基于雙層變權的目標威脅評估

王增發，徐克虎，孔德鵬，李靈之

（陸軍裝甲兵學院，北京 100072）

0 引言

在多軍兵種的協同作戰趨于常態化的情況下，分隊作戰目標的威脅評估難度進一步增加。戰場目標威脅評估是對陸地戰場上各類威脅目標的火力能力、攻擊狀態、指揮控制能力、戰場位置、作戰意圖等多方面的綜合分析，也是我方進行火力分配與作戰決策的重要基礎［1］。通過變權評估的方法能夠將多方面的威脅信息考慮在內，得到更加合理有效的威脅度信息。

變權理論主要強調指標權重應該隨著指標狀態的變化而發生變化。利用常權綜合方法進行單層次的威脅評估，其指標權重不隨時間、環境及態勢的變化而變化，難以體現各指標之間的動態關系和環境與戰場態勢變化對目標威脅程度的影響［2］。文獻［3］給出了變權向量和狀態變權向量的公理化定義，并引入了懲罰型、激勵型和混合型狀態變權向量及均衡函數的概念。文獻［4］將分組變權理論引入多方案多評估指標的決策分析中，提出分組變權方法，但是僅限于局部態勢的評估，不能兼顧整體的戰場環境。文獻［5］提出利用廣義優序法，提出了確定基于屬性權重和時間權重的變權方法，也能夠體現速度、時間等其他屬性的重要性。以上的研究對于變權都是基于單層的變權調整，從而得到相應的威脅估計。文獻［6］基于空戰威脅指標評估，提出了多屬性決策的威脅評估模型。通過融合主客觀權重，建立了能全面反映多威脅因素的變權多屬性決策評估模型，但并沒有將局部與整體的戰場環境考慮進去，仍屬于單一角度的評估模型，難以合理有效地進行局部與整體之間的威脅信息整合。

本文提出的基于雙層變權的威脅評估方法，首先對威脅指標進行綜合分析，基于單武器平臺威脅屬性及局部戰場環境進行第一層的多屬性變權威脅評估。在進行多武器平臺的第二層變權評估時，將整合局部與整體戰場環境信息等其他關聯因子，避免了不能兼顧其他戰場信息的缺陷，使得評估結果更為科學有效。通過融合并建立雙層變權評估模型，能夠實現多目標多指標的變權威脅評估。

1 陸戰目標及其威脅因素分析

1.1 合成分隊作戰特點

合成分隊一般由坦克等裝甲車輛及步兵組成，隨著各種新武器的不斷研發并投入戰場，合成分隊的作戰能力在不斷地提高。有以下作戰特點：

1）合成分隊以信息化的武器平臺為基礎，初步建立了基于信息化裝備的戰術互聯網體系，能夠實現各武器平臺之間的信息互通。

2）其作戰方式打破了傳統的作戰模式，不再依靠單向的指揮評估，而是多種武器平臺的同時參與評估、共同決策，具有快速機動、戰場偵察、信息處理等功能，向更趨于扁平化的指揮體系方向演變。

3）基于現代戰爭的武器裝備更為信息化，機動能力更強的特點。精準高效、聯合打擊越來越成為合成分隊的基本作戰要求。

對于合成分隊的戰場威脅評估，目前的評估方法主要有模糊邏輯方法、貝葉斯網絡方法、人工神經網絡方法、基于知識推理的方法。但是這些方法總體來說有以下缺陷［7］：

a.考慮的目標類型單一；

b.忽略了戰場不確定性對威脅評估的影響；

c.將威脅評估作為一個孤立的過程進行處理，威脅模型缺乏可信度。而且這些評估方法都需要引入專家的經驗知識作為驗證數據并進行推理，操作復雜。

1.2 威脅目標及威脅要素

合成分隊地面作戰的目標種類、型號很多，但大致可以歸結為以下幾類：坦克、步兵戰車等裝甲類目標，自行火炮、車載反坦克導彈等地面火炮類目標，武裝直升機、無人偵察機等低空類目標，反坦克火箭筒等單兵類目標，彈藥、油料補給車等保障類目標。

根據合成分隊的作戰特點，假定我方的武器裝備以裝甲類為主，上述幾種目標都會對我方造成威脅。如表1所示。

表1 各種威脅目標及其威脅屬性

2 威脅評估變權方法

目標威脅程度影響因素的重要程度是隨著戰場環境和戰場態勢的變化而變化的，因此，需對影響因素的權重進行動態調整；其次，采用同一目標威脅評估模型，也需根據目標類型對威脅影響因素權重進行動態調整。

2.1 變權理論

常權向量一般情況下能夠反映各個目標屬性的綜合能力，對應的每個目標屬性的權值反映了該目標屬性的重要程度。但在復雜多變的戰場環境中，常權的使用就難以體現出環境的變化，基于變權方法的提出正好補充了這種不足之處。

變權的目的即為根據目標狀態向量的動態變化來相應地調整它在整體評估中的影響。用于加權的權向量根據目標狀態向量的不同取值作相應的調整，以得到合理的綜合威脅評估。根據文獻［9］的定義，假設目標屬性狀態向量為，常權向量為，變權向量可看作目標狀態向量和權系數向量的函數wi（X），滿足：

1）歸一性，各個權重值wi（X）之和等于1；

2）連續性，wi（X）關于每個狀態變量連續；

3）激勵性，wi（X）關于xi單調遞增；

4）懲罰性，wi（X）關于xi單調遞減。

其中，若滿足1）～3）即為激勵型狀態變權；若滿足1）、2）、4）即為懲罰型狀態變權。根據具體的環境要求確定激勵型或者懲罰型變權來進行求解。

2.2 初始常權確定方法

客觀賦權法是對經驗數據進行整理分析從而得到權值，能夠避免人為因素的影響。本文采用信息熵法求得的客觀權重，能夠較好地排除部分影響較小的評價指標，更好地反映客觀規律差異的重要指標，因而信息熵法更具有客觀性。

熵源于信息論中的概念，用于描述事物出現的不確定性。在某評價體系中，其信息熵越小，指標變異程度越大，說明其在綜合評價中的作用越大，其指標權重也就越大。假設某戰場環境中有n種武器目標會對我方構成威脅，每種武器目標對應m種威脅指標。計算步驟如下：

1）威脅目標及其對應的屬性指標值所構成的威脅矩陣，作歸一化處理得到矩陣，

2）計算目標威脅屬性的信息熵值

3）計算評價指標權重

2.3 變權方法

2.3.1 威脅屬性變權

在合成分隊的目標威脅評估中，常權的使用往往能夠綜合考慮戰場態勢，卻不能動態地評估各威脅目標的即時威脅程度。威脅度屬性較大的目標，在不同的戰場環境中也可能具有較小威脅度值，此時需要變權對指標屬性進行相應調整。

同一組威脅指標的屬性值通常只對應一種武器目標，很難同時適用于其他的武器目標，通過構造變權向量，使其適用于多種武器目標，利用不同的權重屬性值表示其相應的武器目標或屬性指標。同樣在不同的戰場態勢中相同的火力配置也會有不同的威脅度體現。

根據不同威脅目標以及威脅目標不同的指標屬性，進行變權的調整，以匹配各屬性值之間的相對重要程度。針對不同目標及不同指標的威脅度屬性，變權向量能夠體現出很好的適應能力。構造陸戰場的威脅目標屬性狀態向量，定義映射

則有

定義狀態變權向量gi（W）為

σ為變權因子，是基于對不同偏好進行調整的系數。其取值范圍為。當時，為均衡型變權；當σ=0時，不進行變權，為常權綜合；當時，為激勵型變權。由于本文是對于即時作戰環境威脅的評估，在衡量各個威脅參數時均需考慮其他威脅因素的影響，所以采用均衡型變權，在中取值0.2。

根據幾種威脅目標的屬性及其威脅度的評估，構建威脅度屬性的狀態變權向量：

wi（X）為初始常權向量，wi為變權后目標X的第i項指標的權重。

通過整合所有戰場目標的指標權重信息，得到整體變權向量，

其中，

wij為第i個目標的第j個指標的變權值。其中，εi為第 i個目標的（i=1，2，…，n）的目標權重，其取值和威脅因子的所處實際作戰環境有關。根據文獻［10］中，認為狀態變權向量的確定存在較大主觀隨意性，會影響到其評估的客觀性，εi使其更加切合戰場實際。

2.3.2 多層融合變權

通過兩次的權系數調整來體現其重要程度，實現多種目標的統一威脅評估，

進而得到，

其中，為綜合變權評估結果，wi為式（2）所求結果，αi為單目標變權向量的調整系數，βij為多目標變權向量的調整系數。

為體現常權評估仍具有的合理性，使得常權的結果以一定的比例成為參考的因素，而又不失變權的可靠性，則

又由于變權中存在一定的隨機性，多目標多指標變權歸一化值，作為系數的加入，增加了變權的穩定性。基于戰場的變權評估還需確定多種戰場信息的影響，不同的戰場環境下目標的任務、意圖、目的不同，因此，對我方的威脅度也不同。

3 基于TOPSIS的變權威脅評估算法流程

Step1獲取目標威脅評估指標值，并對指標值進行預處理。

Step2利用信息熵法確定常權

Step3進行指標變權得到狀態變權向量wi，融合多個目標的多指標變權wij，得到整體的變權向量，。

Step4將兩次的變權結果進行疊加綜合，，并利用TOPSIS法進行威脅度排序。

圖1是變權評估的基本流程。

圖1 變權評估基本流程

4 評估實例

以陸戰場的合成分隊作戰為背景，對敵目標的威脅度進行評估。為了便于評估，選取5種代表性指標：機動能力、毀傷能力、通信水平、距離因素、抗干擾能力。其中，M1為武裝直升機，M2為車載反坦克導彈，M3為步兵戰車，M4為坦克，M5為單兵類輕武器。

1）各威脅屬性歸一化值如表3所示。

2）采用變權的單目標威脅評估結果，通過信息熵法獲得各個指標常權，

3）多目標變權，威脅評估結果，令為 0.6，0.3，0.5，0.4，0.3，代表幾種武器目標所處的戰場環境，綜合考慮幾種目標的威脅屬性，實現分布式評估。

4）根據式（9）進行單個目標的多種威脅屬性的融合，形成對單個威脅目標的整體上的分析。根據上述定義，利用軟件生成αi與βij，代表某作戰環境。的取值如表2所示。

5）通過對比幾種威脅評估結果的威脅度并排序，得到整體上的評估效果，如下頁表6所示。

表2 各α、β值

表3 目標各屬性歸一化值

表4 單目標多指標變權

表5 多目標多指標變權

表6 整體變權結果

表7 綜合排序結果

圖2 變權效果折線圖

從表6與圖2中可以看出，在常權屬性的影響下，威脅度依次為，通過多種屬性的綜合考慮，步兵戰車和坦克的威脅度上升，變為，說明可能是進攻的態勢，具有一定機動優勢的重火力武器目標呈現出更大的威脅；而融合了多個目標的多種威脅屬性后，則變為，說明整個戰場態勢則變為一種防御或者其他的作戰態勢；通過綜合的變權威脅結果，說明整體的戰場態勢雖然受到大規模集群火炮的壓制，但是一直受到武裝直升機的威脅最大，而且坦克和單兵類威脅度已經上升，很有可能會受到對方的進攻或者武裝直升機的突襲等威脅。如果只考慮表4和表5的話，可能會難以準確地判斷戰場目標的威脅，尤其是整體上的威脅，很可能與單個目標的評估有較大差異。

5 結論

合理有效的威脅評估是進行戰場決策的基礎，由于作戰環境的復雜多變，從而有瞬息萬變的威脅評估結果。本文利用信息熵法確定常權值，可避免主觀賦權所帶來的主觀隨意性。通過雙層變權的調整實現對威脅屬性權重的多級融合，充分考慮了每種威脅因素在其他的威脅因子共同作用下的最終權重，避免單層評估不能兼顧更多信息的局限性，能夠以更大的戰場視角進行統一評估分析，得到實時的整體威脅評估結果，為實現各作戰單元的火力分配提供依據。

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