基于雙層變權(quán)的目標威脅評估

王增發(fā)，徐克虎，孔德鵬，李靈之

（陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072）

0 引言

在多軍兵種的協(xié)同作戰(zhàn)趨于常態(tài)化的情況下，分隊作戰(zhàn)目標的威脅評估難度進一步增加。戰(zhàn)場目標威脅評估是對陸地戰(zhàn)場上各類威脅目標的火力能力、攻擊狀態(tài)、指揮控制能力、戰(zhàn)場位置、作戰(zhàn)意圖等多方面的綜合分析，也是我方進行火力分配與作戰(zhàn)決策的重要基礎(chǔ)［1］。通過變權(quán)評估的方法能夠?qū)⒍喾矫娴耐{信息考慮在內(nèi)，得到更加合理有效的威脅度信息。

變權(quán)理論主要強調(diào)指標權(quán)重應(yīng)該隨著指標狀態(tài)的變化而發(fā)生變化。利用常權(quán)綜合方法進行單層次的威脅評估，其指標權(quán)重不隨時間、環(huán)境及態(tài)勢的變化而變化，難以體現(xiàn)各指標之間的動態(tài)關(guān)系和環(huán)境與戰(zhàn)場態(tài)勢變化對目標威脅程度的影響［2］。文獻［3］給出了變權(quán)向量和狀態(tài)變權(quán)向量的公理化定義，并引入了懲罰型、激勵型和混合型狀態(tài)變權(quán)向量及均衡函數(shù)的概念。文獻［4］將分組變權(quán)理論引入多方案多評估指標的決策分析中，提出分組變權(quán)方法，但是僅限于局部態(tài)勢的評估，不能兼顧整體的戰(zhàn)場環(huán)境。文獻［5］提出利用廣義優(yōu)序法，提出了確定基于屬性權(quán)重和時間權(quán)重的變權(quán)方法，也能夠體現(xiàn)速度、時間等其他屬性的重要性。以上的研究對于變權(quán)都是基于單層的變權(quán)調(diào)整，從而得到相應(yīng)的威脅估計。文獻［6］基于空戰(zhàn)威脅指標評估，提出了多屬性決策的威脅評估模型。通過融合主客觀權(quán)重，建立了能全面反映多威脅因素的變權(quán)多屬性決策評估模型，但并沒有將局部與整體的戰(zhàn)場環(huán)境考慮進去，仍屬于單一角度的評估模型，難以合理有效地進行局部與整體之間的威脅信息整合。

本文提出的基于雙層變權(quán)的威脅評估方法，首先對威脅指標進行綜合分析，基于單武器平臺威脅屬性及局部戰(zhàn)場環(huán)境進行第一層的多屬性變權(quán)威脅評估。在進行多武器平臺的第二層變權(quán)評估時，將整合局部與整體戰(zhàn)場環(huán)境信息等其他關(guān)聯(lián)因子，避免了不能兼顧其他戰(zhàn)場信息的缺陷，使得評估結(jié)果更為科學(xué)有效。通過融合并建立雙層變權(quán)評估模型，能夠?qū)崿F(xiàn)多目標多指標的變權(quán)威脅評估。

1 陸戰(zhàn)目標及其威脅因素分析

1.1 合成分隊作戰(zhàn)特點

合成分隊一般由坦克等裝甲車輛及步兵組成，隨著各種新武器的不斷研發(fā)并投入戰(zhàn)場，合成分隊的作戰(zhàn)能力在不斷地提高。有以下作戰(zhàn)特點：

1）合成分隊以信息化的武器平臺為基礎(chǔ)，初步建立了基于信息化裝備的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)體系，能夠?qū)崿F(xiàn)各武器平臺之間的信息互通。

2）其作戰(zhàn)方式打破了傳統(tǒng)的作戰(zhàn)模式，不再依靠單向的指揮評估，而是多種武器平臺的同時參與評估、共同決策，具有快速機動、戰(zhàn)場偵察、信息處理等功能，向更趨于扁平化的指揮體系方向演變。

3）基于現(xiàn)代戰(zhàn)爭的武器裝備更為信息化，機動能力更強的特點。精準高效、聯(lián)合打擊越來越成為合成分隊的基本作戰(zhàn)要求。

對于合成分隊的戰(zhàn)場威脅評估，目前的評估方法主要有模糊邏輯方法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、基于知識推理的方法。但是這些方法總體來說有以下缺陷［7］：

a.考慮的目標類型單一；

b.忽略了戰(zhàn)場不確定性對威脅評估的影響；

c.將威脅評估作為一個孤立的過程進行處理，威脅模型缺乏可信度。而且這些評估方法都需要引入專家的經(jīng)驗知識作為驗證數(shù)據(jù)并進行推理，操作復(fù)雜。

1.2 威脅目標及威脅要素

合成分隊地面作戰(zhàn)的目標種類、型號很多，但大致可以歸結(jié)為以下幾類：坦克、步兵戰(zhàn)車等裝甲類目標，自行火炮、車載反坦克導(dǎo)彈等地面火炮類目標，武裝直升機、無人偵察機等低空類目標，反坦克火箭筒等單兵類目標，彈藥、油料補給車等保障類目標。

根據(jù)合成分隊的作戰(zhàn)特點，假定我方的武器裝備以裝甲類為主，上述幾種目標都會對我方造成威脅。如表1所示。

表1 各種威脅目標及其威脅屬性

2 威脅評估變權(quán)方法

目標威脅程度影響因素的重要程度是隨著戰(zhàn)場環(huán)境和戰(zhàn)場態(tài)勢的變化而變化的，因此，需對影響因素的權(quán)重進行動態(tài)調(diào)整；其次，采用同一目標威脅評估模型，也需根據(jù)目標類型對威脅影響因素權(quán)重進行動態(tài)調(diào)整。

2.1 變權(quán)理論

常權(quán)向量一般情況下能夠反映各個目標屬性的綜合能力，對應(yīng)的每個目標屬性的權(quán)值反映了該目標屬性的重要程度。但在復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境中，常權(quán)的使用就難以體現(xiàn)出環(huán)境的變化，基于變權(quán)方法的提出正好補充了這種不足之處。

變權(quán)的目的即為根據(jù)目標狀態(tài)向量的動態(tài)變化來相應(yīng)地調(diào)整它在整體評估中的影響。用于加權(quán)的權(quán)向量根據(jù)目標狀態(tài)向量的不同取值作相應(yīng)的調(diào)整，以得到合理的綜合威脅評估。根據(jù)文獻［9］的定義，假設(shè)目標屬性狀態(tài)向量為，常權(quán)向量為，變權(quán)向量可看作目標狀態(tài)向量和權(quán)系數(shù)向量的函數(shù)wi（X），滿足：

1）歸一性，各個權(quán)重值wi（X）之和等于1；

2）連續(xù)性，wi（X）關(guān)于每個狀態(tài)變量連續(xù)；

3）激勵性，wi（X）關(guān)于xi單調(diào)遞增；

4）懲罰性，wi（X）關(guān)于xi單調(diào)遞減。

其中，若滿足1）～3）即為激勵型狀態(tài)變權(quán)；若滿足1）、2）、4）即為懲罰型狀態(tài)變權(quán)。根據(jù)具體的環(huán)境要求確定激勵型或者懲罰型變權(quán)來進行求解。

2.2 初始常權(quán)確定方法

客觀賦權(quán)法是對經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行整理分析從而得到權(quán)值，能夠避免人為因素的影響。本文采用信息熵法求得的客觀權(quán)重，能夠較好地排除部分影響較小的評價指標，更好地反映客觀規(guī)律差異的重要指標，因而信息熵法更具有客觀性。

熵源于信息論中的概念，用于描述事物出現(xiàn)的不確定性。在某評價體系中，其信息熵越小，指標變異程度越大，說明其在綜合評價中的作用越大，其指標權(quán)重也就越大。假設(shè)某戰(zhàn)場環(huán)境中有n種武器目標會對我方構(gòu)成威脅，每種武器目標對應(yīng)m種威脅指標。計算步驟如下：

1）威脅目標及其對應(yīng)的屬性指標值所構(gòu)成的威脅矩陣，作歸一化處理得到矩陣，

2）計算目標威脅屬性的信息熵值

3）計算評價指標權(quán)重

2.3 變權(quán)方法

2.3.1 威脅屬性變權(quán)

在合成分隊的目標威脅評估中，常權(quán)的使用往往能夠綜合考慮戰(zhàn)場態(tài)勢，卻不能動態(tài)地評估各威脅目標的即時威脅程度。威脅度屬性較大的目標，在不同的戰(zhàn)場環(huán)境中也可能具有較小威脅度值，此時需要變權(quán)對指標屬性進行相應(yīng)調(diào)整。

同一組威脅指標的屬性值通常只對應(yīng)一種武器目標，很難同時適用于其他的武器目標，通過構(gòu)造變權(quán)向量，使其適用于多種武器目標，利用不同的權(quán)重屬性值表示其相應(yīng)的武器目標或?qū)傩灾笜?。同樣在不同的?zhàn)場態(tài)勢中相同的火力配置也會有不同的威脅度體現(xiàn)。

根據(jù)不同威脅目標以及威脅目標不同的指標屬性，進行變權(quán)的調(diào)整，以匹配各屬性值之間的相對重要程度。針對不同目標及不同指標的威脅度屬性，變權(quán)向量能夠體現(xiàn)出很好的適應(yīng)能力。構(gòu)造陸戰(zhàn)場的威脅目標屬性狀態(tài)向量，定義映射

則有

定義狀態(tài)變權(quán)向量gi（W）為

σ為變權(quán)因子，是基于對不同偏好進行調(diào)整的系數(shù)。其取值范圍為。當時，為均衡型變權(quán)；當σ=0時，不進行變權(quán)，為常權(quán)綜合；當時，為激勵型變權(quán)。由于本文是對于即時作戰(zhàn)環(huán)境威脅的評估，在衡量各個威脅參數(shù)時均需考慮其他威脅因素的影響，所以采用均衡型變權(quán)，在中取值0.2。

根據(jù)幾種威脅目標的屬性及其威脅度的評估，構(gòu)建威脅度屬性的狀態(tài)變權(quán)向量：

wi（X）為初始常權(quán)向量，wi為變權(quán)后目標X的第i項指標的權(quán)重。

通過整合所有戰(zhàn)場目標的指標權(quán)重信息，得到整體變權(quán)向量，

其中，

wij為第i個目標的第j個指標的變權(quán)值。其中，εi為第 i個目標的（i=1，2，…，n）的目標權(quán)重，其取值和威脅因子的所處實際作戰(zhàn)環(huán)境有關(guān)。根據(jù)文獻［10］中，認為狀態(tài)變權(quán)向量的確定存在較大主觀隨意性，會影響到其評估的客觀性，εi使其更加切合戰(zhàn)場實際。

2.3.2 多層融合變權(quán)

通過兩次的權(quán)系數(shù)調(diào)整來體現(xiàn)其重要程度，實現(xiàn)多種目標的統(tǒng)一威脅評估，

進而得到，

其中，為綜合變權(quán)評估結(jié)果，wi為式（2）所求結(jié)果，αi為單目標變權(quán)向量的調(diào)整系數(shù)，βij為多目標變權(quán)向量的調(diào)整系數(shù)。

為體現(xiàn)常權(quán)評估仍具有的合理性，使得常權(quán)的結(jié)果以一定的比例成為參考的因素，而又不失變權(quán)的可靠性，則

又由于變權(quán)中存在一定的隨機性，多目標多指標變權(quán)歸一化值，作為系數(shù)的加入，增加了變權(quán)的穩(wěn)定性?；趹?zhàn)場的變權(quán)評估還需確定多種戰(zhàn)場信息的影響，不同的戰(zhàn)場環(huán)境下目標的任務(wù)、意圖、目的不同，因此，對我方的威脅度也不同。

3 基于TOPSIS的變權(quán)威脅評估算法流程

Step1獲取目標威脅評估指標值，并對指標值進行預(yù)處理。

Step2利用信息熵法確定常權(quán)

Step3進行指標變權(quán)得到狀態(tài)變權(quán)向量wi，融合多個目標的多指標變權(quán)wij，得到整體的變權(quán)向量，。

Step4將兩次的變權(quán)結(jié)果進行疊加綜合，，并利用TOPSIS法進行威脅度排序。

圖1是變權(quán)評估的基本流程。

圖1 變權(quán)評估基本流程

4 評估實例

以陸戰(zhàn)場的合成分隊作戰(zhàn)為背景，對敵目標的威脅度進行評估。為了便于評估，選取5種代表性指標：機動能力、毀傷能力、通信水平、距離因素、抗干擾能力。其中，M1為武裝直升機，M2為車載反坦克導(dǎo)彈，M3為步兵戰(zhàn)車，M4為坦克，M5為單兵類輕武器。

1）各威脅屬性歸一化值如表3所示。

2）采用變權(quán)的單目標威脅評估結(jié)果，通過信息熵法獲得各個指標常權(quán)，

3）多目標變權(quán)，威脅評估結(jié)果，令為 0.6，0.3，0.5，0.4，0.3，代表幾種武器目標所處的戰(zhàn)場環(huán)境，綜合考慮幾種目標的威脅屬性，實現(xiàn)分布式評估。

4）根據(jù)式（9）進行單個目標的多種威脅屬性的融合，形成對單個威脅目標的整體上的分析。根據(jù)上述定義，利用軟件生成αi與βij，代表某作戰(zhàn)環(huán)境。的取值如表2所示。

5）通過對比幾種威脅評估結(jié)果的威脅度并排序，得到整體上的評估效果，如下頁表6所示。

表2 各α、β值

表3 目標各屬性歸一化值

表4 單目標多指標變權(quán)

表5 多目標多指標變權(quán)

表6 整體變權(quán)結(jié)果

表7 綜合排序結(jié)果

圖2 變權(quán)效果折線圖

從表6與圖2中可以看出，在常權(quán)屬性的影響下，威脅度依次為，通過多種屬性的綜合考慮，步兵戰(zhàn)車和坦克的威脅度上升，變?yōu)?，說明可能是進攻的態(tài)勢，具有一定機動優(yōu)勢的重火力武器目標呈現(xiàn)出更大的威脅；而融合了多個目標的多種威脅屬性后，則變?yōu)椋f明整個戰(zhàn)場態(tài)勢則變?yōu)橐环N防御或者其他的作戰(zhàn)態(tài)勢；通過綜合的變權(quán)威脅結(jié)果，說明整體的戰(zhàn)場態(tài)勢雖然受到大規(guī)模集群火炮的壓制，但是一直受到武裝直升機的威脅最大，而且坦克和單兵類威脅度已經(jīng)上升，很有可能會受到對方的進攻或者武裝直升機的突襲等威脅。如果只考慮表4和表5的話，可能會難以準確地判斷戰(zhàn)場目標的威脅，尤其是整體上的威脅，很可能與單個目標的評估有較大差異。

5 結(jié)論

合理有效的威脅評估是進行戰(zhàn)場決策的基礎(chǔ)，由于作戰(zhàn)環(huán)境的復(fù)雜多變，從而有瞬息萬變的威脅評估結(jié)果。本文利用信息熵法確定常權(quán)值，可避免主觀賦權(quán)所帶來的主觀隨意性。通過雙層變權(quán)的調(diào)整實現(xiàn)對威脅屬性權(quán)重的多級融合，充分考慮了每種威脅因素在其他的威脅因子共同作用下的最終權(quán)重，避免單層評估不能兼顧更多信息的局限性，能夠以更大的戰(zhàn)場視角進行統(tǒng)一評估分析，得到實時的整體威脅評估結(jié)果，為實現(xiàn)各作戰(zhàn)單元的火力分配提供依據(jù)。

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