体系对抗中信息与人和武器关系的SD模型

朱 刚, 谭贤四, 王 红, 毕红葵

(1.空军预警学院研究生管理大队,湖北武汉430019; 2.空军预警学院陆基预警监视装备系,湖北武汉430019)

体系对抗中信息与人和武器关系的SD模型

朱 刚1, 谭贤四2, 王 红2, 毕红葵2

(1.空军预警学院研究生管理大队,湖北武汉430019; 2.空军预警学院陆基预警监视装备系,湖北武汉430019)

为探索体系对抗中信息与人和武器之间的关系,结合军事信息优势论和OODA(observe,orient,decide,act)环模型,提出了OODAI(observe,orient, decide,act,information)网模型,该模型结合多兵种作战的Lanchester方程,能较好地解释体系对抗毁伤过程。应用系统动力学(system dynamics,SD)理论和方法,构建了以信息、人和武器为主要影响因素的体系对抗系统动力学模型,并对体系对抗过程进行了仿真,仿真结果为探究信息在人和武器中的关系提供了借鉴。

体系对抗;系统动力学;Lanchester方程

军事信息化给战斗力系统二元论带来了新的挑战[1]。信息因素在二元论中模糊的定位,导致军事人员对武器装备体系这一概念出现了2种不同的理解方式[2-3]：在体系对抗研究中,研究人员将武器装备体系理解为由C4ISR(command,control,communication,computer,intelligence,surveillance,reconnaissance)系统和其他武器装备系统构成的、具有协同关系的整体;而在装备论证研究中,研究人员不考虑战法因素,将C4ISR系统看作军事信息系统,与其他武器装备系统一样具有相对独立的建设过程,但受控于统一的过程控制机制。

为消除体系对抗与装备论证工作之间的鸿沟,美军集成了“能力过程”和“采办过程”,在《联合作战顶层概念》指导下制定了需求工程过程,并颁布《国防部体系结构框架》辅助需求工程过程的规范化和标准化[4-6]。国防科学技术大学的沙基昌教授团队提出战争设计工程概念,强调装备与战法、未来情景和干预策略、异质专家群体智慧和定性与定量分析4大集成问题[7]53。装甲兵工程学院的郭齐胜教授团队提出了装备需求论证工程化概念,通过“规范化、模块化、工具化和资源化”集成装备需求论证工作[8]。本文借鉴上述研究思想,提出了OODAI网模型。在OODAI网模型的指导下构建了体系对抗系统动力学(system dynamics)模型并进行了仿真,对探索信息、人与武器关系具有一定的借鉴意义,对集成体系对抗和装备论证研究工作具有一定的应用价值。

1 OODAI网模型

一般来说,战斗力系统主要由人、武器装备以及人与武器装备的关系,包括军事理论、体制编制、军事训练以及由此而产生的军事活动等基本要素构成[9]。为探索信息因素在传统战斗力系统中的定位,引入军事信息定义。

定义1 军事信息是与军事活动有关实体的运动状态和变化方式的一种表征和反映。任一实体的要素一般包括属性类型、运动状态、变化方式。军事信息就是对这些实体有关要素的综合描述[10]。

根据定义1,构建战斗力系统人、武器、信息3个因素认知模型如图1所示。

图1 战斗力系统认知模型

图1 中,当信息因素作用较小时,人与武器形成紧密结合关系。当信息因素作用较大时,人与武器通过信息因素形成结合关系。a处的“噪声”是人认知不统一造成的,a处的“组织”表示人对信息的处理过程;b处的“噪声”是环境造成的;c处的“影响”表示信息因素作用于武器装备的效果;d处的“噪声”是武器装备异构平台造成的,d处的“产生”表示武器装备产生的信息;e处的“噪声”是武器装备数据格式不统一造成的;f处的“影响”表示信息因素作用于人的效果。

以嵌套形式关联的阶梯状OODA模型能较好地解释机械化条件下的指挥控制过程,但不适用于解释体系对抗中的指挥控制过程[11-12]。对于简单决策行为而言,OODA环是短路的。因此,将人与武器紧密结合关系看成短路的OODA环。而复杂的决策行为中包含许多简单的决策行为,若简单决策行为间存在广泛的非线性交互行为,则可导致“涌现”。在此,引入战争系统概念进行解释。

定义2 战争系统由许多具有自主特性和适应能力的分系统、子系统等组成,具有物质、能量与信息的全面开放性,且分系统、子系统之间存在广泛的非线性和作用机制[7]24。

根据图1可知,这种广泛的非线性交互行为是通过信息衔接的。短路的OODA环使得人映射为战争系统状态决策者和武器系统状态决策者2部分。将武器系统状态决策者与武器看作作战单元,可构建战争系统认知模型如图2所示。

图2 战争系统认知模型

图2 中,决策者、信息与作战单元构成的输入/输出关系,表示实时的信息流动状态。此外,信息还具有存储性,如决策者与信息构成的输入/输出关系,存储的信息在一定时间内仍然可以影响信息与作战单元构成的输入/输出关系,反之亦然。根据分析,可给出战斗力系统的三元论定义。

定义3 战斗力系统是战争系统的子系统,特指军队为完成所担负多样化军事任务能力的总体概括,是由人、武器、信息等基本要素以及三者间关系构成的复杂系统。

根据上述分析,构建OODAI网模型如图3所示。

图3 OODAI网模型

图3 中,当信息影响较小时,OODAI网短路为OODA环;决策者与作战单元处于跨时空时,决策者与作战单元处于2个不同的平面,通过I连接成立体结构;当实时的群决策或体系对抗时,决策者之间的OODA过程进一步分解成以I为枢纽的云端。若以信息传递时间为衡量量,则构成一个以I为核心的不规则体。因此,从结构上来看,OODAI网模型比OODA模型更适合解释体系对抗中的指挥控制过程。

2 体系对抗模型

系统动力学的研究对象是复杂信息反馈系统,是着重研究分析系统结构和动态行为的学科,具有在缺乏精确数据的情况下观察系统行为和变化趋势的优点。应用系统动力学分析信息对决策者和作战单元的影响,对顶层分析定位信息因素有非常强的辅助作用。根据上文和文献[13]的启发,可在OODAI网模型上应用系统动力学理论构建体系对抗模型。

OODAI网模型中,决策过程是在一定信息量基础上将信息转换为有效信息,辅助指导行动的过程。假设任意一次决策开始时的初始信息量均为S,考虑到信息的存储性和时效性,第i次决策后的有效信息Si都被存储,并可作为下一次决策的初始信息量加以利用,利用率为γi,Si离下一次决策时间越近,γi越高。信息收集速率为St,信息量转化为有效信息的效率为η,则第m次决策前第t时刻有效信息Se为

从决策角度引入基于熵理论信息价值评估模型[10]67：设事件有n种可能,每一种可能发生概率为{p1,p2,…,pn},且有p1+p2+…+pn=1,则熵为

若决策者只是依据事件的发生概率做出决策,认识不确定性的熵为S0。若t时刻决策者接收到关于事件的有效信息的熵为Se,决策者在事件发生概率和Se的基础上做出决策,此时对事件认知不确定性的熵SI为

由式(3)可知,决策者确定一次事件,需要条件SI≥0。由条件SI≥0和式(1)～式(3)可得

由式(4)可知,当红蓝双方决策者对事件不确定性相同时,η、S、St或存储的信息量相对较大的一方,做出决策所需的时间t就相对较少,表示信息优势转化成了决策优势。可以认为,每一次决策后不确定性的熵变为S0,t时刻有效信息为Se,直到满足条件SI≥0时,才能正确地做出下一次决策。

当决策者确定事件后,给武器分配目标并下达指令进行对抗。对抗过程则是一个物理毁伤过程。因此,可从对抗角度引入多兵种作战的Lanchester方程[14]。

设红蓝双方每次决策后给出了当次的武器-目标最佳分配策略,且红蓝双方各有A(A∈N)和B(B∈N)类作战单位,分别用向量表示为

式中：xk表示红方第k(1≤k≤A)类作战单位数量;yh表示蓝方第h(1≤h≤B)类作战单位数量。

设αkh是xk对yh的损耗系数,βhk是yh对xk的损耗系数,且有：αkh＞0,βhk＞0(i=1,2,…,k; j=1,2,…,h)。

设μkh为xk攻击yh的比例,νhk为yh攻击xk的比例。此时红蓝双方的体系对抗损耗方程为：

根据上述分析,可构建体系对抗关系如图4所示。

图4中,实线和实心箭头表示红方物质流,虚线和实心箭头表示红方信息流,实线和线箭头表示蓝方物质流,虚线和线箭头表示蓝方信息流。根据上述分析,构建体系对抗SD模型如图5所示。

图5 体系对抗SD模型

3 体系对抗过程模拟

假设1根据上文分析可做出如下假设：

1)行动开始前,红方作战单元k为200,蓝方作战单元h为195。

2)红方k对蓝方h损耗系数和蓝方h对红方k损耗系数相等,设为0.2。

3)红蓝双方信息收集率均为0.2,信息损耗率为0.1,即表明红蓝双方在信息获取和干扰相同。

5)假定红蓝双方决策者素质相同,即信息量相同时,决策水平相同。

6)假设红蓝双方存储信息量均为0,每次行动后存储信息量增加1个单位,且利用率相等,均为0.01。

7)当某一方总损耗率大于对方时,决策者会采取行动进行调整,假设每次比例调整量为0.1,即每次能够调度的战斗力单位数为20。

8)当某一方作战总单位数为0时,对抗结束。

上述假设表明,红蓝双方除作战单位数量外,其他设置相同。将上述假设数据代入SD模型并在Vensim软件下运行,可得红蓝双方主要参数变化情况如图6所示。

图6中,横轴表示时间,纵轴表示作战单元数a=200个、存储信息次数b=6次和满足决策信息量c=1个单位这3个主要参数的变化情况。在对抗过程中,红蓝双方的作战单元数随着时间的变化逐渐减少,直至一方为0;存储的信息次数随着对抗时间逐渐增多,存储的信息量也随之增多;1次脉冲代表1次决策过程,横轴上的脉冲次数代表了对抗方的决策次数。

图6 假设1红蓝双方主要参数变化示意图

假设2在假设一基础上修改部分参数,设红蓝双方战斗单元数均为200,红方信息量存储较多,初始值为1,蓝方为0,其他参数设置相同。红蓝双方主要参数变化情况如图7所示。

图7 假设2红蓝双方主要参数变化示意图

假设3在假设2基础上修改部分参数,设红方信息收集率为0.21,红蓝双方信息量存储均为0,其他参数设置相同。红蓝双方主要参数变化情况如图8所示。

图8 假设3红蓝双方主要参数变化示意图

比较上述假设的仿真结果,可得如下结论：

1)当红蓝双方信息收集率,存储信息量和决策者素质以及其他武器装备等条件基本相同的情况下,武器装备数量对结果影响较大,但是其他参数变化趋势对装备数量变化不敏感。图6即为通过增加装备数量,取得局部战场相对优势变化图。然而,在体系对抗过程中,参与作战行动的战斗力系统为高技术武器装备,无论研发、生产还是保障工作都需要投入大量的人力物力,然而这种投入在体系对抗中优势并不明显,显然是不划算的。

2)当红蓝双方其他条件相同,只是红方存储信息量比蓝方多一次体系对抗中决策行为的信息量,红蓝双方存储信息量利用效率均为0.01,且具有相同转换效率的情况下,红方从第2次行动开始掌握战场动态,在优势积累下,只需根据蓝方行动做2次行动调整,就可获得整体优势,使得决策者可以将精力放在其他局部战场上,如图7所示。即在平时的信息化建设过程中,尽可能多地获取敌方武器装备性能参数,在体系对抗过程中都能成倍的增长战斗力单元系统的毁伤能力。

3)当其他条件完全相同,红方信息收集速率比蓝方每分钟多0.01个相对单位时,红方仍然能够建立较大的绝对优势,掌握战场主动权,如图8所示。即其他条件相同情况下,提高信息的收集速率能获得较大战场收益。

通过上述分析可知,信息不仅能够促进决策者工作效率,还能促进战斗力单元的作战效能。因此在平时的装备论证过程中,不能简单地将信息因素等同于C4ISR系统,也不能笼统的归纳到军事信息系统中去,一定要结合指挥控制流程、信息流和物质流来考虑装备论证过程;在体系对抗研究过程中,亦不能简单地将信息因素等同于C4ISR系统,也不能片面地认为起作用的只是信息传输与分发功能,一定要结合实际情况,确定信息的数据格式,考虑交换流程以及装备论证过程中的各种限制因素,这样才能合理地描述出信息因素在战斗力系统中的地位和作用。

4 结 论

为探索适应军事信息化变革的新理论,提出了信息、人和武器的三元关系论,主要工作有：①在人与武器关系二元论中引入了军事信息概念,提出了信息、人和武器三元关系论的战斗力系统认知模型;② 在三元论战斗力系统认知模型基础上,结合系统论、OODA模型和战争系统理论,提出了战争系统认知模型和OODAI模型;③在上述认知基础上应用系统动力学、信息熵和Lanchester方程对体系对抗过程进行了仿真,验证了信息是战斗力倍增器这一客观事实。本文为探索如何进行作战体系信息化建设提供了一定的理论依据,下一步将对模型进行完善。

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(编辑：孙陆青)

SD Model of Information,Human and Weapons Relationship in the System of Systems Combat

ZHU Gang1, TAN Xiansi2, WANG Hong2, BI Hongkui2
(1.Company of Postgraduate Management,Air Force Early Warning Academy,Wuhan Hubei 430019,China; 2.Department of Land-based Early Warning Surveillance Equipment,Air Force Early Warning Academy,Wuhan Hubei 430019,China)

To explore the relation between information,human and weapons in the system of systems combat,and combine the military information theory of superiority and observe,orient, decide,act(OODA)model,the observe,orient,decide,act,information(OODAI)model is proposed, and the model,combined the Lanchester equation,can better explain the damage course in the system of systems combat.Using the system dynamics(SD)theory and method,the paper builds the system dynamics model in system of systems combat in which major influence factors are information,human and weapons,gives a simulation of the system of systems combat.The simulation results offer the references to probe into the information,human and weapons relationship.

system of systems combat;system dynamics;Lanchester equation

E 91;E 92

2095-3828(2014)04-0133-05

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2014.04.028

2013-06-28

朱 刚(1984-),男,博士研究生.主要研究方向：装备效能评估.zhug2008@163.com.谭贤四,男,教授,博士生导师.