基于協(xié)同作戰(zhàn)信息質(zhì)量的戰(zhàn)場態(tài)勢認(rèn)知模型

彭漢國，馬 良，楊 偉，趙陽揚

(1.海軍潛艇學(xué)院 模擬器訓(xùn)練中心，遼寧 大連 116025;2.海軍大連艦艇學(xué)院 艦船指揮系，遼寧 大連 116018)

21 世紀(jì)以來，信息技術(shù)的發(fā)展極大地推動了軍事變革，傳統(tǒng)的以平臺為中心的作戰(zhàn)模式越來越不適應(yīng)未來作戰(zhàn)的需要，以共享信息為基礎(chǔ)的協(xié)同作戰(zhàn)理念已經(jīng)被世界各國軍方所接受。指控系統(tǒng)(C2)的協(xié)同是協(xié)同作戰(zhàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)和核心，是戰(zhàn)斗力的倍增器，因此成為各國研究的重點。如美國的Rand 公司在2002 年的報告“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)對海軍作戰(zhàn)效果的影響”中，通過假定某大國對島國的進(jìn)攻，美國海軍編隊協(xié)助島國進(jìn)行抗擊，研究了美國海軍艦艇編隊在信息共享和協(xié)同條件下，信息優(yōu)勢通過協(xié)同決策轉(zhuǎn)化為火力優(yōu)勢的問題［1］。

指控系統(tǒng)處理事件的過程和結(jié)果涉及物理域、信息域、認(rèn)識域多個領(lǐng)域，同時由于指控系統(tǒng)是一個復(fù)雜的人機系統(tǒng)，不僅包括用于指揮控制的軟硬件設(shè)備，還包括參于決策的人，因此對指控系統(tǒng)的研究存在著難于量化的問題［2］。美國Rand 公司的研究報告以信息論為基礎(chǔ)，引入信息熵的概念對協(xié)同作戰(zhàn)情況進(jìn)行了建模分析，得出了艦艇編隊協(xié)助島國抗擊時的火力分配規(guī)則。然而，Rand 公司的研究方法并沒有考慮信息質(zhì)量以及決策者的認(rèn)知能力(教育、經(jīng)驗、水平、決策能力)的不同對共享認(rèn)知所產(chǎn)生的影響。本文以協(xié)同作戰(zhàn)過程中的信息流為主線，以信息質(zhì)量為基礎(chǔ)，建立了一種衡量共享態(tài)勢認(rèn)知的模型。

1 作戰(zhàn)過程的信息流

作戰(zhàn)過程與3 個領(lǐng)域有關(guān):物理域、信息域、認(rèn)知域。指揮系統(tǒng)的信息來源于物理域的真實戰(zhàn)場環(huán)境;信息的收集、處理以及分發(fā)發(fā)生在信息域;對共享態(tài)勢圖的認(rèn)知以及在此基礎(chǔ)上所形成的決策發(fā)生在認(rèn)知域。作戰(zhàn)過程的信息流如圖1 所示。

圖1 作戰(zhàn)過程信息流結(jié)構(gòu)

(1)物理域。兵力機動、火力攻擊、保護(hù)等軍事行動所涉及的實際區(qū)域，作戰(zhàn)平臺、指控系統(tǒng)駐留的實際環(huán)境等。物理域是指控系統(tǒng)信息的來源地，同時也是決策結(jié)果的反饋地。

(2)信息域。作戰(zhàn)信息的感知、融合、存儲和傳輸區(qū)域。在此域內(nèi)，信息可以共享，并以共享態(tài)勢圖的形式供決策者進(jìn)行協(xié)同決策。

(3)認(rèn)知域。決策者完成感知、認(rèn)識、理解、推斷和決策等認(rèn)知活動的區(qū)域，認(rèn)知域存在于決策主體的頭腦中，同時也是價值、信念和決心的發(fā)源地。

由于協(xié)同決策只是作戰(zhàn)過程的一部分，主要發(fā)生在信息域和認(rèn)知域，而物理域只是各種作戰(zhàn)平臺、指控系統(tǒng)駐留的實際區(qū)域和容器，因此主要從信息域和認(rèn)知域兩個方面進(jìn)行研究。

2 信息質(zhì)量的度量

物理域中各種平臺和戰(zhàn)場環(huán)境通過傳感器進(jìn)入信息域，在此進(jìn)行融合、處理和分發(fā)，以共享態(tài)勢圖(COP)的形式進(jìn)入認(rèn)知域，構(gòu)成認(rèn)識和決策的基礎(chǔ)。因此，共享態(tài)勢圖中信息質(zhì)量的好壞在很大程度上影響著協(xié)同決策的成功度。通常情況下，信息質(zhì)量越高，信息的價值就越大，這對于認(rèn)知域中的個體認(rèn)知和決策群協(xié)同決策將會產(chǎn)生積極的影響［3］。

如圖2 所示，作戰(zhàn)信息在信息域中要經(jīng)過傳感器、信息融合中心、分布式網(wǎng)絡(luò)的處理和傳輸。假設(shè)物理域中的戰(zhàn)場態(tài)勢信息用矩陣表示，其中向量為第i 個目標(biāo)在時刻t 的n個特征向量。例如位置、類型、航速、航向等。G(t)=為相應(yīng)的地理空間信息，戰(zhàn)場態(tài)勢信息的信息質(zhì)量為

圖2 信息域中的信息流結(jié)構(gòu)

影響信息質(zhì)量的因素較多，為便于分析，在這里抓住其主要方面，分別從信息的完備性、準(zhǔn)確性、流通性3 個方面進(jìn)行研究。

(1)完備性。信息的完備性是指指控系統(tǒng)所獲得的平臺的位置、類型、航速、航向，以及戰(zhàn)場環(huán)境等信息的完備度。

(2)準(zhǔn)確性。信息的準(zhǔn)確性是指指控系統(tǒng)所獲得的態(tài)勢信息與真實戰(zhàn)場環(huán)境的一致性。

(3)流通性。信息的流通性是指控系統(tǒng)對信息處理、融合以及產(chǎn)生共享態(tài)勢圖所需的時間。

當(dāng)只考慮信息的完備性和準(zhǔn)確性時，戰(zhàn)場態(tài)勢信息在經(jīng)過傳感器、融合中心的處理以及網(wǎng)絡(luò)分發(fā)后的信息質(zhì)量分別為

通常情況下，可將物理域中的信息質(zhì)量Q F(t( ))的取值定為1，而F(t)，F(xiàn)'(t)，F(xiàn)″(t))的取值范圍為［0，1］。將傳感器、融合中心和網(wǎng)絡(luò)對信息質(zhì)量的影響分別用條件概率Q(F'(t)F″(t))來表示。下面以信息流在傳感器子域、融合子域、網(wǎng)絡(luò)子域的流通為主線，分別從信息的完備性、準(zhǔn)確性、流通信3 個方面對信息的質(zhì)量進(jìn)行分析。

2.1 信息質(zhì)量在傳感器子域的度量

由于信息的完備性是一個相對的量，因此可以用概率來進(jìn)行表示。在傳感器子域中，信息的完備性可簡化為傳感器的可靠性，因此可用如下的形式進(jìn)行表示［4］:

式(4)中:dmin為傳感器的盲區(qū);()r s 為故障率函數(shù)。

當(dāng)多個傳感器采用并聯(lián)模式時，可靠性函數(shù)的形式:

當(dāng)傳感器采用混聯(lián)模式時，可根據(jù)具體形式得到其可靠性函數(shù)。例如，當(dāng)傳感器1 和傳感器4 先串聯(lián)，再和傳感器2、傳感器3 并聯(lián)時，可靠性函數(shù)的形式:

傳感器子域的準(zhǔn)確性可采用傳感器所獲得信息與戰(zhàn)場態(tài)勢信息的偏差來進(jìn)行度量。即A(t)=(t)-θ(t)，其中θ(t)為戰(zhàn)場態(tài)勢信息在時刻t 的真實值(t)為傳感器所獲得的估計值。對于參數(shù)真值θ(t)的偏差，一般情況下，可將該值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，轉(zhuǎn)化成如下的形式:

由前面對于流通性的定義可知，流通性是指信息處理和分發(fā)所用的時間，因此不能像完備性和準(zhǔn)確性一樣用概率來進(jìn)行表示，只能用時間延遲來衡量。傳感器的流通性包括兩部分的內(nèi)容:

T1:完成對目標(biāo)搜索和建立目標(biāo)軌跡所用時間;T2:對傳感器任務(wù)的重新分配所用的時間。

考慮到網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，對于流通性的量化可用關(guān)鍵路徑方法來解決。由于篇幅所限，在此不做進(jìn)一步論述，其具體方法可參考其他相關(guān)文獻(xiàn)。

2.2 信息質(zhì)量在融合子域的度量

由傳感器獲得的目標(biāo)信息需進(jìn)入融合中心經(jīng)處理后才能供決策者使用。融合子域所要完成的主要任務(wù)是對目標(biāo)進(jìn)行分類和識別。因此，在對融合子域的完備性進(jìn)行度量時主要從融合系統(tǒng)對目標(biāo)的分類能力進(jìn)行考慮。

一般情況下，傳感器先對目標(biāo)進(jìn)行一定的預(yù)處理，然后再交由融合中心進(jìn)行融合。假設(shè)傳感器自身的處理能力a，融合中心的處理能力為α。則經(jīng)融合中心處理后對目標(biāo)的分類能力可用下式表示:

其中a+α ＜1，σ 為融合中心對目標(biāo)的分類率。

由以上分析可知，信息在融合子域的完備性可表示為

如前所述，融合中心的一個重要功能是對戰(zhàn)場態(tài)勢進(jìn)行反映形成COP。除此之外，其另一個功能是要完成對目標(biāo)的分類和跟蹤［5，6］。因此，對融合子域的準(zhǔn)確性程度的度量需要綜合考慮以上2 個方面。

(1)對戰(zhàn)場態(tài)勢反映能力的準(zhǔn)確性。融合子域?qū)?zhàn)場態(tài)勢的反映能力可用目標(biāo)特征向量對真實世界的反映程度進(jìn)行衡量。在此采用方差估計的形式來對準(zhǔn)確性進(jìn)行度量。

假設(shè)在時刻t 分類的目標(biāo)數(shù)為k，在F″(t)中可以用樣本方差來計算特征向量的方差估計，其形式為

考慮到各個特征值的權(quán)重后，信息質(zhì)量可以表示為

因此，對戰(zhàn)場態(tài)勢反映的準(zhǔn)確性可表示為

(2)對目標(biāo)分類和跟蹤的準(zhǔn)確性。假如在t-1 時間段有n 個目標(biāo)被進(jìn)行了分類，在t 時間段被分類的目標(biāo)為k 個。如果不考慮目標(biāo)消失或被催毀的情況，則通常情況下有k≥n。對目標(biāo)分類和跟蹤的準(zhǔn)確性可用t 時間段和t-1 時間段被分類目標(biāo)的重合度T 進(jìn)行衡量。當(dāng)兩個時間段分類的目標(biāo)范圍完全重合時，則T=1;當(dāng)兩個時間段的目標(biāo)完全不重合時T=0;當(dāng)兩個時間段分類的目標(biāo)部分重合時0 ＜T ＜1。

因此，僅從融合中心對目標(biāo)分類和跟蹤方面進(jìn)行考慮，信息的準(zhǔn)確性可表示為

對以上兩方面進(jìn)行綜合考慮后，可得出融合子域信息的準(zhǔn)確性為

融合子域的流通性可用多傳感器信息經(jīng)融合得到COP所耗的時間進(jìn)行衡量。該時間與融合中心的組織結(jié)構(gòu)以及設(shè)備的性能等有關(guān)。

2.3 信息質(zhì)量在網(wǎng)絡(luò)子域的度量

網(wǎng)絡(luò)子域的完備性是指將所有已分類目標(biāo)的目標(biāo)特征分配給COP 用戶的程度。網(wǎng)絡(luò)的完備性受網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響較大，在這里可以再次運用可靠性函數(shù)來對網(wǎng)絡(luò)子域的完備性進(jìn)行描述。對于每一個COP 用戶來說，由于與融合中心連接方式和路徑的不同，因此其可靠性也不相同。

如果q 表示第i 條路徑的故障率，則信息通過該路徑傳輸?shù)目煽啃钥杀硎緸?/p>

如果從融合中心到用戶j 有3 種方式:L1;L2、L3;L4、L5、L6。則用戶j 獲得COP 的完備性可表示為

用同樣的方法，可以擴展到所有COP 用戶。因此，網(wǎng)絡(luò)子域的完備性可表示為

網(wǎng)絡(luò)子域的準(zhǔn)確性是指決策者無衰減的獲得COP 的程度。通常用網(wǎng)絡(luò)中的用戶能接收到準(zhǔn)確信息的概率來進(jìn)行表示，其表達(dá)式如下:

由此可知，網(wǎng)絡(luò)子域的準(zhǔn)確性是一個由融合中心與用戶之間的對應(yīng)關(guān)系決定的聯(lián)合概率。由于篇幅所限，對此式不做推導(dǎo)，其具體內(nèi)容可參考相關(guān)文獻(xiàn)［7］。網(wǎng)絡(luò)子域的流通性可由融合設(shè)備到COP 使用者的時間延時來進(jìn)行確定。

3 共享態(tài)勢認(rèn)知模型

共享態(tài)勢以及在共享態(tài)勢基礎(chǔ)上產(chǎn)生的協(xié)同決策都是以個體的態(tài)勢認(rèn)知為基礎(chǔ)的，分別從個體態(tài)勢認(rèn)知和共享態(tài)勢認(rèn)知來進(jìn)行分析。

3.1 個體認(rèn)知的度量

個體認(rèn)知程度是指決策個體對COP 能準(zhǔn)確認(rèn)識和評估的能力。它受決策個體的教育、訓(xùn)練、經(jīng)驗、文化背景、個性等多種因素的影響。在這里用A∈ 0，[ ]1 來表征決策個體態(tài)勢認(rèn)知的程度。其中A=1 表示決策個體對態(tài)勢有完全的認(rèn)知能力，能對O(t)中的每一個向量做出準(zhǔn)確地解釋;A=0表示決策個體對態(tài)勢完全不能進(jìn)行判斷和解釋。對于任意一個決策者Φi來說，其認(rèn)知程度AΦi可通過其受教育程度、訓(xùn)練水平，以及實戰(zhàn)經(jīng)驗等因素采用DELPHI 法得到，也可以采用函數(shù)曲線的方式來進(jìn)行衡量。個體的認(rèn)知程度不僅與決策者自身的能力有關(guān)，還與信息的完備性和準(zhǔn)確性有關(guān)。對于同一個決策者來說，信息的完備性和準(zhǔn)確性越高，其認(rèn)知的程度也越高。

由相關(guān)文獻(xiàn)可知［4］，從信息的完備性考慮，具有能力Φi的個體決策者i 在時刻t 對態(tài)勢的認(rèn)知度可表示為

其中:C 代表信息的完備性;β0、β1代表決策者的個體特征。圖3 給出了4 個具有不同認(rèn)知能力Φi的決策者認(rèn)知程度和信息完備性的關(guān)系。其中橫坐標(biāo)表示信息的完備性，縱坐標(biāo)表示決策者的認(rèn)知程度。

圖3 不同決策個體的認(rèn)知程度與信息完備性關(guān)系曲線

當(dāng)考慮到信息質(zhì)量時，個體態(tài)勢認(rèn)知程度可表示為

其中Q(t)為在時刻t 觀察到的COP 的質(zhì)量。

3.2 協(xié)同認(rèn)知的度量

協(xié)同認(rèn)知程度的高低除了與參與決策的個體認(rèn)知能力有關(guān)外，還與決策群的結(jié)構(gòu)以及決策個體的交互有關(guān)。對于具有多個成員的群來說，不僅需要知道各個個體的認(rèn)知能力，還需要知道每個成員能對其中的哪些特征向量進(jìn)行解釋［8］。

下面以具有2 個成員的群為例來進(jìn)行分析，假設(shè)m 為觀察到的COP 中特征向量的個數(shù)。對于能力為Φi的個體來說，在時刻t 所能解釋的特征向量數(shù)目為mA'Φi(t)。對于兩個能力分別為Φi和Φl的決策者來說，如果2 個決策都不知道對方能解釋哪些向量，那么它們可能存在著一定的重疊。該 重 疊 的 最 小 值 為最大值為

因此，能夠被群成員i 和l 共同解釋的特征向量的平均值可表示為

對于尺寸為N 的群來說，其共享態(tài)勢認(rèn)知度為

4 結(jié)束語

對共享態(tài)勢的認(rèn)知是協(xié)同決策的基礎(chǔ)，導(dǎo)致共享態(tài)勢認(rèn)知不足主要有3 個方面的原因:其一是信息質(zhì)量;其二是決策個體的認(rèn)知能力;其三是協(xié)同認(rèn)知的程度。本文緊緊圍繞這3 個方面展開分析討論，在建立信息質(zhì)量模型的基礎(chǔ)上，給出了一種衡量個體認(rèn)知和協(xié)同認(rèn)知能力的模型。該模型為研究協(xié)同決策理論問題奠定了一定的基礎(chǔ)。由于協(xié)同決策涉及物理域、信息域和認(rèn)知域等多個領(lǐng)域。同時，由于該領(lǐng)域可供參考的理論資料較少，也給本問題的研究帶來了一定的難度。本文只是建立了一個研究該問題的基本模型，許多問題還有待近一步的細(xì)化分析。

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