基于聯(lián)機(jī)分析處理技術(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法*

耿松濤，操新文，李曉寧，原曉波

（1.國防大學(xué)聯(lián)合作戰(zhàn)學(xué)院，石家莊 050084；2.解放軍31683部隊(duì)，蘭州 730300）

0 引言

現(xiàn)代軍事問題研究已經(jīng)越來越多地借助于實(shí)驗(yàn)的方法，美軍認(rèn)為組織作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)的能力是21世紀(jì)軍隊(duì)必備的核心能力之一[1]。一例成功的作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)，除了富有創(chuàng)造性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)外，還要有科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。只有通過有效的數(shù)據(jù)分析，才能從大量無序的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，挖掘出有意義的結(jié)論，發(fā)現(xiàn)軍事問題規(guī)律。隨著信息化戰(zhàn)爭的不斷發(fā)展，作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)兵演習(xí)等軍事活動(dòng)產(chǎn)生各種實(shí)驗(yàn)因素、實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的數(shù)據(jù)量大幅度上升，從而對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析能力提出了更高的要求。

雖然經(jīng)濟(jì)金融行業(yè)中的數(shù)據(jù)分析方法已經(jīng)比較成熟，但是作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)分析相對比較匱乏，數(shù)據(jù)分析的方法比較單一，實(shí)用性、可操作性相對較差。所查到的文獻(xiàn)中只有軍事科學(xué)院外國軍事研究部翻譯的《恐怖的海峽？中臺(tái)對抗的軍事問題與美國的政策選擇》報(bào)告中，通過定性與定量相結(jié)合的數(shù)據(jù)分析方法，對仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究[2]，但對于因果分析的研究相對較少。文獻(xiàn)[3]中對數(shù)據(jù)挖掘分析、支撐向量機(jī)等方法進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[4]提出的對仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)多層面、多粒度的挖掘和合成等方法進(jìn)行了研究。綜合來說，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)因果分析研究在成熟性、實(shí)用性、便捷性等方面還存在明顯不足。

1 實(shí)驗(yàn)要素分析的需求

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡牟煌?，探索性?shí)驗(yàn)大致可分析尋優(yōu)、尋需、尋規(guī)律3類，本文主要致力于研究適用于尋規(guī)律實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析方法。探索性分析的基本思想是廣泛地試探各種條件下所可能產(chǎn)生的結(jié)果，理解不確定性因素對于想定問題的影響，所以要重點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)要素（實(shí)驗(yàn)因子）分析[5]。根據(jù)尋規(guī)律的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?shí)驗(yàn)要素分析可歸納為4類需求。

第1類需求：分析在某種特定條件下，比如某變量取固定值時(shí)，其他變量對考察指標(biāo)的影響關(guān)系。比如想知道當(dāng)選擇雷達(dá)Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和地面情報(bào)與指揮中心Ⅶ為作戰(zhàn)目標(biāo)時(shí)，對抗手段和兵力規(guī)模兩個(gè)方案因素的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，考察特定目標(biāo)選擇組合情況下這兩個(gè)維度對防空預(yù)警系統(tǒng)的探測距離的影響關(guān)系。

第2類需求：通過展示更為細(xì)節(jié)的數(shù)據(jù)，分析考察指標(biāo)隨某個(gè)變量的細(xì)微變化過程；或者匯總細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，從總體上把握影響規(guī)律。

第3類需求：分析多個(gè)變量交叉或者組合情況下對考察指標(biāo)的影響，比如說選定不同作戰(zhàn)目標(biāo)組合時(shí)，考察干擾方式對效能指標(biāo)的影響關(guān)系；或者改變交叉關(guān)系或者組合次序時(shí)，分析新的交叉或組合對考察指標(biāo)的影響，比如說不同干擾方式下，目標(biāo)組合對效能指標(biāo)的影響關(guān)系。

第4類需求：篩選一批滿足特定條件的數(shù)據(jù)，對新的數(shù)據(jù)集進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

實(shí)驗(yàn)要素分析的目標(biāo)并不是找一個(gè)最優(yōu)點(diǎn)，更注重分析不同方案因素對結(jié)果的影響，注重把握系統(tǒng)內(nèi)部的規(guī)律，這個(gè)目標(biāo)決定了尋規(guī)律仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)量必然會(huì)很大，而且會(huì)隨著考察因素的增多而呈指數(shù)增長，所以必須研究合適的數(shù)據(jù)分析技術(shù)。

2 基于OLAP的探索分析方法

根據(jù)方案要素分析的4類需求，聯(lián)機(jī)分析處理技術(shù)（OLAP）在針對性和靈活性方面優(yōu)于數(shù)據(jù)挖掘，且OLAP分析技術(shù)具有圖示化的表現(xiàn)能力，直觀形象，便于充分表現(xiàn)各類影響關(guān)系，適于進(jìn)行基于預(yù)期的數(shù)據(jù)分析。

2.1 OLAP探索分析的基本概念

針對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析需求，這里基于OLAP的操作理念、數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)組織方式和探索性分析的基本思想，提出一個(gè)OLAP探索分析的概念，基本思想是：為了全面把握各種關(guān)鍵要素，把仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)倉庫的形式組織和管理，利用OLAP的切片、切塊、旋轉(zhuǎn)、鉆取、過濾等基本分析技術(shù)，進(jìn)行多層次、多角度、反復(fù)地進(jìn)行探索分析，廣泛地試探各種條件下所可能產(chǎn)生的結(jié)果，幫助分析員發(fā)現(xiàn)或驗(yàn)證預(yù)期的或隱藏的知識(shí)或數(shù)據(jù)特征。

為什么選用OLAP作為尋規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)探索性分析方法的核心？OLAP，稱作聯(lián)機(jī)分析處理技術(shù)，又稱多維分析系統(tǒng)，可以在多個(gè)維的角度分析多個(gè)度量，也就是分析輸入變量或自變量與考察指標(biāo)的影響關(guān)系，目的在于發(fā)現(xiàn)趨勢和關(guān)鍵因素，具體是指對數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的一系列分析技術(shù)，主要有鉆取、切片、切塊、過濾和旋轉(zhuǎn)等[6]，適合進(jìn)行有指導(dǎo)的、基于預(yù)期的探測分析，而這恰好是探索性分析所要求的分析能力。

2.2 OLAP探索分析的主要技術(shù)

OLAP的幾個(gè)常用分析技術(shù)，即切片、切塊、鉆取、旋轉(zhuǎn)和過濾，是OLAP探索分析的基礎(chǔ)，這里給出這幾個(gè)分析技術(shù)的詳細(xì)概念和操作說明。結(jié)合探索分析的思想，提出切片探索、切塊探索、鉆取探索、旋轉(zhuǎn)探索和過濾探索的概念。下面具體分析OLAP探索分析的幾個(gè)主要分析方式：

1）切片探索：按一個(gè)或多個(gè)維的固定值從多維數(shù)據(jù)集中抽取匯總數(shù)據(jù)，考察其他維度和度量的多維統(tǒng)計(jì)結(jié)果。反復(fù)切片的過程稱作切片探索，適合解決實(shí)驗(yàn)要素分析的第1類需求。

2）切塊探索：抽取一個(gè)子立方體或多維數(shù)據(jù)集的切片集，兩次及兩次以上的切片操作就是切塊。反復(fù)切塊的過程稱作切塊探索，適合解決實(shí)驗(yàn)要素分析的第1類需求。

3）鉆取探索：根據(jù)各個(gè)維度取值的分類層次情況，實(shí)現(xiàn)按照各個(gè)層次逐層展開或者逐層收攏。向下鉆取能進(jìn)一步展現(xiàn)細(xì)致的數(shù)據(jù)，向上鉆取能展現(xiàn)數(shù)據(jù)總體情況。反復(fù)鉆取的過程稱作鉆取探索，適合解決實(shí)驗(yàn)要素分析的第2類需求。

4）旋轉(zhuǎn)探索：將多維數(shù)據(jù)集按軸旋轉(zhuǎn)，可以從不同角度查看數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)透視表中，維度分布在行和列上，通過行表頭及列表頭之間調(diào)換數(shù)據(jù)維的位置，可實(shí)現(xiàn)分析角度的變換。反復(fù)旋轉(zhuǎn)的過程稱作旋轉(zhuǎn)探索，適合解決實(shí)驗(yàn)要素分析的第3類需求。

5）過濾：按限定條件對多維數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選。反復(fù)過濾的過程稱作過濾探索，適合解決實(shí)驗(yàn)要素分析的第4類需求。

2.3 OLAP探索分析的操作實(shí)施

從Excel 2000開始，微軟將Excel開發(fā)成了OLAP前端分析工具，利用Excel的OLAP基本分析功能，實(shí)現(xiàn)OLAP探索分析[7]。實(shí)施步驟：

第1步 建立多維數(shù)據(jù)集。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存放在SQL Sever 2000管理的數(shù)據(jù)庫中，把標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系型運(yùn)算數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)換為星型模型的多維數(shù)據(jù)集時(shí)，關(guān)鍵完成下列3個(gè)步驟。

1）確定度量和維。

2）設(shè)計(jì)維表。

3）設(shè)計(jì)事實(shí)表。

在數(shù)據(jù)庫里建立多維數(shù)據(jù)集，基本是完成了一個(gè)依托于SQL Sever 2000的簡單數(shù)據(jù)倉庫。

第2步 創(chuàng)建Excel連接。連接Excel和數(shù)據(jù)倉庫，數(shù)據(jù)倉庫為OLAP分析提供數(shù)據(jù)。

第3步 實(shí)施OLAP探索分析。使用Excel為工具實(shí)施OLAP探索分析，并利用Excel的數(shù)據(jù)透視圖和數(shù)據(jù)透視表直觀地展現(xiàn)OLAP探索分析結(jié)果。

值得一提的是，Excel的數(shù)據(jù)透視圖既能直觀展示探索分析結(jié)果，同時(shí)也是一種交互式的可視化探索工具，幫助分析員直觀、方便靈活地從大量的結(jié)果數(shù)據(jù)中取得更多有價(jià)值的決策信息。

3 基于OLAP的電子對抗作戰(zhàn)部署要素分析

作戰(zhàn)部署是指揮員對作戰(zhàn)力量的任務(wù)區(qū)分、兵力編組和配置作出的安排，是作戰(zhàn)決心的重要內(nèi)容[8]。作為籌劃決策的必備環(huán)節(jié)，作戰(zhàn)方案評估主要是對方案優(yōu)劣的評估，在此基礎(chǔ)上，為更好擬制、調(diào)整部署方案，還需要了解部署方案要素對整個(gè)方案優(yōu)劣的影響關(guān)系。下面以對防空預(yù)警系統(tǒng)電子對抗作戰(zhàn)為例進(jìn)行說明。

3.1 構(gòu)建作戰(zhàn)部署方案探索空間

對電子對抗作戰(zhàn)部署的要素做簡化處理，選取目標(biāo)選擇、對抗手段、兵力規(guī)模3個(gè)核心要素，每個(gè)決策要素分別有多個(gè)備選方案。作戰(zhàn)部署方案是多階段決策的產(chǎn)物，所以作戰(zhàn)部署方案集或作戰(zhàn)部署方案探索空間可以采用結(jié)構(gòu)化的決策樹來表示[9]，如圖1所示，從根到葉節(jié)點(diǎn)的一條路徑表示一個(gè)作戰(zhàn)部署方案，用XML格式存貯，便于讀取和存儲(chǔ)。

圖1 電子對抗作戰(zhàn)部署方案決策樹

其中，目標(biāo)選擇方案中，Ⅰ、Ⅱ代表藍(lán)方機(jī)載預(yù)警雷達(dá)，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ代表藍(lán)方地面警戒雷達(dá)，Ⅶ代表預(yù)警機(jī)與地面的情報(bào)通信；對抗手段方案中，A代表地面干擾站對空中預(yù)警機(jī)系統(tǒng)遠(yuǎn)距離支援干擾，B代表干擾飛機(jī)對地面警戒雷達(dá)的遠(yuǎn)距離支援干擾，C代表反輻射無人機(jī)對警戒雷達(dá)的反輻射壓制和摧毀，D代表干擾飛機(jī)對地面的空地情報(bào)通信接收站的遠(yuǎn)距離支援干擾，“Ⅱ-A”就表示對目標(biāo)Ⅱ使用A手段進(jìn)行對抗；兵力規(guī)模方案中，小、中、大代表兵力規(guī)模大小，“Ⅱ-A-小”就表示對目標(biāo)Ⅱ使用A手段進(jìn)行對抗，使用小規(guī)模兵力。

3.2 設(shè)計(jì)實(shí)施作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)作戰(zhàn)部署輔助決策的軍事需求，周密細(xì)致設(shè)計(jì)作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)，并依托作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組織實(shí)施實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，動(dòng)態(tài)采集數(shù)據(jù)，同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[10]，然后設(shè)計(jì)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在輔助決策過程中，可根據(jù)需要查詢提取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)庫中查詢提取紅方作戰(zhàn)部署方案與藍(lán)方作戰(zhàn)仿真結(jié)果的映射表，在此基礎(chǔ)上對反映藍(lán)方作戰(zhàn)結(jié)果的5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行聚合計(jì)算，得到方案效能指數(shù)，如下頁表1所示。

3.3 基于OLAP探索分析方法的要素分析

第1步 目標(biāo)選擇要素分析。如圖2所示，考察什么樣的目標(biāo)選擇作戰(zhàn)效能高，進(jìn)一步分析各作戰(zhàn)目標(biāo)的威脅大小。在圖形左上方是切片維，Ⅲ-T、Ⅳ-T就是此次選定的切片維，所附帶的數(shù)值是該維度的切片值，Ⅲ-T=1就表示在已選擇雷達(dá)Ⅰ為作戰(zhàn)目標(biāo)的情況下研究其他維度；在圖形下方是鉆取維，Ⅴ-T、Ⅵ-T就是此次選定的鉆取維，Ⅴ-T就表示在目標(biāo)選擇方案中雷達(dá)Ⅴ的數(shù)據(jù)維，數(shù)字“1”、“0”分別表示選擇該雷達(dá)或不選該雷達(dá)。不同豎條的值表示在特定鉆取維（目標(biāo)選擇方案）下作戰(zhàn)部署方案效能指數(shù)的平均值。從圖中可以讀出：在選定雷達(dá)Ⅲ、Ⅳ作為作戰(zhàn)目標(biāo)的情況下，不選雷達(dá)Ⅴ、Ⅵ為作戰(zhàn)目標(biāo)時(shí)作戰(zhàn)效能平均值最高（1.90），說明雷達(dá)Ⅴ、Ⅵ對我威脅較小，如果分兵對其實(shí)施干擾容易造成兵力浪費(fèi)。此外，可以調(diào)整切片維和鉆取維進(jìn)行其他目標(biāo)選擇要素分析，這里不再一一展示。

表1 作戰(zhàn)部署方案評估實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及聚合指標(biāo)展示表

圖2 目標(biāo)選擇要素分析示意圖

第2步 對抗手段要素分析。如圖3所示，在選定作戰(zhàn)目標(biāo)的情況下，考察不同對抗手段對作戰(zhàn)效能的影響，圖左上角切片維表示選定的作戰(zhàn)目標(biāo)方案，圖下方鉆取維表示研究的對抗手段。從圖中可以讀出：在此目標(biāo)選擇方案下，對雷達(dá)Ⅲ單獨(dú)實(shí)施遠(yuǎn)距離支援干擾（B），對雷達(dá)Ⅳ同時(shí)實(shí)施遠(yuǎn)距離支援干擾和反輻射摧毀（B、C），此時(shí)作戰(zhàn)效能平均值最高（2.30），說明雷達(dá)Ⅲ可能抗反輻射攻擊能力較強(qiáng)，而雷達(dá)Ⅳ抗反輻射攻擊能力較弱。

圖3 對抗手段要素分析的示意圖

第3步 兵力規(guī)模要素分析。如下頁圖4所示，在選定作戰(zhàn)目標(biāo)、對抗手段的情況下，考察不同兵力規(guī)模對作戰(zhàn)效能的影響，圖左上角切片維表示選定的作戰(zhàn)目標(biāo)、對抗手段，圖下方鉆取維表示研究的兵力規(guī)模。從圖4（a）中可以看出，對抗雷達(dá)Ⅲ使用大規(guī)模兵力時(shí)的平均效能比中等規(guī)模時(shí)普遍高出一截，效能最高的兵力規(guī)模方案是對雷達(dá)Ⅲ使用大規(guī)模兵力，對雷達(dá)Ⅳ使用“中中”規(guī)模兵力（B、C手段都用中等規(guī)模）。另外對比圖4的（a）、（b）兩圖發(fā)現(xiàn)，（b）圖從正中間分割成左右兩部分的話，兩部分的條形圖分布格局類似，且都與（a）圖類似。說明雷達(dá)Ⅲ、Ⅳ的兵力規(guī)模對作戰(zhàn)效能的影響規(guī)律是確定的，且如果對抗雷達(dá)Ⅱ時(shí)使用大規(guī)模兵力，則能顯著提高整體作戰(zhàn)效能。

圖4 兵力規(guī)模要素分析

4 結(jié)論

與美軍相比，我軍作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)尚處于起步階段，尤其是作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)的具體應(yīng)用還比較欠缺，需要大量基礎(chǔ)性和探索性工作?；诼?lián)機(jī)分析處理技術(shù)OLAP的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法是對作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的新探索，為解決作戰(zhàn)部署輔助決策問題提供了一種新思路。該方法也可以為其他因果分析、要素分析之類的輔助決策問題的研究提供借鑒。