面向體系作戰(zhàn)的信息共享效益建模仿真*

張 強(qiáng) ，李建華 ，孫 祿

（1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安 710071；2.解放軍95607部隊(duì)，成都 610500；3.解放軍93108部隊(duì)，遼寧 鞍山 114225）

面向體系作戰(zhàn)的信息共享效益建模仿真*

張 強(qiáng)1，2，李建華1，孫 祿3

（1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安 710071；2.解放軍95607部隊(duì)，成都 610500；3.解放軍93108部隊(duì)，遼寧 鞍山 114225）

信息共享是體系作戰(zhàn)的基礎(chǔ)，如何量化信息共享對作戰(zhàn)決策及作戰(zhàn)效果的影響，需進(jìn)行定量建模與分析。首先深入分析了信息共享對體系作戰(zhàn)的重要性，分別在信息域和認(rèn)知域中采用信息熵形式化地描述了戰(zhàn)場客觀信息和指揮員主觀知識；其次從信息的完整性和精確性的度量指標(biāo)出發(fā)，給出了信息共享對作戰(zhàn)決策的正面效益模型，同時(shí)在信息共享帶來的無用信息增多和信息冗余兩方面，定量分析了其帶來的負(fù)面影響；最后通過仿真實(shí)例分析驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明模型構(gòu)建的正確性。

體系作戰(zhàn)，信息共享，信息熵，知識函數(shù)

引 言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，未來信息化戰(zhàn)爭的典型特征是基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)，其核心是通過網(wǎng)絡(luò)將戰(zhàn)場上的各種探測器、武器平臺和指揮控制系統(tǒng)緊密聯(lián)系成為體系，在各作戰(zhàn)單元間高質(zhì)量地共享戰(zhàn)場信息，實(shí)時(shí)掌握全維戰(zhàn)場態(tài)勢，縮短決策時(shí)間，提高指揮效率和協(xié)同作戰(zhàn)能力，達(dá)到作戰(zhàn)效果的精確高效。由此可見，信息共享是體系作戰(zhàn)的基礎(chǔ)，能夠顯著提高體系作戰(zhàn)能力，但如何量化信息共享對作戰(zhàn)決策及作戰(zhàn)效果的影響，有待于對信息共享進(jìn)行定量建模與分析。本文分別從信息域和認(rèn)知域的角度出發(fā)，采用信息熵描述戰(zhàn)場信息，并給出認(rèn)知域中的知識函數(shù)，在此基礎(chǔ)上定量地分析信息共享對作戰(zhàn)指揮決策的正負(fù)面影響。

1 相關(guān)知識

在基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)中，作戰(zhàn)行動(dòng)同時(shí)發(fā)生在密切相關(guān)的物理域、信息域和認(rèn)知域，各作戰(zhàn)單元之間的信息交互在3個(gè)域內(nèi)分別表現(xiàn)為信息共享、知識共享和態(tài)勢共享。如圖1所示，戰(zhàn)場各類探測傳感器收集來自物理域的戰(zhàn)場相關(guān)信息，在信息域中經(jīng)傳輸、融合等處理后，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各作戰(zhàn)單元間的信息共享，在認(rèn)知領(lǐng)域中得到為指揮決策所必須的態(tài)勢以及知識［1］。

圖1 體系作戰(zhàn)作用域劃分圖

1.1 信息域表示

信息化戰(zhàn)場態(tài)勢瞬息萬變，態(tài)勢信息來源是廣泛分布的各種傳感器探測設(shè)備，如雷達(dá)、衛(wèi)星和預(yù)警機(jī)等。作戰(zhàn)指揮人員根據(jù)獲取的態(tài)勢信息進(jìn)行決策，各作戰(zhàn)單元的決策信息來源通常包括本級的信息探測系統(tǒng)和參與體系作戰(zhàn)的其他作戰(zhàn)單元。單個(gè)來源的戰(zhàn)場信息由于誤差不可避免地存在不確定性，而信息熵是對不確定性的合理估計(jì)。因此，在定量描述戰(zhàn)場信息時(shí)，可以采用信息熵度量戰(zhàn)場信息的不確定性［2-5］。

定義1：戰(zhàn)場作戰(zhàn)指揮決策所需信息由關(guān)鍵信息元素組成集合 A={a1，a2，…，an}，單個(gè)作戰(zhàn)單元所獲取的關(guān)鍵信息元素則是集合A的子集。假設(shè)某作戰(zhàn)單元獲取的關(guān)鍵信息元素 A={a1，a2，…，ap}，（p≤n）服從多元正態(tài)分布，在t時(shí)取值可用隨機(jī)向量X（t）=［x1（t）,x2（t）,…，xp（t）］T表示，則其概率密度分布函數(shù)是：

其中 μ=［μ1，μ2，…，μp］是 X 的均值，相應(yīng)的協(xié)方差矩陣是：

非對角線上的值則是隨機(jī)變量xi和隨機(jī)變量xj的協(xié)方差值∑i,j=E（xi-μi）（xj-μj），代入得到信息熵［3］：

1.2 認(rèn)知域表示

信息是知識的原材料，知識是由信息提煉出來的抽象產(chǎn)物。信息域的戰(zhàn)場信息只有轉(zhuǎn)化為認(rèn)知域的態(tài)勢和知識，才能更好地為決策者所用。因此，在形式化描述戰(zhàn)場信息的基礎(chǔ)上，還需對直接影響指揮員決策的知識定量建模。

定義 2：記 K（X）為知識函數(shù)（0≤K（X）≤1），它反映決策者對關(guān)鍵信息元素A={a1，a2，…，ap}及其相互之間關(guān)系的理解程度［2］。當(dāng)K（X）→1時(shí)，表明知識最多，即決策者能夠?qū)崟r(shí)理解掌握戰(zhàn)場態(tài)勢，對應(yīng)的信息熵最小；當(dāng)K（X）→0時(shí)，則相反。

其中關(guān)鍵信息元素協(xié)方差矩陣行列式值越大，信息的不確定性也越大，知識積累少；反之，知識積累越大。

2 信息共享建模分析

2.1 信息共享正面效益建模

獲取戰(zhàn)場信息，建立保持信息優(yōu)勢的最終目的是輔助作戰(zhàn)指揮人員快速準(zhǔn)確地作出決策，從而提高作戰(zhàn)效率和打擊精度［6］。在體系作戰(zhàn)中，各作戰(zhàn)單元可以通過本地傳感器得到?jīng)Q策所需的信息，還可以通過網(wǎng)絡(luò)共享相關(guān)信息提高信息的質(zhì)量和數(shù)量，即減少信息的不確定性，同時(shí)增加關(guān)鍵信息數(shù)量，進(jìn)而在認(rèn)知域中轉(zhuǎn)化為知識作為決策基礎(chǔ)，從而提高指揮決策的效率和準(zhǔn)確性。定量分析信息共享對作戰(zhàn)的正面效益，即是分析信息共享對決策質(zhì)量的影響。因此，可選擇關(guān)鍵信息的精確性和完整性作為度量指標(biāo)，通過定量分析信息共享前后的精確性和完整性變化，衡量信息共享對指揮決策的影響。

精確性是指戰(zhàn)場感知態(tài)勢中的目標(biāo)特征探測值與真實(shí)目標(biāo)特性相吻合的程度，主要受系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差影響。系統(tǒng)誤差即是關(guān)鍵信息的觀測值與真實(shí)值的衡量，即偏差；而隨機(jī)誤差則是由其他不可控環(huán)境因素引起，則信息熵變化為：因此，將精確性考慮在內(nèi)，知識構(gòu)造函數(shù)變化為：

完整性主要衡量單個(gè)作戰(zhàn)單元獲取的信息元素?cái)?shù)量是否滿足體系作戰(zhàn)決策要求。由上述可知，在時(shí)刻t時(shí)某作戰(zhàn)單元獲取的關(guān)鍵信息為X（t）=［x1（t）,x2（t）,…xp（t）］T。例如：該作戰(zhàn)單元對不明飛行物的探測預(yù)警，目標(biāo)的距離、方位、速度和類型等為關(guān)鍵信息元素，然而實(shí)際上在某時(shí)刻可能只有前3個(gè)信息可得到。因此，針對該作戰(zhàn)單元，其關(guān)鍵信息元素的完整性可表示為：

其中p≤n，ξ為風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)作戰(zhàn)過程中，指揮決策者往往需要在未獲得全部相關(guān)情報(bào)信息的前提下在有限時(shí)間內(nèi)作出決策，信息的完整性在一定程度上取決于信息共享。所以，ξ反映了決策者對風(fēng)險(xiǎn)的態(tài)度。當(dāng)ξ<1時(shí)表示決策者對風(fēng)險(xiǎn)的厭惡；當(dāng)ξ>1時(shí)表示決策者對風(fēng)險(xiǎn)的偏愛；當(dāng)ξ=1時(shí)表示決策者對風(fēng)險(xiǎn)的態(tài)度為中立。理想情況下，在決策時(shí)刻關(guān)鍵信息元素個(gè)數(shù)已齊全，即Xt（p）=Xt（n）=1，這時(shí)KJ（X）=1。然而，這種理想情況很少出現(xiàn)。因此，為度量信息完備性對決策的影響，知識構(gòu)造函數(shù)還需在加入精確性度量的基礎(chǔ)上加入完備性度量。當(dāng)Xt（p）→1時(shí)，則說明知識函數(shù)僅受信息的精確性影響；當(dāng)Xt（p）→1時(shí)，即關(guān)鍵信息元素個(gè)數(shù)為0，則知識函數(shù)也為0。因此，信息熵變化為：

當(dāng)p=1時(shí)，完整性最差，所以熵的最大值可表示為：

最后，將關(guān)鍵信息完整性因素考慮在內(nèi)，知識的構(gòu)造函數(shù)變化為：

2.2 信息共享負(fù)面效益建模

體系作戰(zhàn)條件下各作戰(zhàn)單元通過網(wǎng)絡(luò)共享信息，一方面能夠增加決策信息的精確性和完整性，增長指揮決策者知識，提高決策質(zhì)量；另一方面，信息共享在提高信息質(zhì)量和數(shù)量同時(shí)也會(huì)帶來負(fù)面效應(yīng)，如信息過載帶來的過度資源消耗以及消耗更多時(shí)間處理信息，這些信息包括對決策無用信息、重復(fù)信息等等，從而導(dǎo)致決策時(shí)間增加，甚至因決策滯后錯(cuò)失戰(zhàn)機(jī)。

信息化戰(zhàn)場信息種類繁多，信息并非越多越好，在指揮決策人員前展現(xiàn)過多信息反而不利于抓住重點(diǎn)進(jìn)行決策。體系作戰(zhàn)過程中，信息共享同樣有可能造成信息過載，由此造成無用信息增多和部分信息冗余。無用信息的直接影響是耗費(fèi)資源，干擾正常信息獲取，對指揮決策有明顯負(fù)面影響。無用信息的邊際影響可用下列模型描述，即：

其中q為無用信息數(shù)量；v表示無用信息對處理過程影響的因子。

當(dāng)單個(gè)作戰(zhàn)單元接收到冗余信息時(shí)，容易產(chǎn)生信息超載，導(dǎo)致信息處理延遲。通常情況下，信息共享要求一定的信息冗余，此時(shí)信息冗余的代價(jià)遠(yuǎn)小于收益。但是，當(dāng)某一信息大量冗余，代價(jià)迅速增長以致新增信息的邊際代價(jià)比當(dāng)前信息還大，代價(jià)可表示為：

其中mi為包含信息元素ai的信息源數(shù)量；φi、φi為調(diào)節(jié)參數(shù)。當(dāng)計(jì)算所有信息冗余時(shí)，其代價(jià)模型為

其中向量 M=［m1，m2，…，mn］T；ρi為設(shè)定的系數(shù)。

由上述分析可知，信息共享同樣會(huì)對體系作戰(zhàn)條件下的指揮決策造成負(fù)面影響，信息過載帶來的無用信息和信息冗余相互影響，采用線性加權(quán)模型綜合描述其影響：

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

前面已定量分析了體系作戰(zhàn)條件下的單個(gè)作戰(zhàn)單元在參與信息共享過程中的正負(fù)面效益，本節(jié)主要進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證。為計(jì)算方便，這里假設(shè)t時(shí)某作戰(zhàn)單元獲取得到的決策所需關(guān)鍵信息元素集合A的子集A1={a1,a2}，即p=2，其值可表示為X=［x1,x2］T，并服從二元正態(tài)分布，其均值和方差分別為：

選取決策信息元素的10組數(shù)據(jù)，得到各組的均值和方差，bmax=max［b1,b2,…,b10］，則 ρ1,2表示信息a1和a2間的關(guān)聯(lián)程度。

圖2 風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)與共享效果之間的關(guān)系

從圖2中可以看出，其中ΔK（X）恒大于零，表明信息共享帶來了知識增益。此外，當(dāng)關(guān)聯(lián)系數(shù)一定時(shí)，隨著風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的逐漸增大，知識增益逐漸減小；當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)確定時(shí)，知識積累將隨著關(guān)聯(lián)系數(shù)的增大而增加。這是因?yàn)闆Q策時(shí)風(fēng)險(xiǎn)越小，即決策時(shí)間越長，則關(guān)鍵信息元素的完整性和精確性就會(huì)越高，所以知識積累越大。而關(guān)鍵信息元素之間的關(guān)聯(lián)減少了信息的偏差，進(jìn)而影響其知識函數(shù)的大小。然而，作戰(zhàn)指揮決策具有時(shí)限要求，盡管風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)與知識函數(shù)成反比，但是考慮決策的時(shí)間因素，指揮人員要適當(dāng)把握時(shí)機(jī)，提高決策的質(zhì)量和知識效果。

此外，由上述分析可知信息共享帶來的負(fù)面效益模型為：

本文主要是從無用信息數(shù)量和信息冗余的角度出發(fā)分析信息共享帶來的負(fù)面影響。為便于分析，這里不區(qū)分多源的同一無用信息或單源的不同無用信息，并將信息a1、a2的冗余數(shù)量都記為m。取值 v=0.5、φi=-3、φi=1.1、α=0.5。

圖3 無用信息和信息冗余對知識影響

從圖3中可以看出，隨著無用信息q的增加，知識積累逐漸減?。淮送?，知識增益隨著信息冗余數(shù)m的增加先增加而后逐漸減小。這是因?yàn)樾畔⒐蚕肀厝淮嬖谛畔⑷哂?，而信息冗余對知識具有正反兩方面的影響，適當(dāng)?shù)男畔⑷哂嗄軌虼_保信息的精確性和完整性，過度的信息冗余則導(dǎo)致信息過載使得知識積累減少。

4 結(jié)束語

體系作戰(zhàn)條件下各作戰(zhàn)單元通過信息共享能夠顯著增強(qiáng)決策信息的數(shù)量和質(zhì)量，進(jìn)而提高作戰(zhàn)決策的效率和準(zhǔn)確性。本文主要定量分析研究了信息共享對體系作戰(zhàn)效果的影響，通過形式化描述戰(zhàn)場信息和指揮人員主觀知識，分別構(gòu)建了信息共享的正負(fù)面效益模型，最后通過仿真驗(yàn)證了模型的正確性?，F(xiàn)實(shí)情況中，決策信息質(zhì)量只是影響作戰(zhàn)指揮決策諸多因素之一，并且信息質(zhì)量的度量指標(biāo)較多，下一步研究計(jì)劃加入信息的時(shí)效性和相關(guān)性等因素。

［1］AlbertsDS，Garstka JJ，Richard E.etal.Understanding Information Age Warfare［M］.Washington DC，USA:DoD Command and ControlResearch Program，2001.

［2］卜先錦.軍事組織協(xié)同的建模與分析［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009.

［3］Corporation R.Information Sharing Among Military Headquarters the Effects Decision-Making［R］.Published 2004 by the BANDCorporation，2004.

［4］王 勇.面向信息優(yōu)勢的C4ISR系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

［5］江 漢，尹 浩，李學(xué)軍，等.基于Agent作戰(zhàn)仿真的信息共享效能評估研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（1）：160-163.

［6］李建軍，黃光奇，羅雪山.戰(zhàn)場信息共享等級及評價(jià)［J］.火力與指揮控制，2006，31（6）：4-7.

Research on M odeling and Simulation for Information Sharing BenefitOriented System Combat

ZHANGQiang1，2，LIJian-hua1，SUN Lu3
（1.School of Information and Navigation，Air Force Engineering University，Xi’an 710071，China；2.Unit95607 of PLA，Chengdu 610500，China；3.Unit 93108 of PLA，Anshan 114225，China）

The paper firstly analyzes the importance of information sharing during system combat，respectively gives formal description for battle-field objective information and commander subjective knowledge in information domain and cognitive domain.Secondly positive effectmodel of information sharing is set up based on themeasurement index of completeness and accuracy，and negative effect in two aspects of unneeded information and information redundancy is analyzed quantitatively;finally through verifying simulation，the resultshows the correctofmodel.

system combat，information sharing，information entropy，knowledge function

TP391

A

1002-0640（2014）02-0042-04

2013-02-11

2013-03-26

全軍軍事學(xué)研究生課題（2010JY0813-022）；全軍軍事學(xué)博士研究生課題（2012JY003-583）

張 強(qiáng)（1985- ），男，四川綿陽人，在讀博士研究生。研究方向：戰(zhàn)場信息共享。