智能哨所設防效能評價研究

張洪江，宋嬌艷，楊峻一

（西南計算機有限責任公司，重慶 400060）

0 引言

近年來國家高度重視邊海防安全建設與維護問題，針對邊海防管控手段落后、視頻回傳實時性差、供電不穩定、低空小目標偵察精度低、信息處理能力弱、體系化防控效能低等問題[1]，迫切需要以邊海防戰備執勤與執法監管需求為牽引，建立智能化聯防聯控機制。隨著智能哨所分批建成啟用，在通訊手段、設備配置、設防能力等方面均發生了較大改變，通過發展無人化、智能化軍事設施[2]，提高了邊境監控效率及處置能力。

隨著邊海防智能哨所逐步啟用，設防鏈信息化戰爭中的邊境戰場信息量爆炸式增加，對設防效能評價提出了更高要求，但目前還缺乏相關評價模型對設防效能進行優化迭代，任務執行過程的動態評估仍存在不足。本文通過建立設防鏈評價指標體系，運用體系貢獻率評價智能哨所的設防能力，采用對弈樹搜索算法，動態推演可能的作戰結果，以此選定最優作戰策略，提升邊境聯防聯控能力。

1 研究現狀

隨著我國改革開放進程的不斷深入，出入境人流量不斷上升，邊境安全問題日益突出，但邊防哨所執勤手段落后，聯絡不暢，設備匱乏。為提升邊境管控能力，在各種復雜環境下均建立了大量邊防哨所，部分哨所安裝了電子哨兵管理系統或紅外掃描視頻監控系統，通過光纖防越系統、車載數據傳輸平臺、槍支離位報警系統等實現了情報信息聯網；云存儲、大數據、機器學習等技術已廣泛應用于邊海防建設[3]，提高了哨所的執勤效率、安全性及監控范圍。在作戰效能方面，目前已有較多針對效能評估模型及方法的研究[4]，有研究者通過開展“作戰效能評估研究的可視化分析”[6]，發現該領域研究熱點是層次分析法、指標體系、裝備體系、BP神經網絡、貝葉斯網絡、作戰環境等[7]。

國外在邊防哨所建設方面，有新聞報道美軍在本土及敘利亞戰場等地設置了鷹堡遙控機槍哨所，該哨所采用模塊化設計，能短時完成哨所搭建，配有熱成像傳感器，實現哨所全向監控。文獻Fast RCNN[8]、RFCN[9]等，針對監控候選區域目標檢測算法的研究中，采用選擇性搜索算法（Selective Search[10]）或卷積神經網絡生成可能的目標候選區域，并進行分類，通過邊框回歸算法對坐標進行修正，從而完成對邊境搜索目標的識別分析。

目前，國內外在哨所建設方面均取得了相應成果，在效能評估、目標識別等方面，已開展了相應研究，但哨所設防效能評價的相關研究較少。

2 研究內容

為發揮智能哨所最大效能，本文重點研究以數學模型為基礎的智能哨所設防鏈效能評價問題。①體系貢獻率研究[11]：采用體系貢獻率進行設防鏈效能評價，建立以偵察感知能力、指揮控制能力、武力拒止能力、運維保障能力為主的四層指標體系；②基于動態對弈的設防鏈評價：基于對弈論的方法與理念開展設防效能的預測，采用對弈樹搜索算法，評估指揮決策中可能的走步，從所有可能中找出最有利于己方的決策方法。

3 設防鏈效能評價

3.1 體系貢獻率研究

3.1.1 建立評價指標體系

采用體系貢獻率對設防鏈效能進行評價。體系貢獻率是指特定裝備或裝備組合加入現有體系后，對特定任務裝備體系能力以及特定任務完成好壞程度的一種度量。在體系分析和貢獻率研究的基礎上，結合《全軍裝備體系能力框架V1.0》，構建“基于裝備體系能力”和“基于聯合作戰任務”、利用作戰想定和對抗場景開展分析的貢獻率評價總體架構，稱為“體系能力-作戰任務”二維分析架構。為科學、準確地度量各型裝備在設防鏈運轉、能力生成中的作用和貢獻率，本文體系貢獻率分析評價方法參照上述二維分析架構進行評價，采用“精準評價五步法”進行分析。

（1）使命任務分析，對照《全軍聯合通用任務清單》，確立建設項目典型作戰任務，重點是主要的典型作戰任務。

（2）能力指標梳理，對照《全軍裝備體系能力框架》，明確智能哨所的能力項、指標項，重點是核心關鍵的具體能力指標。

（3）對抗場景設置，結合智能哨所可能的典型應用場景、戰場環境、對抗樣式等，搭建可進行體系對抗的作戰體系。

（4）評價矩陣確立，將典型的作戰任務與核心關鍵的具體能力指標關聯起來，建立評估評價指標體系。

（5）定性定量分析，綜合運用定性與定量結合的分析方法，對智能哨所能力提升、作戰任務完成效能進行分析計算，形成智能哨所體系貢獻率評價結論。

為形成對智能哨所裝備體系能力評價的“全景視圖”，需要從多個方面對裝備能夠達到的能力進行度量和描述，建立“偵-指-拒-保”為主的智能哨所效能評價指標體系（見圖1）。

圖1 智能哨所效能評價指標體系

（1）偵察感知能力，指智能哨所上裝平臺以及偵察探測裝備所形成的能力。

（2）指揮控制能力，根據邊海防作戰方案計劃、戰場實時情況以及突發事件等，將指揮、通信、控制、協同效能信息，轉化為對設防行動進行實時掌握的能力。

（3）武力拒止能力，指對智能哨所聲、光、電、失能拒止武器單元以及有人協同實施網絡化控制的能力。

（4）運維保障能力，綜合判斷智能哨所具備供電手段、儲能能力、維護周期、應急手段、維修便利性的加權效能。

3.1.2 體系能力評估

基于對智能哨所效能評價指標體系建設能力的評估需求，建立“作戰任務-體系能力”評估矩陣。目前，處理此類問題使用層次分析法較多，通過建立判斷矩陣、層次單排序、一致性檢驗、層次總排序等處理，最終確定各分指標的權重，得到相對于最終評價目標的重要性排序[12]。該方法的算法實現非常成熟，以信息系統裝備為例，在計算其能力體系覆蓋率A1時，主要有以下步驟[13]：

（1）利用層次分析法計算得到設防效能覆蓋率、武器控制能力覆蓋率、協同控制能力覆蓋率3個分項體系貢獻率的歸一化權重（設為[a1，a2，a3]），這組權重對所有信息系統裝備評估時均一致。

（2）對各分項體系貢獻率，如設防效能覆蓋，利用層次分析法計算得到行動類型覆蓋率、行動狀態掌控度、指令時延及時性3個子目標的歸一化權重 （設為[α11，α12，α13]），這組權重對所有裝備評估時均一致。

（3）對設防類型覆蓋率、設防狀態掌控度、指令時延及時性3個指標值分別為[X1，X2，X3]的信息系統裝備，通過去量綱化處理：

（4）待評估裝備的歸一化能力指標[C1，C2，C3]，采用線性加權（歸一化權與去量綱值的乘積和），得到待評估信息系統裝備的各分項能力的體系貢獻率，如設防效能覆蓋率為：

B1=∑α1iCi

以及待評估信息系統裝備的能力體系覆蓋率為：

A1=∑αiBi

（5）以某個待評估信息系統裝備為基準（AF），計算其它同類型裝備（AK）相比該裝備的體系能力貢獻率大小，即：

（AK-AF）/AF×100%

通過以上流程，可得到智能哨所裝備各項體系貢獻率評估指標，并可進一步綜合后得到用于描述整個裝備體系貢獻率的指標。由于同類型裝備在能力指標上的差異性，每一層級都會形成可用于裝備之間對比的體系貢獻率指標。綜合運用仿真、解析等多種分析評估評價方法，對各種場景下的哨所效能指標進行分析計算，得到不同任務場景下的評價指數，通過智能哨所設防鏈效能評價仿真軟件，完成對哨所裝備體系貢獻率的研究。

3.2 動態對弈的設防評價

基于智能哨所任務復雜性與裝備能力多樣性的特點，以無人車作戰行動為例，結合任務決策、規劃應用需求，運用交戰動態博弈的思想，基于無人戰車作戰行動模型、地面突擊移動與毀傷模型等，采用影響力圖模型（Influence Map）[14]，以智能哨所位置為中心，根據裝備突破能力、偵察能力在其攻防覆蓋范圍、偵察范圍內向四周擴散其影響力，形成無人車作戰態勢中敵我雙方在地圖上的空間分布。同時利用博弈論方法從時間維度進行敵方策略預測與我方行動計劃評估，預測敵方動態與戰場態勢。

3.2.1 動態預測評估

基于敵我作戰動態對弈的思想，聯合空間、時間維度對敵方作戰行動開展動態預測與計劃評估。空間維度基于影響力圖構建敵我空間分布模型，分析獲取敵我力量對比的優勢區域、緊張區域、薄弱區域等柵格對比數據，形成敵我雙方力量在地圖上的空間分布。時間維度上基于臨機規劃動態對抗的思想創建對抗模型，推斷每種對弈狀態下敵可能行動策略與行動后達到的新狀態，通過多步敵方策略預測結果的擇優比對，實現敵最大可能行動策略預測，將復雜作戰網絡隨著時間的演化建模為復雜動態作戰網絡序列，基于演化規則對智能哨所任務需求設計，構建作戰網絡動態演化模型，通過分析其時序特性與有向圖動態變化信息，實現智能哨所設防鏈效能評價。

3.2.2 對弈樹搜索

邊海防戰場的敵我“滲透-拒止”對抗是明顯的對弈過程。針對智能哨所執勤任務，決策是一個不斷考慮對方可能的策略以及環境信息的改變，進行比較、分析、判斷，不斷做出策略選擇的連續過程。本研究采用對弈論的方法與理念開展設防鏈效能的預測評估。對弈樹搜索是對弈程序中的重要方法，通過搜索對弈樹對弈程序可以知道每一種對弈狀態下可選的走步及每種走步會到達的新的對弈狀態。一棵完整的對弈樹包含了整個對弈過程中可能出現的所有情況，對弈樹的葉子節點值代表了收益。對弈樹搜索算法的目的是在評估每種可能的走步，從所有可選走步中找出對自己最有利的走步，見圖2。

圖2 快速走子與對弈過程的設防判斷

具體應用過程：根據每個行動的執行時間，得出雙方的策略集。經計算，我方共有X種防御策略，敵方共有Y種進攻策略。

（1）根據影響參數和效用函數求出我方的贏得矩陣。

（2）對解的分析。對弈模型的解分為兩種：純策略解和混合策略的均衡解。當解為純策略解時，如果雙方的指揮決策是理性的，那么他們必然選擇對應的策略。如果是混合策略的均衡解，則需要判斷對手的決策行為，并以一定的概率選擇對策。作戰中，計劃方案可以有多個，但真正執行的方案卻只有一個，那么在混合策略的情況下，如何做出正確的決策，則跟參與者自身的能力、背景等因素以及對手的特點有關。經過多步敵方策略預測和我方行動計劃評估，求得多步后的最佳勝負判斷，作為任務高級設防評估信息。

4 結論

本研究通過初步建立智能哨所效能評價指標體系，采用體系貢獻率對邊海防智能哨所設防鏈效能進行評價；基于動態對弈過程中高度不確定性的信息，提出對弈樹搜索算法，針對威脅能迅速、準確地評估識別。通過本研究能夠為智能哨所設防效能的評估提供參考方法，為智能哨所提供動態威脅評估方法。