作戰(zhàn)輔助決策模型設(shè)計(jì)及評(píng)估方法*

鄭華利，陳鐵健，徐 蕾，郭慧鑫，楊 鈾

（1.解放軍32180 部隊(duì)，北京100072；2.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006；3.華中科技大學(xué)，武漢 100487）

0 引言

在現(xiàn)代聯(lián)合作戰(zhàn)過(guò)程中，隨著信息化、無(wú)人化、智能化等高技術(shù)作戰(zhàn)裝備廣泛投入使用，戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)抗強(qiáng)度急劇提升［1］。指揮信息系統(tǒng)需要具備強(qiáng)大和全面的輔助決策能力，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)流程、科學(xué)方法、專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)、系統(tǒng)工具，設(shè)計(jì)戰(zhàn)爭(zhēng)、組織打仗、管理戰(zhàn)場(chǎng)［2-3］。為應(yīng)對(duì)聯(lián)合作戰(zhàn)面臨的戰(zhàn)爭(zhēng)復(fù)雜性、人性復(fù)雜性以及技術(shù)復(fù)雜性，現(xiàn)代作戰(zhàn)輔助決策系統(tǒng)應(yīng)對(duì)作戰(zhàn)數(shù)據(jù)整理、規(guī)則知識(shí)建立、軍事模型構(gòu)建、戰(zhàn)場(chǎng)信息展現(xiàn)、場(chǎng)景分析判斷等多項(xiàng)功能進(jìn)行有機(jī)地整合，使指揮人員及參謀機(jī)關(guān)從超強(qiáng)度腦力勞動(dòng)及繁瑣手工作業(yè)中解放出來(lái)，以精煉的內(nèi)容、直觀的形式，提供真正有價(jià)值的決策支持，輔助作戰(zhàn)人員更加科學(xué)、高效地研判戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)、定下決心、規(guī)劃資源、調(diào)整方案等，并逐步引領(lǐng)作戰(zhàn)體系向智能化、無(wú)人化方向發(fā)展。

作戰(zhàn)輔助決策是軍事理論、數(shù)學(xué)模型和信息技術(shù)的深度融合，其本質(zhì)是針對(duì)不確定的作戰(zhàn)問(wèn)題，基于作戰(zhàn)概念和戰(zhàn)術(shù)規(guī)則建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)技術(shù)整合完成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，形成對(duì)該問(wèn)題相對(duì)確定的建議［4-5］，從而達(dá)成提高指揮決策科學(xué)性與效率的目的。然而，在目前輔助決策模型研究中，存在著數(shù)學(xué)建模與作戰(zhàn)實(shí)際脫節(jié)、決策空間及約束條件模糊、模型驗(yàn)證不充分諸多問(wèn)題，從而導(dǎo)致模型可信度低、可用性差等一系列問(wèn)題。以火力分配模型為例，目前大多研究停留在多目標(biāo)優(yōu)化算法上，而對(duì)關(guān)鍵的目標(biāo)分析、毀傷能力、射擊時(shí)機(jī)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等研究較少。同時(shí)，當(dāng)前缺乏對(duì)模型的評(píng)估及分級(jí)機(jī)制，導(dǎo)致指揮員對(duì)輔助決策建議的合理性無(wú)法判斷。

本文針對(duì)當(dāng)前輔助決策模型研究面臨的普遍問(wèn)題，借鑒軟件工程化的思想，提出了作戰(zhàn)輔助決策模型開(kāi)發(fā)的一般方法；借鑒成熟度劃分原則，提出了輔助決策模型評(píng)估分級(jí)方法；最后結(jié)合項(xiàng)目實(shí)例，對(duì)提出的模型設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

1 作戰(zhàn)輔助決策需求與挑戰(zhàn)

作戰(zhàn)輔助決策主要服務(wù)于作戰(zhàn)籌劃、指揮控制及武器運(yùn)用，應(yīng)用場(chǎng)景的特殊性決定了其必須具備以下特性：

1）準(zhǔn)確性，輔助決策建議要與作戰(zhàn)實(shí)際相符，必須達(dá)到一定的準(zhǔn)確度，通常應(yīng)不低于人工決策的準(zhǔn)確度。

2）時(shí)效性，實(shí)時(shí)性應(yīng)能夠滿足具體應(yīng)用場(chǎng)景需求，通常應(yīng)小于人工決策時(shí)間1/2。

3）穩(wěn)定性，在各種可能的輸入條件下，輔助決策結(jié)果應(yīng)都達(dá)到準(zhǔn)確性要求。

4）可解釋性，輔助決策建議不應(yīng)只包含結(jié)果，應(yīng)該對(duì)原因進(jìn)行說(shuō)明。

由于作戰(zhàn)問(wèn)題的復(fù)雜性，模型設(shè)計(jì)要同時(shí)滿足上述基本要求，面臨著諸多難題，主要包括：

1）影響決策結(jié)果的因素眾多，且某些因素難以量化、缺乏必要的支撐數(shù)據(jù)，導(dǎo)致模型難以完全準(zhǔn)確。以火力分配為例，除作戰(zhàn)任務(wù)與編組、武器彈藥配備、作戰(zhàn)部署、作戰(zhàn)目標(biāo)、地形、氣象環(huán)境等主要因素外，敵方意圖、武器操控水平等諸多難以量化的因素也影響實(shí)際結(jié)果。

2）各因素的影響關(guān)系復(fù)雜，難以全面考慮、精確建模。以火力分配為例，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境因素對(duì)火力分配的影響關(guān)系十分復(fù)雜，只能分別對(duì)溫度、風(fēng)速風(fēng)向、能見(jiàn)度對(duì)武器觀察、射擊的影響進(jìn)行分析，對(duì)關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)化。

3）在實(shí)際應(yīng)用中，總是面臨著各種突發(fā)情況，事先無(wú)法完全預(yù)測(cè)。

4）敵我對(duì)抗中作戰(zhàn)規(guī)則靈活多變，人類(lèi)經(jīng)驗(yàn)無(wú)法精確模擬。由于作戰(zhàn)的強(qiáng)對(duì)抗性，戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法在指揮員決策中占據(jù)重要位置，而這些大多是計(jì)算機(jī)難以精確模擬的。

5）受制于當(dāng)前數(shù)學(xué)建模與信息技術(shù)水平，某些模型無(wú)法求解或難以滿足性能要求。

2 輔助決策模型構(gòu)建與工程化方法

為了滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)輔助決策技術(shù)的巨大需求，同時(shí)最大程度消解功能性能需求與現(xiàn)實(shí)困難之間的矛盾，需要對(duì)輔助決策模型構(gòu)建與評(píng)估的一般方法進(jìn)行研究。

2.1 輔助決策模型構(gòu)建流程

由于輔助決策需求來(lái)源于軍事活動(dòng)，通過(guò)工程技術(shù)上的突破，最終又應(yīng)用到指揮信息系統(tǒng)建設(shè)中去；因此，整個(gè)流程可劃分為“需求分析-設(shè)計(jì)測(cè)試-集成測(cè)試”3 個(gè)主要過(guò)程，同時(shí)借鑒軟件工程化的思路［6-7］，提出模型構(gòu)建的一般流程，具體如下頁(yè)圖1 所示。

圖1 作戰(zhàn)輔助決策模型設(shè)計(jì)的一般流程

流程各個(gè)階段的主要工作如下：

1）軍事需求分析階段。主要分析模型的軍事應(yīng)用背景、在作戰(zhàn)環(huán)節(jié)中的地位和作用、應(yīng)用流程與信息流程、支撐其該模型運(yùn)行的決策邏輯和軍事規(guī)則、預(yù)期達(dá)到的效果以及面臨的難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)等，形成軍事需求分析報(bào)告，作為模型研制的依據(jù)，確保數(shù)學(xué)建模與作戰(zhàn)實(shí)際高度符合。

2）功能性能需求分析階段。將軍事需求轉(zhuǎn)化為具體的功能性能指標(biāo)，并且對(duì)指標(biāo)進(jìn)行論證；明確模型的外部接口關(guān)系以及軟硬件運(yùn)行環(huán)境，確定模型的最終形態(tài)及應(yīng)用方式；形成模型研制要求，約束模型輸入輸出及功能性能要求，明確模型決策空間與約束條件。

3）可行性分析階段。對(duì)模型研制面臨的諸多難題進(jìn)行分析決策，判斷決策邏輯和軍事規(guī)則能否進(jìn)行量化、關(guān)鍵難點(diǎn)能否攻克、人機(jī)分工是否合理，依據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)水平指標(biāo)能否達(dá)成、需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和條件能否滿足，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型原理的可行性；形成可行性分析報(bào)告，確?，F(xiàn)有技術(shù)能夠解決各項(xiàng)難題，并滿足功能性能要求。

4）數(shù)學(xué)建模階段。依據(jù)功能性能要求設(shè)計(jì)處理流程、內(nèi)部接口和數(shù)據(jù)，對(duì)功能性能覆蓋性進(jìn)行分析，確保滿足需求；對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行攻關(guān)、實(shí)現(xiàn)和組裝，實(shí)現(xiàn)完整的模型功能；形成模型設(shè)計(jì)報(bào)告，完成模型技術(shù)攻關(guān)。

5）功能性能測(cè)試階段。根據(jù)功能性能要求，設(shè)計(jì)測(cè)試方案，在模型環(huán)境下對(duì)功能性能指標(biāo)逐條進(jìn)行測(cè)試；對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄及分析，對(duì)指標(biāo)滿足情況進(jìn)行評(píng)估并形成測(cè)試報(bào)告。對(duì)于不滿足的指標(biāo)進(jìn)行分析，用于模型迭代。

6）系統(tǒng)集成階段。對(duì)于通過(guò)測(cè)試的模型，在目標(biāo)機(jī)軟硬件環(huán)境下完成工程化實(shí)現(xiàn)，通過(guò)代碼審查；與現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)互通，形成工程樣機(jī)。

7）定型測(cè)評(píng)階段。在（準(zhǔn)）實(shí)裝環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)集成，并進(jìn)行功能性能測(cè)評(píng)，驗(yàn)證模型是否符合軍事需求；聽(tīng)取用戶反饋意見(jiàn)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。

8）迭代更新階段。基于技術(shù)進(jìn)步以及新的需求，對(duì)模型進(jìn)行完善及改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)更新?lián)Q代。

上述各個(gè)環(huán)節(jié)層層銜接，通常只有完成上一階段設(shè)計(jì)或測(cè)試后，才能夠進(jìn)入下一個(gè)階段。當(dāng)某一階段無(wú)法完成時(shí)，根據(jù)具體情況返回前一個(gè)或前幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行迭代；若仍然無(wú)法要求，說(shuō)明該模型研發(fā)當(dāng)前不具備可行性。

2.2 輔助決策模型等級(jí)劃分

為了對(duì)模型進(jìn)行科學(xué)評(píng)估及管理，借鑒軟件成熟度標(biāo)準(zhǔn)［7］，根據(jù)模型研制所處的階段及其成果，將輔助決策模型劃分為不同等級(jí)，如表1 所示。

表1 輔助決策模型等級(jí)劃分

基于上述分類(lèi)方法，可建立模型的研制履歷表，對(duì)每個(gè)模型的研制過(guò)程進(jìn)行跟蹤，對(duì)其成果進(jìn)行有效管理，有效促進(jìn)模型體系的持續(xù)完善。

3 輔助決策模型設(shè)計(jì)實(shí)例

為了直觀理解本文提出的模型設(shè)計(jì)與評(píng)估方法，下面結(jié)合某突擊系統(tǒng)火力分配輔助決策模型的開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行闡述。該模型的研制目標(biāo)是：基于未來(lái)突擊作戰(zhàn)編配及其火力運(yùn)用模式，針對(duì)作戰(zhàn)實(shí)施階段火力打擊輔助決策的需求，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分析、打擊方案生成等功能，滿足協(xié)同作戰(zhàn)需求［9］。

針對(duì)這一目標(biāo)，下面重點(diǎn)對(duì)該模型設(shè)計(jì)及驗(yàn)證的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 軍事需求分析階段

通過(guò)調(diào)研與分析［10］，明確了如下背景及需求：①軍事背景，包括突擊系統(tǒng)編成與火力配置、作戰(zhàn)目標(biāo)及特點(diǎn)、火力運(yùn)用模式等；②輔助決策應(yīng)用流程，包括火力打擊指控流程、模型地位和作用、輸入輸出信息，人機(jī)交互及模型應(yīng)用方式等；③火力分配規(guī)則；④預(yù)期收益及面臨的難點(diǎn)；具體如表2 所示。

表2 輔助決策模型軍事需求

3.2 功能性能需求分析階段

明確模型研發(fā)要達(dá)成的指標(biāo)，主要包括：①功能指標(biāo)，包括目標(biāo)分析、火力打擊方案生成、沖突檢測(cè)功能等；②性能指標(biāo)，包括彈種類(lèi)型、目標(biāo)類(lèi)型、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性指標(biāo)等；③接口指標(biāo)，包括人機(jī)接口，等；④運(yùn)行環(huán)境指標(biāo)；具體如表3 所示。

表3 功能性能需求

3.3 可行性分析階段

分別從多個(gè)角度進(jìn)行可行性評(píng)估，包括：①軍事需求可行性，包括軍事規(guī)則是否能夠被建模、難點(diǎn)是否能夠被攻克；②系統(tǒng)需求可行性，包括功能性能指標(biāo)可行性、人機(jī)分工可行性；③支撐條件可行性；具體如下頁(yè)表4 所示。

表4 可行性分析

3.4 數(shù)學(xué)建模階段

進(jìn)行輔助決策模型處理流程設(shè)計(jì)，將模型細(xì)分為多個(gè)邏輯處理模塊，如圖2 所示。

圖2 火力分配模型信息處理流程

在該流程中，首先接收并校驗(yàn)輸入的目標(biāo)、武器及人工干預(yù)數(shù)據(jù)，然后分別進(jìn)行目標(biāo)威脅分析排序和武器毀傷能力分析。在目標(biāo)威脅分析過(guò)程中，首先根據(jù)目標(biāo)特點(diǎn)，分為地面車(chē)輛、工事及空中目標(biāo)3 類(lèi)，分別對(duì)其威脅進(jìn)行定量評(píng)估建模，評(píng)估指標(biāo)及方法參考文獻(xiàn)［12-13］；基于威脅評(píng)估模型，分別對(duì)各個(gè)目標(biāo)的威脅進(jìn)行量化評(píng)估。在武器毀傷能力分析過(guò)程中，分別對(duì)每一種彈藥的每一種目標(biāo)毀傷能力進(jìn)行建模，建模方法參考文獻(xiàn)［14-15］；基于模型，對(duì)所有武器對(duì)所有目標(biāo)的毀傷能力進(jìn)行計(jì)算。

基于目標(biāo)的威脅度及武器毀傷能力，分別選擇需要打擊的目標(biāo)及能夠參與打擊的武器；并結(jié)合分配原則，全面考慮影響因素及其復(fù)雜關(guān)系，建立多武器多目標(biāo)火力分配模型，并采用最優(yōu)化方法進(jìn)行求解［16］，生成分配方案。對(duì)于生成的分配方案，進(jìn)行沖突檢測(cè)消解，并且經(jīng)過(guò)人工干預(yù)或確認(rèn)后，生成最終火力分配方案。

3.5 功能性能測(cè)試階段

采用仿真推演手段模擬突擊作戰(zhàn)系統(tǒng)實(shí)際交戰(zhàn)過(guò)程，為火力分配提供輸入條件，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)逐條進(jìn)行測(cè)試，各指標(biāo)的驗(yàn)證方法如表5 所示。

表5 功能性能測(cè)試方法

4 結(jié)論

作戰(zhàn)輔助決策模型的建設(shè)與發(fā)展是一項(xiàng)長(zhǎng)期、基礎(chǔ)性課題，應(yīng)當(dāng)理性把握作戰(zhàn)輔助決策問(wèn)題求解的復(fù)雜程度和分布范圍，力爭(zhēng)模型好用、實(shí)用、管用，不可盲目求多、求新、求異。隨著軍事需求的不斷發(fā)展與技術(shù)不斷進(jìn)步，未來(lái)輔助決策模型需向“輔助深度”和“輔助廣度”兩個(gè)方面拓展：“輔助深度”是指輔助決策模型能幫助和支持決策者求解的決策問(wèn)題的復(fù)雜程度。若能輔助求解的決策問(wèn)題愈復(fù)雜，如戰(zhàn)略（役）決策、情報(bào)決策，則稱(chēng)輔助深度愈深；“輔助廣度”，是指輔助決策模型能幫助和支持決策者求解的決策問(wèn)題的分布范圍。在輔助決策技術(shù)上，未來(lái)作戰(zhàn)輔助決策功能將由單目標(biāo)決策向多目標(biāo)決策、從非對(duì)抗性決策向?qū)剐詻Q策、確定性決策向不確定決策、個(gè)體輔助決策向群體式輔助決策、結(jié)構(gòu)化建模向非結(jié)構(gòu)化輔助決策發(fā)展。

輔助決策模型建設(shè)是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要素眾多、關(guān)聯(lián)復(fù)雜、不確定性強(qiáng)。隨著未來(lái)作戰(zhàn)形態(tài)向智能化、無(wú)人化演進(jìn)，作戰(zhàn)輔助決策將面臨更大挑戰(zhàn)，不僅要求在技術(shù)層面進(jìn)行技術(shù)突破，更重要的是在管理層面進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃與協(xié)調(diào)，塑造好作戰(zhàn)模型培育、成長(zhǎng)與成熟推廣的生態(tài)環(huán)境［17］，為軍民模型研集智眾創(chuàng)創(chuàng)造更好的發(fā)展制創(chuàng)造所需的各項(xiàng)條件。