基于云模型的地面防空混編群信息對(duì)抗能力評(píng)估方法

李勇祥，曹澤陽(yáng)，李龍躍，楊麗娜

(1.空軍工程大學(xué) 研究生院， 西安 710051； 2.空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院， 西安 710051)

以信息對(duì)抗為核心的空襲與反空襲時(shí)代悄然而至，隨著空襲信息對(duì)抗力量的不斷發(fā)展及運(yùn)用手段的創(chuàng)新，防空作戰(zhàn)也突破以往的火力對(duì)抗模式，發(fā)展為信息和火力一體化作戰(zhàn)。信息防空作戰(zhàn)作為防空作戰(zhàn)火力打擊的前提和情報(bào)支援，主導(dǎo)著整個(gè)空防對(duì)抗的成敗，并貫穿于整個(gè)戰(zhàn)役的始終[1]。以地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)為主，輔以高炮武器、彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)及引入電子對(duì)抗分隊(duì)所組建的地面防空混編群是地面防空作戰(zhàn)的重要支撐。地面防空武器通過(guò)組網(wǎng)作戰(zhàn)、火力信息協(xié)同開(kāi)啟了全新的防空作戰(zhàn)樣式，并將不斷提升自身信息對(duì)抗能力作為混編群建設(shè)發(fā)展的一項(xiàng)重要內(nèi)容。信息對(duì)抗能力作為地面防空混編群作戰(zhàn)能力的重要組成部分，評(píng)估其能力優(yōu)劣對(duì)于指導(dǎo)混編群規(guī)模結(jié)構(gòu)的優(yōu)化有著重要現(xiàn)實(shí)意義。

目前，對(duì)地面防空混編群信息對(duì)抗能力的評(píng)估大都采用作戰(zhàn)模擬法、模糊綜合評(píng)判法、邏輯分析法等，其缺陷在于忽視了評(píng)估過(guò)程出現(xiàn)的不確定性，即模糊性和隨機(jī)性，而且缺乏簡(jiǎn)潔有效的定性定量互轉(zhuǎn)模型[2]。基于云模型理論可有效結(jié)合評(píng)估過(guò)程的模糊性和隨機(jī)性，以隸屬云形式表征定性概念中的能力評(píng)估等級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面防空混編群信息對(duì)抗能力的綜合評(píng)估。

1 地面防空混編群信息對(duì)抗能力分析

地面防空混編群是按照作戰(zhàn)任務(wù)需求而混合組建有機(jī)作戰(zhàn)群體，其實(shí)質(zhì)是把不同型號(hào)、性能各異的防空武器裝備經(jīng)過(guò)進(jìn)一步混編集成優(yōu)化、混合配置，以達(dá)到作戰(zhàn)空域和電磁頻譜互補(bǔ)、信息和火力協(xié)同作戰(zhàn)的效果。地面防空混編群有著單個(gè)型號(hào)地面防空武器裝備無(wú)法比擬的信息優(yōu)勢(shì)，通過(guò)混編組網(wǎng)作戰(zhàn)，不僅增強(qiáng)了混編群火力協(xié)同攻擊能力，更重要的使其整體信息對(duì)抗及作戰(zhàn)運(yùn)用效能大大提高。信息作戰(zhàn)作為地面防空混編群火力打擊的重要支援手段，一方面通過(guò)己方各戰(zhàn)斗單元雷達(dá)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息協(xié)同，以及利用多種抗干擾手段進(jìn)一步提升整體信息對(duì)抗能力，創(chuàng)造我方的信息優(yōu)勢(shì)；另一方面通過(guò)偵察及攻擊敵空襲信息節(jié)點(diǎn)，從而破壞和癱瘓敵方的信息作戰(zhàn)體系，奪取戰(zhàn)場(chǎng)制信息權(quán)達(dá)成信息防空作戰(zhàn)的目的。據(jù)此，可進(jìn)一步將地面防空混編群信息對(duì)抗能力指標(biāo)分為空情獲取能力、信息進(jìn)攻能力、信息防御能力以及信息協(xié)同能力等。

1.1 空情獲取能力

空情獲取是地面防空混編群火力、信息一體打擊的基礎(chǔ)和前提[3]。地面防空混編群空情預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)主要由地面防空雷達(dá)和光電偵察等裝備組成，通過(guò)對(duì)來(lái)襲目標(biāo)預(yù)警、跟蹤、識(shí)別，經(jīng)過(guò)指揮信息系統(tǒng)信號(hào)處理，及時(shí)掌握戰(zhàn)場(chǎng)空情信息要素，為指控系統(tǒng)戰(zhàn)斗部署分析決策提供判斷依據(jù)。地面防空混編群空情獲取能力主要包括目標(biāo)預(yù)警能力、目標(biāo)跟蹤能力、目標(biāo)識(shí)別能力及指揮信息系統(tǒng)的目標(biāo)信息傳輸處理能力等。

1.2 信息進(jìn)攻能力

地面防空混編群各型武器系統(tǒng)通過(guò)混編組網(wǎng)使之具備了一定的信息進(jìn)攻能力。特別是引入地空反輻射導(dǎo)彈武器系統(tǒng)及各種對(duì)空輻射源，使地面防空混編群更具信息防空優(yōu)勢(shì)。信息進(jìn)攻能力進(jìn)一步可分為電子干擾能力、電子摧毀能力、網(wǎng)絡(luò)攻擊能力及心理對(duì)抗能力[4]。其中電子干擾主要以對(duì)空輻射源釋放電磁干擾及實(shí)施各種電子欺騙為手段對(duì)空襲關(guān)鍵信息節(jié)點(diǎn)及精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)進(jìn)行干擾壓制；電子摧毀主要以地空反輻射導(dǎo)彈武器系統(tǒng)、電磁脈沖武器等裝備實(shí)施對(duì)空襲電子干擾源的火力及電子打擊；網(wǎng)絡(luò)攻擊主要以黑客入侵、病毒破壞及電磁脈沖攻擊等多種方式實(shí)施對(duì)敵信息系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的破壞；心理對(duì)抗則是通過(guò)作戰(zhàn)人員實(shí)施心理壓制以擾亂敵方作戰(zhàn)決心。

1.3 信息防御能力

隨著空襲信息對(duì)抗裝備的發(fā)展壯大，地面防空混編群面臨電子干擾及電子摧毀威脅日益加劇，在無(wú)線電通信領(lǐng)域爭(zhēng)奪頻譜控制權(quán)的電波斗爭(zhēng)也日益嚴(yán)峻[5]。信息防御能力作為地面防空混編群作戰(zhàn)能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是地面防空混編群能否保證火力攔截可靠性的前提，主要包括信息傳輸?shù)陌踩Ｃ苣芰Α⒏髯鲬?zhàn)單元的信息隱蔽偽裝能力、雷達(dá)預(yù)警、通信及指揮控制等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的抗毀能力及重構(gòu)能力。其中信息保密以確保我方作戰(zhàn)情報(bào)及指揮決策信息防敵竊取為主；信息隱蔽偽裝以電磁輻射控制、利用工事、地形等進(jìn)行信息偽裝以及設(shè)置各種假目標(biāo)迷惑敵方；系統(tǒng)抗毀及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)能力則用以評(píng)估地面防空混編群對(duì)空預(yù)警網(wǎng)絡(luò)、指揮控制中心及各種通信樞紐在敵信息干擾時(shí)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性以及應(yīng)對(duì)空襲信息、火力打擊時(shí)的重建能力。

1.4 信息協(xié)同能力

地面防空混編群是高度集成、互聯(lián)互通的作戰(zhàn)體系，其作戰(zhàn)效能能否實(shí)現(xiàn)“1+1>2”的效果很大程度上取決于混編群各作戰(zhàn)單元與上級(jí)指揮機(jī)構(gòu)及相互之間的信息協(xié)同。信息協(xié)同是在各防空作戰(zhàn)力量把握空情重點(diǎn)信息基礎(chǔ)上相互的信息交流，以提高信息使用效率實(shí)現(xiàn)對(duì)敵高效火力攔截[6]，地面防空混編群信息協(xié)同能力主要包括雷達(dá)組網(wǎng)能力、頻譜管控能力和組織協(xié)同能力。雷達(dá)組網(wǎng)作為混編群組建的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，是混編群能否實(shí)現(xiàn)信息與火力協(xié)調(diào)運(yùn)用的前提，其能力優(yōu)劣是衡量混編群能否形成一體化作戰(zhàn)整體的關(guān)鍵因素。頻譜管控是指地面防空混編群通過(guò)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)空間內(nèi)己方用頻裝備的科學(xué)規(guī)劃和合理運(yùn)用，最大限度地發(fā)揮各用頻裝備的作戰(zhàn)效能、降低內(nèi)耗，以提升防空體系信息對(duì)抗的整體作戰(zhàn)能力，主要以雷達(dá)頻譜管控和通信頻譜管控為主實(shí)現(xiàn)信息協(xié)同的效益最大化。其中雷達(dá)頻譜管控是對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)區(qū)域各型雷達(dá)通過(guò)區(qū)分頻率、體制及使用時(shí)間、空間(方向)等，進(jìn)行配置和協(xié)調(diào)，避免己方用頻裝備的互擾，并盡可能減少對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)需求的限制。通信頻譜管控則是防空作戰(zhàn)中數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的無(wú)線電終端的協(xié)調(diào)工作，其主要表現(xiàn)在通用性和互補(bǔ)性上。組織協(xié)同是指指揮員及指揮機(jī)構(gòu)實(shí)施電子攻擊或防御作戰(zhàn)時(shí)，協(xié)同混編群電子戰(zhàn)裝備之間、電子戰(zhàn)裝備與其他作戰(zhàn)裝備之間的關(guān)系，提高各武器裝備的協(xié)同作戰(zhàn)能力，避免電子戰(zhàn)裝備對(duì)其他作戰(zhàn)裝備產(chǎn)生影響，甚至損傷。

2 基于云模型的信息對(duì)抗能力評(píng)估方法

2.1 云模型理論

云模型是一種用以表征定性概念和定量數(shù)值之間的不確定性轉(zhuǎn)換模型，通過(guò)概率論和模糊數(shù)學(xué)方法反映自然語(yǔ)言概念的不確定性。設(shè)X是一個(gè)精確數(shù)值表示的定量論域X={x}，L是與X相聯(lián)系的語(yǔ)言值(模糊子集)，若對(duì)任意元素x，x∈X，都存在一個(gè)穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)uL(x)∈[0，1]與之對(duì)應(yīng)，稱為x對(duì)L的隸屬度。隸屬度在論域上的分布稱為隸屬云，簡(jiǎn)稱云[7]。

云是從論域到區(qū)間[0，1]上的映射，由許多云滴共同組成，每個(gè)云滴由元素xi和其隸屬度組成，以drop(xi，ui)表示。單一的云滴不能反映整體的分布情況，當(dāng)眾多云滴匯聚成云時(shí)，整個(gè)云體現(xiàn)了一定的數(shù)字特征值，即期望值Ex、熵En和超熵He(用C(Ex，En，He)表示)，以反映定性概念的特征。其中期望值Ex為云分布的中心，用以表征相應(yīng)模糊概念的信息中心值，熵En表征在這個(gè)論域中能夠被這個(gè)概念所接受的數(shù)值范圍，超熵He表征云滴離散程度，即云的厚度。如表征“20左右的數(shù)值”可以用“Ex=20，En=1，He=0.05”的正態(tài)云圖表示，如圖1所示。

圖1 云及其數(shù)字特征曲線

云模型用以對(duì)不確定性問(wèn)題的評(píng)估，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)方法推理計(jì)算實(shí)現(xiàn)。它將專家的評(píng)估數(shù)據(jù)經(jīng)特定的數(shù)學(xué)公式計(jì)算得到屬性特征值，不再以精確的函數(shù)表示，而是以3個(gè)屬性特征值來(lái)表示評(píng)估對(duì)象的不確定性，有效處理了評(píng)估過(guò)程的模糊性和隨機(jī)性[7-8]。

指標(biāo)評(píng)價(jià)云的生成。指標(biāo)評(píng)價(jià)云表示各指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)，也體現(xiàn)了評(píng)估對(duì)象在某個(gè)方面的等級(jí)特性，是決定最終評(píng)價(jià)等級(jí)的獨(dú)立因子，通過(guò)逆向云生成器計(jì)算生成。逆向云生成器運(yùn)算法則如下[8]：

2.2 建立指標(biāo)體系

地面防空混編群信息對(duì)抗能力影響因素呈現(xiàn)一定的多樣性及復(fù)雜性，需要通過(guò)構(gòu)建合理指標(biāo)體系對(duì)其信息對(duì)抗能力綜合評(píng)估。基于上述對(duì)地面防空混編群信息對(duì)抗能力的要素分析，采用逐層分解的方式，選取防空混編群信息對(duì)抗能力的主要影響要素作為評(píng)估指標(biāo)，以信息對(duì)抗能力為根，分列出一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)，據(jù)此，可得地面防空混編群信息對(duì)抗能力評(píng)估指標(biāo)體系，如圖2所示。

圖2 地面防空混編群信息對(duì)抗能力評(píng)估指標(biāo)體系框圖

2.3 指標(biāo)權(quán)重確定[9]

設(shè)Ai(i=1，2，3，4)中各指標(biāo)因素Aij(j=1，2，…，n,其中n表示Ai中的指標(biāo)因素Aij的個(gè)數(shù))相對(duì)Ai的權(quán)重分配分別為wij(wi1+wi2+…+win=1)；類似地，Ai(i=1，2，3，4)相對(duì)于A的權(quán)重分配分別為Wi(i=1，2，3，4)。

對(duì)于Wi及wij的確定，采取層次分析法。根據(jù)層次分析法，將問(wèn)題中涵蓋的指標(biāo)要素區(qū)分層次進(jìn)行排列以形成層次結(jié)構(gòu)。在本文中以地面防空混編群信息對(duì)抗能力A為目標(biāo)層，以一級(jí)指標(biāo)空情獲取能力A1、信息進(jìn)攻能力A2、信息防御能力A3、信息協(xié)同能力A4為第一準(zhǔn)則層，其余二級(jí)指標(biāo)為第二準(zhǔn)則層。判斷矩陣采取“1～9”標(biāo)度法：以上一層次中的某一指標(biāo)要素作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)對(duì)下一層次中對(duì)應(yīng)的每個(gè)元素進(jìn)行重要性對(duì)比，構(gòu)建所需的判斷矩陣，判斷矩陣包括該層次中各因素相互比較所得出的權(quán)重值。

對(duì)于第一準(zhǔn)則層Ai(i=1，2，3，4)關(guān)于A的判斷矩陣C=(cij)n×n(n=4)，矩陣中元素cij表示層次結(jié)構(gòu)模型中指標(biāo)因素Ai與Aj相對(duì)比所得的重要程度，而且滿足cij>0;cii=1;cji=1/cij，也就是層次結(jié)構(gòu)模型中因素Aj與Ai相比較的重要性與層次結(jié)構(gòu)模型中因素Ai與Aj相比較所得的重要性應(yīng)該成倒數(shù)關(guān)系，因此可知，判斷矩陣C為正反矩陣，進(jìn)行n(n-1)/2次判斷就可以得出結(jié)論。

在單一準(zhǔn)則情況下，本文采用幾何平均法對(duì)各指標(biāo)因素相對(duì)權(quán)重進(jìn)行確定，步驟如下。

步驟1求權(quán)重向量。

步驟2計(jì)算矩陣C最大特征值。

步驟3一致性檢驗(yàn)。

表1 隨機(jī)一致性指數(shù)

計(jì)算一次性比例數(shù)值CR=CI/RI，當(dāng)CR≤0.1，即可認(rèn)為判斷矩陣一致性檢驗(yàn)合格。否則，判斷矩陣需做恰當(dāng)?shù)男薷模源_保一致性。

類似地，可以求得第二準(zhǔn)則層A11，A12，A13，A14對(duì)第一準(zhǔn)則層A1的權(quán)重w1j(j=1，2，3，4)，相應(yīng)可得w2j、w3j、w4j(j=1，2，3，4)。

2.4 評(píng)估流程

地面防空混編群信息對(duì)抗能力評(píng)估流程如圖3所示，具體步驟如下。

圖3 地面防空混編群信息對(duì)抗能力評(píng)估流程框圖

步驟1：建立地面防空混編群信息對(duì)抗能力評(píng)估指標(biāo)體系。

步驟2：對(duì)各個(gè)評(píng)估指標(biāo)確立相應(yīng)評(píng)語(yǔ)集及其取值區(qū)間，生成相應(yīng)于每個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)云，即云標(biāo)尺。

步驟3：利用上述層次分析計(jì)算方法得出各層次評(píng)估指標(biāo)相應(yīng)權(quán)重值。

步驟5：計(jì)算綜合評(píng)價(jià)云與對(duì)應(yīng)屬性的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)云的相似度[10]。相似度δi的計(jì)算步驟如下：

步驟6：確定地面防空混編群信息對(duì)抗能力等級(jí)。根據(jù)相似度的大小，以此確定評(píng)估對(duì)象的信息對(duì)抗能力等級(jí)。

3 實(shí)例仿真分析

為了驗(yàn)證所提方法的有效性和科學(xué)性，本文以某地面防空混編群為例，對(duì)其各能力指標(biāo)組織相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行打分，綜合評(píng)估分析。

1) 建立評(píng)語(yǔ)集，求得各屬性特征值。本文指標(biāo)統(tǒng)一采用10分制，即所有屬性的評(píng)估值在[0，10]，數(shù)值由小到大的循序即為能力增強(qiáng)的趨勢(shì)。并依據(jù)專家意見(jiàn)將該分值區(qū)間劃分為若干個(gè)子區(qū)間，分別對(duì)應(yīng)不同的評(píng)語(yǔ)級(jí)別，本文將指標(biāo)能力等級(jí)分成[0，2]、[2，4]、[4，6]、[6，8]、[8，10]等4個(gè)區(qū)間，指標(biāo)評(píng)語(yǔ)集為{很差，差，中等，好，很好}，將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)云分別表示為C(1，0.33，0.05)，C(3，0.33，0.05)，C(5，0.33，0.05)，C(7，0.33，0.05)，C(9，0.33，0.05)。如圖4所示。

圖4 評(píng)語(yǔ)集標(biāo)準(zhǔn)云模型

2) 確定指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)專家們對(duì)各指標(biāo)重要性進(jìn)行比較，并利用層次分析法計(jì)算。得到二級(jí)指標(biāo)權(quán)重分別為：空情獲取能力各指標(biāo)權(quán)重(0.535 9，0.133 1，0.269 8，0.061 2)；信息進(jìn)攻能力各指標(biāo)權(quán)重(0.574 5，0.294 9，0.086 3，0.044 3)；信息防御能力各指標(biāo)權(quán)重(0.111 3，0.532 9，0.288 4，0.067 4)；信息協(xié)同能力各指標(biāo)權(quán)重(0.163 4，0.539 6，0.297 0)。類似地，求得一級(jí)指標(biāo)權(quán)重為(0.304 1，0.053 4，0.502 8，0.139 7)。

3) 綜合評(píng)價(jià)云的合成。通過(guò)采集評(píng)估數(shù)據(jù)，生成各指標(biāo)屬性評(píng)價(jià)云，并根據(jù)上步求得的權(quán)重合成綜合評(píng)價(jià)云。本文采集了10名專家的打分?jǐn)?shù)據(jù)，根據(jù)上述逆向云生成器運(yùn)算法則，求得對(duì)應(yīng)的指標(biāo)屬性評(píng)價(jià)云的數(shù)字特征。可得二級(jí)指標(biāo)的數(shù)字特征如表2所示，對(duì)指標(biāo)屬性評(píng)價(jià)云進(jìn)行合并求得一級(jí)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)云，如表3所示。

表2 二級(jí)指標(biāo)數(shù)值特征

表3 一級(jí)指標(biāo)數(shù)值特征

依據(jù)第2節(jié)步驟4可得地面防空混編群信息對(duì)抗能力的數(shù)字特征為C(8.15，0.52，0.19)。經(jīng)仿真計(jì)算可得地面防空混編群信息對(duì)抗能力綜合評(píng)價(jià)云與標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)云如圖5所示。

圖5 綜合評(píng)價(jià)云與標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)云曲線

4) 計(jì)算相似度。根據(jù)第2節(jié)步驟5可以得到“地面防空混編群信息對(duì)抗能力”各標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)云與綜合評(píng)價(jià)云的相似度，如表4所示。由表4可以得到與綜合評(píng)價(jià)云相似度最大的是“很好”標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)云。這與圖5比較云圖的直觀判斷相一致。因此，最后的結(jié)論為地面防空混編群信息對(duì)抗能力等級(jí)為“很好”，評(píng)價(jià)值為8.15，從評(píng)估結(jié)果來(lái)看，地面防空混編群信息對(duì)抗能力處于“好”和“很好”的之間，說(shuō)明該地面防空混編群信息對(duì)抗能力尚有進(jìn)一步的提升空間。

表4 綜合評(píng)價(jià)云與各標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)云的相似度

4 結(jié)論

地面防空混編群信息對(duì)抗能力包含的多種指標(biāo)因素眾多，通過(guò)對(duì)地面防空混編群信息對(duì)抗能力進(jìn)行系統(tǒng)分析，給出了一套評(píng)估指標(biāo)體系，并運(yùn)用云模型理論進(jìn)行運(yùn)算量化分析評(píng)估，對(duì)某一地面防空混編群信息對(duì)抗能力進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。這種方法充分考慮了評(píng)估過(guò)程中的隨機(jī)性和模糊性，并且能使定性描述定量化，能夠有效區(qū)分能力程度差異，代替了不科學(xué)的“印象”評(píng)估結(jié)果，較為客觀地反映了防空混編群信息對(duì)抗能力的真實(shí)情況。