艦艇編隊(duì)防空作戰(zhàn)信息效用分析及度量模型*

周國輝，劉湘?zhèn)?，章桂永，熊?/p>

(1.電子工程學(xué)院，合肥安徽 230037;2.中國人民解放軍63880部隊(duì)，河南洛陽 671003)

0 引言

毛澤東同志曾指出，戰(zhàn)爭(zhēng)就是兩軍指揮員以軍力財(cái)力等項(xiàng)物質(zhì)基礎(chǔ)作地盤，互爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和主動(dòng)的主觀能力的競(jìng)賽［1］。可見，人的主觀能動(dòng)性對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的巨大作用。在“信息+火力”的現(xiàn)代防空作戰(zhàn)中，戰(zhàn)場(chǎng)指揮員自身能動(dòng)性的發(fā)揮就必須獲取各種有用的戰(zhàn)場(chǎng)信息。信息作為現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中的關(guān)鍵詞，戰(zhàn)爭(zhēng)指揮員必須能夠及時(shí)準(zhǔn)確地把握信息環(huán)境的態(tài)勢(shì)，提煉出有用的戰(zhàn)場(chǎng)信息，為獲取戰(zhàn)場(chǎng)優(yōu)勢(shì)提供信息支持［2］。然而置身于復(fù)雜的信息環(huán)境中，面對(duì)海量的戰(zhàn)場(chǎng)信息，如何去獲取有價(jià)值的信息是指揮員應(yīng)考慮的問題。本文通過分析艦艇編隊(duì)防空作戰(zhàn)信息的效用，給出信息效用的度量模型，為編隊(duì)防空指揮員篩選信息進(jìn)行編隊(duì)防空提供依據(jù)。

1 艦艇編隊(duì)防空作戰(zhàn)信息環(huán)境

1.1 信息環(huán)境的構(gòu)成［3］

爭(zhēng)奪信息優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為信息化條件下的艦艇編隊(duì)執(zhí)行對(duì)空、對(duì)海、對(duì)岸、對(duì)潛作戰(zhàn)，奪取制海權(quán)的制高點(diǎn)。信息系統(tǒng)、敵我雙方的相關(guān)信息和信息作戰(zhàn)能力是取得信息優(yōu)勢(shì)的三大要素，某種程度上講，它們可以分別對(duì)應(yīng)信息環(huán)境中的3個(gè)相互關(guān)聯(lián)的維度，即物理域、信息域和認(rèn)知域。

(1)物理域

物理域主要指信息世界與物理世界疊加的地方，由信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)組成。包括指揮與控制(C2)系統(tǒng)以及支持個(gè)人和組織在陸、海、空、天等領(lǐng)域展開作戰(zhàn)行動(dòng)的基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)還包括各類物理平臺(tái)以及將它們聯(lián)結(jié)起來的通信網(wǎng)絡(luò)。在艦艇編隊(duì)防空作戰(zhàn)中，編隊(duì)內(nèi)各種具有防空作戰(zhàn)能力的水面艦艇所配備的獲取信息的物理設(shè)施都屬于物理域的范疇，如有源艦載相控陣?yán)走_(dá)、對(duì)空警戒雷達(dá)、火控雷達(dá)、無線電偵察裝備等等。

(2)信息域

信息域是收集、處理、存儲(chǔ)、分發(fā)、顯示和保護(hù)信息的地方，是現(xiàn)代軍隊(duì)的指揮與控制進(jìn)行信息獲取和信息通信的維。信息維具有信息本身和介質(zhì)雙重性質(zhì)。

(3)認(rèn)知域

認(rèn)知域包含決策人員和目標(biāo)受眾的思想，是人們思考、意識(shí)、想象和做出決定的維，是三維中最重要的維。認(rèn)知域主要是指揮員從信息環(huán)境中獲取各種戰(zhàn)場(chǎng)信息，通過人腦或信息系統(tǒng)進(jìn)行提取、分析、處理后，獲得對(duì)自己決策和作戰(zhàn)行為有價(jià)值的情報(bào)信息，為編隊(duì)指揮員指揮進(jìn)行區(qū)域防空和點(diǎn)防空作戰(zhàn)做出信息支持。

1.2 信息生產(chǎn)－消費(fèi)模型

從系統(tǒng)論觀點(diǎn)看，戰(zhàn)爭(zhēng)可以看成一個(gè)系統(tǒng)，而且是一個(gè)典型的復(fù)雜巨系統(tǒng)，根據(jù)不同的視角，戰(zhàn)爭(zhēng)系統(tǒng)可以是由紅、藍(lán)、綠等各方組成的封閉大系統(tǒng)，也可以是只針對(duì)某一方建立的系統(tǒng)，在后一種情況下，則本方系統(tǒng)是主體，而其他系統(tǒng)便是環(huán)境［4］。所以，可以把作戰(zhàn)指揮員看作本方系統(tǒng)，則作戰(zhàn)指揮員之外便是環(huán)境，在信息化條件下的艦艇編隊(duì)防空作戰(zhàn)中，其環(huán)境就是信息環(huán)境。

信息貫穿于信息環(huán)境始終。從信息環(huán)境的信息流程和信息消費(fèi)的觀點(diǎn)來看，物理域可以看成信息的生產(chǎn)基地，信息域可以看成是信息工廠，而認(rèn)識(shí)域可以看成是信息的消費(fèi)市場(chǎng)。

因而，可以將編隊(duì)防空作戰(zhàn)中的各組成部分根據(jù)其任務(wù)，定義為信息生產(chǎn)者和信息消費(fèi)者。按照信息報(bào)告或傳遞送達(dá)渠道，完成信息生產(chǎn)和信息消費(fèi)的部件網(wǎng)狀連接，由此構(gòu)成了編隊(duì)防空作戰(zhàn)環(huán)境中的信息生產(chǎn)－消費(fèi)模型。

本文將參與編隊(duì)防空作戰(zhàn)的電子對(duì)抗裝(設(shè))備看成一個(gè)信息部件，其完成的任務(wù)是信息的“生產(chǎn)”，或者也可以將其看成生產(chǎn)者;將需要空情信息的決策機(jī)關(guān)或部門視為一個(gè)部件，為信息的“消費(fèi)者”，完成信息的消費(fèi);在實(shí)際編隊(duì)防空作戰(zhàn)中，信息流動(dòng)中部分信息部件可能既是信息“生產(chǎn)者”，同時(shí)又是信息“消費(fèi)者”。同時(shí)生產(chǎn)出來的同一信息可能為多數(shù)用戶所利用。

以編隊(duì)反空襲作戰(zhàn)為例進(jìn)行說明，艦艇的信息產(chǎn)生者只簡(jiǎn)單考慮為各種雷達(dá)。防空編隊(duì)隊(duì)形為菱形配置，指揮艦為與迎敵的編隊(duì)隊(duì)首位置，編隊(duì)各艦艇的防空武器系統(tǒng)、防空雷達(dá)系統(tǒng)組成一個(gè)編隊(duì)防空系統(tǒng)。艦載雷達(dá)RP為信息生產(chǎn)者，編隊(duì)中各艦艇有信息的生產(chǎn)和信息的消費(fèi)，既是生產(chǎn)者又是消費(fèi)者。艦艇防空作戰(zhàn)力量配置示意如圖1所示。

圖1 艦艇編隊(duì)防空作戰(zhàn)配置示意圖Fig.1 Sketch map of warship formation's deployment in air defense

為采用生產(chǎn)和消費(fèi)模型分析系統(tǒng)，用C代表消費(fèi)者，P代表生產(chǎn)者，C＆P代表既是生產(chǎn)者又是消費(fèi)者，可以將圖1轉(zhuǎn)化成圖2。將編隊(duì)防空作戰(zhàn)中的信息流動(dòng)對(duì)應(yīng)于信息生產(chǎn)者和信息消費(fèi)者，按照生產(chǎn)和消費(fèi)模型，可以分析出信息的消費(fèi)流向和指揮員的信息消費(fèi)種類，為信息的效用分析奠定基礎(chǔ)。

圖2 艦艇編隊(duì)防空作戰(zhàn)中的信息生產(chǎn)－消費(fèi)示意圖Fig.2 Sketch map of information productionconsumption in air defense of formation

2 艦艇編隊(duì)防空作戰(zhàn)信息效用分析

“效用”的概念出自西方經(jīng)濟(jì)學(xué)，指消費(fèi)者消費(fèi)某種產(chǎn)品或服務(wù)所得到的滿足，或者說，它是指物品滿足人們欲望或需要的能力［5］。決策理論中對(duì)“效用”定義是指價(jià)值主體對(duì)客體的偏好的度量，即從數(shù)量上描述偏好的程度［6］。因而，效用實(shí)質(zhì)上是能夠滿足人們某種需要的度量。本文將編隊(duì)防空作戰(zhàn)中的信息的輸入、采集、傳輸、處理和輸出類比于信息的產(chǎn)生和消費(fèi)，把信息看成商品，從分析信息的消費(fèi)出發(fā)，可以采用經(jīng)濟(jì)學(xué)的有關(guān)效用的消費(fèi)理論，對(duì)艦艇編隊(duì)防空作戰(zhàn)的信息進(jìn)行效用分析。

2.1 信息效用分析方法選取

效用理論有2種形式:一種是基數(shù)效用理論，它假定效用是可以用數(shù)量加以衡量的;另一種理論認(rèn)為效用不可用數(shù)量表示，但可以按大小排序［7］?；鶖?shù)效用理論能夠定量地給出信息消費(fèi)者即戰(zhàn)場(chǎng)指揮員或決策機(jī)關(guān)對(duì)某一信息的滿意程度，但找到衡量信息消費(fèi)者消費(fèi)活動(dòng)的綜合效果指標(biāo)困難較大。本文的做法是建立信息效用指標(biāo)，然后根據(jù)度量指標(biāo)進(jìn)行度量。

2.2 信息效用指標(biāo)及度量

信息效用指標(biāo)是用來衡量和計(jì)算信息效用的標(biāo)準(zhǔn)，是保證信息效用評(píng)估工作客觀、全面、科學(xué)的前提和基礎(chǔ)。信息效用指標(biāo)的提出必須從千差萬別的信息消費(fèi)行為中找到共同點(diǎn)，確定信息消費(fèi)行為中共同關(guān)注的信息特性。而信息效用指標(biāo)描述信息效用所有構(gòu)成要素的數(shù)量特征的基本概念和具體數(shù)值，不僅是普遍存在的，而且是可以度量的。

本文根據(jù)編隊(duì)指揮員和防空作戰(zhàn)指揮部所關(guān)注的信息質(zhì)量特性，選取了準(zhǔn)確性、關(guān)聯(lián)性、及時(shí)性、可用性和完整性作為進(jìn)行信息效用度量的指標(biāo)。

(1)準(zhǔn)確性u(píng)1(t)

準(zhǔn)確性是指感知態(tài)勢(shì)中目標(biāo)的特征與客觀態(tài)勢(shì)中真實(shí)目標(biāo)特性相吻合的程度，用于表征傳遞真實(shí)情況的信息。追求信息的準(zhǔn)確性，剔除虛假信息一直是戰(zhàn)場(chǎng)上不變的真理。

選取t時(shí)刻目標(biāo)信息的特征向量來表示其在該時(shí)刻的狀態(tài)。假設(shè)Gi(t)，Pi(t)分別表示t時(shí)刻第i個(gè)目標(biāo)在客觀態(tài)勢(shì)和感知態(tài)勢(shì)中的特征向量，則

式中:特征向量中的元素為第i個(gè)目標(biāo)的位置、速度、方位等特征;n為第i個(gè)目標(biāo)特征參數(shù)的個(gè)數(shù)。

考慮到目標(biāo)各個(gè)特征之間的相對(duì)重要性，可以引入加權(quán)因子λi(0＜λi＜1)來反映目標(biāo)特征對(duì)性能指標(biāo)的影響。根據(jù)式(1)和式(2)，感知態(tài)勢(shì)中第i個(gè)目標(biāo)t時(shí)刻與客觀態(tài)勢(shì)對(duì)應(yīng)目標(biāo)的偏離程度Vi(t)可以定義為

可以把1－Vi(t)定義為第i個(gè)目標(biāo)t時(shí)刻的準(zhǔn)確性。假設(shè)t時(shí)刻感知態(tài)勢(shì)中已正確發(fā)現(xiàn)了N個(gè)敵方目標(biāo)，那么t時(shí)刻感知態(tài)勢(shì)的準(zhǔn)確性u(píng)1(t)定義為

(2)關(guān)聯(lián)性u(píng)2(t)

關(guān)聯(lián)性是獲取的信息與受領(lǐng)使命任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)度，表征用于任務(wù)、任務(wù)分配或即將到來的情況的信息。戰(zhàn)場(chǎng)中充斥著各種各樣的信息，即使指揮員接受到非常準(zhǔn)確、及時(shí)的信息時(shí)，但該信息與他所接受的任務(wù)沒有多少關(guān)聯(lián)，那么該信息也不會(huì)令他滿意。比如在進(jìn)行防空作戰(zhàn)中，截獲的空中目標(biāo)類型為民用客機(jī)時(shí)，則該信息與目標(biāo)關(guān)聯(lián)度不高，但仍會(huì)用一定的關(guān)聯(lián)，比如獲知的目標(biāo)類型就有利于防空作戰(zhàn)，但目標(biāo)的方位、速度、雷達(dá)反射截面等信息的就與防空任務(wù)無關(guān)聯(lián)。

設(shè)接受的使命中需要獲取信息內(nèi)容的類型數(shù)為M，而t時(shí)刻實(shí)際獲取的信息中包含了其中的m(t)個(gè)類型數(shù)，則t時(shí)刻關(guān)聯(lián)性u(píng)2(t)可以定義為

(3)及時(shí)性u(píng)3(t)

及時(shí)性也稱時(shí)效性。艦艇編隊(duì)防空作戰(zhàn)中，來襲的飛機(jī)或反艦導(dǎo)彈的作戰(zhàn)就是瞬間完成，艦載防空裝備反應(yīng)時(shí)間短，因而及時(shí)、最新的信息對(duì)于作戰(zhàn)決策非常重要。目標(biāo)態(tài)勢(shì)信息具有時(shí)效性，過時(shí)信息是無價(jià)值的信息?，F(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中追求迅速制服敵人，那么獲取非常及時(shí)的信息對(duì)指揮員來說就顯得至關(guān)重要。

設(shè)定對(duì)某一任務(wù)而言，在一定的時(shí)間機(jī)會(huì)窗口內(nèi)接受到的信息具有時(shí)效，時(shí)間機(jī)會(huì)窗口因不同任務(wù)使命而不同?？梢约僭O(shè)在時(shí)間機(jī)會(huì)窗口之外接收的信息是無價(jià)值的信息，時(shí)效為0，而時(shí)間機(jī)會(huì)窗口中某一時(shí)刻接收的信息越早則時(shí)效性越高，簡(jiǎn)單假定為線性遞減關(guān)系。設(shè)時(shí)間機(jī)會(huì)窗口為［t1，t2］，t1時(shí)刻為最高，即為1;t2時(shí)刻為最低，設(shè)為某一固定值ε，則t時(shí)刻接收到信息的時(shí)效性u(píng)3(t)為

(4)可用性u(píng)4(t)

信息只有被利用后才能作用于戰(zhàn)場(chǎng)。任何信息都有一定的外在形式，能夠被戰(zhàn)場(chǎng)指揮決策者所理解，即以共用性格式和顯示方式易于理解。對(duì)于一般指揮員來說，他們更喜歡那些簡(jiǎn)潔明了的信息，因?yàn)榭梢员阌谘杆倮斫猓M(jìn)而為作戰(zhàn)決策服務(wù)。

可用性的主觀成分較大，個(gè)體不同對(duì)信息的理解具有較大的差異，可以由信息消費(fèi)者主觀進(jìn)行判定，在［0，1］的范圍內(nèi)選取一個(gè)合適的值對(duì)可用性進(jìn)行估算。

(5)完整性u(píng)5(t)

完整性是指信息與客觀態(tài)勢(shì)中敵方目標(biāo)的實(shí)際情況相吻合程度，目標(biāo)的相關(guān)信息包括目標(biāo)的種類和數(shù)量，表征信息中是否包含決策者所需要的全部數(shù)據(jù)。信息中涉及的內(nèi)容越完整，用戶的滿意度越高。

完整性指標(biāo)包括類型的完整性C(t)和數(shù)量的完整性D(t)，則它們可以表示為

式中:ρ(t)為t時(shí)刻感知態(tài)勢(shì)中已正確發(fā)現(xiàn)敵方來襲目標(biāo)種類數(shù);φ(t)為t時(shí)刻客觀態(tài)勢(shì)中實(shí)際的敵方來襲目標(biāo)種類數(shù)。

式中:σ(t)為t時(shí)刻感知態(tài)勢(shì)中已正確發(fā)現(xiàn)敵方來襲目標(biāo)數(shù)量。

所以，t時(shí)刻信息的完整性u(píng)5(t)可以定義為

2.3 信息效應(yīng)度量模型

不同的用戶對(duì)信息的偏好取向不同，保守和樂觀的估計(jì)不同，比如有的對(duì)信息的完整性要求比較高，而有的對(duì)信息的準(zhǔn)確性要求特別高，因而不同的信息消費(fèi)行為中對(duì)信息效用進(jìn)行度量時(shí)，可以用冪指數(shù)方法來計(jì)算信息效用值。

設(shè)定某信息的效用值為U，計(jì)算信息的準(zhǔn)確性u(píng)1、關(guān)聯(lián)性 u2、及時(shí)性 u3、可用性u(píng)4和完整性 u5對(duì)應(yīng)的冪指數(shù)分別為ω1，ω2，…，ω5。信息消費(fèi)用戶根據(jù)自己接受的任務(wù)使命和信息消費(fèi)偏好來確定效用指標(biāo)之間的相對(duì)重要性，得到判斷矩陣。通過對(duì)判斷矩陣進(jìn)行特征根分析和一致性判斷后，可以獲得效用指標(biāo)的冪指數(shù)。一般情況下，特定的信息消費(fèi)者的效用指標(biāo)的冪指數(shù)是穩(wěn)定的。

因而，某艦艇編隊(duì)作戰(zhàn)指揮員或防空作戰(zhàn)指揮部在t時(shí)刻接收到的信息的信息效用度量模型為

3 信息效用度量應(yīng)用舉例

假定在某次艦艇編隊(duì)防空作戰(zhàn)中，某時(shí)刻該編隊(duì)正受到來自西南方向的空襲機(jī)群的威脅，需要立即對(duì)敵進(jìn)行攔截。假設(shè)該編隊(duì)的信息效用重要性判斷矩陣為

利用方根法計(jì)算特征向量，得到冪指數(shù)，冪指數(shù)為 ω1=0.257 1，ω2=0.056 3，ω3=0.038 0，ω4=0.123 4，ω5=0.525 2。判斷矩陣的最大特征根為λmax=5.353 9，判斷矩陣的一致性CI和相對(duì)一致性指標(biāo)CR分別為0.089 2和0.079 7，均小于0.1，因而該判斷矩陣是可以接受的，判斷檢驗(yàn)是相容的。

想定敵方實(shí)際同時(shí)出動(dòng)了3架轟炸機(jī)(Ma為1.5)，5架殲擊機(jī)(Ma為2.3)。同時(shí)假設(shè)，在 0 時(shí)刻接收到空情信息的最佳時(shí)刻，時(shí)間窗口長度為1 min，該范圍內(nèi)給定的最低及時(shí)性ε=0.4。

而實(shí)際情況是，我編隊(duì)防空指揮部在15 s時(shí)刻接收到“殲擊機(jī):3架;方位:西偏南30°;Ma為2”的信息。

根據(jù)式(1)～(9)計(jì)算該信息的信息效用指標(biāo)度量值分別為:準(zhǔn)確性:0.853 4;關(guān)聯(lián)性:1，及時(shí)性:0.85，可用性:1，完整性:0.3。

根據(jù)信息效用度量模型可計(jì)算該信息的效用為

因而，15 s時(shí)刻接收到的“殲擊機(jī):3架;方位:西偏南30°;Ma:2”的空情信息的信息效用值約為0.506 9，說明該信息的利用價(jià)值還比較高;假如在70 s時(shí)刻接受到該信息時(shí)，由于已經(jīng)超過時(shí)間機(jī)會(huì)窗口成為過時(shí)信息，則及時(shí)性為0，因而計(jì)算的信息效用值為0。

4 結(jié)束語

本文建立的信息效用度量模型能夠定量地對(duì)艦艇編隊(duì)防空戰(zhàn)場(chǎng)信息效用進(jìn)行度量，較好地解決了一直困惑人們的信息與編隊(duì)指揮員及防空指揮部的作用的數(shù)學(xué)定量描述問題。戰(zhàn)場(chǎng)指揮員通過理性的分析，借助信息效用度量模型，可以從錯(cuò)綜復(fù)雜的信息環(huán)境中篩選出自己滿意的、有利作戰(zhàn)決策的信息。建立信息效用度量模型也為人們對(duì)信息進(jìn)行評(píng)估提供了一種思路，即從信息用途的角度去衡量信息對(duì)用戶的滿意度，同時(shí)為信息價(jià)值的改進(jìn)提供了參考依據(jù)。

［1］ 高宇飚.聯(lián)合戰(zhàn)役學(xué)教程［M］.北京:軍事科學(xué)出版社，2001.

［2］ 孫宏綱，姚景順.艦艇編隊(duì)防空作戰(zhàn)信息流程研究［J］.艦艇學(xué)術(shù)研究，2005，(1):27－28.

［3］ Joint Doctrine for Information Operations［M］.Joint Pub 3－13，1998.

［4］ 胡曉峰，羅批，司光亞，等.戰(zhàn)爭(zhēng)復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真［M］.北京:國防大學(xué)出版社，2005.

［5］ 張東生.微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，1997.

［6］ 徐南榮，仲偉俊.現(xiàn)在決策理論與方法［M］.南京:東南大學(xué)出版社，2000.

［7］ 張東戈.C3I系統(tǒng)評(píng)估中信息效用概念的提出［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2001，23(6):46－48.