基于活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的體系能力依賴(lài)關(guān)系分析方法*

鄭 劍,劉俊先,陳 濤,李清韋

(國(guó)防科技大學(xué)信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙 410073)

隨著信息化水平的提高,軍事體系的網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn)也越來(lái)越突出,關(guān)系越來(lái)越復(fù)雜。體系的建設(shè)和管理對(duì)體系的評(píng)估產(chǎn)生強(qiáng)烈的需求,而能力評(píng)估是體系評(píng)估的重點(diǎn)。當(dāng)體系有多項(xiàng)能力時(shí),如何分析它們之間的相互關(guān)系,如影響、依賴(lài)、包含等,對(duì)開(kāi)展后續(xù)評(píng)估工作十分重要。

國(guó)內(nèi)外對(duì)系統(tǒng)的研究已較完備,但對(duì)體系的研究還處在新興階段。John H. Gauthier等用一組適應(yīng)性指標(biāo)來(lái)量化動(dòng)態(tài)體系的效率和有效性,并評(píng)估適應(yīng)性指標(biāo)在對(duì)體系的適應(yīng)性性能量化方面的有用性[1]。趙青松等在針對(duì)體系的目的、能力和任務(wù)要求等關(guān)系分析和研究的基礎(chǔ)上,提出了體系任務(wù)-能力概念格這一思想,并且探討分析了針對(duì)任務(wù)目標(biāo)的體系能力相關(guān)問(wèn)題,還提出了體系能力關(guān)聯(lián)的抽取算法以及體系能力關(guān)聯(lián)集的相關(guān)計(jì)算方法[2]。但上述方法未能較好地分析體系能力之間的關(guān)系問(wèn)題。

本文針對(duì)體系能力評(píng)估中依賴(lài)關(guān)系,研究體系、能力、活動(dòng)的概念及內(nèi)涵,提出基于活動(dòng)體系能力建模方法,建立活動(dòng)網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建環(huán)路查找算法，找出其中所有環(huán)路,提出基于活動(dòng)環(huán)路的能力依賴(lài)關(guān)系分析方法

1 體系能力概念與建模

1.1 能力的相關(guān)概念與模型

能力是為了達(dá)到一定的目標(biāo),在規(guī)定的要求和前提下,采用不同方式方法執(zhí)行一組活動(dòng)的本領(lǐng)?；顒?dòng)形成能力,體系能力的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)活動(dòng)效果來(lái)體現(xiàn)的,所以能力評(píng)估的對(duì)象應(yīng)該是活動(dòng)效果?；顒?dòng)是由執(zhí)行者完成,執(zhí)行時(shí)消耗和產(chǎn)生資源。所以應(yīng)該以活動(dòng)為起點(diǎn)對(duì)能力進(jìn)行評(píng)估,經(jīng)過(guò)活動(dòng)的效果,找出能力和效果之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,利用對(duì)活動(dòng)效果的評(píng)估來(lái)對(duì)能力進(jìn)行評(píng)估。條件由當(dāng)前法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)所決定影響。執(zhí)行者不單單指人才力量,還和信息系統(tǒng)以及裝備設(shè)施相關(guān)聯(lián)。并且通過(guò)相應(yīng)訓(xùn)練,可以提升活動(dòng)和能力。

基于上述分析,本文建立了體系能力的概念模型,如圖1所示。

圖1 體系能力的概念模型

體系的目標(biāo)是要完成一定的使命及任務(wù),因此針對(duì)每一任務(wù)要有完成該任務(wù)的能力,這樣根據(jù)可能的任務(wù),可以確定體系最高能力。每項(xiàng)任務(wù)可以分解為一系列活動(dòng)[3],對(duì)每項(xiàng)活動(dòng)都要遵循一定的準(zhǔn)則或約束,在一定的資源(人才、技術(shù)、設(shè)施等)的支撐下,產(chǎn)生預(yù)先計(jì)劃的輸出,因此每項(xiàng)活動(dòng)對(duì)應(yīng)著一項(xiàng)體系能力。對(duì)活動(dòng)進(jìn)行進(jìn)一步分解分析,可以得到支撐活動(dòng)完成需求的下一層活動(dòng),每一項(xiàng)活動(dòng)對(duì)應(yīng)著一項(xiàng)體系的能力。分解活動(dòng)直至一定的粒度,則可以得到對(duì)應(yīng)的層次體系能力。

1.2 能力建模方法

能力建模方法

基于以上分析，可以按照如下步驟來(lái)對(duì)體系能力進(jìn)行建模：

1)分析體系使命任務(wù)，記所有使命任務(wù)為{missioni}，其中missioni表示第i項(xiàng)使命任務(wù)，對(duì)每一任務(wù)生成一項(xiàng)體系頂層能力，記頂層能力集合為{capi}，其中capi表示第i項(xiàng)能力。

2)對(duì)任務(wù)missioni進(jìn)行分析，建立其活動(dòng)模型，設(shè)所有活動(dòng)集合為{acti}，其中acti表示第i項(xiàng)活動(dòng)，則對(duì)頂層能力capi，建立其子能力capj，其中acti與capj相對(duì)應(yīng)。

3)根據(jù)活動(dòng)的分解關(guān)系，逐層建立分能力或子能力指標(biāo)。

由活動(dòng)分解關(guān)系矩陣CAA可知，某活動(dòng)分解對(duì)應(yīng)子活動(dòng)可用CAA的相應(yīng)行向量表示，CAA的元素為0/1， 0/1表示活動(dòng)acti是否可分解得到活動(dòng)actj，若可分解得到，則值為1，反之則為0。若某活動(dòng)相應(yīng)行向量元素全為0，可知該活動(dòng)為最底層節(jié)點(diǎn)活動(dòng)，不可再分解。

能力分解關(guān)系矩陣為CCC定義與活動(dòng)分解關(guān)系矩陣CAA類(lèi)似，某能力分解對(duì)應(yīng)子能力可用CCC的相應(yīng)行向量表示，CCC的元素為0/1， 0/1表示能力capi是否可分解得到能力capj，若可分解得到，則值為1，反之則為0。若某能力相應(yīng)行向量元素全為0，可知該能力為最底層分能力，不可再分解。

為了分析能力的影響依賴(lài)關(guān)系，在分析活動(dòng)時(shí)，要刻畫(huà)活動(dòng)之間的各種關(guān)系(信息關(guān)系、資源流關(guān)系等)。記所有活動(dòng)間的關(guān)系矩陣為CAR，CAR的元素為0/1， 0/1表示活動(dòng)acti是否有信息/資源輸出到活動(dòng)actj。

記所有活動(dòng)集合為SA={acti}，所有能力集合為SC={capi}，活動(dòng)分解關(guān)系矩陣為CAA，能力分解關(guān)系矩陣為CCC，活動(dòng)與能力映射關(guān)系矩陣為CAC，活動(dòng)間的關(guān)系矩陣為CAR，則體系能力可以用六元組建模，即

SoS-cap=SA，SC，CAA，CCC，CAC，CAR

(1)

設(shè)某陸軍武器裝備體系中含有一項(xiàng)使命任務(wù)，即陸軍部隊(duì)執(zhí)行攻打敵陣地任務(wù)，記該使命任務(wù)為mission1，對(duì)該任務(wù)生成一項(xiàng)體系頂層能力即突破占領(lǐng)敵陣地能力，記該頂層能力為cap1。對(duì)使命任務(wù)為mission1進(jìn)行分析，設(shè)所有頂層作戰(zhàn)活動(dòng)集合為{acti}，則對(duì)能力cap1，建立其子能力capj，其中actj與capj相對(duì)應(yīng)，根據(jù)作戰(zhàn)/信息活動(dòng)的分解關(guān)系，逐層建立分能力或子能力指標(biāo)。同時(shí)建立其活動(dòng)模型，如圖2所示。其中，快速占領(lǐng)能力與指揮控制、綜合保障等活動(dòng)相對(duì)應(yīng)，火力突擊能力與戰(zhàn)場(chǎng)感知、火力打擊等活動(dòng)相關(guān)。

其中該使命任務(wù)最終可分解為13個(gè)活動(dòng)，記所有活動(dòng)集合為SA={acti，1≤i≤13}，其中，act1：陸軍攻打陣地，act2：快速占領(lǐng)，act3：后勤保障，act4：特種突襲，act5：火力突擊，act6：立體攻防，act7：信息保障，act8：指揮控制，act9：戰(zhàn)場(chǎng)感知，act10：綜合保障，act11：防空反導(dǎo)，act12：火力打擊，act13：兵力突擊。所有的能力集合為SC={capi，1≤i≤7}，其中cap1：陸軍攻打陣地能力，cap2：快速占領(lǐng)能力，cap3：后勤保障能力，cap4：特種突襲能力，cap5：火力突擊能力，cap6：立體攻防能力，cap7：信息保障能力?；顒?dòng)與能力映射關(guān)系矩陣為CAC活動(dòng)分解關(guān)系矩陣為CAA，能力分解關(guān)系矩陣為CCC，分別如表1、表2和表3所示。圖中箭頭表示為該活動(dòng)相對(duì)應(yīng)能力。

活動(dòng)與能力映射關(guān)系矩陣為CAC，如表1所示。

活動(dòng)分解關(guān)系矩陣為CAA如表2所示。

能力分解關(guān)系矩陣為CCC如表3所示。

2 體系的活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)路查找方法

活動(dòng)產(chǎn)生能力，體系能力的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)活動(dòng)效果來(lái)體現(xiàn)的，所以能力評(píng)估的對(duì)象應(yīng)該是活動(dòng)效果，對(duì)能力的識(shí)別分析是在活動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。而對(duì)體系能力進(jìn)行分解，可得到最底層的活動(dòng)。由活動(dòng)分解關(guān)系矩陣CAA可知，若某活動(dòng)相應(yīng)行向量元素全為0，可知該活動(dòng)為最底層節(jié)點(diǎn)活動(dòng)，不可再分解。記所有最底層活動(dòng)集合為

(2)

圖2 陸軍武器裝備體系任務(wù)與能力關(guān)系圖

表1 陸軍武器裝備體系作戰(zhàn)能力對(duì)活動(dòng)映射矩陣

表2 陸軍武器裝備體系活動(dòng)分解關(guān)系矩陣

表3 陸軍武器裝備體系能力分解關(guān)系矩陣

(3)

cij=1表示活動(dòng)acti有到actj的信息，否則為0?；诨顒?dòng)網(wǎng)絡(luò)遍歷可能存在的活動(dòng)回路，即所有閉合的沒(méi)有重復(fù)節(jié)點(diǎn)和邊的路。

其中，n×n矩陣M稱(chēng)為圖D的可達(dá)性矩陣。

環(huán)路分析通常是找出給定的活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中存在的回路，對(duì)這些回路進(jìn)行分析探討。信息交流通常是形成一個(gè)完整的回路，即在環(huán)路中進(jìn)行傳遞。根據(jù)OODA環(huán)理論，指揮控制作戰(zhàn)的特點(diǎn)是按照觀察—判斷—決策—行動(dòng)( OODA) 環(huán)路進(jìn)行的戰(zhàn)斗[4-5]，作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中必然存在很多環(huán)。而本文中的活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)體系任務(wù)分解得到的，通常一個(gè)任務(wù)完成是需要信息在活動(dòng)中交流傳遞構(gòu)成一個(gè)回路，這樣根據(jù)環(huán)路分析顯得更有意義。

本文采用鄰接表方法來(lái)貯存有向圖，利用深度優(yōu)先遍歷算法，使得給定一個(gè)活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)有向圖后，能夠快速找出該圖中含有的全部回路[6]。

3 基于活動(dòng)環(huán)路的能力依賴(lài)關(guān)系分析方法

3.1 基于活動(dòng)環(huán)路的能力依賴(lài)關(guān)系分析

對(duì)體系能力進(jìn)行分解，可得到最底層的活動(dòng)。記給定活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)D中的環(huán)路為σi，其中共有n個(gè)環(huán)路，則所有環(huán)路集合記為S環(huán)={σi，1≤i≤n}。

由上所述，由最底層的活動(dòng)可以得到所對(duì)應(yīng)底層所有能力之間的依賴(lài)關(guān)系。而能力分解關(guān)系矩陣CCC中相應(yīng)行向量可表示高層次能力分解對(duì)應(yīng)子能力。所以根據(jù)最底層能力之間的依賴(lài)關(guān)系，同樣可以得出所有能力之間的依賴(lài)關(guān)系。

首先對(duì)體系能力進(jìn)行建模，建立其活動(dòng)模型，并且進(jìn)行逐層分解，并建立其對(duì)應(yīng)分能力，直至分解到最底層活動(dòng)。然后從底層活動(dòng)出發(fā)，基于其交互關(guān)系分析得到活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖，分析其中所有環(huán)路關(guān)系，找出回路中的活動(dòng)所對(duì)應(yīng)的能力之間的依賴(lài)關(guān)系，進(jìn)而得到底層所有能力之間的依賴(lài)關(guān)系，利用能力分解關(guān)系矩陣CCC，進(jìn)而可以得出所有不同層次能力之間的依賴(lài)關(guān)系。流程如圖3所示。

圖3 體系能力依賴(lài)關(guān)系分析流程圖

所有層次能力之間的依賴(lài)關(guān)系即活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)體系能力之間的依賴(lài)關(guān)系可以用一個(gè)矩陣CD來(lái)表示，CD中的元素為

3.2 能力依賴(lài)關(guān)系級(jí)別劃分

活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)體系能力依賴(lài)關(guān)系可用一個(gè)CD來(lái)表示。則可對(duì)這個(gè)矩陣進(jìn)行級(jí)別劃分來(lái)明確各能力之間的層次關(guān)系。

首先通過(guò)可達(dá)性矩陣，給出可達(dá)集以及先行集的定義。

如體系能力SC={capi，1≤i≤n}，可達(dá)性矩陣為CD=(dij)，則?capi∈SC的可達(dá)集為

R(capi)={capj|capj∈SC，dij=1}

(4)

capi的先行集為

A(capi)={capj|capj∈SC，dji=1}

(5)

這兩個(gè)集合在可達(dá)性矩陣中是很直觀的。這個(gè)矩陣?yán)?，沿著capi行橫著看，所有元素為1的列相對(duì)的能力都應(yīng)該屬于R(capi)；沿著capi列豎著看，所有元素為1的相對(duì)的能力都應(yīng)該屬于A(capi)。

如某能力capi為頂級(jí)能力，由于capi不能到達(dá)更高級(jí)能力，因此該能力的可達(dá)集R(capi)中只有capi本身以及和它同一級(jí)的強(qiáng)連接能力；且先行集A(capi)只有它自己以及能夠達(dá)到它的下一級(jí)能力和與它同一級(jí)別的強(qiáng)連接能力。這樣一來(lái)，就頂級(jí)能力capi來(lái)看，先行集A(capi)與可達(dá)集A(capi)的交集與R(capi)一樣，因此提出能力capi為頂級(jí)能力的條件為

R(capi)=R(capi)∩A(capi)

(6)

即可給出最上級(jí)能力集的定義如下：

體系能力SC={capi，1≤i≤n}的最上級(jí)能力集為

T=capi|capi∈SC且R(capi)=R(capi)∩A(capi)

獲得頂級(jí)能力之后，將這些頂級(jí)能力先除去，同理即可獲得下一級(jí)別的能力。一步步進(jìn)行下去，能把各能力劃分成一級(jí)級(jí)。如果用L1，L2，…，LK表示從上到下的各級(jí)，則體系能力SC的級(jí)別劃分可用式(7)表示

π(SC)={L1，L2，…，LK}

(7)

具體按以下步驟反復(fù)進(jìn)行。

1)Lj={capi∈SC-L0-L1-…-Lj-1|Rj-1(capi)∩Aj-1(capi)=Rj-1(capi)}

這里，L0=?，Lj表示第j級(jí)，j≥1

Rj-1(capi)={capi∈SC-L0-L1-…-Lj-1|mij=1}

2)SC-L0-L1-…-Li=?時(shí)，級(jí)別劃分完畢；反之，若SC-L0-L1-…-Li≠??，則令j=j+1，返回步驟1)。

根據(jù)步驟1)和2)，可以容易地給出級(jí)別劃分算法的程序框圖。給定n階可達(dá)性矩陣CD后，公式R(capi)=R(capi)∩A(capi)等價(jià)于

dij≤dji，j=1，2，…，n

(8)

滿(mǎn)足條件(8)的能力為最上級(jí)能力，將這些能力對(duì)應(yīng)的行和列從CD中暫時(shí)劃掉，從而獲取一個(gè)低階矩陣，反復(fù)使用條件(4)、(5)，便能夠讓各個(gè)級(jí)別的能力區(qū)分開(kāi)來(lái)。

3.3 同一級(jí)別的能力關(guān)鍵度比較

在前文中，對(duì)能力依賴(lài)關(guān)系進(jìn)行級(jí)別劃分，來(lái)明確各能力之間的層次關(guān)系，還可對(duì)同一級(jí)別的能力關(guān)鍵度進(jìn)行比較，進(jìn)而得出同一級(jí)別各能力重要程度。本文對(duì)能力的比較是對(duì)體系當(dāng)前狀態(tài)的能力進(jìn)行分析，所以認(rèn)為與時(shí)間沒(méi)有關(guān)系。

在作戰(zhàn)過(guò)程中有大量的信息和數(shù)據(jù)交換，而且都是定向的，由此在作戰(zhàn)活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖中形成了一條條的環(huán)路，類(lèi)似于OODA環(huán)的環(huán)路。作戰(zhàn)活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖與普通的網(wǎng)絡(luò)圖雖有許多相似之處，但也存在諸多不同。利用判定普通網(wǎng)絡(luò)圖中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)方法來(lái)判斷作戰(zhàn)活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖的“關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)”明顯是行不通的[7-8]，故本文圍繞如何確定活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖中的活動(dòng)的關(guān)鍵程度展開(kāi)了研究。

本文利用活動(dòng)所經(jīng)過(guò)環(huán)路的數(shù)目來(lái)確定活動(dòng)的環(huán)路值，同一活動(dòng)經(jīng)過(guò)環(huán)路的數(shù)目越多，其環(huán)路值越大。對(duì)活動(dòng)的環(huán)介數(shù)進(jìn)行定義：定義為活動(dòng)自身經(jīng)過(guò)環(huán)路的數(shù)目與所有活動(dòng)中經(jīng)過(guò)環(huán)路最多的數(shù)目的比值，符號(hào)為CL，值域?yàn)閇0，1]。當(dāng)某一作戰(zhàn)活動(dòng)環(huán)路值為1時(shí)，即表示在整個(gè)活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖中，其經(jīng)過(guò)的環(huán)路數(shù)目最多；當(dāng)某一作戰(zhàn)活動(dòng)環(huán)路值為0時(shí)，即表示在整個(gè)作戰(zhàn)活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖中，其經(jīng)過(guò)的環(huán)路數(shù)目為0。

利用上文中環(huán)路查找算法找出活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖中所有活動(dòng)所經(jīng)過(guò)環(huán)路的數(shù)目，即可確定活動(dòng)的環(huán)介數(shù)，環(huán)介數(shù)越大，說(shuō)明其關(guān)鍵度越大，即對(duì)體系起重要作用的程度越高?？烧J(rèn)為該活動(dòng)所對(duì)應(yīng)的能力在同一級(jí)別的能力中關(guān)鍵度更高，即重要程度更高。

4 案例研究

假設(shè)某裝備體系中含有三項(xiàng)任務(wù)，由前文所述的對(duì)能力活動(dòng)的建模方法，分別對(duì)這三項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行層次分解，根據(jù)其分解關(guān)系，逐層建立分能力或子能力指標(biāo)。建立其活動(dòng)模型，如圖4所示。

圖4 某武器裝備體系任務(wù)與能力關(guān)系圖

其中，該武器裝備體系最終可分解為30個(gè)活動(dòng)，記所有活動(dòng)集合為SA={acti，1≤i≤30}， 可相對(duì)應(yīng)分解得到11個(gè)能力，記所有的能力集合為SC={capi，1≤i≤11}。

表4 底層能力之間依賴(lài)關(guān)系矩陣

對(duì)該關(guān)系圖進(jìn)行級(jí)別劃分，發(fā)現(xiàn)所有能力都在同一級(jí)別，即每個(gè)能力的重要性一致。可得出結(jié)論，底層能力之間相互依賴(lài)，不能缺失某一能力，否則其他能力會(huì)受到影響。找出該關(guān)系圖其中所有環(huán)路，并對(duì)各能力關(guān)鍵度進(jìn)行比較，結(jié)果如表5所示。可知cap8火力打擊關(guān)鍵度最高，重要程度最大，cap9裝備保障關(guān)鍵度最低，重要程度最小。

表5 各能力環(huán)路數(shù)與關(guān)鍵度

圖5 底層能力依賴(lài)關(guān)系圖

根據(jù)底層能力依賴(lài)關(guān)系圖，利用能力分解關(guān)系矩陣CCC，進(jìn)而得出所有頂層能力間的相互依賴(lài)關(guān)系，見(jiàn)表6。

表6 頂層能力之間依賴(lài)關(guān)系矩陣CD

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，所有頂層能力都在同一級(jí)別，即每個(gè)能力的重要性一致。可得出結(jié)論，頂層能力之間相互依賴(lài)，不能缺失某一能力，否則其他能力會(huì)受到影響，且都在同一環(huán)路中，關(guān)鍵度相同。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文建立能力概念模型以及提出對(duì)體系能力建模的一種方法，構(gòu)建了體系的活動(dòng)模型并利用模型對(duì)能力和活動(dòng)關(guān)系進(jìn)行分析。根據(jù)活動(dòng)及活動(dòng)間的信息交互關(guān)系，建立活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。利用能力分解關(guān)系矩陣，進(jìn)而得出所有不同層次能力之間的依賴(lài)關(guān)系?？蓪?duì)能力依賴(lài)關(guān)系進(jìn)行級(jí)別劃分，來(lái)明確各能力之間的層次關(guān)系，還可對(duì)同一級(jí)別的能力關(guān)鍵度進(jìn)行比較，進(jìn)而得出同一級(jí)別各能力重要程度。