數字化部隊作戰體系效能測度方法研究*

杜偉，吳從暉

(南京陸軍指揮學院，江蘇 南京 210045)

數字化部隊作戰體系效能測度方法研究*

杜偉，吳從暉

(南京陸軍指揮學院，江蘇 南京 210045)

簡要介紹了數字化部隊的發展現狀，討論了數字化部隊的作戰效能測度問題。構建了作戰體系網絡模型，分析了構成體系網絡模型的節點模型和信息單邊。提出了度量數字化部隊作戰體系效能的指標，并通過對不同參數和拓撲條件下的體系網絡進行實驗，對測度指標進行了驗證和分析。

數字化部隊；作戰體系；效能測度

0 引言

隨著信息技術的廣泛運用，如何積極推進信息化建設，以信息化帶動機械化，實現國防和軍隊現代化的跨越式發展，是當前必須深入研究和解決的重大課題。20世紀80年代末以來，世界軍事領域開始發生了一場深刻的革命性變化，機械化戰爭形態開始向信息化戰爭形態轉型。信息化程度影響著戰爭進行的環境以及戰爭的最終結果[1]，信息化武器裝備在戰爭中發揮出極其重要的作用，精確制導武器遠程打擊成為主要手段；戰場空間向陸、海、空、天、電(磁)多維領域擴展；聯合作戰要求實施快速、高效、靈敏的指揮，現代戰爭已成為體系結構與體系結構的對抗[2-3]。在這樣的信息化條件下，組建數字化部隊，是順應時代發展和打贏信息化戰爭的必然要求，是跨越式發展的重要標志，是面向信息化戰爭要求，以信息化裝備為主體全新打造的新型部隊。所謂數字化部隊，即裝備數字化信息系統和武器裝備，具有高度機動、實時感知、高效協同、精確行動等作戰能力,并能在團營級部隊實現多軍兵種聯合作戰的新型作戰部隊[4-6]。建設數字化的陸軍部隊必將極大地推進軍隊機械化、信息化的快速發展。

長期以來，受技術水平、思想觀念等客觀因素的影響，效能評估基本上還停留在機械化戰爭條件下檢驗評估作戰效能的傳統模式上，其主要采用的武器系統效能評估模型遠遠不能適應檢驗評估數字化的陸軍部隊作戰效能的需要。如何檢驗、評價陸軍數字化部隊的作戰能力與效能，是其建設發展亟待解決的重難點問題之一。

1 數字化部隊作戰體系模型構建

傳統的武器裝備效能分析方法[7-8]的基本思路是通過將研究對象通過功能或結構性的分解分別對各指標進行分析評價，然后通過加權求和的方法來確定，這樣的分析方法缺乏一定的整體性。尤其在針對數字化部隊的作戰效能研究中，信息傳遞對效能發揮起到了關鍵的作用，其作戰能力與信息傳遞效率有著密切的關系，更需分析信息在各分效能以及整體效能度量中的具體作用，確定各組成部分之間的關系，構建其網絡模型，針對網絡模型構建評價作戰效能的指標體系。

數字化部隊是一個集指揮控制、情報偵察、通信和電子對抗系統一體化，后勤和技術保障聯勤化的指揮、控制、通信、計算機、情報及監視與偵察(command,control,communication,computer,intelligence,surveillance,reconnaissance,C4ISR)[9]作戰體系，可獨立執行作戰任務。在研究過程中，可以將其作為一個完整的、相應規模的作戰體系進行分析。在這個作戰體系中，包括：情報偵察系統、火力打擊系統、指揮控制系統、保障系統等。從網絡的角度看，這些系統包括系統中的各個單元都作為一個個網絡節點存在，不同系統中的節點類型不同，各個節點之間通過信息的交互構成網絡，信息交互的鏈路構成了網絡的邊。構建作戰體系網絡的作用在于整合作戰節點，形成一體化作戰態勢的能力，這是數字化部隊有別于傳統部隊的特點之一。下面從單元節點模型、信息單元模型以及網絡模型3個方面介紹作戰體系結構模型。

(1) 網絡節點描述

通過對作戰單元分析，作戰體系網絡的節點主要分為4類，分別為指揮控制(command and control)節點、情報偵察(intelligence)單元節點、火力打擊(force)節點[10]和綜合保障(guarantee)節點。網絡節點類型可表示為

Net_Node::={C,I,F,G}，

(1)

式中：C為指揮控制節點；I為情報偵察節點；F為火力打擊節點；G為綜合保障節點。

指揮控制節點表示指揮控制的中心，它能接收從情報偵察單元或火力打擊單元傳來的信息，進行決策分析，并對情報偵察單元和火力打擊單元進行控制，發出各種行動指令，如師旅團各級指揮所。其表示形式為

C::=，

(2)

式中：Capacity為指揮控制單元處理情報、作出決策、指揮控制的能力，主要由籌劃組織、控制協調等能力因素[11]確定；Level為該指揮控制單元在作戰體系中的指揮層次；InEdges和OutEdges分別定義為節點輸入信息和輸出信息的邊。

情報偵察節點表示偵察、監視類的作戰單元，包括所有提供作戰態勢感知的實元。它負責提供態勢感知信息并傳給指揮控制單元或火力打擊單元，如雷達、預警機、衛星、偵察分隊等。其表示形式為

I::=，

(3)

式中：Capacity為情報偵察單元的偵察敵情、提供情報的能力，主要由全天候偵察能力、發現目標能力等因素[12]確定。

火力打擊節點表示能夠執行軟、硬殺傷的實體單元，它能接收指揮控制單元的指令對敵方目標進行攻擊或干擾，并且可以將行動結果反饋給指揮控制單元，如坦克連、裝甲車、戰斗機等。其表示形式為

F::=，

(4)

式中：Capacity為火力打擊單元的打擊能力，主要由火力準備、運用、適應能力等因素確定。

綜合保障節點表示對作戰體系的運行提供保障的單元，為各節點正常運行提供必備的資源。

G::=，

(5)

式中：Capacity為保障單元本身擁有的資源以及保障能力，主要有作戰保障能力、綜合保障能力、裝備保障能力組成；Importance為保障節點的資源和保障能力在執行作戰任務時的重要度。

(2) 信息單邊描述

由節點模型可知，作戰體系網絡中存在10種類型的邊，包括EC-C,EC-I,EC-F,EC-G,EI-C,EF-C,EG-C,EG-I,EG-F,EG-G。對于各種邊，在作戰體系網絡拓撲中承擔的使命和作用有所區別，但最終是表達一種信息的交互。通過抽象，信息單邊的一般表示為

Edge::=，

(6)

式中：EdgeType::=EC-C|EC-I|EC-F|EC-G|EI-C|EF-C|EG-C|EG-F|EG-I|EG-G，表示邊的類型；Efficiency(Edge)表示輸入節點InNodes到輸出節點OutNodes之間的信息傳輸效率。

(3) 數字化部隊作戰體系網絡描述

根據以上描述的點和邊模型，建立關于數字化部隊的作戰體系網絡模型如下：

SosNet::=.

(7)

其中，4類不同節點以及關系邊分別用不同形狀的圖元表示，具體表示如表1所示。

表1 作戰體系網絡要素描述Table 1 Operational system network essential factors

基于上述關于作戰體系網絡節點和網絡邊的描述，建立符號化的作戰體系網絡，如圖1所示。

圖1 數字化部隊作戰體系網絡模型Fig.1 Operational system network model of digital forces

2 數字化部隊作戰體系效能模型構建

數字化部隊的作戰體系效能是面向作戰任務存在的，現在對作戰任務過程進行分析，作戰任務主要包括防御、打擊或者綜合保障等等，抽象來看，其行動過程大致分為以下幾種：①情報偵察節點發現目標，通過信息交互傳輸至指揮控制節點；②各單元節點針對自身存在的資源補充保障等現狀向指揮控制節點發出保障需求；③指揮控制節點進行分析、制定決策，將進行機動、打擊、保障等命令傳遞給情報偵察節點、火力打擊節點、綜合保障節點；④情報偵察節點、火力打擊節點以及綜合保障節點在接收到指揮控制節點的命令后行動并在行動完成后將結果反饋給指揮控制節點。

由此看來，信息交互對于整個作戰體系的運行具有至關重要的作用。作戰體系效能需要結合數字化部隊的基礎支撐、要素能力、執行任務等來進行分析評估。在此，通過研究信息交互在作戰體系中的作用，對作戰體系效能進行分解如下，如圖2所示。

圖2 數字化部隊作戰體系效能指標Fig.2 Operational system efficiency measurements of digital forces

(1) 協作效能模型的構建

在作戰體系執行作戰任務時，火力打擊單元之間、指揮控制單元之間以及情報偵察單元之間都存在信息流的傳輸，用以協調彼此之間的關系，提高執行任務的能力。通過協作效能的分析，來研究數字化部隊的作戰效能，是一種有效的方法。在作戰體系網絡中，火力打擊節點、情報偵察節點以及綜合保障節點等都受指揮控制節點的指控，它們之間的協作均表現在指揮控制節點的協作上，則協作效能可以表示為作戰體系網絡中指揮控制節點進行協同的平均協作效能：

Efficiency((Ci,Cj))，

式中：(Ci,Cj)表示網絡模型中節點Ci到節點Cj的最短路徑；Efficiency((Ci,Cj))表示信息在(Ci,Cj)上傳輸的效率，表示為Efficiency((Ci,Cj))=Efficiency(Edge)Length(Ci,Cj)；Number(C)表示指揮控制節點的個數。

(2) 決策效能模型的構建

對于指揮控制節點來說，其進行作戰態勢的評估和決策分析的依據是來自于情報偵察節點的情報。情報信息是數字化部隊形成作戰體系一體化、態勢感知共享、打擊行為同步的基礎。決策效能是判斷指揮控制單元獲取情報信息時效性、精確性和充分性的重要指標，表示為

式中：Number(I)表示為網絡中情報偵察節點的數目；φ(Level(Ci))表示指揮控制節點的指控等級隸屬函數，具體的數值需要結合作戰環境、任務等來確定。

(3) 打擊效能模型的構建

行動效能用來描述各個火力打擊節點在指揮控制節點的指令下執行作戰命令，遂行使命任務的能力。火力打擊是作戰任務執行的重要內容，打擊效能取決于指揮控制節點到達火力打擊節點的指令傳輸效率、以及指揮控制節點和火力打擊節點本身的能力：

式中：Number(F)表示為網絡中火力打擊節點的數目。

(4) 保障效能模型的構建

保障效能表示為網絡模型中各綜合保障節點在作戰、裝備、后勤等方面保障各單元節點時各種資源進行協調的效能。在實際的作戰中，綜合保障效能需要通過對資源協調的效能、資源配送的效能等多方面進行考慮。由于資源配送需要考慮的因素包括地理位置、保障車輛速度等等，不好量化，在此僅僅考慮保障資源進行協調的效能。若資源協調的效能很高，那么保障效能在一定程度上相應較高，故在此通過對保障資源協調效能來分析作戰網絡的保障效能。保障效能取決于指揮控制節點到達綜合保障節點的指令傳輸效率、以及指揮控制節點和綜合保障節點本身的能力：

式中：Number(G)表示網絡模型中綜合保障節點數目；CI(Gk)表示Capacity(Gk)φ(Importance(Gk))；φ(Importance(Gi))表示綜合保障節點重要度的隸屬度函數。

(5) 作戰體系綜合效能模型的構建

在以上章節中，分別介紹了協作、決策、打擊、保障4種效能，各效能指標分別從不同方面對數字化部隊作戰體系的效能進行了度量，現在對各效能值進行綜合，構建度量作戰體系效能的綜合度量指標。

通過E1，E2，E3，E4的求解公式可以看出，E1是不同指揮控制節點進行協作的效能，E2，E3，E4分別是指揮控制節點與其他3種類型節點之間的通過指令信息傳輸進行協作的效能。根據不同效能的求解公式，構建作戰體系效能的綜合度量模型為

式中：w1，w2，w3，w4分別表示4種分效能的權重。

在實際應用中，指揮員在掌握作戰體系各分效能基礎上，通過對當前作戰任務的研究，分析各分效能的重要程度，確定4種效能的權重值，從而求得作戰體系的綜合效能。各分效能與綜合效能指標的結合使用，便于指導作戰指揮員從體系的整體上和不同角度上對作戰體系進行優化和調整。

3 實驗分析

以上各節詳細介紹了數字化部隊的作戰體系網絡模型和作戰體系效能分析模型，下面以一個數字化機步師為例對模型進行驗證和分析。

(1) 數字化師作戰體系效能指標求解

圖3表示該數字化師進行作戰的編組，各個節點分別表示不同級別的作戰單元，從上到下的連接關系分別表示不同作戰單元的隸屬和指控關系，配屬部隊節點下的各節點表示從其他部隊配屬過來的、直接由師指揮所進行指揮的作戰單元。

圖3 數字化機步師作戰編組Fig.3 Digital mechanized infantry force fight group

對圖3中作戰編組進行分析，對結合作戰想定，分析各作戰單元的性質，可得網絡模型中各類型的作戰單元節點如表2所示，其中各節點的能力表示不同類型節點的Capacity，分別通過節點模型定義中的計算公式求解，在此不在贅述，指揮層級是根據各指揮控制節點在網絡中所處的位置確定，1為最高，重要度是根據各保障節點在作戰行動中發揮的作用確定，1為最高。

根據以上對數字化機步師作戰編組以及作戰單元表，確定作戰體系網絡描述如圖4所示。

表2 數字化機步師作戰單元表Table 2 Digital mechanized infantry force operational units table

圖4 數字化機步師作戰體系網絡描述Fig.4 Digital mechanized infantry force operational system network description

要對數字化機步師的作戰體系效能進行分析求解，需要對數字化機步師作戰體系網絡中的各節點以及邊的性能參數進行分析確定。不同類型的作戰單元節點，所需確定的參數不同。在實際的作戰體系效能求解中，需要針對作戰體系網絡中每個節點進行全面、綜合的考慮，通過前面介紹的評估方法(如層次分析法、德爾菲法)來實現定性到定量的轉化，從而確定各個節點及邊的不同參數，然后求解。

在此設網絡模型中，確定指揮控制節點指揮層級隸屬度函數和綜合保障節點重要度隸屬函數分別為

φ(Level(Ci))=Efficiency(Ci)Level(Ci)，

φ(Importance(Gi))=Efficiency(Gi)lmportance(Gi)，

式中：Efficiency(Ci)，Efficiency(Gi)與Efficiency(Edge)分別表示指揮控制節點的指控效率、綜合保障節點效率、信息單邊的傳遞效率。為了方便模型求解，在此均設為0.9。設置各效能權重比值w1∶w2∶w3∶w4=0.4∶0.2∶0.2∶0.2。根據以上的公式以及能力參數，可求得各參數值如表3所示。

(2) 作戰體系效能指標有效性分析

通過各個效能指標的求解公式可知，當信息傳輸路徑的傳輸效率越大時，各作戰單元之間的協同程度越高。在以上理論基礎上通過改變網信息單邊的傳輸效率，通過計算分析各效能的變化情況，若符合預期的變化，則可驗證該指標的有效性。在此，信息單邊傳輸效率Efficiency(Edge)從0.80以0.01的步長變化至0.99，如圖5所示。

由圖5可知，各分效能以及綜合效能均隨著信息單邊傳輸效率增加而增加，這種趨勢符合預期，本實驗在一定程度上驗證了使用以上定義的效能指標度量作戰體系效能的有效性。

(3) 作戰體系效能指標實驗結果分析

上述進行實驗分析的數字化機步師體系結構是一種典型的層級結構，在這樣的結構下，各級指揮所要在上一級指揮所的指控下進行協同，在該體系結構的基礎上增加各作戰單元之間的連接關系，使得該層級結構逐漸演變為一種扁平化結構，通過測度扁平化結構下的數字化機步師作戰體系效能，分析其實驗結果與層級結構進行比較，確定在不同結構下作戰體系效能的特點。

實驗步驟：①隨機選擇2個不同的節點，判斷其是否存在連接關系，若無，增加連接關系，若有，則重新選擇2個不同的指揮所；②按照步驟①的要求，依次增加1條、2條、…、40條邊，構成40個作戰體系網絡圖，分別求解各作戰體系的作戰效能。

以下是40個不同網絡圖的作戰效能變化情況，其中圖6a)～6e)分別表示各分效能和綜合效能。

通過以上實驗數據可知，隨著信息單邊數目的增加，網絡結構從層級結構向扁平化結構趨近，平均協作效能、平均決策效能、平均打擊效能、平均保障效能以及綜合效能均有所增加。由此可知，在構建作戰體系時，增加各作戰單元之間的自主協同，可以很好地提高數字化機步師的作戰效能，扁平化的體系結構更加利于作戰效能的發揮。

表3 數字化機步師作戰體系效能Table 3 Digital mechanized infantry force operational system efficiency

圖5 數字化機步師作戰體系效能變化圖Fig.5 Digital mechanized infantry force operational system efficiency changing figure

圖6 不同網絡結構下的作戰體系效能變化圖Fig.6 Operational system efficiency changing figure in different network structures

4 結束語

本文針對數字化部隊在進行作戰效能測度上存在的問題，通過信息交互在數字化部隊執行作戰任務中的重要作用分析，構建了數字化部隊的作戰體系網絡模型，分析了構成體系網絡模型的節點模型和信息單邊。在此基礎上構建了作戰體系效能模型，提出了協作效能、決策效能、打擊效能、保障效能，并對各分效能進行綜合，構建了作戰體系的綜合效能指標，對數字化部隊的作戰體系效能進行分析評估，并通過實驗對指標進行了驗證和分析。在以后的工作中，將針對數字化部隊在執行作戰任務的過程中對作戰體系效能的動態變化進行實時的分析評估，多數字化部隊作戰體系效能的特點進行更加深入而有意義的分析。

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Operational System Efficiency Measure of Digital Forces

DU Wei, WU Cong-hui

(Nanjing Army Command College, Jiangsu Nanjing 210045，China)

The developing situation of digital forces is summarized in brief, and the operational measure problem is discussed. The network model of operational system is designed, and the node model and information edge model in system network are analyzed. The measurements are proposed to measure the operational system efficiency of digital forces. Then the measurements is verified and analyzed by designing the experiment with different parameters and topological structures.

digital forces; operational system; efficiency measure

2013-12-05；

2014-07-19

國家自然科學基金(71101149，71401177)

杜偉(1986-)，男，山東諸城人。講師，碩士，研究方向為指揮信息系統與軍事運籌。

通信地址：210045 江蘇省南京市陸軍指揮學院作戰實驗中心 E-mail：duweithinker@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2015.03.005

N945；TP393

A

1009-086X(2015)-03-0025-10