理、分發(fā)信息,同時能夠阻止敵方做同樣事情的能力”[1]。隨著網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)[2](network centric warfare, NCW)的提出,使原本獨立的指揮、通信、情報、打擊節(jié)點聯(lián)接成一個緊密的整體,戰(zhàn)場火力優(yōu)勢正向信息優(yōu)勢轉(zhuǎn)變。美軍提出的NCW和全球信息柵格(global information grid, GIG),其根本目的就是獲取全球范圍內(nèi)絕對的信息優(yōu)勢。為適應(yīng)新軍事變革,在現(xiàn)代化戰(zhàn)場上取得絕對的信息優(yōu)勢,獲得制信息權(quán)[3],基于信息優(yōu)勢的指揮控制系統(tǒng)相關(guān)研究逐漸成為關(guān)注的熱點。

目前國內(nèi)軍事領(lǐng)域關(guān)于指揮控制系統(tǒng)指標體系構(gòu)建的研究較多,成果豐碩,但能夠?qū)⑿畔?yōu)勢作為重要指標納入評估指標體系的研究卻相對較少。本文結(jié)合信息化作戰(zhàn)的新特點,構(gòu)建了基于信息優(yōu)勢的指揮控制系統(tǒng)指標體系,并針對各指標特點,建立了可量化的數(shù)學模型。

1 基于信息優(yōu)勢的指揮控制系統(tǒng)指標體系構(gòu)建

指標體系的構(gòu)建是一個系統(tǒng)工程,直接關(guān)系到系統(tǒng)的評估效能,本節(jié)結(jié)合評估系統(tǒng)特點,總結(jié)梳理了指標體系構(gòu)建需遵循的基本原則,并構(gòu)建了基于信息優(yōu)勢的指揮控制系統(tǒng)指標體系。

1.1 指標體系構(gòu)建原則

指標體系的構(gòu)建應(yīng)選取具有代表性的關(guān)鍵指標,避免指標冗余、模型復雜,確保系統(tǒng)評價簡單高效,應(yīng)遵循以下原則[4-6]:

(1) 最簡性原則:評估指標在確保能夠客觀反應(yīng)指揮控制系統(tǒng)的基本特性的前提下,應(yīng)以盡量少的關(guān)鍵指標來評價系統(tǒng)性能。

(2) 可測性原則:要盡量選取容易定量計算的指標,確保數(shù)據(jù)的可靠性。

(3) 穩(wěn)定性原則:指標選取必須確保最終的評估指標體系的穩(wěn)定可靠,不易受外界因素調(diào)整變動。

(4) 時效性原則:隨著信息化程度提高,戰(zhàn)場形勢瞬息萬變,指標的選取必須能夠及時準確地反應(yīng)系統(tǒng)的變化規(guī)律,具有較強的靈活性。

(5) 獨立性原則:指標選取應(yīng)盡量避免指標之間的交叉重疊,一方面避免了指標之間的相互影響,另一方面可以減少系統(tǒng)評價的復雜度。

1.2 指標體系構(gòu)建

根據(jù)上述指標體系建立原則,經(jīng)研究討論、分析篩選,得出最終的基于信息優(yōu)勢的指揮控制系統(tǒng)評估指標體系,如圖1所示。

圖1 基于信息優(yōu)勢的指揮控制系統(tǒng)評估指標體系Fig.1 Evaluation index system of command and control system based on information superiority

2 指標評估模型

系統(tǒng)效能評估就好比化學反應(yīng),評估指標體系是反應(yīng)物,是評估的基礎(chǔ),而數(shù)學模型則是反應(yīng)條件,起著至關(guān)重要的作用。本節(jié)在評估指標體系建立的基礎(chǔ)上,針對各指標特點,建立了典型的數(shù)學模型。

2.1 信息優(yōu)勢

2.1.1 信息完備性

信息完備性[1]是指戰(zhàn)場態(tài)勢感知中感知到的敵方戰(zhàn)略目標或者來襲目標數(shù)量與客觀實際目標數(shù)量的比例。包括類型完備性C(t)和數(shù)量完備性D(t)。這兩項指標的計算模型為

C(t)=ρ(t)/φ(t)

(1)

式中,φ(t)表示t時刻客觀態(tài)勢中敵方目標實際存在種類數(shù);ρ(t)表示t時刻感知態(tài)勢中敵方目標已被正確發(fā)現(xiàn)的種類數(shù)。

D(t)=η(t)/λ(t)

(2)

式中,λ(t)表示t時刻客觀態(tài)勢中敵方目標實際存在的數(shù)量;η(t)表示t時刻感知態(tài)勢中敵方目標已被發(fā)現(xiàn)的數(shù)量。

t時刻信息的完備性為F(t),則

F(t)=C(t)×D(t)

(3)

2.1.2 信息準確性

信息準確性以態(tài)勢感知中的敵方目標特征與真實目標特性的吻合程度以及所提供的信息與決策需求的匹配度緊密相關(guān)。因此可以從目標信息的準確度和信息需求匹配度兩方面來度量。

(1) 目標信息準確度：采用分發(fā)環(huán)節(jié)中每個目標的特征參量吻合度均值衡量該指標,其形式化計算模型表示為

Validity(t)=(valiS(t)|valiO(t),valiP(t))=

(4)

式中,valiO(t)、valiP(t)和valiS(t)分別表示采集、融合和分發(fā)3個階段的信息準確性;gij表示分發(fā)節(jié)點提供的第i個目標的第j個特征的信息狀態(tài);fij表示第i個目標的第j個特征的信息狀態(tài);m表示目標總數(shù)量;n表示目標的特征參量長度。

(2) 信息需求匹配度:將信息分發(fā)給使用節(jié)點的信息與這些使用節(jié)點決策需求信息的滿意度,可以通過對信息使用節(jié)點提出的每一類信息需求響應(yīng)程度來度量。因此,信息需求匹配度的形式化計算模型表示為

(5)

式中,pi表示信息處理節(jié)點提供給信息使用節(jié)點的第i類信息;ri表示信息使用節(jié)點所需要的第i類完整信息;n表示信息使用節(jié)點所需要信息類型總數(shù)。

2.1.3 信息時效性

信息時效性:由偵察節(jié)點到信息處理節(jié)點再到信息使用節(jié)點的信息傳輸時延,具體可以從信息處理時延和信息服務(wù)時延兩部分來測度。

(1) 信息處理時延:由偵察節(jié)點到信息處理節(jié)點的信息傳輸時延,可將信息處理時延指標的形式化模型表示為

(6)

式中,delay(t)i,u表示時延最大信息流中第u個節(jié)點的處理時延;delay(t)i,c表示時延最大信息流中第c條邊的傳輸時延;w表示時延最大信息流包含的節(jié)點數(shù);v表示時延最大信息流包含的鏈接數(shù)。

(2) 信息服務(wù)時延:信息處理節(jié)點到信息使用節(jié)點的信息傳輸時延,其形式化模型可表示為

(7)

式中,delay(t)i,u表示第i條信息流中第u個節(jié)點的處理時延；delay(t)i,c表示第i條信息流中第c條邊的傳輸時延；w表示每條信息流內(nèi)包含的節(jié)點數(shù)；v表示每條信息流內(nèi)包含的鏈接數(shù)；n表示信息流的總條數(shù)。

而最終的信息時效性是信息處理時延和信息服務(wù)時延的總和,其指標形式化模型可表示為

Delay(t)infor=Delay(t)t+Delay(t)s

(8)

2.2 決策優(yōu)勢

2.2.1 決策質(zhì)量

決策質(zhì)量主要與決策的全面性、態(tài)勢評估的客觀性和作戰(zhàn)預測的可靠性有關(guān)。

(1) 決策的全面性主要體現(xiàn)在各決策方面決策支持要素的全面性,可初步表示為

(9)

式中,Ni-give和Ni-need分別為系統(tǒng)中決策節(jié)點在決策方面i(i=1,2,…,n,分別表示作戰(zhàn)計劃、火力計劃、航跡預案、衛(wèi)星使用需求計劃等n個需要決策方面)能提供的決策要素數(shù)量和決策所需的決策支持要素數(shù)量。

(2) 態(tài)勢評估的客觀性主要體現(xiàn)在戰(zhàn)場態(tài)勢評估與客觀事實的一致性,由態(tài)勢感知質(zhì)量的完備性F(t)和準確性指標V(t)來度量,可直接引用第2.1節(jié)中計算結(jié)果。

(3) 作戰(zhàn)預測的可靠性可通過指揮員預測的損失與實際損失的接近程度、成功打擊的比例來度量,并將其值歸一化,表示為

(10)

其中,預測損失和實際損失的數(shù)值,可分別由預測的和實際作戰(zhàn)消耗的人力、物力、財力等,經(jīng)適當?shù)募訖?quán)求和計算。

同時,成功打擊的比例表示為

(11)

式中,launsuc、launall分別為成功打擊的次數(shù)和打擊的總次數(shù)。

2.2.2 決策快速性

決策快速性可以反映在決策周期和決策速度方面。

(1) 決策周期時間tD是由戰(zhàn)場態(tài)勢評估時間tC、帶預測的作戰(zhàn)計劃時間tR、作戰(zhàn)行動時間tA以及結(jié)果反饋時間tB等一系列時間總和構(gòu)成。即

tD=tC+tR+tA+tB

(12)

對有多個指揮層次的聯(lián)合戰(zhàn)役,信息優(yōu)勢支持下的決策過程,涉及的時間因素主要包括戰(zhàn)場態(tài)勢評估時間tC、作戰(zhàn)計劃時間tR、指揮時間tM、武器反應(yīng)時間tW、作戰(zhàn)時間tF,以及其他有影響的因素(如氣象)等。對每一決策過程,只有當上述時間之和小于戰(zhàn)場預警時間tS,或小于敵人相應(yīng)的時間之和時,決策才有時間優(yōu)勢。即

tD=tC+tR+tM+tF

(13)

其中,tM表示各級指揮所從接到作戰(zhàn)命令開始,研究作戰(zhàn)命令、分析敵我態(tài)勢、作戰(zhàn)計算、輔助決策、確定決策、上報決策及決策獲批準,擬制并下達作戰(zhàn)計劃和作戰(zhàn)命令,直到基層部隊及其武器系統(tǒng)以及命令執(zhí)行情況逐級上報所需的全部時間;tW表示武器系統(tǒng)接到打擊命令后到打擊開始所需要的準備時間;tF表示武器系統(tǒng)從打擊開始到打擊任務(wù)完成所需要的時間。

(2) 決策循環(huán)速度:如果指揮員能夠準確地抓住有利的態(tài)勢并可靠地選擇行動過程,獲得比對手更快的決策循環(huán)速度,將在戰(zhàn)斗中占有有利位置。決策循環(huán)速度定義為

DV=(F(t)×V(t))/(tC+tR+tA+tB)

(14)

實際應(yīng)用中,DV的值將是多個決策的平均值。

2.3 靈活性

靈活性是對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)內(nèi)外部環(huán)境變化能力的度量,可以從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)變化的量差和代價來度量,主要包括情報保障適變空間和指揮控制適變空間兩個方面。

2.3.1 情報保障適變空間

情報保障適變空間也可以理解為信息服務(wù)多樣性,包括情報信息流組合數(shù)和情報信息源節(jié)點數(shù)。

(1) 情報信息流組合數(shù)指情報保障信息傳輸途徑,信息傳輸途徑越多,情報保障適變空間就越大,靈活性也就越好。

(2) 情報信息源節(jié)點數(shù)指提供信息服務(wù)的情報中心數(shù)量,數(shù)量越多,信息服務(wù)的方式越多樣化,靈活性也就越好。

2.3.2 指揮控制適變空間

指揮控制適變空間是衡量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指揮控制適應(yīng)內(nèi)外部變化的能力指標,包括指控信息流組合數(shù)和越級指揮代價兩方面。

(1) 指控信息流組合數(shù):打擊節(jié)點作為系統(tǒng)中的末端武器節(jié)點,其被指揮方式最多、指揮適變空間也最靈活。

(2) 越級指揮代價:越級指揮越多,指控途徑數(shù)量就越多,但并不是越級指揮越多越好,因為任何一種越級指揮都是需要成本代價的,滿足編制體制約束的指控途徑數(shù)量越多,造成的成本代價也就越高。

2.4 抗毀性

抗毀性是指系統(tǒng)節(jié)點及節(jié)點間關(guān)系不確定(失效或降效)情況下仍保持原有效能的能力。包括情報保障抗毀能力、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)修復能力、指揮控制抗毀能力。

2.4.1 情報保障抗毀能力

情報保障主要是服務(wù)于指揮決策,主要受兩個因素的約束,首先要能夠確?？梢蕴綔y偵察到情報信息,其次必須能夠?qū)⑶閳笮畔㈨樌麄魉椭林笓]節(jié)點,因此情報保障的抗毀性包括情報信息流損毀度和偵察節(jié)點抗毀能力。

(1) 情報信息流損毀度指情報傳輸鏈路在完成信息推送的前提下“斷裂”“損毀”的最大程度。

因此,如果系統(tǒng)結(jié)構(gòu)G受到攻擊后,G變?yōu)镚'∈G,則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中情報信息流損毀度εG'可以用攻擊后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)G'情報信息流總數(shù)占初始系統(tǒng)結(jié)構(gòu)G的情報信息流總數(shù)的比例εG'來衡量。

(15)

式中,Numinfor表示攻擊后情報信息流數(shù)量；Suminfor表示原始結(jié)構(gòu)中情報信息流總數(shù)。

(2) 偵察節(jié)點抗毀能力:偵察節(jié)點是情報信息傳輸?shù)那疤?因此偵察節(jié)點的抗毀能力在系統(tǒng)抗毀性評估中也不容忽視,可通過偵察節(jié)點的容毀度來衡量節(jié)點的抗毀能力。

2.4.2 指揮控制抗毀能力

指揮控制抗毀能力包括指控網(wǎng)絡(luò)抗毀能力和指控節(jié)點抗毀能力,其計算模型與情報保障抗毀能力類似,這里不再贅述。

2.4.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)修復能力

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)修復能力是指情報和指控網(wǎng)絡(luò)在受到地方打擊,而不能正常完成任務(wù)情況下,在允許時間內(nèi),部隊搶修實現(xiàn)任務(wù)正常完成的能力。一般用搶修完成任務(wù)的概率來衡量,可通過以下模型計算：

(16)

式中,time*表示搶修完成的實際時間;sumtime表示搶修完成,且能順利完成任務(wù)允許的最長時間。

2.5 可靠性

可靠性指標分為串聯(lián)系統(tǒng)任務(wù)故障率和并聯(lián)系統(tǒng)任務(wù)故障率兩方面計算,能夠反映系統(tǒng)指揮控制的可靠性程度,下面逐一計算各指標。

(1) 串聯(lián)系統(tǒng)任務(wù)故障率的含義是由n個節(jié)點組成的串聯(lián)系統(tǒng),其中任一節(jié)點發(fā)生故障都會導致整個系統(tǒng)失效,也就是采用各系統(tǒng)節(jié)點故障發(fā)生率的總和來計算,其模型可表示為

(17)

式中,λi表示第i個節(jié)點發(fā)生故障的概率。

(2) 并聯(lián)系統(tǒng)任務(wù)故障率的含義是由n個節(jié)點組成的并聯(lián)系統(tǒng),其中任一節(jié)點正常工作,系統(tǒng)即正常工作,所有單元全部失效,系統(tǒng)才失效,也就是采用各系統(tǒng)節(jié)點故障發(fā)生率的累積來計算,其計算模型可以表示為

(18)

式中,λi表示第i個節(jié)點發(fā)生故障的概率。

3 指標體系構(gòu)建需把握的要點

評估指標體系是否全面、客觀、簡明,對最終評估結(jié)果有直接影響,構(gòu)建一套能夠有效反應(yīng)系統(tǒng)特點,評估結(jié)果基本符合實際的指標體系[7-10],除遵守上述原則之外,還應(yīng)重點把握以下幾點:

(1) 評估指標的可量化性。評估指標體系的建立是為了更好地進行效能評估,為確保系統(tǒng)評估合理、高效,在建立指標體系時,必須采用自頂向下、逐級分解的方法,直至所有評估指標均可量化。

(2) 突出信息優(yōu)勢重要性。隨著信息化程度的提高,制信息權(quán)逐漸成為獲得制勝權(quán)的關(guān)鍵因素,信息優(yōu)勢能力直接決定敵我雙方指揮控制系統(tǒng)的指揮決策能力,在一定程度上關(guān)系到整個戰(zhàn)場的勝負,因此在構(gòu)建評估指標體系時,必須將信息優(yōu)勢作為重要因素納入指標體系之中。

(3) 注重評估系統(tǒng)與指控系統(tǒng)的一體化建設(shè)。目前,國內(nèi)軍事系統(tǒng)的建設(shè)和評估都是獨立進行,這樣的系統(tǒng)評估與建設(shè)思路是否還能適應(yīng)新軍事革命要求值得考慮。當前形勢下,指揮控制系統(tǒng)建設(shè)和評估應(yīng)注重一體化建設(shè),戰(zhàn)場形勢瞬息萬變,系統(tǒng)評估不可能做到全面的預先評估,而應(yīng)是動態(tài)的、高靈活性的,能夠在戰(zhàn)場上實時評估的綜合指揮控制系統(tǒng)。

4 實例分析

為驗證指標體系的可行性和模型的準確性,根據(jù)前文建立的指標體系,并結(jié)合軍隊作戰(zhàn)標準和系統(tǒng)特點,邀請專家結(jié)合系統(tǒng)特點和作戰(zhàn)實際對評估指標進行打分,獲取評估值,并采用文獻[11]中的算法對該指揮控制系統(tǒng)綜合效能進行評估。為確保評估結(jié)果的可靠性,邀請了3位專家,其中1名來自于系統(tǒng)開發(fā)團隊的資深教授,另外2名為部隊使用單位的專家。

4.1 單指標效能評估值計算

該指揮控制系統(tǒng)指標體系分為3層,按照由下至上,逐級融合的評估思路,首先根據(jù)三級指標評價值獲取二級指標的評價值,如表1所示。

表1 二級指標評價表

由表1可知，指標的評價值是專家在分析指標實際作戰(zhàn)運用過程中效能體現(xiàn)的基礎(chǔ)上,通過分析研究獲取的。若3位專家對某一項指標評價值相差較大,說明專家對該指標的認識存在分歧,則開會進行討論,認識統(tǒng)一后重新打分。對指標權(quán)重的確定,是采用等級評定的原則,將指標的重要度分為3個等級(1.0、0.6、0.3表示不同重要性),數(shù)值越小代表重要性越低,進而通過歸一化處理,獲取指標最終權(quán)重。

上述評價值和權(quán)重的確定主要取決于專家經(jīng)驗水平,雖然主觀性較大,但卻能夠反映出系統(tǒng)效能評估的整體性能,不存在偏離實際系統(tǒng)的問題,因此是完全可行的。

通過文獻[11]中的效能評價公式,得二級指標評價結(jié)果,如表2所示。

表2 二級指標效能值

通過上述計算,已經(jīng)獲得該指揮控制系統(tǒng)的二級指標評價值,但由于個別二級指標處于葉子節(jié)點,在求解一級指標效能值之前,仍需通過專家打分的方法獲取評價值,如網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)修復能力U42、串并聯(lián)系統(tǒng)任務(wù)故障率U51、U52等。其余二級指標的評價值在表2中已求出,可直接用于一級指標評價值的求解。二級指標權(quán)重的求解同上,采用專家三級評價打分的規(guī)則獲得,具體求解結(jié)果如表3所示。

表3 一級指標評價表

進而可得一級指標效能值，如表4所示。

表4 一級指標效能值

4.2 總體效能的計算與分析

該指揮控制系統(tǒng)的效能值是5個一級指標效能值的綜合與統(tǒng)一。首先對上述5個一級指標進行打分排序,求解指標權(quán)重,其次利用文獻[11]中效能評估方法求解系統(tǒng)綜合效能值。具體方法同單指標效能評估方法一致,結(jié)果如表5所示。

表5 單項指標權(quán)重

將上述單指標權(quán)重值和前文單指標評價值代入效能評估函數(shù),得總體效能值

EA=0.23×79.98+0.23×89.53+0.19×83.75+

0.16×83.78+0.19×89.28=85.27

由上述評估結(jié)果可以看出,該指揮控制系統(tǒng)的整體效能值大于85,屬于優(yōu)秀級別,能夠滿足現(xiàn)有條件下作戰(zhàn)需要。但是從單指標來看系統(tǒng)的信息優(yōu)勢效能值只有79.98,距離整體效能評估值還有很大差距,暴露出信息化條件下系統(tǒng)建設(shè)還存在短板,尤其是信息優(yōu)勢建設(shè)嚴重缺陷。詳細分析易得信息時效性效能值只有78.50,是導致信息優(yōu)勢不足的重要原因,因此在后期建設(shè)中應(yīng)重點改進。

5 結(jié)束語

信息化條件下,信息優(yōu)勢成為不可或缺的作戰(zhàn)因素,結(jié)合某指揮控制系統(tǒng)特點,構(gòu)建了完整的基于信息優(yōu)勢的指揮控制系統(tǒng)評估指標體系,并結(jié)合各指標特點建立了可量化的數(shù)學模型。最后針對指標體系構(gòu)建過程中容易出現(xiàn)的問題,提出了幾點意見建議,并結(jié)合系統(tǒng)效能評估實例,在驗證指標體系及模型合理性的同時,分析指出了當前系統(tǒng)存在的不足,為后期系統(tǒng)整體性能的建設(shè)完善提供了重要參考。

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