智能哨所設(shè)防效能評(píng)價(jià)研究

張洪江，宋嬌艷，楊峻一

（西南計(jì)算機(jī)有限責(zé)任公司，重慶 400060）

0 引言

近年來(lái)國(guó)家高度重視邊海防安全建設(shè)與維護(hù)問(wèn)題，針對(duì)邊海防管控手段落后、視頻回傳實(shí)時(shí)性差、供電不穩(wěn)定、低空小目標(biāo)偵察精度低、信息處理能力弱、體系化防控效能低等問(wèn)題[1]，迫切需要以邊海防戰(zhàn)備執(zhí)勤與執(zhí)法監(jiān)管需求為牽引，建立智能化聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制。隨著智能哨所分批建成啟用，在通訊手段、設(shè)備配置、設(shè)防能力等方面均發(fā)生了較大改變，通過(guò)發(fā)展無(wú)人化、智能化軍事設(shè)施[2]，提高了邊境監(jiān)控效率及處置能力。

隨著邊海防智能哨所逐步啟用，設(shè)防鏈信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中的邊境戰(zhàn)場(chǎng)信息量爆炸式增加，對(duì)設(shè)防效能評(píng)價(jià)提出了更高要求，但目前還缺乏相關(guān)評(píng)價(jià)模型對(duì)設(shè)防效能進(jìn)行優(yōu)化迭代，任務(wù)執(zhí)行過(guò)程的動(dòng)態(tài)評(píng)估仍存在不足。本文通過(guò)建立設(shè)防鏈評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用體系貢獻(xiàn)率評(píng)價(jià)智能哨所的設(shè)防能力，采用對(duì)弈樹搜索算法，動(dòng)態(tài)推演可能的作戰(zhàn)結(jié)果，以此選定最優(yōu)作戰(zhàn)策略，提升邊境聯(lián)防聯(lián)控能力。

1 研究現(xiàn)狀

隨著我國(guó)改革開放進(jìn)程的不斷深入，出入境人流量不斷上升，邊境安全問(wèn)題日益突出，但邊防哨所執(zhí)勤手段落后，聯(lián)絡(luò)不暢，設(shè)備匱乏。為提升邊境管控能力，在各種復(fù)雜環(huán)境下均建立了大量邊防哨所，部分哨所安裝了電子哨兵管理系統(tǒng)或紅外掃描視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)光纖防越系統(tǒng)、車載數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)、槍支離位報(bào)警系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)了情報(bào)信息聯(lián)網(wǎng)；云存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)已廣泛應(yīng)用于邊海防建設(shè)[3]，提高了哨所的執(zhí)勤效率、安全性及監(jiān)控范圍。在作戰(zhàn)效能方面，目前已有較多針對(duì)效能評(píng)估模型及方法的研究[4]，有研究者通過(guò)開展“作戰(zhàn)效能評(píng)估研究的可視化分析”[6]，發(fā)現(xiàn)該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)是層次分析法、指標(biāo)體系、裝備體系、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、作戰(zhàn)環(huán)境等[7]。

國(guó)外在邊防哨所建設(shè)方面，有新聞報(bào)道美軍在本土及敘利亞戰(zhàn)場(chǎng)等地設(shè)置了鷹堡遙控機(jī)槍哨所，該哨所采用模塊化設(shè)計(jì)，能短時(shí)完成哨所搭建，配有熱成像傳感器，實(shí)現(xiàn)哨所全向監(jiān)控。文獻(xiàn)Fast RCNN[8]、RFCN[9]等，針對(duì)監(jiān)控候選區(qū)域目標(biāo)檢測(cè)算法的研究中，采用選擇性搜索算法（Selective Search[10]）或卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成可能的目標(biāo)候選區(qū)域，并進(jìn)行分類，通過(guò)邊框回歸算法對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行修正，從而完成對(duì)邊境搜索目標(biāo)的識(shí)別分析。

目前，國(guó)內(nèi)外在哨所建設(shè)方面均取得了相應(yīng)成果，在效能評(píng)估、目標(biāo)識(shí)別等方面，已開展了相應(yīng)研究，但哨所設(shè)防效能評(píng)價(jià)的相關(guān)研究較少。

2 研究?jī)?nèi)容

為發(fā)揮智能哨所最大效能，本文重點(diǎn)研究以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的智能哨所設(shè)防鏈效能評(píng)價(jià)問(wèn)題。①體系貢獻(xiàn)率研究[11]：采用體系貢獻(xiàn)率進(jìn)行設(shè)防鏈效能評(píng)價(jià)，建立以偵察感知能力、指揮控制能力、武力拒止能力、運(yùn)維保障能力為主的四層指標(biāo)體系；②基于動(dòng)態(tài)對(duì)弈的設(shè)防鏈評(píng)價(jià)：基于對(duì)弈論的方法與理念開展設(shè)防效能的預(yù)測(cè)，采用對(duì)弈樹搜索算法，評(píng)估指揮決策中可能的走步，從所有可能中找出最有利于己方的決策方法。

3 設(shè)防鏈效能評(píng)價(jià)

3.1 體系貢獻(xiàn)率研究

3.1.1 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

采用體系貢獻(xiàn)率對(duì)設(shè)防鏈效能進(jìn)行評(píng)價(jià)。體系貢獻(xiàn)率是指特定裝備或裝備組合加入現(xiàn)有體系后，對(duì)特定任務(wù)裝備體系能力以及特定任務(wù)完成好壞程度的一種度量。在體系分析和貢獻(xiàn)率研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合《全軍裝備體系能力框架V1.0》，構(gòu)建“基于裝備體系能力”和“基于聯(lián)合作戰(zhàn)任務(wù)”、利用作戰(zhàn)想定和對(duì)抗場(chǎng)景開展分析的貢獻(xiàn)率評(píng)價(jià)總體架構(gòu)，稱為“體系能力-作戰(zhàn)任務(wù)”二維分析架構(gòu)。為科學(xué)、準(zhǔn)確地度量各型裝備在設(shè)防鏈運(yùn)轉(zhuǎn)、能力生成中的作用和貢獻(xiàn)率，本文體系貢獻(xiàn)率分析評(píng)價(jià)方法參照上述二維分析架構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用“精準(zhǔn)評(píng)價(jià)五步法”進(jìn)行分析。

（1）使命任務(wù)分析，對(duì)照《全軍聯(lián)合通用任務(wù)清單》，確立建設(shè)項(xiàng)目典型作戰(zhàn)任務(wù)，重點(diǎn)是主要的典型作戰(zhàn)任務(wù)。

（2）能力指標(biāo)梳理，對(duì)照《全軍裝備體系能力框架》，明確智能哨所的能力項(xiàng)、指標(biāo)項(xiàng)，重點(diǎn)是核心關(guān)鍵的具體能力指標(biāo)。

（3）對(duì)抗場(chǎng)景設(shè)置，結(jié)合智能哨所可能的典型應(yīng)用場(chǎng)景、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、對(duì)抗樣式等，搭建可進(jìn)行體系對(duì)抗的作戰(zhàn)體系。

（4）評(píng)價(jià)矩陣確立，將典型的作戰(zhàn)任務(wù)與核心關(guān)鍵的具體能力指標(biāo)關(guān)聯(lián)起來(lái)，建立評(píng)估評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

（5）定性定量分析，綜合運(yùn)用定性與定量結(jié)合的分析方法，對(duì)智能哨所能力提升、作戰(zhàn)任務(wù)完成效能進(jìn)行分析計(jì)算，形成智能哨所體系貢獻(xiàn)率評(píng)價(jià)結(jié)論。

為形成對(duì)智能哨所裝備體系能力評(píng)價(jià)的“全景視圖”，需要從多個(gè)方面對(duì)裝備能夠達(dá)到的能力進(jìn)行度量和描述，建立“偵-指-拒-?！睘橹鞯闹悄苌谒茉u(píng)價(jià)指標(biāo)體系（見圖1）。

圖1 智能哨所效能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

（1）偵察感知能力，指智能哨所上裝平臺(tái)以及偵察探測(cè)裝備所形成的能力。

（2）指揮控制能力，根據(jù)邊海防作戰(zhàn)方案計(jì)劃、戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)情況以及突發(fā)事件等，將指揮、通信、控制、協(xié)同效能信息，轉(zhuǎn)化為對(duì)設(shè)防行動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)掌握的能力。

（3）武力拒止能力，指對(duì)智能哨所聲、光、電、失能拒止武器單元以及有人協(xié)同實(shí)施網(wǎng)絡(luò)化控制的能力。

（4）運(yùn)維保障能力，綜合判斷智能哨所具備供電手段、儲(chǔ)能能力、維護(hù)周期、應(yīng)急手段、維修便利性的加權(quán)效能。

3.1.2 體系能力評(píng)估

基于對(duì)智能哨所效能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建設(shè)能力的評(píng)估需求，建立“作戰(zhàn)任務(wù)-體系能力”評(píng)估矩陣。目前，處理此類問(wèn)題使用層次分析法較多，通過(guò)建立判斷矩陣、層次單排序、一致性檢驗(yàn)、層次總排序等處理，最終確定各分指標(biāo)的權(quán)重，得到相對(duì)于最終評(píng)價(jià)目標(biāo)的重要性排序[12]。該方法的算法實(shí)現(xiàn)非常成熟，以信息系統(tǒng)裝備為例，在計(jì)算其能力體系覆蓋率A1時(shí)，主要有以下步驟[13]：

（1）利用層次分析法計(jì)算得到設(shè)防效能覆蓋率、武器控制能力覆蓋率、協(xié)同控制能力覆蓋率3個(gè)分項(xiàng)體系貢獻(xiàn)率的歸一化權(quán)重（設(shè)為[a1，a2，a3]），這組權(quán)重對(duì)所有信息系統(tǒng)裝備評(píng)估時(shí)均一致。

（2）對(duì)各分項(xiàng)體系貢獻(xiàn)率，如設(shè)防效能覆蓋，利用層次分析法計(jì)算得到行動(dòng)類型覆蓋率、行動(dòng)狀態(tài)掌控度、指令時(shí)延及時(shí)性3個(gè)子目標(biāo)的歸一化權(quán)重 （設(shè)為[α11，α12，α13]），這組權(quán)重對(duì)所有裝備評(píng)估時(shí)均一致。

（3）對(duì)設(shè)防類型覆蓋率、設(shè)防狀態(tài)掌控度、指令時(shí)延及時(shí)性3個(gè)指標(biāo)值分別為[X1，X2，X3]的信息系統(tǒng)裝備，通過(guò)去量綱化處理：

（4）待評(píng)估裝備的歸一化能力指標(biāo)[C1，C2，C3]，采用線性加權(quán)（歸一化權(quán)與去量綱值的乘積和），得到待評(píng)估信息系統(tǒng)裝備的各分項(xiàng)能力的體系貢獻(xiàn)率，如設(shè)防效能覆蓋率為：

B1=∑α1iCi

以及待評(píng)估信息系統(tǒng)裝備的能力體系覆蓋率為：

A1=∑αiBi

（5）以某個(gè)待評(píng)估信息系統(tǒng)裝備為基準(zhǔn)（AF），計(jì)算其它同類型裝備（AK）相比該裝備的體系能力貢獻(xiàn)率大小，即：

（AK-AF）/AF×100%

通過(guò)以上流程，可得到智能哨所裝備各項(xiàng)體系貢獻(xiàn)率評(píng)估指標(biāo)，并可進(jìn)一步綜合后得到用于描述整個(gè)裝備體系貢獻(xiàn)率的指標(biāo)。由于同類型裝備在能力指標(biāo)上的差異性，每一層級(jí)都會(huì)形成可用于裝備之間對(duì)比的體系貢獻(xiàn)率指標(biāo)。綜合運(yùn)用仿真、解析等多種分析評(píng)估評(píng)價(jià)方法，對(duì)各種場(chǎng)景下的哨所效能指標(biāo)進(jìn)行分析計(jì)算，得到不同任務(wù)場(chǎng)景下的評(píng)價(jià)指數(shù)，通過(guò)智能哨所設(shè)防鏈效能評(píng)價(jià)仿真軟件，完成對(duì)哨所裝備體系貢獻(xiàn)率的研究。

3.2 動(dòng)態(tài)對(duì)弈的設(shè)防評(píng)價(jià)

基于智能哨所任務(wù)復(fù)雜性與裝備能力多樣性的特點(diǎn)，以無(wú)人車作戰(zhàn)行動(dòng)為例，結(jié)合任務(wù)決策、規(guī)劃應(yīng)用需求，運(yùn)用交戰(zhàn)動(dòng)態(tài)博弈的思想，基于無(wú)人戰(zhàn)車作戰(zhàn)行動(dòng)模型、地面突擊移動(dòng)與毀傷模型等，采用影響力圖模型（Influence Map）[14]，以智能哨所位置為中心，根據(jù)裝備突破能力、偵察能力在其攻防覆蓋范圍、偵察范圍內(nèi)向四周擴(kuò)散其影響力，形成無(wú)人車作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)中敵我雙方在地圖上的空間分布。同時(shí)利用博弈論方法從時(shí)間維度進(jìn)行敵方策略預(yù)測(cè)與我方行動(dòng)計(jì)劃評(píng)估，預(yù)測(cè)敵方動(dòng)態(tài)與戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)。

3.2.1 動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)評(píng)估

基于敵我作戰(zhàn)動(dòng)態(tài)對(duì)弈的思想，聯(lián)合空間、時(shí)間維度對(duì)敵方作戰(zhàn)行動(dòng)開展動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)與計(jì)劃評(píng)估?？臻g維度基于影響力圖構(gòu)建敵我空間分布模型，分析獲取敵我力量對(duì)比的優(yōu)勢(shì)區(qū)域、緊張區(qū)域、薄弱區(qū)域等柵格對(duì)比數(shù)據(jù)，形成敵我雙方力量在地圖上的空間分布。時(shí)間維度上基于臨機(jī)規(guī)劃動(dòng)態(tài)對(duì)抗的思想創(chuàng)建對(duì)抗模型，推斷每種對(duì)弈狀態(tài)下敵可能行動(dòng)策略與行動(dòng)后達(dá)到的新狀態(tài)，通過(guò)多步敵方策略預(yù)測(cè)結(jié)果的擇優(yōu)比對(duì)，實(shí)現(xiàn)敵最大可能行動(dòng)策略預(yù)測(cè)，將復(fù)雜作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)隨著時(shí)間的演化建模為復(fù)雜動(dòng)態(tài)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)序列，基于演化規(guī)則對(duì)智能哨所任務(wù)需求設(shè)計(jì)，構(gòu)建作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)演化模型，通過(guò)分析其時(shí)序特性與有向圖動(dòng)態(tài)變化信息，實(shí)現(xiàn)智能哨所設(shè)防鏈效能評(píng)價(jià)。

3.2.2 對(duì)弈樹搜索

邊海防戰(zhàn)場(chǎng)的敵我“滲透-拒止”對(duì)抗是明顯的對(duì)弈過(guò)程。針對(duì)智能哨所執(zhí)勤任務(wù)，決策是一個(gè)不斷考慮對(duì)方可能的策略以及環(huán)境信息的改變，進(jìn)行比較、分析、判斷，不斷做出策略選擇的連續(xù)過(guò)程。本研究采用對(duì)弈論的方法與理念開展設(shè)防鏈效能的預(yù)測(cè)評(píng)估。對(duì)弈樹搜索是對(duì)弈程序中的重要方法，通過(guò)搜索對(duì)弈樹對(duì)弈程序可以知道每一種對(duì)弈狀態(tài)下可選的走步及每種走步會(huì)到達(dá)的新的對(duì)弈狀態(tài)。一棵完整的對(duì)弈樹包含了整個(gè)對(duì)弈過(guò)程中可能出現(xiàn)的所有情況，對(duì)弈樹的葉子節(jié)點(diǎn)值代表了收益。對(duì)弈樹搜索算法的目的是在評(píng)估每種可能的走步，從所有可選走步中找出對(duì)自己最有利的走步，見圖2。

圖2 快速走子與對(duì)弈過(guò)程的設(shè)防判斷

具體應(yīng)用過(guò)程：根據(jù)每個(gè)行動(dòng)的執(zhí)行時(shí)間，得出雙方的策略集。經(jīng)計(jì)算，我方共有X種防御策略，敵方共有Y種進(jìn)攻策略。

（1）根據(jù)影響參數(shù)和效用函數(shù)求出我方的贏得矩陣。

（2）對(duì)解的分析。對(duì)弈模型的解分為兩種：純策略解和混合策略的均衡解。當(dāng)解為純策略解時(shí)，如果雙方的指揮決策是理性的，那么他們必然選擇對(duì)應(yīng)的策略。如果是混合策略的均衡解，則需要判斷對(duì)手的決策行為，并以一定的概率選擇對(duì)策。作戰(zhàn)中，計(jì)劃方案可以有多個(gè)，但真正執(zhí)行的方案卻只有一個(gè)，那么在混合策略的情況下，如何做出正確的決策，則跟參與者自身的能力、背景等因素以及對(duì)手的特點(diǎn)有關(guān)。經(jīng)過(guò)多步敵方策略預(yù)測(cè)和我方行動(dòng)計(jì)劃評(píng)估，求得多步后的最佳勝負(fù)判斷，作為任務(wù)高級(jí)設(shè)防評(píng)估信息。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)初步建立智能哨所效能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用體系貢獻(xiàn)率對(duì)邊海防智能哨所設(shè)防鏈效能進(jìn)行評(píng)價(jià)；基于動(dòng)態(tài)對(duì)弈過(guò)程中高度不確定性的信息，提出對(duì)弈樹搜索算法，針對(duì)威脅能迅速、準(zhǔn)確地評(píng)估識(shí)別。通過(guò)本研究能夠?yàn)橹悄苌谒O(shè)防效能的評(píng)估提供參考方法，為智能哨所提供動(dòng)態(tài)威脅評(píng)估方法。