指揮信息系統(tǒng)效能評估方法

孫華付

(解放軍炮兵學(xué)院 五系42 隊(duì)，合肥 230031)

評估通常有狹義和廣義2 種，狹義的評估是作為決策過程的一個步驟，也是一種系統(tǒng)工程基本方法。廣義的評估與一般意義的決策類似，常稱為系統(tǒng)評估或綜合評估。決策和綜合評估有共同的理論基礎(chǔ)和組成要素，其方法步驟也基本相似。H.A.Simon 把決策問題分為結(jié)構(gòu)化決策和非結(jié)構(gòu)化決策。結(jié)構(gòu)化決策問題的結(jié)構(gòu)能用數(shù)學(xué)公式表示，有明確定義的目標(biāo)函數(shù)且能求出最優(yōu)解。類似地，根據(jù)問題的結(jié)構(gòu)化程度，指揮信息系統(tǒng)效能評估也可以分為結(jié)構(gòu)化評估、半結(jié)構(gòu)化評估和非結(jié)構(gòu)化評估，每一類評估問題采用的評估方法也不一樣。

1 系統(tǒng)效能評估方法

1.1 解析法

解析法是根據(jù)描述效能指標(biāo)與給定條件之間的函數(shù)關(guān)系的解析表達(dá)式計(jì)算指標(biāo)，可根據(jù)數(shù)學(xué)方法求解建立的效能方程。解析法以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，由評估分析人員根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)方案和系統(tǒng)組成等，在規(guī)定的約束條件下，預(yù)測系統(tǒng)性能，并把所得結(jié)果輸入到效能評估模型中評定系統(tǒng)效能。解析法包括有效、通用WSEIAC 模型(ADC 模型)、排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)理論、信息論方法、目標(biāo)規(guī)劃方法等。

排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)理論也是一種解析評估方法。指揮信息系統(tǒng)是一個分布式的指揮控制網(wǎng)絡(luò)，與排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的理論在分析這個網(wǎng)絡(luò)的延時(如傳感器信號處理計(jì)算延時，匯總信息的通信延時，與人或算法的決策有關(guān)的決策延時等等)問題上發(fā)揮著較大作用。這種方法將目標(biāo)看成是服務(wù)隊(duì)列中的顧客，在實(shí)施指揮、控制、通信與情報功能(檢測、跟蹤、交戰(zhàn)等等)的意義上，指揮信息系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)必須為目標(biāo)服務(wù)。在特定的指揮信息系統(tǒng)中，可規(guī)定一個特定的指揮控制節(jié)點(diǎn)實(shí)施適當(dāng)?shù)墓δ?。由于目?biāo)是運(yùn)動的，指揮控制節(jié)點(diǎn)只能有一個有限的機(jī)會時間窗口為目標(biāo)服務(wù)，錯過這個時間窗口，目標(biāo)就將離開這個特定的指揮控制節(jié)點(diǎn)。這需要能處理具有違約性質(zhì)的排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)理論。雖然對這類具有違約性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)問題的研究已有一些結(jié)果，但為了逼真刻畫指揮信息系統(tǒng)的延時，給出一整套擴(kuò)展的排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)理論結(jié)果和有效的計(jì)算方法，還需做更多的理論工作。另一個問題是，目前的排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)理論對捕獲網(wǎng)絡(luò)中的瞬態(tài)特性缺乏有效的算法，這些問題使這種方法面臨著挑戰(zhàn)，因?yàn)橹笓]信息系統(tǒng)與普通的排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)有很大不同。為此，不少人在致力于擴(kuò)展一些理論，如采用Petri Net 表示法、研究模糊隨機(jī)網(wǎng)等。

解析法的優(yōu)點(diǎn)是公式透明性好，易于了解，計(jì)算簡單。對于一些潛在問題，如系統(tǒng)的“瓶頸”、系統(tǒng)某些參量變化對整個系統(tǒng)效能的影響等，解析法能得出清晰的規(guī)律性的認(rèn)識。如排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)理論可以用于評估系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的負(fù)載能力，并分析整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間。

解析法的缺點(diǎn)在于建立系統(tǒng)模型的困難性，主要表現(xiàn)在:指揮信息系統(tǒng)效能評估對象的范疇比較廣，大至戰(zhàn)略級指揮信息系統(tǒng)，小到戰(zhàn)術(shù)指揮信息系統(tǒng)，都存在效能評估問題，對不同級別的系統(tǒng)，應(yīng)用解析法建立系統(tǒng)模型的難度是不同的，系統(tǒng)級別越高，系統(tǒng)越復(fù)雜，指標(biāo)之間的關(guān)系就越復(fù)雜，系統(tǒng)模型越難建立;即使對同一系統(tǒng)，其效能也受環(huán)境、任務(wù)等因素的制約，建立的系統(tǒng)模型也有不同。如ADC 模型應(yīng)用于系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)較多的復(fù)雜指揮信息系統(tǒng)時，會出現(xiàn)矩陣維數(shù)呈指數(shù)規(guī)律“膨脹”的問題，尤其難以在動態(tài)的交戰(zhàn)過程中反映指揮信息系統(tǒng)效能。

1.2 綜合評估法

當(dāng)評估者對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特性等沒有足夠理解時，經(jīng)常采用定性與定量相結(jié)合的綜合評估方法評估系統(tǒng)效能。用于指揮信息系統(tǒng)效能評估的綜合評估方法主要有層次分析法、模糊綜合評判法、多屬性效用函數(shù)法、灰色系統(tǒng)效能分析法、比較方法等。綜合評估方法評估指揮信息系統(tǒng)效能的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，易于處理，適用范圍廣。不足是選取指標(biāo)體系比較困難，評估結(jié)果不易解釋，主觀性比較強(qiáng)，對指標(biāo)的動態(tài)性考慮不夠。

1.3 基于仿真的方法

基于仿真的方法是指用建模仿真技術(shù)建立系統(tǒng)的仿真模型并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)得到系統(tǒng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)處理后得到系統(tǒng)效能指標(biāo)評估值。

指揮信息系統(tǒng)是一個復(fù)雜的人機(jī)系統(tǒng)，在功能上是分布的，在地理上也是分布的，具有實(shí)時性和開放性等特點(diǎn)，包含多種技術(shù)因素和不確定性。對這樣一個復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行研究，依靠大規(guī)模的軍事演習(xí)，參與的人力、物力較多，費(fèi)用巨大，且無法重演，只能解決部分問題。系統(tǒng)仿真技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，為指揮信息系統(tǒng)效能評估提供了一種強(qiáng)有力的輔助工具。

根據(jù)仿真技術(shù)、手段的區(qū)別，基于仿真的指揮信息系統(tǒng)效能評估方法主要有基于計(jì)算機(jī)仿真的方法、基于原型仿真的方法和基于仿真實(shí)驗(yàn)床的方法。

1)基于計(jì)算機(jī)仿真的方法。指揮信息系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真，其特點(diǎn)是系統(tǒng)由數(shù)學(xué)形式、圖形形式或計(jì)算機(jī)程序來表示。這種仿真不需要使用實(shí)際系統(tǒng)的任何部件，是個純軟件系統(tǒng)。但由于指揮信息系統(tǒng)是個人機(jī)系統(tǒng)，人的決策過程是指揮信息系統(tǒng)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)用數(shù)學(xué)或計(jì)算機(jī)程序很難成功地仿真這一環(huán)節(jié)，因此有其局限性。目前，不少人試圖采用人工智能等技術(shù)來改善這一環(huán)節(jié)的仿真質(zhì)量，但還并不十分成熟。

2)基于原型仿真的方法。系統(tǒng)原型就是系統(tǒng)仿真模型全部使用實(shí)際系統(tǒng)的子系統(tǒng)或真實(shí)的部件，系統(tǒng)原型可以任意接近最終完成的系統(tǒng)。如果一個大型的指揮信息系統(tǒng)全部使用系統(tǒng)原型法進(jìn)行仿真的話，其結(jié)果無疑是不經(jīng)濟(jì)的，而且不能達(dá)到仿真的目的。所以系統(tǒng)原型仿真法一般只用于試驗(yàn)的關(guān)鍵區(qū)域，這樣做可以提高實(shí)物的經(jīng)濟(jì)性和有效性。

3)基于仿真試驗(yàn)床的方法。系統(tǒng)試驗(yàn)床仿真則是介于上述2 種方法之間的一種仿真方法。主要特點(diǎn)是包含了部分實(shí)際系統(tǒng)的部件，系統(tǒng)的其他部分則采用計(jì)算機(jī)仿真的形式，系統(tǒng)的操作環(huán)境(包括威脅)可以是實(shí)物模擬，也可以是計(jì)算機(jī)仿真，所以這種方法也被稱為半實(shí)物仿真。

上述3 種基于仿真的系統(tǒng)效能評估方法中，基于計(jì)算機(jī)仿真的方法最有效、最易實(shí)現(xiàn)，所需費(fèi)用少，并且仿真可重復(fù)性高，可以得到可信度更高的評估數(shù)據(jù)。

基于仿真的系統(tǒng)效能評估方法的優(yōu)點(diǎn)是評估數(shù)據(jù)易于獲取，數(shù)據(jù)可信度高。缺點(diǎn)是人力、物力、財力耗費(fèi)大，雖然基于計(jì)算機(jī)仿真的方法人、財、物經(jīng)濟(jì)性相對較好，但系統(tǒng)仿真模型的建立困難，必須有建模仿真工具的支持。

2 作戰(zhàn)效能評估的方法

系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的評估遠(yuǎn)比系統(tǒng)靜態(tài)效能的評估復(fù)雜，指揮信息系統(tǒng)作戰(zhàn)效能可以認(rèn)為是系統(tǒng)性能的變化對作戰(zhàn)態(tài)勢與戰(zhàn)果的影響的綜合衡量。這就需要把指揮信息系統(tǒng)與作戰(zhàn)環(huán)境或作戰(zhàn)想定聯(lián)系起來，通過衡量對比作戰(zhàn)任務(wù)效能，得到系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。目前，評估指揮信息系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的方法主要有SEA 方法、系統(tǒng)模型方法、作戰(zhàn)模擬方法。

2.1 SEA 方法

SEA(system effectiveness analysis)方法是美國麻省理工學(xué)院信息與決策實(shí)驗(yàn)室的A.H.Levis 等提出的一種系統(tǒng)效能評估方法。SEA 方法的基本特征是將系統(tǒng)的參量指標(biāo)或性能指標(biāo)融入戰(zhàn)斗動態(tài)方程中，通過把系統(tǒng)能力和使命要求在同一公共屬性空間進(jìn)行比較，得到有效性評定的若干參量，適當(dāng)組合這些參量，根據(jù)系統(tǒng)與使命的匹配程度就可獲知系統(tǒng)完成預(yù)定任務(wù)的可能性，即指揮信息系統(tǒng)的效能。

SEA 方法優(yōu)點(diǎn):貼近效能評估的基本含義，能充分體現(xiàn)出系統(tǒng)構(gòu)件、組織和戰(zhàn)術(shù)的變化對系統(tǒng)效能的影響;把系統(tǒng)的能力與使命要求放在同一個MOP 空間進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)完成使命程度的評價。

難點(diǎn)在于公共屬性空間的提取以及系統(tǒng)能力和使命要求到該空間的映射的建立。系統(tǒng)能力映射的建立是整個評估過程的重點(diǎn)，它必須借助一定的方法，把系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、行為和原始參數(shù)對系統(tǒng)運(yùn)行過程的影響描述出來，從而體現(xiàn)它們對系統(tǒng)完成使命的作用。而由于指揮信息系統(tǒng)的復(fù)雜性，這個映射一般是非線性的，比較難于建立，這就給該方法的使用帶來了困難。

2.2 系統(tǒng)模型方法

使用系統(tǒng)模型是評估指揮信息系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的一條可行途徑。指揮信息系統(tǒng)模型分為本征模型和派生模型。在實(shí)際應(yīng)用中主要使用獨(dú)立式派生模型評定系統(tǒng)的性能和部分效能，使用嵌入式派生模型評定指揮信息系統(tǒng)的一些效能和對作戰(zhàn)的影響。目前使用較多的是影響圖方法Lanchester方程方法和Monte Carlo 方法。

影響圖方法起源于系統(tǒng)動力學(xué)，是基于系統(tǒng)動力學(xué)的面向系統(tǒng)微分方程模型的一種建模分析方法。1977年MIT 的James R.Burns 把這種方法用于指揮信息系統(tǒng)效能評估。這種方法通過分析所研究的復(fù)雜系統(tǒng)，找出表征系統(tǒng)運(yùn)行過程所必需的系統(tǒng)參量，分析各參量之間的相互影響關(guān)系畫出系統(tǒng)影響圖，根據(jù)影響圖與系統(tǒng)參量的實(shí)際物理意義，運(yùn)用一定的建模算法，得出綜合了指揮信息系統(tǒng)和作戰(zhàn)過程系統(tǒng)的微分方程，由系統(tǒng)的微分方程模型考察指揮信息系統(tǒng)各尺度參數(shù)和性能參量對作戰(zhàn)結(jié)果的影響，從而可以評估指揮信息系統(tǒng)的效能和作戰(zhàn)效能。

系統(tǒng)模型方法評估系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的優(yōu)點(diǎn)是理論基礎(chǔ)嚴(yán)密，在建立系統(tǒng)模型后，就可以利用現(xiàn)有的各種分析方法和技術(shù)來評估系統(tǒng)作戰(zhàn)效能;不足之處主要表現(xiàn)在:①現(xiàn)有模型沒有很好地處理信息對作戰(zhàn)的影響，沒有完全分析ISR 子系統(tǒng)的特性;②一般沒有考慮可用信息的質(zhì)量對指揮員決策的影響;③通信問題，因?yàn)榻鉀Q起來費(fèi)力、費(fèi)時而一般被忽略;④模型中對“決策”考慮不夠，對人和組織問題的建模不夠深入。

因此，在對指揮信息系統(tǒng)做出大量假設(shè)、限制后，系統(tǒng)模型方法可以分析某些指標(biāo)對系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的影響。但是對一般的復(fù)雜指揮信息系統(tǒng)，現(xiàn)有方法建立的系統(tǒng)模型不能完全描述指揮信息系統(tǒng)對作戰(zhàn)的影響，即現(xiàn)有模型沒有完全反映系統(tǒng)性能指標(biāo)與系統(tǒng)作戰(zhàn)效能指標(biāo)之間的映射關(guān)系。即使建立相對詳細(xì)完整的系統(tǒng)模型，也會因?yàn)槟Ｐ偷凝嫶?、?fù)雜而使求解和分析的困難性劇增。這歸根結(jié)底是由指揮信息系統(tǒng)自身的復(fù)雜性決定的。

2.3 作戰(zhàn)模擬方法

用作戰(zhàn)模擬方法評估系統(tǒng)作戰(zhàn)效能與用仿真方法評估系統(tǒng)效能類似，不同的是頂層模型的區(qū)別。兩者的基本實(shí)現(xiàn)技術(shù)是相同的。

綜上所述，指揮信息系統(tǒng)效能評估方法總體上可以分為3 類:解析方法、綜合評估方法和基于仿真或作戰(zhàn)模擬的方法，每類方法都有自己的長處和不足。解析方法在系統(tǒng)規(guī)模較小或只評估系統(tǒng)某方面的效能時比較適用，當(dāng)系統(tǒng)比較復(fù)雜、系統(tǒng)規(guī)模較大時，隨著系統(tǒng)解析模型復(fù)雜程度的提高，分析求解系統(tǒng)模型會越來越困難，這就限制了其在指揮信息系統(tǒng)效能評估中的應(yīng)用。綜合評估方法是一種評估指揮信息系統(tǒng)效能的有效方法。由于評估者對指揮信息系統(tǒng)內(nèi)部要素之間的關(guān)系及系統(tǒng)性能影響作戰(zhàn)的機(jī)理仍不是很明晰，只能采用這種定性定量相結(jié)合的方法對系統(tǒng)效能做出評估?；诜抡婊蜃鲬?zhàn)模擬技術(shù)來評估指揮信息系統(tǒng)的自身效能或作戰(zhàn)效能是當(dāng)前研究的主流。但是仿真和作戰(zhàn)模擬的作用主要體現(xiàn)在提供評估數(shù)據(jù)方面，在有了評估數(shù)據(jù)后如何評估分析仍需要相應(yīng)的評估方法來支持。

分析上述3 類方法的優(yōu)缺點(diǎn)，在評估一個復(fù)雜指揮信息系統(tǒng)的效能時，可以把幾種方法結(jié)合在一起使用，如:綜合評估方法用來衡量系統(tǒng)總體效能，綜合評估方法所需的指標(biāo)數(shù)據(jù)通過仿真或作戰(zhàn)模擬獲取，而解析方法可用于仿真或作戰(zhàn)模擬中的作戰(zhàn)或系統(tǒng)某一部件的建模。

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