體系對抗中信息與人和武器關(guān)系的SD模型

朱 剛, 譚賢四, 王 紅, 畢紅葵

(1.空軍預(yù)警學(xué)院研究生管理大隊,湖北武漢430019; 2.空軍預(yù)警學(xué)院陸基預(yù)警監(jiān)視裝備系,湖北武漢430019)

體系對抗中信息與人和武器關(guān)系的SD模型

朱 剛1, 譚賢四2, 王 紅2, 畢紅葵2

(1.空軍預(yù)警學(xué)院研究生管理大隊,湖北武漢430019; 2.空軍預(yù)警學(xué)院陸基預(yù)警監(jiān)視裝備系,湖北武漢430019)

為探索體系對抗中信息與人和武器之間的關(guān)系,結(jié)合軍事信息優(yōu)勢論和OODA(observe,orient,decide,act)環(huán)模型,提出了OODAI(observe,orient, decide,act,information)網(wǎng)模型,該模型結(jié)合多兵種作戰(zhàn)的Lanchester方程,能較好地解釋體系對抗毀傷過程。應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)(system dynamics,SD)理論和方法,構(gòu)建了以信息、人和武器為主要影響因素的體系對抗系統(tǒng)動力學(xué)模型,并對體系對抗過程進行了仿真,仿真結(jié)果為探究信息在人和武器中的關(guān)系提供了借鑒。

體系對抗;系統(tǒng)動力學(xué);Lanchester方程

軍事信息化給戰(zhàn)斗力系統(tǒng)二元論帶來了新的挑戰(zhàn)[1]。信息因素在二元論中模糊的定位,導(dǎo)致軍事人員對武器裝備體系這一概念出現(xiàn)了2種不同的理解方式[2-3]：在體系對抗研究中,研究人員將武器裝備體系理解為由C4ISR(command,control,communication,computer,intelligence,surveillance,reconnaissance)系統(tǒng)和其他武器裝備系統(tǒng)構(gòu)成的、具有協(xié)同關(guān)系的整體;而在裝備論證研究中,研究人員不考慮戰(zhàn)法因素,將C4ISR系統(tǒng)看作軍事信息系統(tǒng),與其他武器裝備系統(tǒng)一樣具有相對獨立的建設(shè)過程,但受控于統(tǒng)一的過程控制機制。

為消除體系對抗與裝備論證工作之間的鴻溝,美軍集成了“能力過程”和“采辦過程”,在《聯(lián)合作戰(zhàn)頂層概念》指導(dǎo)下制定了需求工程過程,并頒布《國防部體系結(jié)構(gòu)框架》輔助需求工程過程的規(guī)范化和標準化[4-6]。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的沙基昌教授團隊提出戰(zhàn)爭設(shè)計工程概念,強調(diào)裝備與戰(zhàn)法、未來情景和干預(yù)策略、異質(zhì)專家群體智慧和定性與定量分析4大集成問題[7]53。裝甲兵工程學(xué)院的郭齊勝教授團隊提出了裝備需求論證工程化概念,通過“規(guī)范化、模塊化、工具化和資源化”集成裝備需求論證工作[8]。本文借鑒上述研究思想,提出了OODAI網(wǎng)模型。在OODAI網(wǎng)模型的指導(dǎo)下構(gòu)建了體系對抗系統(tǒng)動力學(xué)(system dynamics)模型并進行了仿真,對探索信息、人與武器關(guān)系具有一定的借鑒意義,對集成體系對抗和裝備論證研究工作具有一定的應(yīng)用價值。

1 OODAI網(wǎng)模型

一般來說,戰(zhàn)斗力系統(tǒng)主要由人、武器裝備以及人與武器裝備的關(guān)系,包括軍事理論、體制編制、軍事訓(xùn)練以及由此而產(chǎn)生的軍事活動等基本要素構(gòu)成[9]。為探索信息因素在傳統(tǒng)戰(zhàn)斗力系統(tǒng)中的定位,引入軍事信息定義。

定義1 軍事信息是與軍事活動有關(guān)實體的運動狀態(tài)和變化方式的一種表征和反映。任一實體的要素一般包括屬性類型、運動狀態(tài)、變化方式。軍事信息就是對這些實體有關(guān)要素的綜合描述[10]。

根據(jù)定義1,構(gòu)建戰(zhàn)斗力系統(tǒng)人、武器、信息3個因素認知模型如圖1所示。

圖1 戰(zhàn)斗力系統(tǒng)認知模型

圖1 中,當(dāng)信息因素作用較小時,人與武器形成緊密結(jié)合關(guān)系。當(dāng)信息因素作用較大時,人與武器通過信息因素形成結(jié)合關(guān)系。a處的“噪聲”是人認知不統(tǒng)一造成的,a處的“組織”表示人對信息的處理過程;b處的“噪聲”是環(huán)境造成的;c處的“影響”表示信息因素作用于武器裝備的效果;d處的“噪聲”是武器裝備異構(gòu)平臺造成的,d處的“產(chǎn)生”表示武器裝備產(chǎn)生的信息;e處的“噪聲”是武器裝備數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一造成的;f處的“影響”表示信息因素作用于人的效果。

以嵌套形式關(guān)聯(lián)的階梯狀OODA模型能較好地解釋機械化條件下的指揮控制過程,但不適用于解釋體系對抗中的指揮控制過程[11-12]。對于簡單決策行為而言,OODA環(huán)是短路的。因此,將人與武器緊密結(jié)合關(guān)系看成短路的OODA環(huán)。而復(fù)雜的決策行為中包含許多簡單的決策行為,若簡單決策行為間存在廣泛的非線性交互行為,則可導(dǎo)致“涌現(xiàn)”。在此,引入戰(zhàn)爭系統(tǒng)概念進行解釋。

定義2 戰(zhàn)爭系統(tǒng)由許多具有自主特性和適應(yīng)能力的分系統(tǒng)、子系統(tǒng)等組成,具有物質(zhì)、能量與信息的全面開放性,且分系統(tǒng)、子系統(tǒng)之間存在廣泛的非線性和作用機制[7]24。

根據(jù)圖1可知,這種廣泛的非線性交互行為是通過信息銜接的。短路的OODA環(huán)使得人映射為戰(zhàn)爭系統(tǒng)狀態(tài)決策者和武器系統(tǒng)狀態(tài)決策者2部分。將武器系統(tǒng)狀態(tài)決策者與武器看作作戰(zhàn)單元,可構(gòu)建戰(zhàn)爭系統(tǒng)認知模型如圖2所示。

圖2 戰(zhàn)爭系統(tǒng)認知模型

圖2 中,決策者、信息與作戰(zhàn)單元構(gòu)成的輸入/輸出關(guān)系,表示實時的信息流動狀態(tài)。此外,信息還具有存儲性,如決策者與信息構(gòu)成的輸入/輸出關(guān)系,存儲的信息在一定時間內(nèi)仍然可以影響信息與作戰(zhàn)單元構(gòu)成的輸入/輸出關(guān)系,反之亦然。根據(jù)分析,可給出戰(zhàn)斗力系統(tǒng)的三元論定義。

定義3 戰(zhàn)斗力系統(tǒng)是戰(zhàn)爭系統(tǒng)的子系統(tǒng),特指軍隊為完成所擔(dān)負多樣化軍事任務(wù)能力的總體概括,是由人、武器、信息等基本要素以及三者間關(guān)系構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)。

根據(jù)上述分析,構(gòu)建OODAI網(wǎng)模型如圖3所示。

圖3 OODAI網(wǎng)模型

圖3 中,當(dāng)信息影響較小時,OODAI網(wǎng)短路為OODA環(huán);決策者與作戰(zhàn)單元處于跨時空時,決策者與作戰(zhàn)單元處于2個不同的平面,通過I連接成立體結(jié)構(gòu);當(dāng)實時的群決策或體系對抗時,決策者之間的OODA過程進一步分解成以I為樞紐的云端。若以信息傳遞時間為衡量量,則構(gòu)成一個以I為核心的不規(guī)則體。因此,從結(jié)構(gòu)上來看,OODAI網(wǎng)模型比OODA模型更適合解釋體系對抗中的指揮控制過程。

2 體系對抗模型

系統(tǒng)動力學(xué)的研究對象是復(fù)雜信息反饋系統(tǒng),是著重研究分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為的學(xué)科,具有在缺乏精確數(shù)據(jù)的情況下觀察系統(tǒng)行為和變化趨勢的優(yōu)點。應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)分析信息對決策者和作戰(zhàn)單元的影響,對頂層分析定位信息因素有非常強的輔助作用。根據(jù)上文和文獻[13]的啟發(fā),可在OODAI網(wǎng)模型上應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)理論構(gòu)建體系對抗模型。

OODAI網(wǎng)模型中,決策過程是在一定信息量基礎(chǔ)上將信息轉(zhuǎn)換為有效信息,輔助指導(dǎo)行動的過程。假設(shè)任意一次決策開始時的初始信息量均為S,考慮到信息的存儲性和時效性,第i次決策后的有效信息Si都被存儲,并可作為下一次決策的初始信息量加以利用,利用率為γi,Si離下一次決策時間越近,γi越高。信息收集速率為St,信息量轉(zhuǎn)化為有效信息的效率為η,則第m次決策前第t時刻有效信息Se為

從決策角度引入基于熵理論信息價值評估模型[10]67：設(shè)事件有n種可能,每一種可能發(fā)生概率為{p1,p2,…,pn},且有p1+p2+…+pn=1,則熵為

若決策者只是依據(jù)事件的發(fā)生概率做出決策,認識不確定性的熵為S0。若t時刻決策者接收到關(guān)于事件的有效信息的熵為Se,決策者在事件發(fā)生概率和Se的基礎(chǔ)上做出決策,此時對事件認知不確定性的熵SI為

由式(3)可知,決策者確定一次事件,需要條件SI≥0。由條件SI≥0和式(1)～式(3)可得

由式(4)可知,當(dāng)紅藍雙方?jīng)Q策者對事件不確定性相同時,η、S、St或存儲的信息量相對較大的一方,做出決策所需的時間t就相對較少,表示信息優(yōu)勢轉(zhuǎn)化成了決策優(yōu)勢?？梢哉J為,每一次決策后不確定性的熵變?yōu)镾0,t時刻有效信息為Se,直到滿足條件SI≥0時,才能正確地做出下一次決策。

當(dāng)決策者確定事件后,給武器分配目標并下達指令進行對抗。對抗過程則是一個物理毀傷過程。因此,可從對抗角度引入多兵種作戰(zhàn)的Lanchester方程[14]。

設(shè)紅藍雙方每次決策后給出了當(dāng)次的武器-目標最佳分配策略,且紅藍雙方各有A(A∈N)和B(B∈N)類作戰(zhàn)單位,分別用向量表示為

式中：xk表示紅方第k(1≤k≤A)類作戰(zhàn)單位數(shù)量;yh表示藍方第h(1≤h≤B)類作戰(zhàn)單位數(shù)量。

設(shè)αkh是xk對yh的損耗系數(shù),βhk是yh對xk的損耗系數(shù),且有：αkh＞0,βhk＞0(i=1,2,…,k; j=1,2,…,h)。

設(shè)μkh為xk攻擊yh的比例,νhk為yh攻擊xk的比例。此時紅藍雙方的體系對抗損耗方程為：

根據(jù)上述分析,可構(gòu)建體系對抗關(guān)系如圖4所示。

圖4中,實線和實心箭頭表示紅方物質(zhì)流,虛線和實心箭頭表示紅方信息流,實線和線箭頭表示藍方物質(zhì)流,虛線和線箭頭表示藍方信息流。根據(jù)上述分析,構(gòu)建體系對抗SD模型如圖5所示。

圖5 體系對抗SD模型

3 體系對抗過程模擬

假設(shè)1根據(jù)上文分析可做出如下假設(shè)：

1)行動開始前,紅方作戰(zhàn)單元k為200,藍方作戰(zhàn)單元h為195。

2)紅方k對藍方h損耗系數(shù)和藍方h對紅方k損耗系數(shù)相等,設(shè)為0.2。

3)紅藍雙方信息收集率均為0.2,信息損耗率為0.1,即表明紅藍雙方在信息獲取和干擾相同。

5)假定紅藍雙方?jīng)Q策者素質(zhì)相同,即信息量相同時,決策水平相同。

6)假設(shè)紅藍雙方存儲信息量均為0,每次行動后存儲信息量增加1個單位,且利用率相等,均為0.01。

7)當(dāng)某一方總損耗率大于對方時,決策者會采取行動進行調(diào)整,假設(shè)每次比例調(diào)整量為0.1,即每次能夠調(diào)度的戰(zhàn)斗力單位數(shù)為20。

8)當(dāng)某一方作戰(zhàn)總單位數(shù)為0時,對抗結(jié)束。

上述假設(shè)表明,紅藍雙方除作戰(zhàn)單位數(shù)量外,其他設(shè)置相同。將上述假設(shè)數(shù)據(jù)代入SD模型并在Vensim軟件下運行,可得紅藍雙方主要參數(shù)變化情況如圖6所示。

圖6中,橫軸表示時間,縱軸表示作戰(zhàn)單元數(shù)a=200個、存儲信息次數(shù)b=6次和滿足決策信息量c=1個單位這3個主要參數(shù)的變化情況。在對抗過程中,紅藍雙方的作戰(zhàn)單元數(shù)隨著時間的變化逐漸減少,直至一方為0;存儲的信息次數(shù)隨著對抗時間逐漸增多,存儲的信息量也隨之增多;1次脈沖代表1次決策過程,橫軸上的脈沖次數(shù)代表了對抗方的決策次數(shù)。

圖6 假設(shè)1紅藍雙方主要參數(shù)變化示意圖

假設(shè)2在假設(shè)一基礎(chǔ)上修改部分參數(shù),設(shè)紅藍雙方戰(zhàn)斗單元數(shù)均為200,紅方信息量存儲較多,初始值為1,藍方為0,其他參數(shù)設(shè)置相同。紅藍雙方主要參數(shù)變化情況如圖7所示。

圖7 假設(shè)2紅藍雙方主要參數(shù)變化示意圖

假設(shè)3在假設(shè)2基礎(chǔ)上修改部分參數(shù),設(shè)紅方信息收集率為0.21,紅藍雙方信息量存儲均為0,其他參數(shù)設(shè)置相同。紅藍雙方主要參數(shù)變化情況如圖8所示。

圖8 假設(shè)3紅藍雙方主要參數(shù)變化示意圖

比較上述假設(shè)的仿真結(jié)果,可得如下結(jié)論：

1)當(dāng)紅藍雙方信息收集率,存儲信息量和決策者素質(zhì)以及其他武器裝備等條件基本相同的情況下,武器裝備數(shù)量對結(jié)果影響較大,但是其他參數(shù)變化趨勢對裝備數(shù)量變化不敏感。圖6即為通過增加裝備數(shù)量,取得局部戰(zhàn)場相對優(yōu)勢變化圖。然而,在體系對抗過程中,參與作戰(zhàn)行動的戰(zhàn)斗力系統(tǒng)為高技術(shù)武器裝備,無論研發(fā)、生產(chǎn)還是保障工作都需要投入大量的人力物力,然而這種投入在體系對抗中優(yōu)勢并不明顯,顯然是不劃算的。

2)當(dāng)紅藍雙方其他條件相同,只是紅方存儲信息量比藍方多一次體系對抗中決策行為的信息量,紅藍雙方存儲信息量利用效率均為0.01,且具有相同轉(zhuǎn)換效率的情況下,紅方從第2次行動開始掌握戰(zhàn)場動態(tài),在優(yōu)勢積累下,只需根據(jù)藍方行動做2次行動調(diào)整,就可獲得整體優(yōu)勢,使得決策者可以將精力放在其他局部戰(zhàn)場上,如圖7所示。即在平時的信息化建設(shè)過程中,盡可能多地獲取敵方武器裝備性能參數(shù),在體系對抗過程中都能成倍的增長戰(zhàn)斗力單元系統(tǒng)的毀傷能力。

3)當(dāng)其他條件完全相同,紅方信息收集速率比藍方每分鐘多0.01個相對單位時,紅方仍然能夠建立較大的絕對優(yōu)勢,掌握戰(zhàn)場主動權(quán),如圖8所示。即其他條件相同情況下,提高信息的收集速率能獲得較大戰(zhàn)場收益。

通過上述分析可知,信息不僅能夠促進決策者工作效率,還能促進戰(zhàn)斗力單元的作戰(zhàn)效能。因此在平時的裝備論證過程中,不能簡單地將信息因素等同于C4ISR系統(tǒng),也不能籠統(tǒng)的歸納到軍事信息系統(tǒng)中去,一定要結(jié)合指揮控制流程、信息流和物質(zhì)流來考慮裝備論證過程;在體系對抗研究過程中,亦不能簡單地將信息因素等同于C4ISR系統(tǒng),也不能片面地認為起作用的只是信息傳輸與分發(fā)功能,一定要結(jié)合實際情況,確定信息的數(shù)據(jù)格式,考慮交換流程以及裝備論證過程中的各種限制因素,這樣才能合理地描述出信息因素在戰(zhàn)斗力系統(tǒng)中的地位和作用。

4 結(jié) 論

為探索適應(yīng)軍事信息化變革的新理論,提出了信息、人和武器的三元關(guān)系論,主要工作有：①在人與武器關(guān)系二元論中引入了軍事信息概念,提出了信息、人和武器三元關(guān)系論的戰(zhàn)斗力系統(tǒng)認知模型;② 在三元論戰(zhàn)斗力系統(tǒng)認知模型基礎(chǔ)上,結(jié)合系統(tǒng)論、OODA模型和戰(zhàn)爭系統(tǒng)理論,提出了戰(zhàn)爭系統(tǒng)認知模型和OODAI模型;③在上述認知基礎(chǔ)上應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)、信息熵和Lanchester方程對體系對抗過程進行了仿真,驗證了信息是戰(zhàn)斗力倍增器這一客觀事實。本文為探索如何進行作戰(zhàn)體系信息化建設(shè)提供了一定的理論依據(jù),下一步將對模型進行完善。

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(編輯：孫陸青)

SD Model of Information,Human and Weapons Relationship in the System of Systems Combat

ZHU Gang1, TAN Xiansi2, WANG Hong2, BI Hongkui2
(1.Company of Postgraduate Management,Air Force Early Warning Academy,Wuhan Hubei 430019,China; 2.Department of Land-based Early Warning Surveillance Equipment,Air Force Early Warning Academy,Wuhan Hubei 430019,China)

To explore the relation between information,human and weapons in the system of systems combat,and combine the military information theory of superiority and observe,orient, decide,act(OODA)model,the observe,orient,decide,act,information(OODAI)model is proposed, and the model,combined the Lanchester equation,can better explain the damage course in the system of systems combat.Using the system dynamics(SD)theory and method,the paper builds the system dynamics model in system of systems combat in which major influence factors are information,human and weapons,gives a simulation of the system of systems combat.The simulation results offer the references to probe into the information,human and weapons relationship.

system of systems combat;system dynamics;Lanchester equation

E 91;E 92

2095-3828(2014)04-0133-05

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2014.04.028

2013-06-28

朱 剛(1984-),男,博士研究生.主要研究方向：裝備效能評估.zhug2008@163.com.譚賢四,男,教授,博士生導(dǎo)師.