基于SEM的網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力分析

劉 娜,李國棟,陳健軍

(中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

0 引 言

隨著信息化程度越來越高，作戰(zhàn)體系的網(wǎng)絡(luò)化特點越來越突出。網(wǎng)絡(luò)化帶來的不僅僅是信息的快捷交流，更重要的是使得體系內(nèi)各組分系統(tǒng)能夠建立起更加密切的聯(lián)系，從而形成更加高效能的網(wǎng)絡(luò)化體系。網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系的結(jié)構(gòu)形態(tài)，體系基于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，信息基于網(wǎng)絡(luò)流轉(zhuǎn)，能力基于網(wǎng)絡(luò)生成。

網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系注重內(nèi)部組分系統(tǒng)或作戰(zhàn)單元間的關(guān)聯(lián)性或連接性，強調(diào)體系的網(wǎng)絡(luò)化特征。網(wǎng)絡(luò)不僅是信息的載體，而且能支撐全網(wǎng)形成最大化作戰(zhàn)能力，為資源優(yōu)化調(diào)度、作戰(zhàn)單元自主協(xié)同、作戰(zhàn)能力高度聚合提供基礎(chǔ)。基于網(wǎng)絡(luò)化體系的作戰(zhàn)能力不再是各作戰(zhàn)單元的線性組合，脫離了“1+1=2”的線性規(guī)律，體系內(nèi)部組分系統(tǒng)能力、裝備能力相互連接、相互影響，關(guān)系錯綜復(fù)雜。這種網(wǎng)絡(luò)化特征以及內(nèi)部復(fù)雜的交互關(guān)系使得體系能力呈現(xiàn)“非線性”特征，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力評估的復(fù)雜性。目前，針對網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系的研究多聚焦于網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系的基本概念內(nèi)涵[1-4]、能力演化框架[5]與能力聚合機理[6]，鮮少考慮網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系的能力評估問題。

能力評估是體系評估的重要內(nèi)容。從體系工程角度考慮，能力目標是體系構(gòu)建的直接動機，體系在構(gòu)建過程中需要將能力目標轉(zhuǎn)化為高層的需求[7-8]；而在體系構(gòu)建完成之后，則需要對體系能力進行評估，考察體系是否具備完成其使命任務(wù)的能力，分析體系能力的關(guān)鍵節(jié)點、體系能力短板以及體系能力間的影響關(guān)系等。

因此，本文在體系工程以及復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論[9]研究的基礎(chǔ)上，對網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力評估問題進行研究。依據(jù)網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力聚合關(guān)系，基于結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)[10]構(gòu)建兩層網(wǎng)絡(luò)化能力分析模型，利用極大似然估計法對體系內(nèi)部各組分系統(tǒng)能力、子能力與體系能力之間的影響關(guān)系進行分析，估計能力影響因子；結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，利用路徑分析法對體系能力貢獻度進行分析，考察體系能力的短板，為體系能力優(yōu)化、體系構(gòu)建、發(fā)展、演化提供決策支持。

1 兩層網(wǎng)絡(luò)化能力分析指標體系

傳統(tǒng)的評估分析方法難以適應(yīng)體系復(fù)雜化、網(wǎng)絡(luò)化特征，如何對網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力進行分析評估，如何建立適用于網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系的評估指標體系，以及如何對各能力之間的影響關(guān)系進行分析是現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系研究的一個重難點問題。能力分析指標體系是建立網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力分析模型以及進行能力分析的基礎(chǔ)。本文基于基本作戰(zhàn)流程，從情報偵察、指揮控制、火力打擊、綜合保障四個維度對體系能力展開分析，構(gòu)建了一個兩層的網(wǎng)絡(luò)化能力分析框架，如圖1所示。

圖1 兩層網(wǎng)絡(luò)化能力分析指標框架

該能力分析指標框架將網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力分成體系能力-系統(tǒng)能力層和系統(tǒng)能力-子能力層。網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力從大的層面可以分為情報偵察能力、指揮控制能力、火力打擊能力以及綜合保障能力四個系統(tǒng)能力，系統(tǒng)能力之間相互影響，共同作用形成體系能力。而四個系統(tǒng)能力又可以進一步分為相應(yīng)的子能力，子能力相互作用相互影響，最終呈現(xiàn)出系統(tǒng)能力。由于網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系龐大復(fù)雜，就每一系統(tǒng)能力而言涉及的內(nèi)容也是相當(dāng)廣泛的，需要根據(jù)具體的評估任務(wù)與目的等信息確定相應(yīng)指標的分解粒度。

本文擬聚焦“能力-能力”、“能力-效能”之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，深入研究各層能力指標之間的影響關(guān)系，采用由能力至效能逐層深化構(gòu)建的思路，由內(nèi)而外對能力評估指標框架進行細化豐富，構(gòu)建體系能力-系統(tǒng)能力、系統(tǒng)能力-子能力兩層網(wǎng)狀能力評估指標體系，每層之間則是通過情報偵察能力、指揮控制能力等系統(tǒng)能力表現(xiàn)出的效能指標相關(guān)聯(lián)。

1.1 體系能力-系統(tǒng)能力

網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力從大的層面可以分為情報偵察能力、指揮控制能力、火力打擊能力以及綜合保障能力四個系統(tǒng)能力，體系能力與四大系統(tǒng)能力相互關(guān)聯(lián)、相互影響。體系能力受情報偵察、指揮控制、火力打擊以及綜合保障四大系統(tǒng)能力的共同影響，情報偵察能力又會影響指揮控制能力，指揮決策能力又對火力打擊能力產(chǎn)生影響，綜合保障能力則同時對偵察、控制、打擊能力產(chǎn)生影響?；隗w系能力-系統(tǒng)能力之間影響關(guān)系分析，可以得到體系能力與系統(tǒng)能力的指標結(jié)構(gòu)，再選擇每個能力相對應(yīng)的效能指標，則可建立第一層體系能力-系統(tǒng)能力的網(wǎng)狀指標體系，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力-系統(tǒng)能力網(wǎng)狀指標體系

1.2 系統(tǒng)能力-子能力

網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力指標體系的第二層重點考慮情報偵察、指揮控制、火力打擊、綜合保障四大系統(tǒng)能力與相應(yīng)子能力的關(guān)系。針對每個系統(tǒng)能力，考慮能力-能力、能力-效能之間的關(guān)系，構(gòu)建相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)化指標體系。

(1)情報偵察能力

情報偵察能力主要受傳感類裝備的協(xié)同探測感知能力、情報處理系統(tǒng)的情報處理生成能力，以及應(yīng)用系統(tǒng)的情報共享服務(wù)能力影響。結(jié)合業(yè)務(wù)活動模型等內(nèi)容，建立反映情報偵察主要能力內(nèi)涵、業(yè)務(wù)流程特點和相互關(guān)系的指標體系，如圖 3所示。

(2)指揮控制能力

指揮控制面向統(tǒng)一的聯(lián)合作戰(zhàn)流程、將戰(zhàn)場分布的戰(zhàn)力融為一體，通過多方協(xié)同實現(xiàn)作戰(zhàn)籌劃和快速決策。指揮控制能力主要包括作戰(zhàn)籌劃能力、協(xié)同指揮能力以及業(yè)務(wù)處理能力。根據(jù)指揮控制能力與子能力之間的關(guān)系，結(jié)合相應(yīng)的效能指標，建立反映指揮控制主要能力內(nèi)涵、業(yè)務(wù)流程特點和相互關(guān)系的指標框架，如圖4所示。

圖3 情報偵察能力-子能力指標框架

圖4 指揮控制能力-子能力指標框架

(3)火力打擊能力

火力打擊能力主要受作戰(zhàn)力量機動能力和協(xié)同打擊能力影響。各類信息化武器系統(tǒng)作為網(wǎng)上節(jié)點構(gòu)建火力交戰(zhàn)體系，實現(xiàn)基于規(guī)則的自組織協(xié)同火力打擊。根據(jù)火力打擊能力及子能力間關(guān)系，結(jié)合效能指標，建立反映火力打擊能力內(nèi)涵、業(yè)務(wù)流程特點和相互關(guān)系的指標體系，如圖5所示。

(4)綜合保障能力

綜合保障能力主要包含保障需求感知能力、資源優(yōu)化配置能力以及資源供給能力。結(jié)合綜合保障業(yè)務(wù)流程、綜合保障指標影響關(guān)系等內(nèi)容，建立反映綜合保障能力內(nèi)涵、業(yè)務(wù)流程特點和相互關(guān)系的指標框架，如圖6所示。

圖5 火力打擊能力-子能力評估指標框架

圖6 綜合保障能力-子能力指標框架

網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系的兩層網(wǎng)狀能力指標體系并非孤立存在，而是通過系統(tǒng)能力相互耦合。將網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力指標體系根據(jù)能力粒度不同劃分為兩層網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，有利于從宏觀到微觀對能力之間影響關(guān)系的分析。

2 能力分析模型

網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力分析模型基于結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)理論生成。結(jié)構(gòu)方程模型理論是一種多元統(tǒng)計分析方法。該方法的基本思想是在顯變量和潛變量定性關(guān)系模型的基礎(chǔ)上，通過利用顯變量的觀測數(shù)據(jù)將該定性關(guān)系模型轉(zhuǎn)換為定量關(guān)系模型，并對該定量關(guān)系模型不斷進行修正直至符合一定的擬合標準[10]。

隨著作戰(zhàn)效能評估方法和仿真方法的快速發(fā)展，獲取作戰(zhàn)效能數(shù)據(jù)更加容易，只要建立作戰(zhàn)效能與作戰(zhàn)能力的解析模型，就可以對體系能力進行評價，并支撐體系貢獻度的分析。因此基于SEM的方法能有效解決傳統(tǒng)方法的不足，為體系能力影響關(guān)系分析、體系貢獻度分析提出一種新思路，其中建立效能與能力之間的解析模型是該方法的核心。

根據(jù)建立的網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力指標框架，對體系能力分析從兩個層面考慮。一是體系能力與情報偵察能力、指揮控制能力、火力打擊能力以及綜合保障能力四大系統(tǒng)能力之間的關(guān)系，二是系統(tǒng)能力與子能力之間的關(guān)系。通過兩步遞進的形式對體系能力進行分析，構(gòu)建體系能力與系統(tǒng)能力、系統(tǒng)能力與子能力之間的依賴關(guān)系，分析各能力對體系整體能力提升的貢獻程度。兩步分析皆是基于SEM理論，通過已建立的“能力-效能”網(wǎng)狀指標體系，構(gòu)建對應(yīng)的能力分析模型，再進行能力影響因子分析。本節(jié)以第一層建立體系能力與系統(tǒng)能力的能力分析模型為例進行說明。

根據(jù)SEM的基本思想以及網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力與效能之間的定性關(guān)系，可以將體系的能力指標理解為一種“潛變量”，該潛變量可以根據(jù)體系效能指標這種“顯變量”來分析。依據(jù)網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系第一層能力指標、效能指標關(guān)系以及SEM的基本原理，建立網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力-系統(tǒng)能力分析的定量關(guān)系模型。如圖7所示。

圖7 網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力-系統(tǒng)能力分析模型

網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力-系統(tǒng)能力分析模型中各變量對應(yīng)的能力指標和效能指標如表1所示。

表1 變量對應(yīng)表

在該模型中，將體系能力視為內(nèi)生潛變量，網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系的體系能力又可以從情報偵察能力、指揮控制能力、火力打擊能力以及綜合保障能力四個方面分析，體系能力由四個系統(tǒng)能力聚合而成。將這四個系統(tǒng)能力視為外生潛變量，其對體系能力的影響因子分別為γ1，γ2，γ3，γ4，于是根據(jù)SEM理論，網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力分析的結(jié)構(gòu)方程為：

η=γ1ξ1+γ2ξ2+γ3ξ3+γ4ξ4+ζ

其中，ζ是結(jié)構(gòu)方程的殘差項，是一種模型誤差，表示潛變量不能完全被模型解釋的部分。

效能是能力的外在表現(xiàn)，體系能力和情報偵察能力、指揮控制能力、火力打擊能力以及綜合保障能力四個系統(tǒng)能力皆可通過相應(yīng)的效能指標來度量。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力指標以及效能指標的關(guān)系，體系能力分析的測量方程可以表示為：

其中，X是由四個系統(tǒng)能力的效能指標(即外生顯變量)構(gòu)成的向量，Y是體系能力的效能指標(內(nèi)生顯變量)構(gòu)成的向量，δ，ε表示測量誤差。Λx表示基于系統(tǒng)能力的效能指標X在情報偵察能力、指揮控制能力、火力打擊能力以及綜合保障能力上的載荷矩陣，反映了效能指標和系統(tǒng)能力指標之間的關(guān)系，體現(xiàn)了各能力指標對效能指標的重要程度；Λy表示體系效能Y關(guān)于體系能力的負荷矩陣，反映了內(nèi)生顯變量Y與內(nèi)生潛變量η的關(guān)系。

需要說明的是，通過情報偵察能力-子能力指標體系、指揮控制能力-子能力指標體系、火力打擊能力-子能力指標體系以及綜合保障能力-子能力指標體系及SEM理論，可類似構(gòu)建第二層情報偵察能力等四個系統(tǒng)能力與子能力的分析模型。

3 能力分析

3.1 基于極大似然法的能力影響因子估計

網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力分析依托結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)進行。體系能力分析首先需要結(jié)合能力分析模型，對系統(tǒng)能力與體系能力、子能力與系統(tǒng)能力的影響關(guān)系進行分析。能力分析的關(guān)鍵在于對模型中能力影響因子的估計。對于體系能力-系統(tǒng)能力分析模型，四大系統(tǒng)能力對體系能力的影響因子分別為γ1，γ2，γ3，γ4。系統(tǒng)能力之間相互影響的因子包括φ1，φ2，φ3，φ4，φ5。能力分析就是要對這些能力影響因子進行估計。基于構(gòu)建的能力分析模型，考慮到效能是能力的外在表現(xiàn)，本文基于效能數(shù)據(jù)，利用極大似然估計法對能力影響因子進行估計，分析網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力之間的關(guān)系。

(1)代價函數(shù)

極大似然估計是利用已知的樣本結(jié)果，反推最有可能導(dǎo)致這樣結(jié)果的參數(shù)值。利用極大似然法估計能力影響因子的核心在于構(gòu)造代價函數(shù)。

用θ代表能力分析模型中需要估計的參數(shù)，其中，θ包括能力影響因子γi,i=1,..,4、φi,i=1,...,5、所有的載荷因子λij以及模型誤差δ和ε。Σ(θ)代表其協(xié)方差矩陣，在SEM中估計能力影響因子的基本思路是將樣本測量指標數(shù)據(jù)即效能指標數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣記為S，通過使S-Σ(θ)最小求出參數(shù)的估計值。利用極大似然法求能力影響因子的代價函數(shù)如下：

F=lg|Σ(θ)|+tr[SΣ-1(θ)]-lg|S|-(p+q)

其中，tr[SΣ-1(θ)]是矩陣SΣ-1(θ)的跡，lg|Σ(θ)|表示矩陣行列式的對數(shù)，p和q分別表示SEM中內(nèi)生、外生可測變量的數(shù)目。通過對上述代價函數(shù)求解，則可得到能力分析模型中的各參數(shù)，即得到系統(tǒng)能力對體能能力的影響因子。同理，通過對子能力分析模型中參數(shù)的估計，可以得到子能力對系統(tǒng)能力的影響因子。

(2)模型檢驗與修正

對構(gòu)建的SEM進行參數(shù)估計后，實質(zhì)上就估計出了體系中各系統(tǒng)能力對體系能力的影響因子，各子能力與系統(tǒng)能力之間的影響因子，以及表征各子能力與效能指標關(guān)系的載荷矩陣。估計出這些因子之后，需要對估計的參數(shù)以及由此得到的體系能力分析模型進行檢驗，考察模型是否合理、各參數(shù)能否合理解釋等模型檢驗可以通過擬合優(yōu)度檢驗實現(xiàn)。若檢驗結(jié)果可接受，則不需對模型進行調(diào)整。反之，則需對能力分析模型進行修正，直至參數(shù)可接受且修正后的能力分析模型符合定性關(guān)系。

綜合能力分析模型的構(gòu)建及能力影響因子的估計，總結(jié)基于SEM的網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力影響因子分析流程，如圖8所示。

圖8 基于結(jié)構(gòu)方程模型的網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力分析流程

3.2 基于路徑分析法的能力貢獻度分析

能力貢獻度分析是基于兩層能力分析模型，結(jié)合路徑分析法，對體系能力貢獻度進行分析。能力貢獻度分析包含兩個層次：一是整體貢獻度分析，主要依據(jù)體系能力-系統(tǒng)能力分析模型，對情報偵察能力、指揮控制能力、火力打擊能力以及綜合保障能力四大系統(tǒng)能力對體系能力的貢獻度進行分析；二是局部貢獻度分析，主要依據(jù)系統(tǒng)能力-子能力分析模型，分別考慮子能力對相應(yīng)系統(tǒng)能力的貢獻度，同時，利用兩層網(wǎng)絡(luò)化模型的耦合關(guān)系，進一步分析子能力對體系能力的貢獻度。

(1)整體貢獻度分析

整體貢獻度分析實質(zhì)上是考慮四個系統(tǒng)能力對體系能力的貢獻度，此處并不考慮底層能力指標。根據(jù)體系能力-系統(tǒng)能力分析模型以及能力影響因子，可以得到各系統(tǒng)能力對體系能力的貢獻度。需要說明的是，本文考慮的貢獻度包括直接貢獻度和間接貢獻度。以情報偵察對體系能力的貢獻度為例進行說明。依據(jù)體系能力分析模型分析四個系統(tǒng)能力與體系能力關(guān)系，如圖9所示?？梢钥闯?，情報偵察能力可以通過三條路徑對體系能力產(chǎn)生影響。

圖9 系統(tǒng)能力與體系能力影響關(guān)系圖

圖10 情報偵察能力對體系能力影響路徑

首先，情報偵察能力通過路徑一對體系能力產(chǎn)生直接影響，結(jié)合情報偵察能力對體系能力的影響因子γ1，它對體系能力的直接貢獻度為γ1ξ1。另外，情報偵察能力還通過指揮控制、火力打擊間接對體系能力產(chǎn)生作用，其作用路徑分別為路徑二和路徑三。則情報偵察能力通過指揮控制間接對體系能力的貢獻度為ξ1φ1ξ2γ2；通過火力打擊對體系能力的間接貢獻度為ξ1φ1ξ2φ2ξ3γ3，于是，情報偵察能力對體系能力的貢獻度為

α1=γ1ξ1+ξ1φ1ξ2γ2+ξ1φ1ξ2φ2ξ3γ3

基于情報偵察能力等系統(tǒng)能力對體系能力貢獻度的解析表達，利用靈敏度分析法，即可得到系統(tǒng)能力的微小變化對體系能力產(chǎn)生的影響，評估系統(tǒng)能力對體系能力的靈敏度。類似可分析其余系統(tǒng)能力對體系能力的貢獻度。

(2)局部貢獻度分析

局部貢獻度分析指針對各個系統(tǒng)能力，分別考慮對應(yīng)底層裝備子能力對系統(tǒng)能力的貢獻度。以情報偵察能力分析為例，依據(jù)情報偵察能力-子能力指標框架，情報偵察能力受傳感器類裝備的協(xié)同探測感知能力、情報處理系統(tǒng)的情報處理生成能力以及情報應(yīng)用系統(tǒng)的情報共享服務(wù)能力影響。利用情報偵察能力分析模型，結(jié)合SEM理論，可以估計出裝備的協(xié)同探測感知能力等對情報偵察能力的影響因子，如圖11所示。以傳感類裝備對情報偵察能力的貢獻度分析為例，探測感知能力通過三條路徑對情報偵察能力產(chǎn)生影響。根據(jù)能力關(guān)系圖中能力傳遞路徑，可知協(xié)同探測感知能力對情報偵察能力的貢獻度為

ω1=γ11ξ11+ξ11ψ1ξ12γ12+ξ11ψ1ξ12ψ1ξ13γ13

圖11 情報偵察能力與子能力的關(guān)系

利用兩層網(wǎng)絡(luò)模型之間的耦合關(guān)系及能力的傳遞關(guān)系，可以進一步得到子能力對體系能力的貢獻度κ1，如下所示：

κ1=α1ω1

基于協(xié)同探測感知能力對情報偵察能力貢獻度的解析表達，利用靈敏度分析法，即可得到裝備能力的變化對系統(tǒng)能力產(chǎn)生的影響，評估子能力對系統(tǒng)能力的靈敏度。進一步，結(jié)合情報偵察系統(tǒng)能力對體系能力的貢獻度及靈敏度關(guān)系，可以分析子能力對體系能力的貢獻度及靈敏度。

4 結(jié) 語

本文基于兩層的網(wǎng)絡(luò)化指標體系對網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力進行分析。通過極大似然法估計體系能力與系統(tǒng)能力的影響因子、系統(tǒng)能力與子能力的影響因子，對體系能力、系統(tǒng)能力及子能力之間的影響關(guān)系進行分析。利用路徑分析法，探究系統(tǒng)能力對體系能力、子能力對系統(tǒng)能力的直接貢獻度和間接貢獻度，并給出解析表達式，為網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系能力優(yōu)化提供理論支撐。