基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的協(xié)同決策模型性能分析

韓瀟弘毅,吳　聰

(1.空軍西安飛行學(xué)院,陜西 西安　710306;2.國防信息學(xué)院,湖北 武漢　430010)

基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的協(xié)同決策模型性能分析

韓瀟弘毅1,吳聰2

(1.空軍西安飛行學(xué)院,陜西 西安710306;2.國防信息學(xué)院,湖北 武漢430010)

摘要:為探索信息化作戰(zhàn)中指揮控制關(guān)鍵因素,提出改進(jìn)作戰(zhàn)指揮體制的對(duì)策措施,采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論,對(duì)協(xié)同決策的結(jié)構(gòu)、參與者和信息反饋關(guān)系等關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的協(xié)同決策模型并進(jìn)行了模擬仿真。結(jié)果表明，增加指揮控制機(jī)構(gòu)之間的信息共享可以有效提升協(xié)同決策的效率,為建立協(xié)同決策指揮控制體制提供了借鑒意義。

關(guān)鍵詞:協(xié)同決策;指揮控制;系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

2015年,國防戰(zhàn)略提出了基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)發(fā)展方向,改變了傳統(tǒng)機(jī)械化的作戰(zhàn)模式?？梢哉f,基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)戰(zhàn)略既提出了發(fā)展機(jī)遇,又提出了發(fā)展挑戰(zhàn)。其中,指揮控制效能的高低,對(duì)基于信息系統(tǒng)的武器裝備體系能力生成具有重要的影響[1],因此有必要深入探討信息化條件下的指揮控制模式,分析影響指揮控制的關(guān)鍵因素,進(jìn)而提出有利于促進(jìn)指揮控制效能的對(duì)策措施。

指揮控制分為機(jī)械化時(shí)代的個(gè)體決策和信息化時(shí)代的協(xié)同決策兩種,個(gè)體決策以O(shè)ODA(Observe, Orient, Decide, Act)模型描述為典型代表[2],目前描述協(xié)同決策的指揮控制過程模型處于積極探索階段,文獻(xiàn)[3]在OODA模型基礎(chǔ)上強(qiáng)調(diào)了信息因素的作用,提出了描述協(xié)同決策過程的OODAI(Observe, Orient, Decide, Act, Information)模型。然而,文獻(xiàn)[3]只對(duì)信息內(nèi)涵和頂層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,并未涉及具體的對(duì)策措施。除此之外,信息化條件下的指揮控制3層扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已經(jīng)獲得了廣泛認(rèn)可。那么,如何在3層指揮控制結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)OODAI模式,是一個(gè)值得深入探討的問題。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(System Dynamics,SD)是一門分析研究信息回饋系統(tǒng)的學(xué)科,用回路描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu),用因果關(guān)系描述系統(tǒng)聯(lián)系,用流圖描述協(xié)同要素的性質(zhì)和本質(zhì)規(guī)律,用差分方程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定量描述[4]。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)可以結(jié)合定性、定量以及計(jì)算機(jī)模擬分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和信息回饋關(guān)系,有利于探索研究協(xié)同決策指揮控制的作用機(jī)理及影響關(guān)系。在上述研究基礎(chǔ)上,論文基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué),對(duì)協(xié)同決策的關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析,期望提出有利于促進(jìn)指揮控制效能的對(duì)策措施,為基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)戰(zhàn)略提供借鑒。

1協(xié)同決策指揮控制關(guān)鍵因素分析

通過文獻(xiàn)[3]可知,個(gè)體決策和協(xié)同決策的關(guān)鍵區(qū)別在于信息結(jié)構(gòu)方面,文獻(xiàn)[3]中的OODAI模型如圖1所示。

圖1　OODAI模型

圖1中,當(dāng)指揮控制者與武器裝備處于同時(shí)空時(shí),I處(信息因素)影響不大,OODAI短路為OODA;當(dāng)指揮控制者與武器裝備處于跨時(shí)空時(shí),指揮控制者與武器裝備通過I(信息)形成關(guān)系。此處,若為局部小規(guī)模的信息化作戰(zhàn),OODAI形成立體結(jié)構(gòu),若為大規(guī)模的信息化作戰(zhàn),OODAI形成以I為樞紐的云端,形成具有復(fù)雜關(guān)系的協(xié)同決策模型。因此,從OODAI模型可以看出,OODAI的參與者、指揮控制結(jié)構(gòu)和信息反饋關(guān)系是協(xié)同決策的關(guān)鍵因素。

在軍事領(lǐng)域中,人與武器關(guān)系形成的戰(zhàn)斗力系統(tǒng)是重要的基礎(chǔ)理論[5]。而人是協(xié)同決策的主要對(duì)象,根據(jù)文獻(xiàn)[6]對(duì)武器裝備體系的認(rèn)識(shí),可將人分為操縱者、指揮控制者和決策者三類,將戰(zhàn)爭層次分為戰(zhàn)略、戰(zhàn)役和戰(zhàn)斗三層,將武器裝備分為監(jiān)視、指控和打擊三類;根據(jù)OODAI中同時(shí)空和跨時(shí)空信息描述,可將操縱者與武器裝備形成的OODA稱為作戰(zhàn)單元。綜上所述,可認(rèn)為OODAI形成協(xié)同決策指揮控制的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中分為戰(zhàn)略、戰(zhàn)役和戰(zhàn)斗3層協(xié)同決策指揮控制過程。其中,決策者居于戰(zhàn)略層,是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)爭層次躍遷的主要群體;指揮控制者處于戰(zhàn)役層,是實(shí)現(xiàn)決策者意圖,通過調(diào)度作戰(zhàn)單元形成具有一定能力武器裝備體系的主要群體,指揮控制者和指揮控制武器裝備實(shí)現(xiàn)指控功能;作戰(zhàn)單元處于戰(zhàn)斗層,是武器裝備體系對(duì)抗的主要執(zhí)行者,分為監(jiān)視和打擊兩種類型。決策者、指揮控制者和作戰(zhàn)單元構(gòu)成OODAI,其中,決策者和指揮控制者偏重于OODAI,而作戰(zhàn)單元偏重于OODA。

圖2　協(xié)同決策指揮控制結(jié)構(gòu)

2系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

根據(jù)上文闡述,可基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)構(gòu)建協(xié)同決策分析模型[7-9],如圖3所示。

圖3　基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的協(xié)同決策分析

根據(jù)如圖2所示的三層結(jié)構(gòu),圖3模型分為戰(zhàn)場作戰(zhàn)單元、指揮控制者調(diào)度和決策者決議3個(gè)不同部分。其中,戰(zhàn)場作戰(zhàn)單元是信息化戰(zhàn)爭的主要執(zhí)行者,指揮控制者期望在戰(zhàn)爭中維持一定數(shù)量的優(yōu)勢,保證較強(qiáng)的監(jiān)視和打擊能力。而戰(zhàn)場作戰(zhàn)單元由于戰(zhàn)爭損耗,數(shù)量會(huì)逐步減少。在此情況下,指揮控制者要根據(jù)期望優(yōu)勢數(shù)量分析戰(zhàn)場數(shù)量差,保證調(diào)度合適比例的作戰(zhàn)單元補(bǔ)充到戰(zhàn)場中去,因此需要綜合態(tài)勢做出決策,并進(jìn)行調(diào)度。指揮控制者可調(diào)度數(shù)量來源于決策者的支持,決策者宏觀把握多個(gè)戰(zhàn)場,要對(duì)整體資源進(jìn)行配置。決策者期望在有限的配置內(nèi),指揮控制者能夠完成決策需求,因此決策者根據(jù)指揮控制者期望調(diào)度數(shù),進(jìn)行配置活動(dòng)。然而,決策者的配置資源并不是無限的,決策者要通過決議決定可消耗的資源并進(jìn)行配置活動(dòng)。因此,決策者本身還要進(jìn)行資源規(guī)劃,以配置足夠的資源支持戰(zhàn)場行動(dòng)。從戰(zhàn)場對(duì)作戰(zhàn)單元的消耗,到指揮控制者調(diào)度和決策者決議,其中存在延時(shí)現(xiàn)象。圖3構(gòu)建了一個(gè)扁平化的三層指揮控制結(jié)構(gòu),下面利用計(jì)算機(jī)模擬對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行分析。

3SD模型構(gòu)建和對(duì)抗過程模擬

根據(jù)第2節(jié)分析,可利用Vensim軟件構(gòu)建具有3層指揮控制結(jié)構(gòu)的模型。在OODAI指導(dǎo)下,可對(duì)3層指揮控制結(jié)構(gòu)中的OODA進(jìn)行建模[10],如圖4所示。

圖4　Vensim構(gòu)建的OODA過程模擬模型

圖4中,決策者、指揮控制者和作戰(zhàn)單元的操縱者之間存在OODA的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu),即作戰(zhàn)單元中的操縱者根據(jù)損耗率估算戰(zhàn)場需求,將此匯總給指揮控制者。指揮控制者根據(jù)戰(zhàn)場需求做出調(diào)度申請并匯總給集成者,決策者根據(jù)調(diào)度申請做出配置需求。在配置需求支持下,決策者、指揮控制者逐層調(diào)度并影響戰(zhàn)場作戰(zhàn)單元比例。

在如圖4所示模型基礎(chǔ)上,可假設(shè)一:

1)假設(shè)前4分鐘雙方處于對(duì)抗相持階段,對(duì)抗損耗率為1000個(gè)/min。從第5分鐘開始,對(duì)抗方開始調(diào)整,損耗率處于波動(dòng)狀態(tài),為±200,均值為0,波動(dòng)次數(shù)為100,波動(dòng)持續(xù)時(shí)間為200min,隨即因子為4；

2)作戰(zhàn)開始之前,各級(jí)部署完畢,配置、調(diào)度和優(yōu)勢數(shù)量均為3000；

3)配置延時(shí)、決策延時(shí)均為3min;期望持續(xù)時(shí)間為3min、調(diào)整時(shí)間為4min、系統(tǒng)運(yùn)行平均時(shí)間為5min。

在假設(shè)一基礎(chǔ)上,可設(shè)置如圖4中的方程函數(shù)如表1所示。

表1　參數(shù)定義(部分)

在上述假設(shè)基礎(chǔ)上,將如表1所示的參數(shù)輸入如圖4所示模型,設(shè)置模擬時(shí)間為200min,步長為1,可獲得結(jié)果如圖5所示。

圖5　假設(shè)一對(duì)抗模擬參數(shù)圖

從圖5中可以看出,各級(jí)決策者之間的作戰(zhàn)單元調(diào)度具有明顯牛鞭效應(yīng)。牛鞭效應(yīng)是下級(jí)到上級(jí)波動(dòng)逐漸增大的效應(yīng),下級(jí)如作戰(zhàn)單元基數(shù)大,上級(jí)如決策者基數(shù)小,下級(jí)的波動(dòng)效應(yīng)較小,然而到上級(jí)卻逐步增大,給決策者帶來了較大的困難。削弱牛鞭效應(yīng)主要有調(diào)節(jié)指揮控制的層次結(jié)構(gòu)和信息結(jié)構(gòu)[11-12]。然而,由于3層指揮控制結(jié)構(gòu)得到了目前廣泛認(rèn)可,因此,調(diào)整信息結(jié)構(gòu)實(shí)踐性更強(qiáng)。

圖6　Vensim構(gòu)建的OODAI過程模擬

在圖4基礎(chǔ)上,調(diào)整信息結(jié)構(gòu)之后的模型如圖6所示。圖6增加了各級(jí)決策者之間的信息共享程度,決策者和指揮控制者能夠及時(shí)掌握戰(zhàn)場作戰(zhàn)單元變化情況,如新添的紅色箭頭。在此影響下,調(diào)度申請和配置需求的計(jì)劃不再按照調(diào)度預(yù)測和配置預(yù)測進(jìn)行規(guī)劃,而是按照掌握的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)行規(guī)劃。在如圖6所示模型基礎(chǔ)上,假設(shè)二與假設(shè)一初始條件完全相同,只是信息結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,其中參數(shù)變化如表2所示。

表2　參數(shù)變化

在上述假設(shè)基礎(chǔ)上,將表2所示的參數(shù)變化情況輸入圖6所示模型,設(shè)置模擬時(shí)間為200min,步長為1,可獲得結(jié)果如圖7所示。

圖7　假設(shè)二對(duì)抗模擬參數(shù)圖

對(duì)比圖1和圖2可以看出,牛鞭效應(yīng)明顯得到了改善?？梢哉f明,在不改變指揮控制層次結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,改善信息結(jié)構(gòu),增加各級(jí)指揮控制者之間的信息共享力度,可以有效改善指揮控制層次中的牛鞭效應(yīng)。

比較如圖5和如圖6模擬結(jié)果,可得出如下結(jié)論:

1)無論指揮控制機(jī)構(gòu)有幾層結(jié)構(gòu),自下而上一定幾率存在牛鞭效應(yīng)。指揮控制機(jī)構(gòu)越多,指揮控制鏈路越長,指揮控制層次之間的信息傳遞局限于上下級(jí)之間,牛鞭效應(yīng)越劇烈。同時(shí),下級(jí)指揮控制機(jī)構(gòu)數(shù)量普遍較多,上級(jí)指揮控制機(jī)構(gòu)數(shù)量普遍較少,為了有效抵消牛鞭效應(yīng),必須要構(gòu)建龐大的上級(jí)指揮控制機(jī)構(gòu),但這樣容易導(dǎo)致指揮控制機(jī)構(gòu)臃腫,降低機(jī)動(dòng)靈活性。

2)一般認(rèn)為,自上而下的3層指揮控制結(jié)構(gòu)是構(gòu)建信息化扁平指揮控制網(wǎng)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。然而,通過模擬仿真可以發(fā)現(xiàn),如果仍然采用OODA思路,上下級(jí)之間進(jìn)行信息傳遞,仍然會(huì)存在嚴(yán)重的牛鞭效應(yīng)。因此可以認(rèn)為,3層指揮控制結(jié)構(gòu)比3層以上的結(jié)構(gòu)更加優(yōu)越,然而,不重視信息共享,3層指揮控制結(jié)構(gòu)也難以適應(yīng)快節(jié)奏的信息化作戰(zhàn)環(huán)境。

3)一定要全力打造指揮控制機(jī)構(gòu)之間的信息共享環(huán)境。圖6所示的模型和圖4所示的模型在參與者、指揮控制結(jié)構(gòu)因素方面不變,僅僅調(diào)整了部分信息反饋關(guān)系,就有效降低了牛鞭效應(yīng)。可以看出,在3層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,增加指揮控制機(jī)構(gòu)之間的信息共享關(guān)系,可以有效緩解牛鞭效應(yīng),因此必須全力打造指揮控制機(jī)構(gòu)之間的信息共享環(huán)境。

4結(jié)束語

本文通過引入系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論,提出了改進(jìn)作戰(zhàn)指揮體制的對(duì)策措施,對(duì)協(xié)同決策的結(jié)構(gòu)、參與者和信息反饋等關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析,著重從OODA和OODAI兩個(gè)角度出發(fā),研究得出信息結(jié)構(gòu)的重要性,并通過SD模型建立和對(duì)抗過程模擬仿真,發(fā)現(xiàn)3層的指揮控制結(jié)構(gòu)以及增加指揮控制機(jī)構(gòu)之間的信息共享可以有效地削弱牛鞭效應(yīng),提升協(xié)同決策的效率,為基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)能力生成提供了一定的理論依據(jù)。下一步將繼續(xù)完善模擬模型并進(jìn)一步分解相關(guān)因素,期望獲得深入完善的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。

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Performance Analysis of Collaborative Decision Model based on System Dynamics

HAN Xiao-hong-yi1, WU Cong2

(1.Air Force Xi’an Flight Academy, Xi’an 710306; 2.National Defence College of Information, Wuhan 430010, China)

Abstract:In order to seek the key factors of command and control in information operations, and find the countermeasures to improve operational control system. The key factors of collaborative decision framework、actor and information feedback, which based on system dynamics, are analyzed in this paper. Then the collaborative decision model which based on System Dynamics is built and simulated. The results show that it is effective to improve efficiency in collaborative decision by increasing information sharing among each command and control institutions. It provides a reference for establishing the collaborative decision command and control systems.

Key words:collaborative decision; command and control; system dynamic

文章編號(hào)：1673-3819(2016)03-0046-05

收稿日期：2016-03-14

作者簡介：韓瀟弘毅(1990-),男,江西吉安人，碩士,助教,研究方向?yàn)槲淦餮b備協(xié)同作戰(zhàn)。

中圖分類號(hào):E917

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.03.008

修回日期： 2016-03-30

吳聰(1988-),男,碩士,助教。