基于協同作戰信息質量的戰場態勢認知模型

彭漢國，馬 良，楊 偉，趙陽揚

(1.海軍潛艇學院 模擬器訓練中心，遼寧 大連 116025;2.海軍大連艦艇學院 艦船指揮系，遼寧 大連 116018)

21 世紀以來，信息技術的發展極大地推動了軍事變革，傳統的以平臺為中心的作戰模式越來越不適應未來作戰的需要，以共享信息為基礎的協同作戰理念已經被世界各國軍方所接受。指控系統(C2)的協同是協同作戰的物質基礎和核心，是戰斗力的倍增器，因此成為各國研究的重點。如美國的Rand 公司在2002 年的報告“網絡中心戰對海軍作戰效果的影響”中，通過假定某大國對島國的進攻，美國海軍編隊協助島國進行抗擊，研究了美國海軍艦艇編隊在信息共享和協同條件下，信息優勢通過協同決策轉化為火力優勢的問題［1］。

指控系統處理事件的過程和結果涉及物理域、信息域、認識域多個領域，同時由于指控系統是一個復雜的人機系統，不僅包括用于指揮控制的軟硬件設備，還包括參于決策的人，因此對指控系統的研究存在著難于量化的問題［2］。美國Rand 公司的研究報告以信息論為基礎，引入信息熵的概念對協同作戰情況進行了建模分析，得出了艦艇編隊協助島國抗擊時的火力分配規則。然而，Rand 公司的研究方法并沒有考慮信息質量以及決策者的認知能力(教育、經驗、水平、決策能力)的不同對共享認知所產生的影響。本文以協同作戰過程中的信息流為主線，以信息質量為基礎，建立了一種衡量共享態勢認知的模型。

1 作戰過程的信息流

作戰過程與3 個領域有關:物理域、信息域、認知域。指揮系統的信息來源于物理域的真實戰場環境;信息的收集、處理以及分發發生在信息域;對共享態勢圖的認知以及在此基礎上所形成的決策發生在認知域。作戰過程的信息流如圖1 所示。

圖1 作戰過程信息流結構

(1)物理域。兵力機動、火力攻擊、保護等軍事行動所涉及的實際區域，作戰平臺、指控系統駐留的實際環境等。物理域是指控系統信息的來源地，同時也是決策結果的反饋地。

(2)信息域。作戰信息的感知、融合、存儲和傳輸區域。在此域內，信息可以共享，并以共享態勢圖的形式供決策者進行協同決策。

(3)認知域。決策者完成感知、認識、理解、推斷和決策等認知活動的區域，認知域存在于決策主體的頭腦中，同時也是價值、信念和決心的發源地。

由于協同決策只是作戰過程的一部分，主要發生在信息域和認知域，而物理域只是各種作戰平臺、指控系統駐留的實際區域和容器，因此主要從信息域和認知域兩個方面進行研究。

2 信息質量的度量

物理域中各種平臺和戰場環境通過傳感器進入信息域，在此進行融合、處理和分發，以共享態勢圖(COP)的形式進入認知域，構成認識和決策的基礎。因此，共享態勢圖中信息質量的好壞在很大程度上影響著協同決策的成功度。通常情況下，信息質量越高，信息的價值就越大，這對于認知域中的個體認知和決策群協同決策將會產生積極的影響［3］。

如圖2 所示，作戰信息在信息域中要經過傳感器、信息融合中心、分布式網絡的處理和傳輸。假設物理域中的戰場態勢信息用矩陣表示，其中向量為第i 個目標在時刻t 的n個特征向量。例如位置、類型、航速、航向等。G(t)=為相應的地理空間信息，戰場態勢信息的信息質量為

圖2 信息域中的信息流結構

影響信息質量的因素較多，為便于分析，在這里抓住其主要方面，分別從信息的完備性、準確性、流通性3 個方面進行研究。

(1)完備性。信息的完備性是指指控系統所獲得的平臺的位置、類型、航速、航向，以及戰場環境等信息的完備度。

(2)準確性。信息的準確性是指指控系統所獲得的態勢信息與真實戰場環境的一致性。

(3)流通性。信息的流通性是指控系統對信息處理、融合以及產生共享態勢圖所需的時間。

當只考慮信息的完備性和準確性時，戰場態勢信息在經過傳感器、融合中心的處理以及網絡分發后的信息質量分別為

通常情況下，可將物理域中的信息質量Q F(t( ))的取值定為1，而F(t)，F'(t)，F″(t))的取值范圍為［0，1］。將傳感器、融合中心和網絡對信息質量的影響分別用條件概率Q(F'(t)F″(t))來表示。下面以信息流在傳感器子域、融合子域、網絡子域的流通為主線，分別從信息的完備性、準確性、流通信3 個方面對信息的質量進行分析。

2.1 信息質量在傳感器子域的度量

由于信息的完備性是一個相對的量，因此可以用概率來進行表示。在傳感器子域中，信息的完備性可簡化為傳感器的可靠性，因此可用如下的形式進行表示［4］:

式(4)中:dmin為傳感器的盲區;()r s 為故障率函數。

當多個傳感器采用并聯模式時，可靠性函數的形式:

當傳感器采用混聯模式時，可根據具體形式得到其可靠性函數。例如，當傳感器1 和傳感器4 先串聯，再和傳感器2、傳感器3 并聯時，可靠性函數的形式:

傳感器子域的準確性可采用傳感器所獲得信息與戰場態勢信息的偏差來進行度量。即A(t)=(t)-θ(t)，其中θ(t)為戰場態勢信息在時刻t 的真實值(t)為傳感器所獲得的估計值。對于參數真值θ(t)的偏差，一般情況下，可將該值進行標準化，轉化成如下的形式:

由前面對于流通性的定義可知，流通性是指信息處理和分發所用的時間，因此不能像完備性和準確性一樣用概率來進行表示，只能用時間延遲來衡量。傳感器的流通性包括兩部分的內容:

T1:完成對目標搜索和建立目標軌跡所用時間;T2:對傳感器任務的重新分配所用的時間。

考慮到網絡的復雜性，對于流通性的量化可用關鍵路徑方法來解決。由于篇幅所限，在此不做進一步論述，其具體方法可參考其他相關文獻。

2.2 信息質量在融合子域的度量

由傳感器獲得的目標信息需進入融合中心經處理后才能供決策者使用。融合子域所要完成的主要任務是對目標進行分類和識別。因此，在對融合子域的完備性進行度量時主要從融合系統對目標的分類能力進行考慮。

一般情況下，傳感器先對目標進行一定的預處理，然后再交由融合中心進行融合。假設傳感器自身的處理能力a，融合中心的處理能力為α。則經融合中心處理后對目標的分類能力可用下式表示:

其中a+α ＜1，σ 為融合中心對目標的分類率。

由以上分析可知，信息在融合子域的完備性可表示為

如前所述，融合中心的一個重要功能是對戰場態勢進行反映形成COP。除此之外，其另一個功能是要完成對目標的分類和跟蹤［5，6］。因此，對融合子域的準確性程度的度量需要綜合考慮以上2 個方面。

(1)對戰場態勢反映能力的準確性。融合子域對戰場態勢的反映能力可用目標特征向量對真實世界的反映程度進行衡量。在此采用方差估計的形式來對準確性進行度量。

假設在時刻t 分類的目標數為k，在F″(t)中可以用樣本方差來計算特征向量的方差估計，其形式為

考慮到各個特征值的權重后，信息質量可以表示為

因此，對戰場態勢反映的準確性可表示為

(2)對目標分類和跟蹤的準確性。假如在t-1 時間段有n 個目標被進行了分類，在t 時間段被分類的目標為k 個。如果不考慮目標消失或被催毀的情況，則通常情況下有k≥n。對目標分類和跟蹤的準確性可用t 時間段和t-1 時間段被分類目標的重合度T 進行衡量。當兩個時間段分類的目標范圍完全重合時，則T=1;當兩個時間段的目標完全不重合時T=0;當兩個時間段分類的目標部分重合時0 ＜T ＜1。

因此，僅從融合中心對目標分類和跟蹤方面進行考慮，信息的準確性可表示為

對以上兩方面進行綜合考慮后，可得出融合子域信息的準確性為

融合子域的流通性可用多傳感器信息經融合得到COP所耗的時間進行衡量。該時間與融合中心的組織結構以及設備的性能等有關。

2.3 信息質量在網絡子域的度量

網絡子域的完備性是指將所有已分類目標的目標特征分配給COP 用戶的程度。網絡的完備性受網絡結構的影響較大，在這里可以再次運用可靠性函數來對網絡子域的完備性進行描述。對于每一個COP 用戶來說，由于與融合中心連接方式和路徑的不同，因此其可靠性也不相同。

如果q 表示第i 條路徑的故障率，則信息通過該路徑傳輸的可靠性可表示為

如果從融合中心到用戶j 有3 種方式:L1;L2、L3;L4、L5、L6。則用戶j 獲得COP 的完備性可表示為

用同樣的方法，可以擴展到所有COP 用戶。因此，網絡子域的完備性可表示為

網絡子域的準確性是指決策者無衰減的獲得COP 的程度。通常用網絡中的用戶能接收到準確信息的概率來進行表示，其表達式如下:

由此可知，網絡子域的準確性是一個由融合中心與用戶之間的對應關系決定的聯合概率。由于篇幅所限，對此式不做推導，其具體內容可參考相關文獻［7］。網絡子域的流通性可由融合設備到COP 使用者的時間延時來進行確定。

3 共享態勢認知模型

共享態勢以及在共享態勢基礎上產生的協同決策都是以個體的態勢認知為基礎的，分別從個體態勢認知和共享態勢認知來進行分析。

3.1 個體認知的度量

個體認知程度是指決策個體對COP 能準確認識和評估的能力。它受決策個體的教育、訓練、經驗、文化背景、個性等多種因素的影響。在這里用A∈ 0，[ ]1 來表征決策個體態勢認知的程度。其中A=1 表示決策個體對態勢有完全的認知能力，能對O(t)中的每一個向量做出準確地解釋;A=0表示決策個體對態勢完全不能進行判斷和解釋。對于任意一個決策者Φi來說，其認知程度AΦi可通過其受教育程度、訓練水平，以及實戰經驗等因素采用DELPHI 法得到，也可以采用函數曲線的方式來進行衡量。個體的認知程度不僅與決策者自身的能力有關，還與信息的完備性和準確性有關。對于同一個決策者來說，信息的完備性和準確性越高，其認知的程度也越高。

由相關文獻可知［4］，從信息的完備性考慮，具有能力Φi的個體決策者i 在時刻t 對態勢的認知度可表示為

其中:C 代表信息的完備性;β0、β1代表決策者的個體特征。圖3 給出了4 個具有不同認知能力Φi的決策者認知程度和信息完備性的關系。其中橫坐標表示信息的完備性，縱坐標表示決策者的認知程度。

圖3 不同決策個體的認知程度與信息完備性關系曲線

當考慮到信息質量時，個體態勢認知程度可表示為

其中Q(t)為在時刻t 觀察到的COP 的質量。

3.2 協同認知的度量

協同認知程度的高低除了與參與決策的個體認知能力有關外，還與決策群的結構以及決策個體的交互有關。對于具有多個成員的群來說，不僅需要知道各個個體的認知能力，還需要知道每個成員能對其中的哪些特征向量進行解釋［8］。

下面以具有2 個成員的群為例來進行分析，假設m 為觀察到的COP 中特征向量的個數。對于能力為Φi的個體來說，在時刻t 所能解釋的特征向量數目為mA'Φi(t)。對于兩個能力分別為Φi和Φl的決策者來說，如果2 個決策都不知道對方能解釋哪些向量，那么它們可能存在著一定的重疊。該 重 疊 的 最 小 值 為最大值為

因此，能夠被群成員i 和l 共同解釋的特征向量的平均值可表示為

對于尺寸為N 的群來說，其共享態勢認知度為

4 結束語

對共享態勢的認知是協同決策的基礎，導致共享態勢認知不足主要有3 個方面的原因:其一是信息質量;其二是決策個體的認知能力;其三是協同認知的程度。本文緊緊圍繞這3 個方面展開分析討論，在建立信息質量模型的基礎上，給出了一種衡量個體認知和協同認知能力的模型。該模型為研究協同決策理論問題奠定了一定的基礎。由于協同決策涉及物理域、信息域和認知域等多個領域。同時，由于該領域可供參考的理論資料較少，也給本問題的研究帶來了一定的難度。本文只是建立了一個研究該問題的基本模型，許多問題還有待近一步的細化分析。

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［6］Lorraine D.From simple prescriptive to complex descriptive models:an example from a recent command decision experiment［J］.8th International Command and Control Research and Technology Sympositum，Washington，DC，2003(6):5-8.

［7］楊凡，常國岑.分布式指揮控制系統協同機制研究［J］.系統工程理論與實踐，2004(11):129-131.

［8］鄭保華，楊春周，侯曉峰.基于群決策的作戰方案優選模型研究［J］.海軍航空工程學院學報，2008(5):33-35.