朱 剛, 譚賢四, 王 紅, 畢紅葵

(1.空軍預(yù)警學(xué)院研究生管理大隊(duì),湖北武漢430019; 2.空軍預(yù)警學(xué)院陸基預(yù)警監(jiān)視裝備系,湖北武漢430019)

體系對(duì)抗中信息與人和武器關(guān)系的SD模型

朱 剛1, 譚賢四2, 王 紅2, 畢紅葵2

(1.空軍預(yù)警學(xué)院研究生管理大隊(duì),湖北武漢430019; 2.空軍預(yù)警學(xué)院陸基預(yù)警監(jiān)視裝備系,湖北武漢430019)

為探索體系對(duì)抗中信息與人和武器之間的關(guān)系,結(jié)合軍事信息優(yōu)勢論和OODA(observe,orient,decide,act)環(huán)模型,提出了OODAI(observe,orient, decide,act,information)網(wǎng)模型,該模型結(jié)合多兵種作戰(zhàn)的Lanchester方程,能較好地解釋體系對(duì)抗毀傷過程。應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(system dynamics,SD)理論和方法,構(gòu)建了以信息、人和武器為主要影響因素的體系對(duì)抗系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,并對(duì)體系對(duì)抗過程進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果為探究信息在人和武器中的關(guān)系提供了借鑒。

體系對(duì)抗;系統(tǒng)動(dòng)力學(xué);Lanchester方程

軍事信息化給戰(zhàn)斗力系統(tǒng)二元論帶來了新的挑戰(zhàn)[1]。信息因素在二元論中模糊的定位,導(dǎo)致軍事人員對(duì)武器裝備體系這一概念出現(xiàn)了2種不同的理解方式[2-3]：在體系對(duì)抗研究中,研究人員將武器裝備體系理解為由C4ISR(command,control,communication,computer,intelligence,surveillance,reconnaissance)系統(tǒng)和其他武器裝備系統(tǒng)構(gòu)成的、具有協(xié)同關(guān)系的整體;而在裝備論證研究中,研究人員不考慮戰(zhàn)法因素,將C4ISR系統(tǒng)看作軍事信息系統(tǒng),與其他武器裝備系統(tǒng)一樣具有相對(duì)獨(dú)立的建設(shè)過程,但受控于統(tǒng)一的過程控制機(jī)制。

為消除體系對(duì)抗與裝備論證工作之間的鴻溝,美軍集成了“能力過程”和“采辦過程”,在《聯(lián)合作戰(zhàn)頂層概念》指導(dǎo)下制定了需求工程過程,并頒布《國防部體系結(jié)構(gòu)框架》輔助需求工程過程的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化[4-6]。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的沙基昌教授團(tuán)隊(duì)提出戰(zhàn)爭設(shè)計(jì)工程概念,強(qiáng)調(diào)裝備與戰(zhàn)法、未來情景和干預(yù)策略、異質(zhì)專家群體智慧和定性與定量分析4大集成問題[7]53。裝甲兵工程學(xué)院的郭齊勝教授團(tuán)隊(duì)提出了裝備需求論證工程化概念,通過“規(guī)范化、模塊化、工具化和資源化”集成裝備需求論證工作[8]。本文借鑒上述研究思想,提出了OODAI網(wǎng)模型。在OODAI網(wǎng)模型的指導(dǎo)下構(gòu)建了體系對(duì)抗系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(system dynamics)模型并進(jìn)行了仿真,對(duì)探索信息、人與武器關(guān)系具有一定的借鑒意義,對(duì)集成體系對(duì)抗和裝備論證研究工作具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 OODAI網(wǎng)模型

一般來說,戰(zhàn)斗力系統(tǒng)主要由人、武器裝備以及人與武器裝備的關(guān)系,包括軍事理論、體制編制、軍事訓(xùn)練以及由此而產(chǎn)生的軍事活動(dòng)等基本要素構(gòu)成[9]。為探索信息因素在傳統(tǒng)戰(zhàn)斗力系統(tǒng)中的定位,引入軍事信息定義。

定義1 軍事信息是與軍事活動(dòng)有關(guān)實(shí)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和變化方式的一種表征和反映。任一實(shí)體的要素一般包括屬性類型、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、變化方式。軍事信息就是對(duì)這些實(shí)體有關(guān)要素的綜合描述[10]。

根據(jù)定義1,構(gòu)建戰(zhàn)斗力系統(tǒng)人、武器、信息3個(gè)因素認(rèn)知模型如圖1所示。

圖1 戰(zhàn)斗力系統(tǒng)認(rèn)知模型

圖1 中,當(dāng)信息因素作用較小時(shí),人與武器形成緊密結(jié)合關(guān)系。當(dāng)信息因素作用較大時(shí),人與武器通過信息因素形成結(jié)合關(guān)系。a處的“噪聲”是人認(rèn)知不統(tǒng)一造成的,a處的“組織”表示人對(duì)信息的處理過程;b處的“噪聲”是環(huán)境造成的;c處的“影響”表示信息因素作用于武器裝備的效果;d處的“噪聲”是武器裝備異構(gòu)平臺(tái)造成的,d處的“產(chǎn)生”表示武器裝備產(chǎn)生的信息;e處的“噪聲”是武器裝備數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一造成的;f處的“影響”表示信息因素作用于人的效果。

以嵌套形式關(guān)聯(lián)的階梯狀OODA模型能較好地解釋機(jī)械化條件下的指揮控制過程,但不適用于解釋體系對(duì)抗中的指揮控制過程[11-12]。對(duì)于簡單決策行為而言,OODA環(huán)是短路的。因此,將人與武器緊密結(jié)合關(guān)系看成短路的OODA環(huán)。而復(fù)雜的決策行為中包含許多簡單的決策行為,若簡單決策行為間存在廣泛的非線性交互行為,則可導(dǎo)致“涌現(xiàn)”。在此,引入戰(zhàn)爭系統(tǒng)概念進(jìn)行解釋。

定義2 戰(zhàn)爭系統(tǒng)由許多具有自主特性和適應(yīng)能力的分系統(tǒng)、子系統(tǒng)等組成,具有物質(zhì)、能量與信息的全面開放性,且分系統(tǒng)、子系統(tǒng)之間存在廣泛的非線性和作用機(jī)制[7]24。

根據(jù)圖1可知,這種廣泛的非線性交互行為是通過信息銜接的。短路的OODA環(huán)使得人映射為戰(zhàn)爭系統(tǒng)狀態(tài)決策者和武器系統(tǒng)狀態(tài)決策者2部分。將武器系統(tǒng)狀態(tài)決策者與武器看作作戰(zhàn)單元,可構(gòu)建戰(zhàn)爭系統(tǒng)認(rèn)知模型如圖2所示。

圖2 戰(zhàn)爭系統(tǒng)認(rèn)知模型

圖2 中,決策者、信息與作戰(zhàn)單元構(gòu)成的輸入/輸出關(guān)系,表示實(shí)時(shí)的信息流動(dòng)狀態(tài)。此外,信息還具有存儲(chǔ)性,如決策者與信息構(gòu)成的輸入/輸出關(guān)系,存儲(chǔ)的信息在一定時(shí)間內(nèi)仍然可以影響信息與作戰(zhàn)單元構(gòu)成的輸入/輸出關(guān)系,反之亦然。根據(jù)分析,可給出戰(zhàn)斗力系統(tǒng)的三元論定義。

定義3 戰(zhàn)斗力系統(tǒng)是戰(zhàn)爭系統(tǒng)的子系統(tǒng),特指軍隊(duì)為完成所擔(dān)負(fù)多樣化軍事任務(wù)能力的總體概括,是由人、武器、信息等基本要素以及三者間關(guān)系構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)。

根據(jù)上述分析,構(gòu)建OODAI網(wǎng)模型如圖3所示。

圖3 OODAI網(wǎng)模型

圖3 中,當(dāng)信息影響較小時(shí),OODAI網(wǎng)短路為OODA環(huán);決策者與作戰(zhàn)單元處于跨時(shí)空時(shí),決策者與作戰(zhàn)單元處于2個(gè)不同的平面,通過I連接成立體結(jié)構(gòu);當(dāng)實(shí)時(shí)的群決策或體系對(duì)抗時(shí),決策者之間的OODA過程進(jìn)一步分解成以I為樞紐的云端。若以信息傳遞時(shí)間為衡量量,則構(gòu)成一個(gè)以I為核心的不規(guī)則體。因此,從結(jié)構(gòu)上來看,OODAI網(wǎng)模型比OODA模型更適合解釋體系對(duì)抗中的指揮控制過程。

2 體系對(duì)抗模型

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象是復(fù)雜信息反饋系統(tǒng),是著重研究分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為的學(xué)科,具有在缺乏精確數(shù)據(jù)的情況下觀察系統(tǒng)行為和變化趨勢的優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析信息對(duì)決策者和作戰(zhàn)單元的影響,對(duì)頂層分析定位信息因素有非常強(qiáng)的輔助作用。根據(jù)上文和文獻(xiàn)[13]的啟發(fā),可在OODAI網(wǎng)模型上應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論構(gòu)建體系對(duì)抗模型。

OODAI網(wǎng)模型中,決策過程是在一定信息量基礎(chǔ)上將信息轉(zhuǎn)換為有效信息,輔助指導(dǎo)行動(dòng)的過程。假設(shè)任意一次決策開始時(shí)的初始信息量均為S,考慮到信息的存儲(chǔ)性和時(shí)效性,第i次決策后的有效信息Si都被存儲(chǔ),并可作為下一次決策的初始信息量加以利用,利用率為γi,Si離下一次決策時(shí)間越近,γi越高。信息收集速率為St,信息量轉(zhuǎn)化為有效信息的效率為η,則第m次決策前第t時(shí)刻有效信息Se為

從決策角度引入基于熵理論信息價(jià)值評(píng)估模型[10]67：設(shè)事件有n種可能,每一種可能發(fā)生概率為{p1,p2,…,pn},且有p1+p2+…+pn=1,則熵為

若決策者只是依據(jù)事件的發(fā)生概率做出決策,認(rèn)識(shí)不確定性的熵為S0。若t時(shí)刻決策者接收到關(guān)于事件的有效信息的熵為Se,決策者在事件發(fā)生概率和Se的基礎(chǔ)上做出決策,此時(shí)對(duì)事件認(rèn)知不確定性的熵SI為

由式(3)可知,決策者確定一次事件,需要條件SI≥0。由條件SI≥0和式(1)～式(3)可得

由式(4)可知,當(dāng)紅藍(lán)雙方?jīng)Q策者對(duì)事件不確定性相同時(shí),η、S、St或存儲(chǔ)的信息量相對(duì)較大的一方,做出決策所需的時(shí)間t就相對(duì)較少,表示信息優(yōu)勢轉(zhuǎn)化成了決策優(yōu)勢?？梢哉J(rèn)為,每一次決策后不確定性的熵變?yōu)镾0,t時(shí)刻有效信息為Se,直到滿足條件SI≥0時(shí),才能正確地做出下一次決策。

當(dāng)決策者確定事件后,給武器分配目標(biāo)并下達(dá)指令進(jìn)行對(duì)抗。對(duì)抗過程則是一個(gè)物理毀傷過程。因此,可從對(duì)抗角度引入多兵種作戰(zhàn)的Lanchester方程[14]。

設(shè)紅藍(lán)雙方每次決策后給出了當(dāng)次的武器-目標(biāo)最佳分配策略,且紅藍(lán)雙方各有A(A∈N)和B(B∈N)類作戰(zhàn)單位,分別用向量表示為

式中：xk表示紅方第k(1≤k≤A)類作戰(zhàn)單位數(shù)量;yh表示藍(lán)方第h(1≤h≤B)類作戰(zhàn)單位數(shù)量。

設(shè)αkh是xk對(duì)yh的損耗系數(shù),βhk是yh對(duì)xk的損耗系數(shù),且有：αkh＞0,βhk＞0(i=1,2,…,k; j=1,2,…,h)。

設(shè)μkh為xk攻擊yh的比例,νhk為yh攻擊xk的比例。此時(shí)紅藍(lán)雙方的體系對(duì)抗損耗方程為：

根據(jù)上述分析,可構(gòu)建體系對(duì)抗關(guān)系如圖4所示。

圖4中,實(shí)線和實(shí)心箭頭表示紅方物質(zhì)流,虛線和實(shí)心箭頭表示紅方信息流,實(shí)線和線箭頭表示藍(lán)方物質(zhì)流,虛線和線箭頭表示藍(lán)方信息流。根據(jù)上述分析,構(gòu)建體系對(duì)抗SD模型如圖5所示。

圖5 體系對(duì)抗SD模型

3 體系對(duì)抗過程模擬

假設(shè)1根據(jù)上文分析可做出如下假設(shè)：

1)行動(dòng)開始前,紅方作戰(zhàn)單元k為200,藍(lán)方作戰(zhàn)單元h為195。

2)紅方k對(duì)藍(lán)方h損耗系數(shù)和藍(lán)方h對(duì)紅方k損耗系數(shù)相等,設(shè)為0.2。

3)紅藍(lán)雙方信息收集率均為0.2,信息損耗率為0.1,即表明紅藍(lán)雙方在信息獲取和干擾相同。

5)假定紅藍(lán)雙方?jīng)Q策者素質(zhì)相同,即信息量相同時(shí),決策水平相同。

6)假設(shè)紅藍(lán)雙方存儲(chǔ)信息量均為0,每次行動(dòng)后存儲(chǔ)信息量增加1個(gè)單位,且利用率相等,均為0.01。

7)當(dāng)某一方總損耗率大于對(duì)方時(shí),決策者會(huì)采取行動(dòng)進(jìn)行調(diào)整,假設(shè)每次比例調(diào)整量為0.1,即每次能夠調(diào)度的戰(zhàn)斗力單位數(shù)為20。

8)當(dāng)某一方作戰(zhàn)總單位數(shù)為0時(shí),對(duì)抗結(jié)束。

上述假設(shè)表明,紅藍(lán)雙方除作戰(zhàn)單位數(shù)量外,其他設(shè)置相同。將上述假設(shè)數(shù)據(jù)代入SD模型并在Vensim軟件下運(yùn)行,可得紅藍(lán)雙方主要參數(shù)變化情況如圖6所示。

圖6中,橫軸表示時(shí)間,縱軸表示作戰(zhàn)單元數(shù)a=200個(gè)、存儲(chǔ)信息次數(shù)b=6次和滿足決策信息量c=1個(gè)單位這3個(gè)主要參數(shù)的變化情況。在對(duì)抗過程中,紅藍(lán)雙方的作戰(zhàn)單元數(shù)隨著時(shí)間的變化逐漸減少,直至一方為0;存儲(chǔ)的信息次數(shù)隨著對(duì)抗時(shí)間逐漸增多,存儲(chǔ)的信息量也隨之增多;1次脈沖代表1次決策過程,橫軸上的脈沖次數(shù)代表了對(duì)抗方的決策次數(shù)。

圖6 假設(shè)1紅藍(lán)雙方主要參數(shù)變化示意圖

假設(shè)2在假設(shè)一基礎(chǔ)上修改部分參數(shù),設(shè)紅藍(lán)雙方戰(zhàn)斗單元數(shù)均為200,紅方信息量存儲(chǔ)較多,初始值為1,藍(lán)方為0,其他參數(shù)設(shè)置相同。紅藍(lán)雙方主要參數(shù)變化情況如圖7所示。

圖7 假設(shè)2紅藍(lán)雙方主要參數(shù)變化示意圖

假設(shè)3在假設(shè)2基礎(chǔ)上修改部分參數(shù),設(shè)紅方信息收集率為0.21,紅藍(lán)雙方信息量存儲(chǔ)均為0,其他參數(shù)設(shè)置相同。紅藍(lán)雙方主要參數(shù)變化情況如圖8所示。

圖8 假設(shè)3紅藍(lán)雙方主要參數(shù)變化示意圖

比較上述假設(shè)的仿真結(jié)果,可得如下結(jié)論：

1)當(dāng)紅藍(lán)雙方信息收集率,存儲(chǔ)信息量和決策者素質(zhì)以及其他武器裝備等條件基本相同的情況下,武器裝備數(shù)量對(duì)結(jié)果影響較大,但是其他參數(shù)變化趨勢對(duì)裝備數(shù)量變化不敏感。圖6即為通過增加裝備數(shù)量,取得局部戰(zhàn)場相對(duì)優(yōu)勢變化圖。然而,在體系對(duì)抗過程中,參與作戰(zhàn)行動(dòng)的戰(zhàn)斗力系統(tǒng)為高技術(shù)武器裝備,無論研發(fā)、生產(chǎn)還是保障工作都需要投入大量的人力物力,然而這種投入在體系對(duì)抗中優(yōu)勢并不明顯,顯然是不劃算的。

2)當(dāng)紅藍(lán)雙方其他條件相同,只是紅方存儲(chǔ)信息量比藍(lán)方多一次體系對(duì)抗中決策行為的信息量,紅藍(lán)雙方存儲(chǔ)信息量利用效率均為0.01,且具有相同轉(zhuǎn)換效率的情況下,紅方從第2次行動(dòng)開始掌握戰(zhàn)場動(dòng)態(tài),在優(yōu)勢積累下,只需根據(jù)藍(lán)方行動(dòng)做2次行動(dòng)調(diào)整,就可獲得整體優(yōu)勢,使得決策者可以將精力放在其他局部戰(zhàn)場上,如圖7所示。即在平時(shí)的信息化建設(shè)過程中,盡可能多地獲取敵方武器裝備性能參數(shù),在體系對(duì)抗過程中都能成倍的增長戰(zhàn)斗力單元系統(tǒng)的毀傷能力。

3)當(dāng)其他條件完全相同,紅方信息收集速率比藍(lán)方每分鐘多0.01個(gè)相對(duì)單位時(shí),紅方仍然能夠建立較大的絕對(duì)優(yōu)勢,掌握戰(zhàn)場主動(dòng)權(quán),如圖8所示。即其他條件相同情況下,提高信息的收集速率能獲得較大戰(zhàn)場收益。

通過上述分析可知,信息不僅能夠促進(jìn)決策者工作效率,還能促進(jìn)戰(zhàn)斗力單元的作戰(zhàn)效能。因此在平時(shí)的裝備論證過程中,不能簡單地將信息因素等同于C4ISR系統(tǒng),也不能籠統(tǒng)的歸納到軍事信息系統(tǒng)中去,一定要結(jié)合指揮控制流程、信息流和物質(zhì)流來考慮裝備論證過程;在體系對(duì)抗研究過程中,亦不能簡單地將信息因素等同于C4ISR系統(tǒng),也不能片面地認(rèn)為起作用的只是信息傳輸與分發(fā)功能,一定要結(jié)合實(shí)際情況,確定信息的數(shù)據(jù)格式,考慮交換流程以及裝備論證過程中的各種限制因素,這樣才能合理地描述出信息因素在戰(zhàn)斗力系統(tǒng)中的地位和作用。

4 結(jié) 論

為探索適應(yīng)軍事信息化變革的新理論,提出了信息、人和武器的三元關(guān)系論,主要工作有：①在人與武器關(guān)系二元論中引入了軍事信息概念,提出了信息、人和武器三元關(guān)系論的戰(zhàn)斗力系統(tǒng)認(rèn)知模型;② 在三元論戰(zhàn)斗力系統(tǒng)認(rèn)知模型基礎(chǔ)上,結(jié)合系統(tǒng)論、OODA模型和戰(zhàn)爭系統(tǒng)理論,提出了戰(zhàn)爭系統(tǒng)認(rèn)知模型和OODAI模型;③在上述認(rèn)知基礎(chǔ)上應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、信息熵和Lanchester方程對(duì)體系對(duì)抗過程進(jìn)行了仿真,驗(yàn)證了信息是戰(zhàn)斗力倍增器這一客觀事實(shí)。本文為探索如何進(jìn)行作戰(zhàn)體系信息化建設(shè)提供了一定的理論依據(jù),下一步將對(duì)模型進(jìn)行完善。

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(編輯：孫陸青)

SD Model of Information,Human and Weapons Relationship in the System of Systems Combat

ZHU Gang1, TAN Xiansi2, WANG Hong2, BI Hongkui2
(1.Company of Postgraduate Management,Air Force Early Warning Academy,Wuhan Hubei 430019,China; 2.Department of Land-based Early Warning Surveillance Equipment,Air Force Early Warning Academy,Wuhan Hubei 430019,China)

To explore the relation between information,human and weapons in the system of systems combat,and combine the military information theory of superiority and observe,orient, decide,act(OODA)model,the observe,orient,decide,act,information(OODAI)model is proposed, and the model,combined the Lanchester equation,can better explain the damage course in the system of systems combat.Using the system dynamics(SD)theory and method,the paper builds the system dynamics model in system of systems combat in which major influence factors are information,human and weapons,gives a simulation of the system of systems combat.The simulation results offer the references to probe into the information,human and weapons relationship.

system of systems combat;system dynamics;Lanchester equation

E 91;E 92

2095-3828(2014)04-0133-05

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2014.04.028

2013-06-28

朱 剛(1984-),男,博士研究生.主要研究方向：裝備效能評(píng)估.zhug2008@163.com.譚賢四,男,教授,博士生導(dǎo)師.