基于BDA的裝備體系評(píng)估方法*

李新明，李 亢，劉 東

(裝備學(xué)院復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101416)

裝備體系(Equipment System of Systems)是由功能上相互關(guān)聯(lián)的各種類各系列裝備構(gòu)成的整體，通常由戰(zhàn)斗裝備、綜合電子信息系統(tǒng)、保障裝備構(gòu)成。裝備體系評(píng)估能夠?qū)Ξ?dāng)前構(gòu)建的裝備體系水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，明確體系中裝備和系統(tǒng)的短板和不足，是裝備體系建設(shè)的重要環(huán)節(jié)［1］。近年來，軍事需求的生成模式由基于“任務(wù)”、基于“威脅”逐漸轉(zhuǎn)向基于“能力”。所謂能力，是在特定的標(biāo)準(zhǔn)和條件下，通過組織運(yùn)用各單位、裝備和設(shè)施等手段和技術(shù)來執(zhí)行某種特定的任務(wù)，達(dá)到某種效果的本領(lǐng)［2］，基于能力的裝備體系評(píng)估得到了眾多專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。

大數(shù)據(jù)分析(Big Data Analyze，BDA)是近年來興起的一種新的科學(xué)研究方法，能夠從大量的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)未知的規(guī)律，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［3］。本文將大數(shù)據(jù)分析方法應(yīng)用于裝備體系評(píng)估中，通過分析大數(shù)據(jù)分析與常用體系評(píng)估方法的特點(diǎn)，提出基于BDA的體系評(píng)估思路，構(gòu)建基于BDA的裝備體系評(píng)估模型，并通過實(shí)例仿真實(shí)驗(yàn)挖掘裝備體系構(gòu)建與體系能力的關(guān)聯(lián)關(guān)系，驗(yàn)證基于BDA的裝備體系評(píng)估方法的應(yīng)用價(jià)值。

1 基于BDA的裝備體系評(píng)估

1.1 大數(shù)據(jù)分析

大數(shù)據(jù)分析是指對(duì)海量、動(dòng)態(tài)變化的數(shù)據(jù)集進(jìn)行深度分析(Deep Analysis)，提取出隱含的、先前未知的、有潛在價(jià)值的信息，用以提供決策支持。它主要基于人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別等技術(shù)，自動(dòng)化地分析大數(shù)據(jù)，做出歸納性的推理，從中挖掘出潛在的數(shù)據(jù)價(jià)值，提取出有用的信息，常用的方法有決策樹、聚類、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、關(guān)聯(lián)規(guī)則、實(shí)例學(xué)習(xí)、半監(jiān)督學(xué)習(xí)等［4］。

大數(shù)據(jù)技術(shù)的興起是為了應(yīng)對(duì)兩個(gè)方面的趨勢(shì)和挑戰(zhàn)［5］:一是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理技術(shù)難以滿足規(guī)模大、類型多、變化快的數(shù)據(jù)處理需求，產(chǎn)生了以MapReduce為代表的非關(guān)系型數(shù)據(jù)管理技術(shù);二是隨著數(shù)據(jù)深度分析需求的增長，人們不再滿足于從數(shù)據(jù)集中獲取已存的數(shù)據(jù)，而希望通過對(duì)數(shù)據(jù)的深入分析發(fā)現(xiàn)隱含的知識(shí)，即我們所說的大數(shù)據(jù)分析。

Tony Hey等在《The Fourth Paradigm:Data-Intensive Scientific Discovery》［6］中指出，科學(xué)研究在實(shí)驗(yàn)實(shí)證、理論分析、計(jì)算模擬3種研究模式基礎(chǔ)上誕生了第四種研究模式——數(shù)據(jù)密集型(Data Intensive)研究模式，即不再從已知的規(guī)則中計(jì)算推理，而是從數(shù)據(jù)中尋找問題的答案，獲得理論上的突破。

1.2 常見裝備體系評(píng)估方法分析

常見的裝備體系評(píng)估方法［7］主要有專家評(píng)估法、解析評(píng)估法、仿真評(píng)估法等3類。

專家評(píng)估法包括德爾菲法、頭腦風(fēng)暴法、交叉影響分析法等，通過專家掌握的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)研究問題的定性評(píng)價(jià)，該方法適用于缺少資料和數(shù)據(jù)的情況，但由于其判斷的主觀性較強(qiáng)，不能作為主要的評(píng)估方法。

解析評(píng)估法包括指數(shù)評(píng)估法、ADC評(píng)估法、Lanchester方程評(píng)估法等，通過建立評(píng)估指標(biāo)與給定條件之間函數(shù)關(guān)系計(jì)算體系效能，該方法具有明確的解析公式，各變量之間的分析與計(jì)算較為直觀簡單，因此應(yīng)用十分廣泛。但解析評(píng)估法中涉及的先驗(yàn)知識(shí)和權(quán)重設(shè)置受人為因素的影響，而且對(duì)于作戰(zhàn)過程中的對(duì)抗行為考慮較少，難以滿足裝備體系評(píng)估的需求。

仿真評(píng)估法包括多Agent仿真評(píng)估法、HLA分布式仿真評(píng)估法、Monte Carlo仿真評(píng)估法等，通過將仿真數(shù)據(jù)輸入到體系仿真模型中，分析仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行裝備體系效能評(píng)估，該方法利于體現(xiàn)各裝備實(shí)體之間的交互作用，具有較高的可信度，其缺點(diǎn)是仿真模型的構(gòu)建過程十分復(fù)雜，而且難以校驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?yōu)劣程度。

1.3 基于BDA的體系評(píng)估思路

基于對(duì)以上裝備體系評(píng)估方法的分析，本文探索將大數(shù)據(jù)分析技術(shù)應(yīng)用到裝備體系評(píng)估中，提高裝備體系評(píng)估的效果。常見的裝備體系評(píng)估方法通常采用經(jīng)驗(yàn)打分、解析計(jì)算、仿真模擬等手段盡可能真實(shí)地表述裝備體系的評(píng)估過程，是一種面向“過程”的研究模式。而大數(shù)據(jù)分析技術(shù)關(guān)注數(shù)據(jù)處理結(jié)果的分析與挖掘，不關(guān)心數(shù)據(jù)處理的中間過程，是一種“知其然，不知其所以然”的“黑盒”模式。正如“購物籃”案例中處理的數(shù)據(jù)是各種商品組成的訂單，是顧客所購買商品的結(jié)果，并不關(guān)心挑選商品的過程。同樣，基于BDA的裝備體系評(píng)估也要弱化評(píng)估的過程，注重分析不同裝備體系的輸入以及其能力的評(píng)估結(jié)果，得出特定裝備組合對(duì)于體系能力的影響，發(fā)現(xiàn)制約裝備體系能力的“瓶頸”。

基于BDA的裝備體系評(píng)估理想的數(shù)據(jù)輸入是真實(shí)的裝備體系和其在實(shí)際表現(xiàn)中的能力評(píng)估結(jié)果，然而如果測(cè)試不同的裝備體系在各種想定條件下的能力表現(xiàn)，其工作量和成本是難以估量的。因此要利用實(shí)驗(yàn)仿真方法，通過建立實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)，將裝備體系以實(shí)體數(shù)據(jù)集合的形式代入到系統(tǒng)中，進(jìn)行想定任務(wù)條件下的實(shí)驗(yàn)仿真，并評(píng)估其能力表現(xiàn)。大量測(cè)試的裝備體系以及通過仿真獲得的評(píng)估結(jié)果數(shù)據(jù)，可以作為基于BDA的裝備體系評(píng)估的處理對(duì)象。

2 基于BDA的裝備體系評(píng)估模型

基于BDA的裝備體系評(píng)估模型設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)集成模塊、仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)模塊、裝備體系能力評(píng)估模塊和基于BDA的裝備體系分析模塊4部分，圖1給出了基于BDA的裝備體系評(píng)估的模型框架。

圖1 基于BDA的裝備體系評(píng)估模型

2.1 數(shù)據(jù)集成模塊

數(shù)據(jù)集成模塊為基于BDA的裝備體系評(píng)估提供所需的各類數(shù)據(jù)，可以分為裝備實(shí)體數(shù)據(jù)和體系基礎(chǔ)數(shù)據(jù)兩類。這些數(shù)據(jù)需要集成為全局、統(tǒng)一的視圖，用標(biāo)準(zhǔn)的語言描述數(shù)據(jù)的概念和關(guān)系，使之能夠被評(píng)估系統(tǒng)準(zhǔn)確無誤地理解。

裝備實(shí)體數(shù)據(jù)是多源裝備數(shù)據(jù)庫的集合，是評(píng)估系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)。它廣泛集成了可獲取的所有真實(shí)裝備數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)來源主要有裝備部門管理的裝備數(shù)據(jù)庫、相關(guān)業(yè)務(wù)單位構(gòu)建的裝備數(shù)據(jù)庫，以及從互聯(lián)網(wǎng)收集的外軍裝備數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)主要包括裝備的編號(hào)、型號(hào)、戰(zhàn)技指標(biāo)、所屬部門、部署位置、服役時(shí)間等信息。

體系基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是支撐體系評(píng)估的各類基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)的集合，包括作戰(zhàn)想定數(shù)據(jù)、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)和作戰(zhàn)力量數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，一般采用文本、XML或其它形式化語言描述。作戰(zhàn)想定數(shù)據(jù)描述作戰(zhàn)的意圖、兵力的配置、作戰(zhàn)協(xié)同計(jì)劃、作戰(zhàn)原則與規(guī)律等信息。戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)主要描述戰(zhàn)場(chǎng)的所在區(qū)域、氣象環(huán)境、電磁環(huán)境等信息。作戰(zhàn)力量數(shù)據(jù)包括編制數(shù)據(jù)、區(qū)域數(shù)據(jù)等信息，其中編制數(shù)據(jù)明確了部隊(duì)編制體制的隸屬關(guān)系，區(qū)域數(shù)據(jù)明確了作戰(zhàn)區(qū)域的位置信息。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)模塊

在特定的想定任務(wù)條件下，仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)模塊為基于BDA的裝備體系評(píng)估提供仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)輸入，一方面生成用于測(cè)試的裝備體系，另一方面設(shè)定仿真實(shí)驗(yàn)的初始條件。將這些數(shù)據(jù)輸入到評(píng)估系統(tǒng)中，分別對(duì)每個(gè)測(cè)試裝備體系進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

首先，按照想定的約束規(guī)則抽取滿足條件的裝備數(shù)據(jù)作為參與仿真的實(shí)體，并隨機(jī)生成大量的測(cè)試裝備體系。想定約束規(guī)則是對(duì)想定任務(wù)中裝備實(shí)體數(shù)據(jù)的限制和要求，例如，某想定任務(wù)中要求“海軍”完成這一任務(wù)，那么只有隸屬關(guān)系屬于“海軍”的裝備才滿足這一想定約束規(guī)則的要求。將所有滿足結(jié)束規(guī)則的裝備，隨機(jī)地組合為用于測(cè)試的裝備體系。

然后，根據(jù)想定方案抽取相應(yīng)的體系基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將涉及到的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)和作戰(zhàn)力量數(shù)據(jù)作為仿真實(shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)。例如，某想定任務(wù)要求戰(zhàn)場(chǎng)位置為X區(qū)域，要求參與的部隊(duì)為“海軍”，則需要提取X區(qū)域的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，以及與“海軍”相關(guān)的作戰(zhàn)力量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確描述仿真實(shí)驗(yàn)的預(yù)設(shè)條件。

2.3 體系能力評(píng)估模塊

體系能力評(píng)估模塊是在實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)條件下對(duì)測(cè)試裝備體系進(jìn)行的能力評(píng)估，為每個(gè)測(cè)試裝備體系給出能力評(píng)價(jià)，包括仿真實(shí)驗(yàn)引擎、作戰(zhàn)效果計(jì)算、裝備體系能力評(píng)估3部分。其中仿真實(shí)驗(yàn)引擎能夠根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)條件模擬實(shí)驗(yàn)過程。

首先，從仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)模塊中提取仿真初始數(shù)據(jù)輸入到仿真實(shí)驗(yàn)引擎中，仿真實(shí)驗(yàn)引擎按照初始數(shù)據(jù)中任務(wù)想定所描述的作戰(zhàn)流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，模擬測(cè)試裝備體系對(duì)目標(biāo)實(shí)施預(yù)警、探測(cè)、電子對(duì)抗、打擊等動(dòng)作，并根據(jù)各裝備的性能指標(biāo)產(chǎn)生裝備業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

其次，作戰(zhàn)效果計(jì)算部分對(duì)裝備業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，例如通過處理雷達(dá)的頻譜數(shù)據(jù)分析目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性等。綜合分析各類裝備業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，得出測(cè)試裝備體系對(duì)目標(biāo)進(jìn)行預(yù)警、探測(cè)、毀傷動(dòng)作的作戰(zhàn)效果。

然后，裝備體系能力評(píng)估部分結(jié)合評(píng)估指標(biāo)體系對(duì)測(cè)試裝備體系的能力進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估指標(biāo)體系中規(guī)范地給出了描述裝備體系能力的定量指標(biāo)和定性指標(biāo)，將測(cè)試裝備體系作戰(zhàn)效果與估指標(biāo)體系進(jìn)行對(duì)比分析，給出測(cè)試裝備體系的能力評(píng)估結(jié)果。

2.4 基于BDA的裝備體系分析模塊

基于BDA的裝備體系分析模塊是對(duì)大量仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，挖掘裝備組合與體系能力之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系、裝備體系與任務(wù)環(huán)境之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上提供想定條件下的裝備體系輔助決策信息。

首先，采集和輸入仿真實(shí)驗(yàn)中測(cè)試裝備體系、體系能力評(píng)估結(jié)果、想定任務(wù)環(huán)境等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具有海量、多態(tài)等大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，基于BDA的裝備體系分析引擎將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和預(yù)處理，消除數(shù)據(jù)的異構(gòu)性問題，把每次仿真實(shí)驗(yàn)中涉及的數(shù)據(jù)整理為可供分析的樣本數(shù)據(jù)。

然后，以提高裝備體系能力為目標(biāo)，裝備體系分析引擎重點(diǎn)考察體系能力評(píng)估結(jié)果較好的樣本數(shù)據(jù)集，采用聚類、關(guān)聯(lián)規(guī)則、半監(jiān)督學(xué)習(xí)等大數(shù)據(jù)分析方法挖掘仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中隱含的規(guī)律，分析在不同任務(wù)環(huán)境條件下裝備組合與體系能力的關(guān)聯(lián)關(guān)系、裝備對(duì)體系能力的貢獻(xiàn)程度，分析的結(jié)果可以為裝備體系的構(gòu)建提供輔助決策信息。在想定任務(wù)條件下進(jìn)行作戰(zhàn)時(shí)，相應(yīng)的信息可以作為裝備體系構(gòu)建和部署的重要參考。

3 基于BDA的裝備體系評(píng)估實(shí)例

為了更好地說明基于BDA的裝備體系評(píng)估，本文給出一個(gè)對(duì)電子信息裝備體系的偵察能力進(jìn)行評(píng)估的簡單實(shí)例，詳細(xì)闡述評(píng)估的具體步驟。

仿真實(shí)驗(yàn)的作戰(zhàn)想定任務(wù)為復(fù)雜電磁環(huán)境下的對(duì)空目標(biāo)偵察，假設(shè)目標(biāo)戰(zhàn)斗機(jī)于T時(shí)刻在X區(qū)域以750km/h的速度自東向西行駛，飛行高度為1000m。

按照該想定，從裝備數(shù)據(jù)庫中抽取具有對(duì)空目標(biāo)偵察功能的裝備，且能保證在T時(shí)刻可以作用于X區(qū)域。滿足條件的裝備及相關(guān)參數(shù)如表1所示，其中偵察衛(wèi)星是經(jīng)解算軌道方程后得出在T時(shí)刻覆蓋X區(qū)域。

從列表中隨機(jī)抽取任意數(shù)量的裝備組成測(cè)試裝備體系，如圖2所示，將其和相應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)一起輸入到裝備體系能力評(píng)估系統(tǒng)中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入裝備的探測(cè)范圍后，系統(tǒng)將采集各裝備對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生的偵察數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合解算，得出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性。仿真完成后，將獲得的結(jié)果與預(yù)設(shè)的目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，參照指標(biāo)評(píng)價(jià)體系給出測(cè)試裝備體系的偵察能力結(jié)果。以此類推，對(duì)產(chǎn)生的大量測(cè)試裝備體系分別進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和能力評(píng)估，并記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)。

表1 滿足想定條件的裝備列表

圖2 復(fù)雜電磁環(huán)境下對(duì)空目標(biāo)偵察示意圖

分析大量想定任務(wù)環(huán)境下的測(cè)試裝備體系和體系能力的評(píng)估結(jié)果，對(duì)體系能力表現(xiàn)優(yōu)秀的(能力評(píng)估值在前10%的)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行聚類挖掘。發(fā)現(xiàn)這些測(cè)試裝備體系普遍是偵察衛(wèi)星、無人機(jī)和雷達(dá)3種裝備的組合。并且可以得出，有無偵察衛(wèi)星對(duì)體系能力的影響較大;雷達(dá)數(shù)量(小于6時(shí))的增加與體系能力的增加成正比，雷達(dá)數(shù)量(大于6時(shí))的增加對(duì)體系能力的增加貢獻(xiàn)不大。此外，還發(fā)現(xiàn)較新的無人機(jī)XX-4的性能優(yōu)于其它型號(hào)的無人機(jī);雷達(dá)XX-14雖然較XX-27的性能略有不足，但其和衛(wèi)星聯(lián)合后能力更強(qiáng)，等等。這些結(jié)論有利于決策者在不同的想定條件下，選取適合任務(wù)環(huán)境的裝備組合，發(fā)揮裝備體系的整體作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語

本文嘗試將大數(shù)據(jù)分析的方法應(yīng)用到裝備體系評(píng)估中，設(shè)計(jì)了基于BDA的裝備體系評(píng)估模型，通過分析仿真實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，挖掘裝備與體系之間、想定任務(wù)與體系之間、體系與體系能力之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為想定任務(wù)條件下的裝備部署提供輔助決策支持?；贐DA的裝備體系評(píng)估是對(duì)裝備體系評(píng)估方法的一次創(chuàng)新和嘗試，下一步工作將細(xì)化模型中各模塊的功能設(shè)置，有針對(duì)性地研究數(shù)據(jù)處理算法，為裝備體系的構(gòu)建發(fā)展提供有價(jià)值的信息。

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