基于反饋機制的武器裝備體系作戰(zhàn)能力聚合方法

何新華，王 瓊，郭齊勝，畢學(xué)軍

(1.裝甲兵工程學(xué)院信息工程系，北京100072;2.裝甲兵工程學(xué)院裝備指揮與管理系，北京100072)

信息化戰(zhàn)爭強調(diào)體系與體系之間的對抗。體系又稱為“系統(tǒng)的系統(tǒng)”，是能夠得到進一步涌現(xiàn)性質(zhì)的關(guān)聯(lián)或聯(lián)結(jié)的獨立系統(tǒng)的集合［1］。武器裝備體系是在一定的戰(zhàn)略指導(dǎo)、作戰(zhàn)指揮和保障條件下，為完成一定的作戰(zhàn)任務(wù)，由功能上互相聯(lián)系、互相作用的各類武器裝備系統(tǒng)組成的更高層次的系統(tǒng)［2］。武器裝備體系作戰(zhàn)能力聚合的相關(guān)研究工作，對未來武器裝備體系的發(fā)展、規(guī)劃、研制和綜合運用具有舉足輕重的作用，是軍事研究領(lǐng)域的熱點之一。

目前對體系作戰(zhàn)能力的研究大多是以“平臺”或“系統(tǒng)”為中心進行作戰(zhàn)能力分析，忽略了體系內(nèi)各組分之間“多網(wǎng)聯(lián)動”，以及在其支撐下的“多域鉸鏈”所帶來的“相互影響”和“級聯(lián)效果”。多個“平臺”或“系統(tǒng)”作戰(zhàn)能力的線性疊加無法體現(xiàn)體系作戰(zhàn)能力的整體涌現(xiàn)性，作戰(zhàn)能力聚合無法反映體系作戰(zhàn)能力要素的非線性特性。

筆者首先對武器裝備體系作戰(zhàn)能力聚合的特性進行分析，在此基礎(chǔ)上將反饋的概念引入到體系作戰(zhàn)能力聚合中，對能力指標之間的反饋機制進行研究，提出一種基于反饋機制的武器裝備體系作戰(zhàn)能力聚合方法，并進行了算例分析和驗證。

1 體系作戰(zhàn)能力聚合

1.1 體系作戰(zhàn)能力聚合的特性

武器裝備體系的作戰(zhàn)能力是指武器裝備體系為執(zhí)行一定作戰(zhàn)任務(wù)所需的“本領(lǐng)”或“潛力”，是武器裝備體系的固有屬性，由體系的質(zhì)量特性、數(shù)量、作戰(zhàn)運用方式等決定［3］。

武器裝備體系不同于一般的武器裝備系統(tǒng)，體系的整體涌現(xiàn)性和非線性特性決定了傳統(tǒng)武器裝備系統(tǒng)作戰(zhàn)能力聚合的一般方法無法適用于體系作戰(zhàn)能力聚合，具體表現(xiàn)如下。

1)武器裝備體系具有單一武器系統(tǒng)所不具備的整體涌現(xiàn)性，這就意味著體系作戰(zhàn)能力不是各武器裝備、系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的簡單疊加，而是綜合考慮系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的相互關(guān)系和互相作用形成的整體作戰(zhàn)能力。一般而言，通用武器裝備體系的作戰(zhàn)能力可由情報偵察能力、防護能力、機動能力、指揮控制能力、火力打擊能力和保障能力構(gòu)成，如情報偵察能力對火力打擊能力具有影響作用，防護能力與火力打擊能力之間相互影響、相互作用等。

2)體系作戰(zhàn)能力要素間的非線性關(guān)系，是指作戰(zhàn)能力各要素的地位和作用具有非均衡性，并相互作用和制約，它們之間不是簡單的加和乘的關(guān)系，而是存在著正反饋的倍增效應(yīng)和負反饋的飽和效應(yīng)的關(guān)系。如大數(shù)量的劣質(zhì)裝備的作戰(zhàn)能力存在著負反饋的飽和效應(yīng)，因而在整體作戰(zhàn)能力上反而弱于少量的優(yōu)質(zhì)裝備。

1.2 體系作戰(zhàn)能力聚合的研究現(xiàn)狀

目前對武器裝備體系作戰(zhàn)能力的聚合，大多采用構(gòu)建指標體系的方法，通過層次性的指標體系，反映體系整體作戰(zhàn)能力與各系統(tǒng)作戰(zhàn)能力之間、上層作戰(zhàn)能力與下層作戰(zhàn)能力之間的關(guān)系，一般采用加權(quán)和或加權(quán)積模型。傳統(tǒng)的作戰(zhàn)能力聚合方法忽略了系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的“相互影響”和“級聯(lián)效果”，無法體現(xiàn)整體涌現(xiàn)性和作戰(zhàn)能力要素的非線性特性，存在一定的片面性。

相關(guān)領(lǐng)域的研究學(xué)者和專家們對武器裝備體系的作戰(zhàn)能力進行了廣泛的研究，但大多是針對武器裝備體系的某一方面進行研究，如對武器裝備體系結(jié)構(gòu)的研究［4］、對武器裝備體系連通性的評估研究［5］等，而對武器裝備體系演化機理及整體涌現(xiàn)性的研究尚少。

鄭建華等［6］采用協(xié)同系數(shù)來反映海軍武器裝備體系的對潛能力、對艦?zāi)芰?、對空能力和對岸能力之間的相互影響。羅鵬程等［3］將折合系數(shù)引入到體系作戰(zhàn)能力聚合模型中，用以解決大量劣質(zhì)裝備的作戰(zhàn)能力指數(shù)高于較少量優(yōu)質(zhì)裝備作戰(zhàn)能力指數(shù)的不合理情況。

筆者將反饋的概念引入到體系作戰(zhàn)能力聚合中，對能力指標間的反饋機制進行研究，致力于解決體系作戰(zhàn)能力聚合無法反映體系整體涌現(xiàn)性和作戰(zhàn)能力要素非線性特性的問題，從而提出一種武器裝備體系作戰(zhàn)能力聚合的新方法。

2 能力指標間的反饋機制

反饋，原為控制論的基本概念，指將系統(tǒng)的輸出返回到輸入端并以某種方式改變輸入，進而影響系統(tǒng)功能。筆者將反饋的概念引入能力指標之間，用以表征指標與指標之間的相互影響、相互作用，從而建立能力指標間的反饋機制。

以情報偵察能力和火力打擊能力為例，情報偵察能力對火力打擊能力具有影響作用，如圖1所示。

圖1 能力指標間的反饋機制

因此，基于能力指標間的反饋機制，火力打擊能力可表示為

式中:Δt=f(C1)，為反饋量，表征能力C1對能力C2的影響程度。

2.1 基于閥值的反饋機制

在控制論的反饋原理中，存在正反饋和負反饋，正反饋對輸入具有增強作用，負反饋對輸入具有衰減作用。仍以情報偵察能力和火力打擊能力為例，優(yōu)越的情報偵察能力對精確火力打擊能力具有極大的促進的作用，倘若情報偵察能力達不到要求，不僅對火力打擊能力毫無幫助，反而會影響火力打擊能力的發(fā)揮。因此，在反饋機制中引入閥值的概念，當輸入超過閥值時，將對所關(guān)聯(lián)的能力指標具有正反饋的倍增作用，而當輸入低于閥值時，將對所關(guān)聯(lián)的能力指標具有負反饋的削弱作用。

以式(1)為基礎(chǔ)，基于閥值的反饋機制將火力打擊能力表示為

2.2 多能力指標間的反饋機制

在武器裝備體系的能力指標體系中，能力指標之間存在著錯綜復(fù)雜的關(guān)系，某一個能力指標可能同時關(guān)聯(lián)著多個指標，能力指標在反饋作用于其他能力指標的同時，也接受來自其他能力指標的反饋。由簡單到復(fù)雜，能力指標間的反饋主要可分為以下3種。

1)單向反饋。僅存在能力指標C1對能力指標C2的影響(如圖1)。

2)反饋閉環(huán)。能力指標C1和能力指標C2相互影響、相互作用，如圖2所示。如防護能力和火力打擊能力之間互為依存，好的防護能力有利于火力打擊能力的發(fā)揮，而好的火力打擊能力則有助于防護和生存。

圖2 反饋閉環(huán)

3)復(fù)雜反饋網(wǎng)絡(luò)。多個能力指標間存在著多個單向反饋和反饋閉環(huán)時，多個能力指標和它們之間的反饋弧便連接成一個復(fù)雜的反饋網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。

圖3 復(fù)雜反饋網(wǎng)絡(luò)

反饋閉環(huán)和復(fù)雜反饋網(wǎng)絡(luò)由于存在著從輸入到輸出、再從輸出到輸入的閉合回路，因而是一個不斷反饋、逐步趨于穩(wěn)定的過程;反饋閉環(huán)和復(fù)雜反饋網(wǎng)絡(luò)依賴于反復(fù)的迭代計算，以求得達到穩(wěn)態(tài)后各項能力指標的數(shù)值。

3 基于反饋機制的聚合方法

3.1 總體框架

針對武器裝備體系的整體涌現(xiàn)性和作戰(zhàn)能力要素的非線性特性，筆者將控制論中的反饋概念引入到體系作戰(zhàn)能力聚合，提出一種基于反饋機制的聚合方法，其總體思想如下:1)從武器裝備體系的能力需求出發(fā)，構(gòu)建層次性的指標體系;2)根據(jù)武器裝備體系的作戰(zhàn)任務(wù)、作戰(zhàn)效果和作戰(zhàn)運用方式，在同層次的指標體系間建立相互關(guān)系的反饋網(wǎng)絡(luò);3)獲取底層指標并進行量化歸一化處理;4)對每一層次的能力指標及其反饋網(wǎng)絡(luò)進行迭代計算，直至該層能力指標值趨于穩(wěn)定;5)對作戰(zhàn)能力逐層聚合，最終獲得武器裝備體系的整體作戰(zhàn)能力。圖4顯示了多層次的能力指標體系形成的復(fù)雜反饋網(wǎng)絡(luò)。

圖4 多層次能力指標體系形成的復(fù)雜反饋網(wǎng)絡(luò)

3.2 主要流程及算法

基于反饋機制的聚合方法是以指標體系評估方法為基礎(chǔ)，引入指標間的反饋機制所衍生出的新的體系作戰(zhàn)能力聚合方法，對方法的主要流程描述如下。

3.2.1 構(gòu)建指標體系

構(gòu)建科學(xué)、合理的指標體系是實施體系作戰(zhàn)能力聚合的前提。目前構(gòu)建指標體系的方法很多，常見的有基于任務(wù)分析、基于能力需求和基于軍事價值等的構(gòu)建方法。這部分內(nèi)容不是本文工作的重點，可從武器裝備體系的作戰(zhàn)能力需求出發(fā)，對作戰(zhàn)能力逐層分解，從而建立層次性的指標體系。

3.2.2 分析指標間相互關(guān)系，建立反饋網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)的指標間相互關(guān)系主要指“或”關(guān)系和“與”關(guān)系:前者描述加權(quán)和模型，指下層作戰(zhàn)能力指標以不同的權(quán)重合作聚合到上層作戰(zhàn)能力指標;后者描述加權(quán)積模型，對于上層作戰(zhàn)能力而言，每個下層作戰(zhàn)能力指標的權(quán)重雖然不同，但都是不可缺少的，只要某個下層作戰(zhàn)能力指標為零，都將導(dǎo)致上層作戰(zhàn)能力指標為零。

筆者在同層次的能力指標間引入反饋機制，構(gòu)建指標與指標間的反饋弧，從而形成復(fù)雜的反饋網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。建立反饋網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵包括以下3個方面。1)分析能力指標間的相互關(guān)系。構(gòu)建反饋弧，可從作戰(zhàn)需求的角度或從能力指標間相互依賴關(guān)系著手。2)反饋閥值的確定。反饋閥值直接關(guān)系到正負反饋的臨界點，也是能力指標值優(yōu)劣的邊界值，可從以往的相關(guān)數(shù)據(jù)中分析提煉。3)反饋量的確定。反饋量直接反映能力指標間的關(guān)聯(lián)程度，一定程度上體現(xiàn)武器裝備體系結(jié)構(gòu)效應(yīng)和信息力對體系作戰(zhàn)能力的倍增作用，在這里由專家經(jīng)驗給出。

3.2.3 底層指標量化，指標權(quán)重計算

底層指標是對武器裝備體系各種能力屬性的描述。底層指標的量化包括底層指標獲取和歸一化處理。由于各種能力屬性的描述大多是定性的，因此不易給出具體、嚴謹?shù)牧炕瘶藴?，可根?jù)指標描述對象的不同，分別采用定量方法、定量定性相結(jié)合方法和專家經(jīng)驗法給出。

指標權(quán)重計算，通常采用層次分析法，即將復(fù)雜的指標系統(tǒng)簡化為以元素為代表的有序的層次結(jié)構(gòu)，用構(gòu)造判斷矩陣的方法，把專家的經(jīng)驗判斷與數(shù)學(xué)運算結(jié)合起來，確定指標的權(quán)重。此外也可采用網(wǎng)絡(luò)分析法、最大方差法、環(huán)比系數(shù)法等。

3.2.4 反饋網(wǎng)絡(luò)迭代計算，逐層聚合作戰(zhàn)能力

復(fù)雜的反饋網(wǎng)絡(luò)由于存在從輸入到輸出、再從輸出到輸入的閉環(huán)反饋，故而反饋網(wǎng)絡(luò)的實際輸出是一個不斷變化的迭代計算過程;當整個網(wǎng)絡(luò)的變化量小于某個預(yù)設(shè)的極小值時，認為網(wǎng)絡(luò)趨于穩(wěn)定，此時的輸出即為系統(tǒng)的輸出。假設(shè)某層次能力指標構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，第i個能力指標表示為Ci(i=1，2，…，n)，其初始值Ci0由下層能力指標聚合得到，上次迭代計算得到的值為Cilast，預(yù)設(shè)極小值為ε，反饋網(wǎng)絡(luò)迭代計算的算法描述如下。

基于反饋機制的體系作戰(zhàn)能力聚合方法是逐層聚合的過程，步驟如下:

1)首先獲取底層指標值，并進行量化歸一化處理，得到底層能力指標的初始值;

2)根據(jù)指標間的相互關(guān)系，進行反饋的迭代計算，得到該層能力指標的最終值;

3)通過加權(quán)和或加權(quán)積模型聚合得到上層能力指標值，并以此作為該層能力指標的初始值;

4)重復(fù)2)、3)，直到獲得體系的整體作戰(zhàn)能力值，輸出最終結(jié)果。

4 算例分析

本文以某偵察情報裝備體系為例，對提出的體系作戰(zhàn)能力聚合方法進行分析和驗證。該偵察情報裝備體系的作戰(zhàn)能力包括偵察指揮控制能力、偵察監(jiān)視和目標捕獲能力、偵察預(yù)警探測能力、情報傳輸能力、情報綜合處理能力和情報分發(fā)應(yīng)用能力，通過對作戰(zhàn)能力逐層分解，得到該偵察情報裝備體系的作戰(zhàn)能力指標體系，部分作戰(zhàn)能力指標如圖5所示。

圖5 某偵察情報裝備體系部分作戰(zhàn)能力指標

通過分析能力指標間的關(guān)系，構(gòu)建能力指標的反饋網(wǎng)絡(luò)，部分指標間反饋網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。

圖6 某偵察情報裝備體系部分指標反饋網(wǎng)絡(luò)

筆者僅考慮第1層作戰(zhàn)能力指標間的反饋關(guān)系，底層指標量化采用10分制，根據(jù)層次分析法確定各能力指標權(quán)重，如表1所示。分別采用以下方法對該偵察情報裝備體系進行作戰(zhàn)能力聚合:

表1 各項能力權(quán)重

1)采用傳統(tǒng)的指標體系評估方法(層次分析法);

2)采用本文提出的基于反饋機制的聚合方法，設(shè)定迭代預(yù)設(shè)極小值為0.001，反饋閥值為5.0，反饋量為10%。

得到的結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 結(jié)果數(shù)據(jù)比較

經(jīng)過武器裝備需求認證和多次模擬對抗演練，該偵察情報裝備體系作戰(zhàn)能力被專家評定為9.0。采用傳統(tǒng)的作戰(zhàn)能力聚合方法，由于忽略了能力指標間的相互作用，缺少對作戰(zhàn)能力非線性要素的考慮，評估結(jié)果為8.486，而筆者提出的聚合方法評定結(jié)果為8.990，更加貼切實際。

5 結(jié)論

筆者將反饋的概念引入作戰(zhàn)能力聚合，對能力指標間的反饋機制進行研究，提出了一種基于反饋機制的武器裝備體系作戰(zhàn)能力聚合方法。以某偵察情報裝備體系為例，對該方法進行分析和驗證。算例分析結(jié)果表明:筆者提出的方法基本能夠反映體系內(nèi)各組分之間的“相互影響”和“級聯(lián)效果”，體現(xiàn)了體系整體涌現(xiàn)性和作戰(zhàn)能力要素的非線性特性，具有一定的有效性。下一步工作將對構(gòu)建跨層次能力指標間的復(fù)雜反饋網(wǎng)絡(luò)進行研究，進一步完善武器裝備體系作戰(zhàn)能力聚合方法。

［1］ 胡曉峰，楊鏡宇，司光亞，等.戰(zhàn)爭復(fù)雜系統(tǒng)仿真分析與實驗［M］.北京:國防大學(xué)出版社，2008:69-71.

［2］ 牛新光.武器裝備建設(shè)的國防系統(tǒng)分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007:32.

［3］ 羅鵬程，傅攀峰，周經(jīng)倫.武器裝備體系作戰(zhàn)能力評估框架［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2005，27(1):72-75.

［4］ 卜廣志.武器裝備體系的體系結(jié)構(gòu)與體系效能［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2006，28(10):1544-1548.

［5］ 張會，羅鵬程，趙炤.基于關(guān)聯(lián)矩陣的武器裝備體系連通性評估［J］.電光與控制，2009，16(2):88-90.

［6］ 鄭建華，黎放，狄鵬，等.海軍武器裝備體系作戰(zhàn)能力評估模型研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報:信息與管理工程版，2009，31(2):314-317.