鄭 劍,劉俊先,陳 濤,李清韋
(國(guó)防科技大學(xué)信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙 410073)
隨著信息化水平的提高,軍事體系的網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn)也越來(lái)越突出,關(guān)系越來(lái)越復(fù)雜。體系的建設(shè)和管理對(duì)體系的評(píng)估產(chǎn)生強(qiáng)烈的需求,而能力評(píng)估是體系評(píng)估的重點(diǎn)。當(dāng)體系有多項(xiàng)能力時(shí),如何分析它們之間的相互關(guān)系,如影響、依賴(lài)、包含等,對(duì)開(kāi)展后續(xù)評(píng)估工作十分重要。
國(guó)內(nèi)外對(duì)系統(tǒng)的研究已較完備,但對(duì)體系的研究還處在新興階段。John H. Gauthier等用一組適應(yīng)性指標(biāo)來(lái)量化動(dòng)態(tài)體系的效率和有效性,并評(píng)估適應(yīng)性指標(biāo)在對(duì)體系的適應(yīng)性性能量化方面的有用性[1]。趙青松等在針對(duì)體系的目的、能力和任務(wù)要求等關(guān)系分析和研究的基礎(chǔ)上,提出了體系任務(wù)-能力概念格這一思想,并且探討分析了針對(duì)任務(wù)目標(biāo)的體系能力相關(guān)問(wèn)題,還提出了體系能力關(guān)聯(lián)的抽取算法以及體系能力關(guān)聯(lián)集的相關(guān)計(jì)算方法[2]。但上述方法未能較好地分析體系能力之間的關(guān)系問(wèn)題。
本文針對(duì)體系能力評(píng)估中依賴(lài)關(guān)系,研究體系、能力、活動(dòng)的概念及內(nèi)涵,提出基于活動(dòng)體系能力建模方法,建立活動(dòng)網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建環(huán)路查找算法,找出其中所有環(huán)路,提出基于活動(dòng)環(huán)路的能力依賴(lài)關(guān)系分析方法
能力是為了達(dá)到一定的目標(biāo),在規(guī)定的要求和前提下,采用不同方式方法執(zhí)行一組活動(dòng)的本領(lǐng)?;顒?dòng)形成能力,體系能力的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)活動(dòng)效果來(lái)體現(xiàn)的,所以能力評(píng)估的對(duì)象應(yīng)該是活動(dòng)效果?;顒?dòng)是由執(zhí)行者完成,執(zhí)行時(shí)消耗和產(chǎn)生資源。所以應(yīng)該以活動(dòng)為起點(diǎn)對(duì)能力進(jìn)行評(píng)估,經(jīng)過(guò)活動(dòng)的效果,找出能力和效果之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,利用對(duì)活動(dòng)效果的評(píng)估來(lái)對(duì)能力進(jìn)行評(píng)估。條件由當(dāng)前法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)所決定影響。執(zhí)行者不單單指人才力量,還和信息系統(tǒng)以及裝備設(shè)施相關(guān)聯(lián)。并且通過(guò)相應(yīng)訓(xùn)練,可以提升活動(dòng)和能力。
基于上述分析,本文建立了體系能力的概念模型,如圖1所示。
圖1 體系能力的概念模型
體系的目標(biāo)是要完成一定的使命及任務(wù),因此針對(duì)每一任務(wù)要有完成該任務(wù)的能力,這樣根據(jù)可能的任務(wù),可以確定體系最高能力。每項(xiàng)任務(wù)可以分解為一系列活動(dòng)[3],對(duì)每項(xiàng)活動(dòng)都要遵循一定的準(zhǔn)則或約束,在一定的資源(人才、技術(shù)、設(shè)施等)的支撐下,產(chǎn)生預(yù)先計(jì)劃的輸出,因此每項(xiàng)活動(dòng)對(duì)應(yīng)著一項(xiàng)體系能力。對(duì)活動(dòng)進(jìn)行進(jìn)一步分解分析,可以得到支撐活動(dòng)完成需求的下一層活動(dòng),每一項(xiàng)活動(dòng)對(duì)應(yīng)著一項(xiàng)體系的能力。分解活動(dòng)直至一定的粒度,則可以得到對(duì)應(yīng)的層次體系能力。
能力建模方法
基于以上分析,可以按照如下步驟來(lái)對(duì)體系能力進(jìn)行建模:
1)分析體系使命任務(wù),記所有使命任務(wù)為{missioni},其中missioni表示第i項(xiàng)使命任務(wù),對(duì)每一任務(wù)生成一項(xiàng)體系頂層能力,記頂層能力集合為{capi},其中capi表示第i項(xiàng)能力。
2)對(duì)任務(wù)missioni進(jìn)行分析,建立其活動(dòng)模型,設(shè)所有活動(dòng)集合為{acti},其中acti表示第i項(xiàng)活動(dòng),則對(duì)頂層能力capi,建立其子能力capj,其中acti與capj相對(duì)應(yīng)。
3)根據(jù)活動(dòng)的分解關(guān)系,逐層建立分能力或子能力指標(biāo)。
由活動(dòng)分解關(guān)系矩陣CAA可知,某活動(dòng)分解對(duì)應(yīng)子活動(dòng)可用CAA的相應(yīng)行向量表示,CAA的元素為0/1, 0/1表示活動(dòng)acti是否可分解得到活動(dòng)actj,若可分解得到,則值為1,反之則為0。若某活動(dòng)相應(yīng)行向量元素全為0,可知該活動(dòng)為最底層節(jié)點(diǎn)活動(dòng),不可再分解。
能力分解關(guān)系矩陣為CCC定義與活動(dòng)分解關(guān)系矩陣CAA類(lèi)似,某能力分解對(duì)應(yīng)子能力可用CCC的相應(yīng)行向量表示,CCC的元素為0/1, 0/1表示能力capi是否可分解得到能力capj,若可分解得到,則值為1,反之則為0。若某能力相應(yīng)行向量元素全為0,可知該能力為最底層分能力,不可再分解。
為了分析能力的影響依賴(lài)關(guān)系,在分析活動(dòng)時(shí),要刻畫(huà)活動(dòng)之間的各種關(guān)系(信息關(guān)系、資源流關(guān)系等)。記所有活動(dòng)間的關(guān)系矩陣為CAR,CAR的元素為0/1, 0/1表示活動(dòng)acti是否有信息/資源輸出到活動(dòng)actj。
記所有活動(dòng)集合為SA={acti},所有能力集合為SC={capi},活動(dòng)分解關(guān)系矩陣為CAA,能力分解關(guān)系矩陣為CCC,活動(dòng)與能力映射關(guān)系矩陣為CAC,活動(dòng)間的關(guān)系矩陣為CAR,則體系能力可以用六元組建模,即
SoS-cap=SA,SC,CAA,CCC,CAC,CAR
(1)
設(shè)某陸軍武器裝備體系中含有一項(xiàng)使命任務(wù),即陸軍部隊(duì)執(zhí)行攻打敵陣地任務(wù),記該使命任務(wù)為mission1,對(duì)該任務(wù)生成一項(xiàng)體系頂層能力即突破占領(lǐng)敵陣地能力,記該頂層能力為cap1。對(duì)使命任務(wù)為mission1進(jìn)行分析,設(shè)所有頂層作戰(zhàn)活動(dòng)集合為{acti},則對(duì)能力cap1,建立其子能力capj,其中actj與capj相對(duì)應(yīng),根據(jù)作戰(zhàn)/信息活動(dòng)的分解關(guān)系,逐層建立分能力或子能力指標(biāo)。同時(shí)建立其活動(dòng)模型,如圖2所示。其中,快速占領(lǐng)能力與指揮控制、綜合保障等活動(dòng)相對(duì)應(yīng),火力突擊能力與戰(zhàn)場(chǎng)感知、火力打擊等活動(dòng)相關(guān)。
其中該使命任務(wù)最終可分解為13個(gè)活動(dòng),記所有活動(dòng)集合為SA={acti,1≤i≤13},其中,act1:陸軍攻打陣地,act2:快速占領(lǐng),act3:后勤保障,act4:特種突襲,act5:火力突擊,act6:立體攻防,act7:信息保障,act8:指揮控制,act9:戰(zhàn)場(chǎng)感知,act10:綜合保障,act11:防空反導(dǎo),act12:火力打擊,act13:兵力突擊。所有的能力集合為SC={capi,1≤i≤7},其中cap1:陸軍攻打陣地能力,cap2:快速占領(lǐng)能力,cap3:后勤保障能力,cap4:特種突襲能力,cap5:火力突擊能力,cap6:立體攻防能力,cap7:信息保障能力?;顒?dòng)與能力映射關(guān)系矩陣為CAC活動(dòng)分解關(guān)系矩陣為CAA,能力分解關(guān)系矩陣為CCC,分別如表1、表2和表3所示。圖中箭頭表示為該活動(dòng)相對(duì)應(yīng)能力。
活動(dòng)與能力映射關(guān)系矩陣為CAC,如表1所示。
活動(dòng)分解關(guān)系矩陣為CAA如表2所示。
能力分解關(guān)系矩陣為CCC如表3所示。
活動(dòng)產(chǎn)生能力,體系能力的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)活動(dòng)效果來(lái)體現(xiàn)的,所以能力評(píng)估的對(duì)象應(yīng)該是活動(dòng)效果,對(duì)能力的識(shí)別分析是在活動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。而對(duì)體系能力進(jìn)行分解,可得到最底層的活動(dòng)。由活動(dòng)分解關(guān)系矩陣CAA可知,若某活動(dòng)相應(yīng)行向量元素全為0,可知該活動(dòng)為最底層節(jié)點(diǎn)活動(dòng),不可再分解。記所有最底層活動(dòng)集合為
(2)
圖2 陸軍武器裝備體系任務(wù)與能力關(guān)系圖
表1 陸軍武器裝備體系作戰(zhàn)能力對(duì)活動(dòng)映射矩陣
表2 陸軍武器裝備體系活動(dòng)分解關(guān)系矩陣
表3 陸軍武器裝備體系能力分解關(guān)系矩陣
(3)
cij=1表示活動(dòng)acti有到actj的信息,否則為0?;诨顒?dòng)網(wǎng)絡(luò)遍歷可能存在的活動(dòng)回路,即所有閉合的沒(méi)有重復(fù)節(jié)點(diǎn)和邊的路。
其中,n×n矩陣M稱(chēng)為圖D的可達(dá)性矩陣。
環(huán)路分析通常是找出給定的活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中存在的回路,對(duì)這些回路進(jìn)行分析探討。信息交流通常是形成一個(gè)完整的回路,即在環(huán)路中進(jìn)行傳遞。根據(jù)OODA環(huán)理論,指揮控制作戰(zhàn)的特點(diǎn)是按照觀察—判斷—決策—行動(dòng)( OODA) 環(huán)路進(jìn)行的戰(zhàn)斗[4-5],作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中必然存在很多環(huán)。而本文中的活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)體系任務(wù)分解得到的,通常一個(gè)任務(wù)完成是需要信息在活動(dòng)中交流傳遞構(gòu)成一個(gè)回路,這樣根據(jù)環(huán)路分析顯得更有意義。
本文采用鄰接表方法來(lái)貯存有向圖,利用深度優(yōu)先遍歷算法,使得給定一個(gè)活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)有向圖后,能夠快速找出該圖中含有的全部回路[6]。
對(duì)體系能力進(jìn)行分解,可得到最底層的活動(dòng)。記給定活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)D中的環(huán)路為σi,其中共有n個(gè)環(huán)路,則所有環(huán)路集合記為S環(huán)={σi,1≤i≤n}。
由上所述,由最底層的活動(dòng)可以得到所對(duì)應(yīng)底層所有能力之間的依賴(lài)關(guān)系。而能力分解關(guān)系矩陣CCC中相應(yīng)行向量可表示高層次能力分解對(duì)應(yīng)子能力。所以根據(jù)最底層能力之間的依賴(lài)關(guān)系,同樣可以得出所有能力之間的依賴(lài)關(guān)系。
首先對(duì)體系能力進(jìn)行建模,建立其活動(dòng)模型,并且進(jìn)行逐層分解,并建立其對(duì)應(yīng)分能力,直至分解到最底層活動(dòng)。然后從底層活動(dòng)出發(fā),基于其交互關(guān)系分析得到活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖,分析其中所有環(huán)路關(guān)系,找出回路中的活動(dòng)所對(duì)應(yīng)的能力之間的依賴(lài)關(guān)系,進(jìn)而得到底層所有能力之間的依賴(lài)關(guān)系,利用能力分解關(guān)系矩陣CCC,進(jìn)而可以得出所有不同層次能力之間的依賴(lài)關(guān)系。流程如圖3所示。
圖3 體系能力依賴(lài)關(guān)系分析流程圖
所有層次能力之間的依賴(lài)關(guān)系即活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)體系能力之間的依賴(lài)關(guān)系可以用一個(gè)矩陣CD來(lái)表示,CD中的元素為
活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)體系能力依賴(lài)關(guān)系可用一個(gè)CD來(lái)表示。則可對(duì)這個(gè)矩陣進(jìn)行級(jí)別劃分來(lái)明確各能力之間的層次關(guān)系。
首先通過(guò)可達(dá)性矩陣,給出可達(dá)集以及先行集的定義。
如體系能力SC={capi,1≤i≤n},可達(dá)性矩陣為CD=(dij),則?capi∈SC的可達(dá)集為
R(capi)={capj|capj∈SC,dij=1}
(4)
capi的先行集為
A(capi)={capj|capj∈SC,dji=1}
(5)
這兩個(gè)集合在可達(dá)性矩陣中是很直觀的。這個(gè)矩陣?yán)?,沿著capi行橫著看,所有元素為1的列相對(duì)的能力都應(yīng)該屬于R(capi);沿著capi列豎著看,所有元素為1的相對(duì)的能力都應(yīng)該屬于A(capi)。
如某能力capi為頂級(jí)能力,由于capi不能到達(dá)更高級(jí)能力,因此該能力的可達(dá)集R(capi)中只有capi本身以及和它同一級(jí)的強(qiáng)連接能力;且先行集A(capi)只有它自己以及能夠達(dá)到它的下一級(jí)能力和與它同一級(jí)別的強(qiáng)連接能力。這樣一來(lái),就頂級(jí)能力capi來(lái)看,先行集A(capi)與可達(dá)集A(capi)的交集與R(capi)一樣,因此提出能力capi為頂級(jí)能力的條件為
R(capi)=R(capi)∩A(capi)
(6)
即可給出最上級(jí)能力集的定義如下:
體系能力SC={capi,1≤i≤n}的最上級(jí)能力集為
T=capi|capi∈SC且R(capi)=R(capi)∩A(capi)
獲得頂級(jí)能力之后,將這些頂級(jí)能力先除去,同理即可獲得下一級(jí)別的能力。一步步進(jìn)行下去,能把各能力劃分成一級(jí)級(jí)。如果用L1,L2,…,LK表示從上到下的各級(jí),則體系能力SC的級(jí)別劃分可用式(7)表示
π(SC)={L1,L2,…,LK}
(7)
具體按以下步驟反復(fù)進(jìn)行。
1)Lj={capi∈SC-L0-L1-…-Lj-1|Rj-1(capi)∩Aj-1(capi)=Rj-1(capi)}
這里,L0=?,Lj表示第j級(jí),j≥1
Rj-1(capi)={capi∈SC-L0-L1-…-Lj-1|mij=1}
2)SC-L0-L1-…-Li=?時(shí),級(jí)別劃分完畢;反之,若SC-L0-L1-…-Li≠??,則令j=j+1,返回步驟1)。
根據(jù)步驟1)和2),可以容易地給出級(jí)別劃分算法的程序框圖。給定n階可達(dá)性矩陣CD后,公式R(capi)=R(capi)∩A(capi)等價(jià)于
dij≤dji,j=1,2,…,n
(8)
滿(mǎn)足條件(8)的能力為最上級(jí)能力,將這些能力對(duì)應(yīng)的行和列從CD中暫時(shí)劃掉,從而獲取一個(gè)低階矩陣,反復(fù)使用條件(4)、(5),便能夠讓各個(gè)級(jí)別的能力區(qū)分開(kāi)來(lái)。
在前文中,對(duì)能力依賴(lài)關(guān)系進(jìn)行級(jí)別劃分,來(lái)明確各能力之間的層次關(guān)系,還可對(duì)同一級(jí)別的能力關(guān)鍵度進(jìn)行比較,進(jìn)而得出同一級(jí)別各能力重要程度。本文對(duì)能力的比較是對(duì)體系當(dāng)前狀態(tài)的能力進(jìn)行分析,所以認(rèn)為與時(shí)間沒(méi)有關(guān)系。
在作戰(zhàn)過(guò)程中有大量的信息和數(shù)據(jù)交換,而且都是定向的,由此在作戰(zhàn)活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖中形成了一條條的環(huán)路,類(lèi)似于OODA環(huán)的環(huán)路。作戰(zhàn)活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖與普通的網(wǎng)絡(luò)圖雖有許多相似之處,但也存在諸多不同。利用判定普通網(wǎng)絡(luò)圖中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)方法來(lái)判斷作戰(zhàn)活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖的“關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)”明顯是行不通的[7-8],故本文圍繞如何確定活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖中的活動(dòng)的關(guān)鍵程度展開(kāi)了研究。
本文利用活動(dòng)所經(jīng)過(guò)環(huán)路的數(shù)目來(lái)確定活動(dòng)的環(huán)路值,同一活動(dòng)經(jīng)過(guò)環(huán)路的數(shù)目越多,其環(huán)路值越大。對(duì)活動(dòng)的環(huán)介數(shù)進(jìn)行定義:定義為活動(dòng)自身經(jīng)過(guò)環(huán)路的數(shù)目與所有活動(dòng)中經(jīng)過(guò)環(huán)路最多的數(shù)目的比值,符號(hào)為CL,值域?yàn)閇0,1]。當(dāng)某一作戰(zhàn)活動(dòng)環(huán)路值為1時(shí),即表示在整個(gè)活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖中,其經(jīng)過(guò)的環(huán)路數(shù)目最多;當(dāng)某一作戰(zhàn)活動(dòng)環(huán)路值為0時(shí),即表示在整個(gè)作戰(zhàn)活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖中,其經(jīng)過(guò)的環(huán)路數(shù)目為0。
利用上文中環(huán)路查找算法找出活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖中所有活動(dòng)所經(jīng)過(guò)環(huán)路的數(shù)目,即可確定活動(dòng)的環(huán)介數(shù),環(huán)介數(shù)越大,說(shuō)明其關(guān)鍵度越大,即對(duì)體系起重要作用的程度越高??烧J(rèn)為該活動(dòng)所對(duì)應(yīng)的能力在同一級(jí)別的能力中關(guān)鍵度更高,即重要程度更高。
假設(shè)某裝備體系中含有三項(xiàng)任務(wù),由前文所述的對(duì)能力活動(dòng)的建模方法,分別對(duì)這三項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行層次分解,根據(jù)其分解關(guān)系,逐層建立分能力或子能力指標(biāo)。建立其活動(dòng)模型,如圖4所示。
圖4 某武器裝備體系任務(wù)與能力關(guān)系圖
其中,該武器裝備體系最終可分解為30個(gè)活動(dòng),記所有活動(dòng)集合為SA={acti,1≤i≤30}, 可相對(duì)應(yīng)分解得到11個(gè)能力,記所有的能力集合為SC={capi,1≤i≤11}。
表4 底層能力之間依賴(lài)關(guān)系矩陣
對(duì)該關(guān)系圖進(jìn)行級(jí)別劃分,發(fā)現(xiàn)所有能力都在同一級(jí)別,即每個(gè)能力的重要性一致。可得出結(jié)論,底層能力之間相互依賴(lài),不能缺失某一能力,否則其他能力會(huì)受到影響。找出該關(guān)系圖其中所有環(huán)路,并對(duì)各能力關(guān)鍵度進(jìn)行比較,結(jié)果如表5所示。可知cap8火力打擊關(guān)鍵度最高,重要程度最大,cap9裝備保障關(guān)鍵度最低,重要程度最小。
表5 各能力環(huán)路數(shù)與關(guān)鍵度
圖5 底層能力依賴(lài)關(guān)系圖
根據(jù)底層能力依賴(lài)關(guān)系圖,利用能力分解關(guān)系矩陣CCC,進(jìn)而得出所有頂層能力間的相互依賴(lài)關(guān)系,見(jiàn)表6。
表6 頂層能力之間依賴(lài)關(guān)系矩陣CD
進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),所有頂層能力都在同一級(jí)別,即每個(gè)能力的重要性一致。可得出結(jié)論,頂層能力之間相互依賴(lài),不能缺失某一能力,否則其他能力會(huì)受到影響,且都在同一環(huán)路中,關(guān)鍵度相同。
本文建立能力概念模型以及提出對(duì)體系能力建模的一種方法,構(gòu)建了體系的活動(dòng)模型并利用模型對(duì)能力和活動(dòng)關(guān)系進(jìn)行分析。根據(jù)活動(dòng)及活動(dòng)間的信息交互關(guān)系,建立活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。利用能力分解關(guān)系矩陣,進(jìn)而得出所有不同層次能力之間的依賴(lài)關(guān)系??蓪?duì)能力依賴(lài)關(guān)系進(jìn)行級(jí)別劃分,來(lái)明確各能力之間的層次關(guān)系,還可對(duì)同一級(jí)別的能力關(guān)鍵度進(jìn)行比較,進(jìn)而得出同一級(jí)別各能力重要程度。