張維超,何新華,屈 強(qiáng),陸皖麟
(1.陸軍裝甲兵學(xué)院,北京 100072;2.解放軍66133部隊(duì),北京 100043)
隨著世界新軍事變革的發(fā)展,我軍信息化建設(shè)逐漸普及,信息化戰(zhàn)爭(zhēng)只有把握戰(zhàn)爭(zhēng)主動(dòng)權(quán)才能獲得最后的勝利,因而必須要認(rèn)識(shí)掌握武器裝備體系的內(nèi)在發(fā)展規(guī)律,以及體系作戰(zhàn)主體間的相互促進(jìn)或者相互抑制的關(guān)聯(lián)關(guān)系而涌現(xiàn)出來(lái)的整體概念上的武器裝備體系作戰(zhàn)能力[1],但是基于涌現(xiàn)性機(jī)理的體系作戰(zhàn)能力的研究卻比較積弱。因此,本文通過(guò)建立裝備體系作戰(zhàn)能力主體單元模型,通過(guò)SEM方法判斷主體單元之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,建立基于確定關(guān)聯(lián)關(guān)系的主體單元的涌現(xiàn)模型,從而對(duì)體系作戰(zhàn)能力進(jìn)行評(píng)估研究。
武器裝備是決定信息時(shí)代戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的關(guān)鍵因素,現(xiàn)代武器裝備體系的研制是一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程,是人們?yōu)樽鲬?zhàn)需求而加工制造的一種為戰(zhàn)爭(zhēng)服務(wù)的特定產(chǎn)品[1]。
近年來(lái),武器裝備體系作戰(zhàn)能力的研究在理論道路上拓展的很廣泛,但是總結(jié)起來(lái)目前常用的體系作戰(zhàn)能力的評(píng)估方法主要分為評(píng)估法、指數(shù)法、統(tǒng)計(jì)法和計(jì)算機(jī)仿真法這4類(lèi)方法[3]。但是這4類(lèi)方法都或多或少有一些不足。
評(píng)估法會(huì)受評(píng)估者的主觀意見(jiàn)而影響評(píng)估結(jié)果;指數(shù)法會(huì)因缺乏相關(guān)的模型和龐大的指標(biāo)數(shù)據(jù),導(dǎo)致對(duì)系統(tǒng)的特性描述不夠具體;統(tǒng)計(jì)法中大規(guī)模數(shù)據(jù)的來(lái)源受外在因素的限制而無(wú)法驗(yàn)證其可靠性;計(jì)算機(jī)仿真法所應(yīng)用的仿真模型可信度沒(méi)有可靠的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn),并且計(jì)算的準(zhǔn)確度也無(wú)法保證[3]。
2.1.1 體系作戰(zhàn)能力涌現(xiàn)機(jī)理
涌現(xiàn)是指系統(tǒng)組分組合成系統(tǒng)時(shí),發(fā)生突變并產(chǎn)生出新的性質(zhì)的過(guò)程,即產(chǎn)生出“1+1>2”中多出來(lái)的那部分新性質(zhì)的過(guò)程[3]。體系作戰(zhàn)能力涌現(xiàn)是指底層作戰(zhàn)能力以某種關(guān)系和層次特性而集成組合,形成新的、增值的作戰(zhàn)能力來(lái)滿(mǎn)足作戰(zhàn)運(yùn)用的需求。
涌現(xiàn)形成的三要素為大量的主體、主體間的互相作用、一組簡(jiǎn)單的行為規(guī)則。在擁有各種型號(hào)裝備的裝備體系中,各種裝備在信息系統(tǒng)的支持下實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)共享、協(xié)同作戰(zhàn)、交互反饋而產(chǎn)生的體系能力宏觀演化,是體系作戰(zhàn)能力涌現(xiàn)的形成原因。
2.1.2 體系作戰(zhàn)能力涌現(xiàn)過(guò)程
基于涌現(xiàn)的武器裝備體系作戰(zhàn)能力不等價(jià)于底層基礎(chǔ)作戰(zhàn)能力的數(shù)學(xué)代數(shù)和,根據(jù)武器裝備體系的層次性,用圖1描述系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的涌現(xiàn)生成過(guò)程,其中作戰(zhàn)主單元主體是構(gòu)成不同能力作戰(zhàn)單元的機(jī)構(gòu),作戰(zhàn)單元相互搭建構(gòu)成武器裝備體系作戰(zhàn)平臺(tái),進(jìn)而根據(jù)體系編制關(guān)系構(gòu)成作戰(zhàn)系統(tǒng),最后系統(tǒng)間的相關(guān)聯(lián)作用耦合成裝備體系的作戰(zhàn)能力[6]。
2.1.3 體系作戰(zhàn)能力涌現(xiàn)研究的不足
信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和裝備協(xié)同運(yùn)用對(duì)體系作戰(zhàn)能力具有一定程度影響,由于還未形成明確的研究思路和度量方法,現(xiàn)有評(píng)估模型還不能真正體現(xiàn)體系作戰(zhàn)能力的生成特點(diǎn),評(píng)估計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性和可信性不高。此外裝備體系是由大量多種類(lèi)人控裝備組成的復(fù)雜系統(tǒng),涌現(xiàn)性作為復(fù)雜系統(tǒng)的基本特征還沒(méi)有被引入體系作戰(zhàn)能力評(píng)估方面的研究,只有部分學(xué)者分析了體系作戰(zhàn)能力的涌現(xiàn)性[7]。
體系作戰(zhàn)能力涌現(xiàn)是體系能力組成以一定的結(jié)構(gòu)關(guān)系和作用關(guān)系產(chǎn)生的。為此本文構(gòu)建涌現(xiàn)模型的核心為建立有效的體系能力組成單元模型、單元結(jié)構(gòu)模型、單元作用模型。其基本思路是研究體系作戰(zhàn)能力,構(gòu)建底層作戰(zhàn)能力主體單元;研究主體單元間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,構(gòu)建單元結(jié)構(gòu)模型;研究單元間的交互作用,構(gòu)建單元作用模型;在以上基礎(chǔ)上構(gòu)建體系能力涌現(xiàn)模型;使用涌現(xiàn)模型對(duì)體系作戰(zhàn)能力進(jìn)行評(píng)估;如圖2所示。
根據(jù)武器裝備體系的領(lǐng)域特點(diǎn),采用一套適合體系作戰(zhàn)能力自身特點(diǎn)的作戰(zhàn)能力主體建模方法,其基本流程如下。
第1步:定義作戰(zhàn)能力主體單元的領(lǐng)域和特性。
武器裝備體系作戰(zhàn)能力主體單元,指的是在面向作戰(zhàn)能力涌現(xiàn)建模過(guò)程中,表現(xiàn)某一項(xiàng)武器裝備體系作戰(zhàn)能力行為特性的具有自主性的個(gè)體。這些主體單元通過(guò)指揮、協(xié)作等關(guān)系生成體系作戰(zhàn)能力。為此應(yīng)首先明確建模主體單元的領(lǐng)域范圍和表征能力的特性。
第2步:建立武器裝備體系與能力主體單元映射關(guān)系。
定義能力主體單元過(guò)后,建立武器裝備體系與作戰(zhàn)能力主體單元的映射。從武器裝備體系組成入手,對(duì)體系各層級(jí)深入分析,建立武器裝備體系組成結(jié)構(gòu)到作戰(zhàn)能力主體單元的映射。
第3步:建立武器裝備體系作戰(zhàn)能力主體單元層次結(jié)構(gòu)。
作戰(zhàn)能力主體單元是裝備體系在功能空間上的映射。能力主體單元層次結(jié)構(gòu)是指體系內(nèi)部各作戰(zhàn)能力主體單元間在空間排列及組合的具體形式。將體系作戰(zhàn)能力主體單元進(jìn)行層次性的梳理,形成一定的層次結(jié)構(gòu)。
第4步:建立能力主體單元關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)。
武器裝備體系作戰(zhàn)能力主體單元是武器裝備體系在功能空間上的映射,裝備體系組成元素間復(fù)雜的關(guān)系,最終表現(xiàn)為能力主體單元間的復(fù)雜關(guān)系。對(duì)體系作戰(zhàn)能力主體單元間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)一步分析,具體分析方法在下節(jié)詳細(xì)描述,得到網(wǎng)絡(luò)狀的能力主體單元空間結(jié)構(gòu)。
第5步:檢驗(yàn)評(píng)價(jià)模型可靠性。
建立網(wǎng)絡(luò)狀的體系作戰(zhàn)能力主體單元空間結(jié)構(gòu)后,以部隊(duì)演練數(shù)據(jù)為參考,檢驗(yàn)?zāi)芰χ黧w單元的自主特性和組成空間結(jié)構(gòu)是否真實(shí)反映武器裝備實(shí)際作戰(zhàn)運(yùn)用特點(diǎn),并進(jìn)行修正。
體系作戰(zhàn)能力的涌現(xiàn)是其作戰(zhàn)能力主體單元以一定的組成結(jié)構(gòu)和相互作用產(chǎn)生的[8],因此,本文采用基于SEM的武器裝備體系作戰(zhàn)能力主體單元間關(guān)聯(lián)關(guān)系判定方法。
1)采集處理10倍未知參數(shù)的樣本量。
2)繪制RAM圖,根據(jù)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到體系作戰(zhàn)能力主體單元的關(guān)聯(lián)關(guān)系,并根據(jù)t規(guī)則識(shí)別模型中參數(shù)的可估計(jì)性。
4)對(duì)求解出的模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。
5)修正關(guān)聯(lián)關(guān)系模型,對(duì)其中不符合實(shí)際的部分進(jìn)行修改。
4.1.1 建模思路
武器裝備在作戰(zhàn)運(yùn)用中的組織相互作用,使得其作戰(zhàn)能力相互影響。武器裝備在作戰(zhàn)運(yùn)用中按照作戰(zhàn)指揮的基本流程O(píng)ODA環(huán)進(jìn)行,其能力主體單元也有相同的周期與之對(duì)應(yīng)。能力主體單元周期的協(xié)同是武器裝備組織運(yùn)用協(xié)同的映射。Kuramoto提出的耦合振子同步模型研究了具有相互作用的大量振子的演化,該模型中振子狀態(tài)量的相位量分屬4個(gè)象限,OODA作戰(zhàn)過(guò)程也分為4個(gè)階段。因此,可用Kuramoto模型來(lái)描述作戰(zhàn)能力主體周期協(xié)同的演化[5]。
4.1.2 體系作戰(zhàn)能力關(guān)聯(lián)關(guān)系動(dòng)力學(xué)模型
借鑒Kuramoto模型建立體系作戰(zhàn)能力主體單元作戰(zhàn)協(xié)同動(dòng)力學(xué)模型:
4.1.3 體系作戰(zhàn)能力關(guān)聯(lián)關(guān)系相互作用模型
武器裝備體系在作戰(zhàn)能力主體單元間表現(xiàn)出一種作戰(zhàn)能力主體單元對(duì)另一種能力主體單元的增益或抑制的相互作用關(guān)系[10]。引入作戰(zhàn)能力主體單元間的反饋用來(lái)表征協(xié)同對(duì)體系作戰(zhàn)能力的影響。當(dāng)作戰(zhàn)能力C1與作戰(zhàn)能力C2相互影響時(shí),其作戰(zhàn)能力產(chǎn)生變化,表達(dá)式如下:
其中,Δt為關(guān)聯(lián)關(guān)系反饋?zhàn)饔昧?,ρ為能力主體單元間的關(guān)聯(lián)程度,定義能力主體單元的關(guān)聯(lián)程度為關(guān)聯(lián)程度區(qū)間。關(guān)聯(lián)程度超過(guò)閾值時(shí),對(duì)作戰(zhàn)能力C2具有增強(qiáng)作用;反之則有衰減作用,協(xié)同程度在某一區(qū)間內(nèi)作戰(zhàn)能力C2保持不變。
結(jié)合武器裝備體系作戰(zhàn)能力涌現(xiàn)建模的需求,在傳統(tǒng)元胞自動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上,將元胞有限離散的狀態(tài)集合拓展到連續(xù)空間上,建立改進(jìn)的元胞自動(dòng)機(jī)模型。
相對(duì)傳統(tǒng)元胞自動(dòng)機(jī)而言,連續(xù)空間元胞自動(dòng)機(jī)重新定義了元胞鄰居的空間范圍,由原來(lái)的網(wǎng)格空間拓展到了無(wú)限的連續(xù)空間,使其更適合于非離散系統(tǒng)的模型建立。
4.3.1 作戰(zhàn)能力元胞單元
上文構(gòu)建的作戰(zhàn)能力主體單元是武器裝備體系作戰(zhàn)能力涌現(xiàn)的基本單元,對(duì)武器裝備體系作戰(zhàn)能力組成的相互作用進(jìn)行研究,進(jìn)而提出關(guān)聯(lián)關(guān)系模型。
定義:在體系作戰(zhàn)能力涌現(xiàn)的關(guān)聯(lián)關(guān)系元胞自動(dòng)機(jī)模型中,體系作戰(zhàn)能力主體單元即為體系作戰(zhàn)能力元胞,以Ci表示第i個(gè)元胞,由所有元胞構(gòu)成的元胞空間為L(zhǎng),則有:。
4.3.2 作戰(zhàn)能力元胞狀態(tài)
在本文定義的關(guān)聯(lián)關(guān)系元胞自動(dòng)機(jī)模型中,體系作戰(zhàn)能力主體單元為元胞個(gè)體,其作戰(zhàn)能力數(shù)值即為元胞的狀態(tài)值,元胞狀態(tài)值為一維空間中連續(xù)的數(shù)值。因此,定義在體系作戰(zhàn)能力涌現(xiàn)的關(guān)聯(lián)關(guān)系元胞自動(dòng)機(jī)模型中,體系作戰(zhàn)能力主體單元的狀態(tài)值即為元胞狀態(tài),其本質(zhì)上為作戰(zhàn)能力的數(shù)值,以S表示所有元胞狀態(tài)構(gòu)成的連續(xù)空間,S取區(qū)間[0,10]。
4.3.3 作戰(zhàn)能力元胞鄰居
作戰(zhàn)能力元胞的鄰居是與之關(guān)聯(lián)、對(duì)元胞相位變化和狀態(tài)轉(zhuǎn)移具有影響作用的所有元胞集合[11],即對(duì)作戰(zhàn)能力主體單元具有影響作用的其他作戰(zhàn)能力主體單元的集合。
4.3.4 作戰(zhàn)能力元胞相位
體系作戰(zhàn)能力主體單元周期是其作戰(zhàn)OODA環(huán)的映射,元胞相位即作戰(zhàn)能力主體單元周期的函數(shù)。
4.3.5 作戰(zhàn)能力元胞狀態(tài)演化規(guī)則
關(guān)聯(lián)關(guān)系元胞機(jī)系統(tǒng)的演化需要兩個(gè)條件:初始狀態(tài)的元胞和演化規(guī)則。下面給出元胞的狀態(tài)演化規(guī)則:
1)元胞相位變化規(guī)則
式中,元胞i的相位值θi,由其自身作戰(zhàn)指揮周期為,和相關(guān)鄰居N的影響共同決定。cij為元胞i與元胞j的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度。
2)元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則
式中,元胞i在t+1時(shí)刻的狀態(tài)由其初始狀態(tài)si0和其鄰居N的關(guān)聯(lián)關(guān)系共同決定。ρ為元胞單元間關(guān)聯(lián)關(guān)系程度,,其中表示關(guān)聯(lián)關(guān)系作用比例系數(shù)。
4.3.6 作戰(zhàn)能力元胞系統(tǒng)演化規(guī)則
類(lèi)元胞自動(dòng)機(jī)依據(jù)其鄰居元胞的關(guān)聯(lián)作用模擬武器裝備體系作戰(zhàn)能力,其具體過(guò)程如下:
Step1 構(gòu)建類(lèi)元胞自動(dòng)機(jī)模型,配置類(lèi)元胞空間環(huán)境,設(shè)定類(lèi)元胞鄰居集合并規(guī)定類(lèi)元胞狀態(tài)演化規(guī)則。
Step2 初始化類(lèi)元胞主體的初始狀態(tài)值。
Step3 規(guī)定系統(tǒng)演化的結(jié)束條件,定義臨界值σ。
Step4 設(shè)定系統(tǒng)演化的初始時(shí)間T0。
Step5 根據(jù)狀態(tài)演化規(guī)則,依次迭代計(jì)算出某一時(shí)刻的類(lèi)元胞狀態(tài)值。
Step6 計(jì)算類(lèi)元胞狀態(tài)值的變化量Δ。
Step7 判斷系統(tǒng)終止條件Δ是否小于σ,是則執(zhí)行Step8,否則執(zhí)行Step5。
Step8 終止系統(tǒng)模擬,輸出作戰(zhàn)能力類(lèi)元胞狀態(tài)值。
以某陸軍數(shù)字化師的武器裝備體系為例,通過(guò)對(duì)作戰(zhàn)能力的分解,該陸軍數(shù)字化師的武器裝備體系由偵查情報(bào)系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、綜合保障系統(tǒng)、火力機(jī)動(dòng)系統(tǒng)、戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)、電子對(duì)抗系統(tǒng)構(gòu)成。按照武器裝備體系作戰(zhàn)能力單元建模的步驟構(gòu)建作戰(zhàn)主體單元模型,并通過(guò)基于SEM的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,判斷武器裝備體系作戰(zhàn)能力主體單元間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。
通過(guò)對(duì)作戰(zhàn)能力的分解,該陸軍數(shù)字化師武器裝備體系作戰(zhàn)能力由指揮控制能力、綜合保障能力、聯(lián)合打擊能力、信息能力、戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)能力、全維防護(hù)能力構(gòu)成,并根據(jù)層次分析法確定各項(xiàng)能力指標(biāo)權(quán)重,構(gòu)建的實(shí)例關(guān)聯(lián)涌現(xiàn)模型的體系能力組成如圖3所示。
5.2.1 實(shí)驗(yàn)1 與傳統(tǒng)的建模方法比較
針對(duì)信息化改造后該師武器裝備體系作戰(zhàn)能力變化情況,分別采用關(guān)聯(lián)關(guān)系涌現(xiàn)模型和傳統(tǒng)非涌現(xiàn)模型對(duì)體系作戰(zhàn)能力評(píng)估計(jì)算,比較分析兩種方法的評(píng)估結(jié)果。分別采用以下方法對(duì)該陸軍數(shù)字化師的武器裝備體系作戰(zhàn)能力進(jìn)行評(píng)估:
1)采用關(guān)聯(lián)關(guān)系涌現(xiàn)模型對(duì)信息化武器裝備體系作戰(zhàn)計(jì)算評(píng)估;
2)采用傳統(tǒng)非涌現(xiàn)模型對(duì)信息化武器裝備體系作戰(zhàn)計(jì)算評(píng)估。
具體結(jié)果如圖4所示。
從圖4可看出,針對(duì)信息化武器裝備體系而言,采用本文的關(guān)聯(lián)涌現(xiàn)模型評(píng)估,其作戰(zhàn)能力值高于傳統(tǒng)非涌現(xiàn)模型的作戰(zhàn)能力評(píng)估值。所以,針對(duì)信息化武器裝備體系,信息技術(shù)帶來(lái)作戰(zhàn)能力關(guān)聯(lián)程度的提升,武器裝備能力互相影響,所以采用本文涌現(xiàn)模型評(píng)估,其作戰(zhàn)能力值高于傳統(tǒng)非涌現(xiàn)模型的評(píng)估值。
經(jīng)過(guò)武器裝備需求論證和多次模擬對(duì)抗演練,該陸軍數(shù)字化師的武器裝備體系作戰(zhàn)能力被專(zhuān)家評(píng)定為9.461。采用傳統(tǒng)非涌現(xiàn)模型模擬,由于忽略了體系能力之間的相互關(guān)系,缺少對(duì)作戰(zhàn)能力關(guān)聯(lián)涌現(xiàn)的考慮,評(píng)估結(jié)果為8.479,而本文提出的關(guān)聯(lián)涌現(xiàn)模型評(píng)估結(jié)果為9.201,更加貼近實(shí)際。5.2.2 實(shí)驗(yàn)2 對(duì)重點(diǎn)作戰(zhàn)能力靈敏度分析
針對(duì)基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)能力的特點(diǎn),對(duì)體系中的重點(diǎn)作戰(zhàn)能力的靈敏度進(jìn)行分析,即重點(diǎn)作戰(zhàn)能力對(duì)體系整體作戰(zhàn)能力的影響關(guān)系,從而反映出本文模型的有效性,分別進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn):
1)基于數(shù)字化改造后的武器裝備體系,對(duì)指揮控制能力的靈敏度分析;
2)基于數(shù)字化改造后的武器裝備體系,對(duì)信息能力的靈敏度分析。
表1 重點(diǎn)作戰(zhàn)能力靈敏度分析表
從實(shí)驗(yàn)2兩組實(shí)驗(yàn)的評(píng)估結(jié)果中可以看出,指揮控制能力和信息能力對(duì)體系整體作戰(zhàn)能力而言,是一種非線(xiàn)性關(guān)系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)2的數(shù)據(jù),從側(cè)面也反映出本文關(guān)聯(lián)關(guān)系涌現(xiàn)模型考慮了體系作戰(zhàn)能力間的相互作用,是一種非線(xiàn)性的武器裝備體系作戰(zhàn)能力評(píng)估方法。因此,本文提出的關(guān)聯(lián)關(guān)系涌現(xiàn)模型能夠更加真實(shí)地反映武器裝備體系作戰(zhàn)能力的特征以及更充分地體現(xiàn)其作戰(zhàn)能力的真實(shí)狀況。
本文以武器裝備體系作戰(zhàn)能力涌現(xiàn)評(píng)估模型為研究對(duì)象,建立一種基于改進(jìn)的元胞自動(dòng)機(jī)的體系作戰(zhàn)能力涌現(xiàn)模型,深入研究了武器裝備體系作戰(zhàn)能力的模擬,并構(gòu)建武器裝備體系作戰(zhàn)能力主體單元模型。
然而武器裝備體系作戰(zhàn)能力涌現(xiàn)模型的構(gòu)建是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題,本文構(gòu)建的體系作戰(zhàn)能力關(guān)聯(lián)關(guān)系涌現(xiàn)模型僅是一種有意義的探索,存在許多不足,還需繼續(xù)研究武器裝備體系作戰(zhàn)能力的涌現(xiàn)機(jī)理和表現(xiàn)形式。信息化時(shí)代下的武器裝備體系將會(huì)考慮越來(lái)越多的外在因素及表現(xiàn)形式,從而進(jìn)一步細(xì)化并認(rèn)識(shí)涌現(xiàn)現(xiàn)象。