基于复杂适应系统的装备作战试验体系贡献度评估

罗小明， 朱延雷， 何 榕

(1. 装备学院航天指挥系，北京 101416； 2. 装备学院研究生管理大队，北京 101416)

基于复杂适应系统的装备作战试验体系贡献度评估

罗小明1， 朱延雷2， 何 榕2

(1. 装备学院航天指挥系，北京 101416； 2. 装备学院研究生管理大队，北京 101416)

基于复杂适应系统(Complex Adaptive System, CAS)理论研究装备作战试验体系贡献度评估问题，为创新装备试验思维提供了一个新视角，也是装备试验理论创新和实践应用的必然要求。基于CAS的体系作战观，探析了装备作战试验体系贡献度的基本概念，论述了装备作战试验体系贡献度试验的主要内容及适应性，研究了基于改进ADC、探索性分析和Agent仿真建模的装备作战试验体系贡献度评估方法，为装备作战试验体系贡献度试验与评估提供借鉴与指导。

装备作战试验；体系贡献度；复杂适应系统；涌现性

美国圣塔菲研究所(Santa Fe Institute, SFI)是一个专门研究复杂系统和复杂性问题的跨学科领域的研究机构，目前已发展成为世界著名的复杂系统问题研究中心。其主要成就是提出了复杂适应系统(Complex Adaptive System, CAS)理论及其研究方法[1]124-125。CAS理论是复杂性科学的重要组成部分，其核心思想是“适应性造就复杂性”[2]141。基于CAS理论探究装备作战试验特点及规律，为创新装备试验思维提供了一个新视角。将CAS理论应用于装备作战试验体系贡献度评估，也是装备试验理论创新和实践应用的必然要求。

1 基于CAS的体系作战观

体系是能够得到进一步涌现性质的关联或联结的独立系统的集合[3]。涌现是指体系中的各组分系统相互发生影响作用，产生“1+1>2”的过程，也是体系的基本特征。

适应性是指某一主体能够与环境以及其他主体进行交互作用的一种特性。在这种持续的交互作用过程中，主体不断地学习或积累经验，并根据学到的经验改变自身的结构和行为方式。依据CAS理论，可认为：适应性是体系得以涌现的基础和推动力；适应性增强意味着体系结构演化和体系作战效能的增强。基于这种认识，可认为作战既是CAS之间的对抗，也是体系适应能力的对抗。

体系作战是一种作战要素齐全、作战单元关联、作战力量联动、具有完整行动链和整体联动特性的全过程作战[4-5]。战斗力是体系作战的一种“涌现”现象，即战斗力是作战要素之间及作战要素与环境之间相互作用时整体涌现性的体现。战斗力的发挥是作战要素之间适应能力的内聚或外释。信息化战争形态下的战斗力系统实质是一个CAS，是由实体要素(人、武器装备、体制编制)、渗透性要素(信息)、关系要素(适应性)(可称其为“3+1+1”结构)生成和演化的过程，主要由武备力、人力、组织力、信息力和适应力构成[6]。

2 装备作战试验体系贡献度及其试验的主要内容

2.1 装备作战试验

装备作战试验是指为获取与装备作战适用性、作战效能和体系贡献度等相关的数据，将装备置于接近真实的战场环境中并和部队使用结合起来，按照实际的作战流程和任务剖面要求而进行的活动[7-8]。因此，作战试验具有“实兵、实装、实情”(“三实”)相结合的特点，主要目的是考核装备的作战适用性、作战效能及体系贡献度。

2.2 装备作战试验体系贡献度

所谓贡献是指一个体系的系统、功能以及各系统之间的作用和影响；而贡献度是对这些作用和影响大小的直观度量。

基于CAS的体系作战观，可认为：装备体系贡献度是指被试系统纳入到作战体系(直接任务作战体系、联合作战体系)后，所形成的体系作战效能(能力)以及使体系作战效能(能力)在原有基础上的变化程度(对己方体系作战效能的提升程度和对敌方体系作战效能的削弱程度)。因此，可采用3种方式来界定装备作战试验体系贡献度的概念：1)在作战体系中纳入和使用被试系统后所产生的效能(能力)变化量(差值)或变化率(比值)，即纳入和使用被试系统后的新作战体系效能与原作战体系效能的差值，或新作战体系效能的增量与原作战体系效能的比值；2)小体系效能占大体系效能的份额，小体系是由若干个被试的单体装备或系统装备(如侦打一体装备)构成的作战单元(通常指战术装备体系)，大体系是指纳入或使用被试系统作战单元后的装备体系、直接任务作战体系或联合作战体系；3)作战体系中各组分系统或能力要素之间存在的影响作用或涌现效应，当这种影响关系为紧耦合时，贡献者对受益者而言具有唯一性，即离开贡献者所提供的支持，受益者无法完成任务，如信息系统提供的目标分配、指示和引导能力，武器系统必须依赖信息系统提供的目标信息才能实施火力打击。在这种情况下，贡献者的体系贡献度可由受益者的需求来衡量，即贡献者(信息系统)所提供的支持满足受益者(武器系统)需求的程度。因此，根据贡献者和受益者的作用关系，体系贡献度可分为直接贡献度、间接贡献度；但从内涵上，体系贡献度可分为需求满足度和效能(能力)提升度；从度量方法上，体系贡献度可分为绝对贡献度和相对贡献度。在进行装备作战试验体系贡献度评估时，可将直接贡献度、间接贡献度、绝对贡献度和相对贡献度4种贡献度综合起来评估。体系贡献度的内涵是“对比”，分为体系中有无被试系统、体系中新老系统、体系中的不同组分系统或能力要素等，对比的内容为作战体系中纳入和使用被试系统前后的效能(能力)变化量或变化率，对比的结果就是贡献度。

依据控制论观点，作战体系是一个特殊的可控系统，其 C4ISR(Command, Control, Communication, Computer, Intelligence, Surveillance, Reconnai-ssance)体系对应控制部分(ISR)和执行部分(C4，或BM/C3(Battle Management, Command, Control, Communication))，武器系统对应作战体系的传感器(Sensor)、控制器(Controller)和执行器(Actuator)[9]59。因此，体系内部贡献度主要由感知系统(信息系统支持能力)、控制系统(指挥控制能力)和执行系统(战场机动能力、综合防护能力、火力打击能力)相互间的适应性以及由此产生的涌现性来决定，具体体现在信息协同能力和打击协同能力(信火一体战能力)发挥作用的有效程度上；体系外部贡献度主要体现在被试系统对联合作战能力的影响作用(“增能”或“降能”)上。

对联合作战能力的度量，主要有3种方法[10]：联合作战能力大小(强度)、联合作战能力成功概率和两者相结合的综合度量法。联合作战能力的计算公式为

联合作战能力=战果/(战损×作战时间),

式中：战果主要衡量任务完成效益，如毁伤敌方各类目标或装备的概率、数量和百分比，敌方伤亡、被俘人员、缴获的装备和资产、遭破坏的装备和资产，兵力倍增系数和兵力交换比改善量，敌方作战体系结构演化特性的降能程度等；战损主要衡量任务完成代价，如己方各类弹药的消耗数量，目标或装备战损概率、数量和百分比等，己方伤亡、被俘人员、遭破坏的装备和资产，敌我兵力损耗交换比，己方作战体系结构演化特性的降能程度等；作战时间主要衡量任务完成效率，如压制敌机场时间、压制敌防空火力时间、压制敌舰载或岸基雷达时间、预警机空中值班时间、干扰机留空时间、迟滞敌机动部队行动时间、推进(机动)时间、作战窗口时长、武器单元之间的协同时间、决策响应时间、OODA(Observe, Orient, Decide and Act)环时长、作战响应时间、进攻(防御)战斗持续时间等。

将联合作战行动分解为多个单项作战任务，各单项作战任务之间存在较为松散的关联关系(松散耦合)，若每个单项作战任务的作战能力计算较简单，则可按图1所示的方法计算联合作战能力的成功概率。可选择效用函数算子、乘积算子、加权求和算子作为单项作战成功概率与联合作战成功概率的聚合算子[9]111-114。

图1 联合作战能力成功概率计算示图

2.3 装备作战试验体系贡献度试验的主要内容

装备作战试验体系贡献度试验内容是为获取作战效能评估数据，分析纳入和使用被试系统后作战体系效能(能力)的变化量(变化率)而进行的试验任务或试验项目。其先期的基础性工作是内容设计[11]。装备作战试验体系贡献度试验可分为体系内部贡献度试验和体系外部贡献度试验2种，如图2所示[7]。其中：体系内部贡献度试验主要考核被试系统对直接任务作战体系的需求满足度及效能(能力)提升度，重点考核被试系统对增强直接任务作战体系机动能力、防护能力、指挥控制能力、打击协同能力和信息协同能力的贡献度；体系外部贡献度试验主要考核被试系统纳入到联合作战体系后，联合作战体系效能(能力)的变化情况，重点考核被试系统对增强联合作战体系生存能力和信火一体战能力的贡献度。

图2 装备作战试验体系贡献度试验的主要内容

基于复杂性科学整体与部分辨证统一的观点，被试装备体系和联合作战体系具有功能涌现性的特点。结合装备作战试验体系贡献度试验的主要内容及适应性分析结果，被试系统内、外部体系功能的涌现包括4个重要阶段[12]。

1) 感知系统与控制系统各模块相结合，涌现信息协同能力的阶段。主要表现为信息系统的信息质量与决策质量，可用连通性、准确性、时效性来衡量。连通性是指体系各组分系统根据作战需要，向体系内其他系统寻求、获取、提供信息支持/指挥控制等的能力[13]，可用体系结构关系质量来衡量；准确性是指获得信息和决策与任务需求之间的一致程度，可用综合探测概率、组网通信能力及质量、武器协同精确性等指标来衡量；时效性是指从采集信息到获得作战指令所需的时间，可用作战响应时间、决策响应时间或OODA环时长来衡量。

2) 执行系统各模块相互作用、结合，涌现打击协同能力的阶段。主要表现为远程打击能力、跨越打击能力、全域打击能力。远程打击能力是指打击平台配系在战区外围或敌方防区以外，对敌方战略重心或要害目标实施“非接触”(超视距、超杀伤半径)的信息攻击和火力打击；跨越打击能力是指部署在战略纵深的武器平台，通过远距离的跨越机动对敌方纵深目标实施信息火力奔袭的能力；全域打击能力是指利用部署在太空(临近空间)的武器平台，对敌方地面、海上和空中等战略或要害目标实施信息攻击和火力打击的能力。

3) 感知系统、控制系统和执行系统三者结合并相互作用，涌现信火一体战能力的阶段。信火一体战打破了以往战争临时调动、临近打击的力量部署和火力战模式，依托原有的力量配系，在信息主导下广域聚集作战能量，并快速作用于敌方的战略重心，通过多波次的持续打击，重创敌方的战争体系和战争意志，实现“无处不达”。

4) 被试系统融入联合作战体系，并在联合作战环境条件下涌现联合作战能力的阶段。主要表现为联合作战任务的完成程度。

3 装备作战试验体系贡献度评估方法

3.1 改进的ADC方法

ADC方法是美国工业界武器系统效能咨询委员会(Weapon System Effectiveness Industry Advisory Committee, WSEIAC)于20世纪60年代中期为美空军建立的效能模型[14]75。该模型中装备系统效能为可用性(Availability)、可信性(Dependability)和固有能力(Capability)的函数。

笔者认为：作战适用性是衡量装备“能不能打仗”的重要指标，作战效能和体系贡献度则是衡量装备“能不能打胜仗”的重要指标。因此，可用性、可信性本质上分别是装备作战适用性在开始执行任务和执行任务过程中所处状态指标的具体表现。改进的ADC模型如图3所示。基于改进的ADC模型可对被试装备体系作战效能(基础效能)进行评估。装备作战效能(Operational Effectiveness)为E=A∘ D∘ C，其中：E为装备作战效能；A为装备在开始执行任务时作战适用性矩阵(向量)；D为装备在执行任务过程中作战适用性矩阵(向量)；C为装备作战能力矩阵(向量)，表示装备完成规定作战行动任务能力的指标；“∘ ”为评估聚合算子，表示A、D、C内部以及外部相互之间的影响作用。笔者建议：采用拟线性近似方法(主观评定法、统计分析法、数学解析法)来反映A、D、C内部相互之间的影响作用；采用仿真模拟法(如数值模拟方法、模拟试验方法、探索性分析方法、基于Agent和复杂网络的仿真建模方法等)来揭示A、D、C外部相互之间的影响作用或涌现效应。

图3 装备作战效能评估的改进ADC模型

3.2 探索性分析方法

探索性分析(Exploratory Analysis, EA)是美国兰德(RAND)公司在20世纪90年代研究国防规划和装备体系论证问题时，提出的一种用于面向高层次系统规划与论证的不确定性分析方法，可对各种不确定性因素所对应的结果进行整体研究。该方法全面分析了各种不确定性要素对结果的影响程度。

探索性分析的目的在于：1)全面理解不确定性因素对问题的影响；2)探索能够完成相应任务所需要的系统能力和策略，从而全面考察大量不确定性条件下各种方案的不同结果，达到能力规划和方案寻优的目的。基于探索性分析方法，可从3个方面探究被试装备体系和联合作战体系中主要影响因素和作战能力指标之间的关联关系，即形成基础能力(信息系统支持能力、指挥控制能力、战场机动能力、综合防护能力、火力打击能力)，生成信息协同能力、打击协同能力和信火一体战能力，涌现联合作战能力，并以动态、整体和对抗的方式探索分析被试系统、感知系统、控制系统和执行系统之间的影响作用或涌现效应，求解近似最优解、不确定性因素的重要性排序以及面向复杂系统的体系作战能力度量。

海斯(J. A. Highsmith)在描述复杂系统的复杂行为时提出：“复杂行为=简单规则+丰富关联”[2]145。

鉴于此，笔者认为：可采用探索性分析方法描述被试系统直接任务作战体系和联合作战体系中实体间的关联关系或交互，从而对作战体系结构、功能和行为演化特性，以及作战体系各组分系统或能力要素之间的影响作用或涌现效应进行建模，对作战体系内各组分系统的相互贡献度进行评估。其仿真与评估过程如图4所示[14]146-149。

图4 基于探索性分析的装备作战试验体系 贡献度仿真与评估过程

3.3 基于Agent的仿真建模方法

CAS将复杂系统的主要特性描述为涌现行为和自组织性，而体系贡献度正是通过相互影响作用或功能涌现形成的。而Agent的建模方法(Agent-Based Modeling, ABM)可对作战体系中各要素间的交互规则进行设定和分析，因此对CAS进行建模可选用Agent的建模方法。Agent模型主要由实体模型、关系模型、自适应学习模型、相互作用模型和信息与决策模型构成，各种模型构成及模型间的关系与运行环境如图5所示。

图5 基于Agent的仿真模型构成及 模型间的关系与运行环境

1) 实体模型。主要是抽象出被试系统遂行直接和联合作战中的特征实体，包括感知系统(Agent感知并有选择性地接收作战环境信息)、控制系统(Agent根据规则进行指挥决策与作战控制)、执行系统(Agent做出机动、防护或打击反应)3个模块。Agent能根据反馈动态地调整自己的行为和规则。

2) 关系模型。主要是描述被试系统遂行直接和联合作战中的侦察探测、指挥控制、战场机动、综合防护、火力打击等复杂的静态和动态关联关系。

3) 自适应学习模型。Agent的智能主要体现在其学习能力上，Agent学习包括规则的筛选和新规则的产生。自适应模型主要是描述产生指挥与控制组织结构的机制，以及被试系统遂行直接和联合作战中的侦察探测、指挥控制、战场机动、综合防护和火力打击等要素，包括实体的自适应建模和系统的自组织性建模。

4) 相互作用模型。包括实体行为对遂行直接和联合作战环境的作用，以及遂行直接和联合作战行动任务对实体环境的影响。

5) 信息与决策模型。主要反映信息系统对体系要素能力和任务能力支持的运行机理，重点考核信息系统支持能力、指挥控制能力对遂行直接及联合作战行动任务的影响关系或变化情况。

笔者认为：可采用基于Agent的仿真建模方法，按照被试系统遂行直接和联合作战的任务剖面及作战流程，设计被试装备体系和联合作战体系中各要素间的交互规则，分析体系内、外部作战适应能力的演化机制及效能涌现特性，评估装备体系内、外部贡献度。其仿真与评估过程如图6所示[1]130-131,[15]。

图6 基于Agent的装备体系贡献度仿真与评估过程

4 结论

CAS理论为人们深刻认知、分析、设计、评估、控制和管理复杂系统提供了新的思想。引入CAS理论，将装备作战试验作为复杂适应系统来研究，并对被试装备体系内外部适应能力生成、演化机制和涌现效应进行理论分析具有积极而现实的应用价值。目前，我军装备作战试验尚处在研究和发展阶段，关于体系贡献度评估更是一项全新的研究课题。本文基于CAS的体系作战观，从装备体系贡献度试验的主要内容及评估方法2个方面进行了研究。下一步还需要在体系贡献度评估方法、仿真系统实现与实际应用方面开展深入探索。

[1] 罗小明，杨娟，闵华侨，等．非对称作战数学建模与仿真分析[M]．北京：国防工业出版社，2012．

[2] 李士勇，田新华．非线性科学与复杂性科学[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006．

[3] 胡晓峰.战争工程论:走向信息时代的战争方法学[M]．北京：国防大学出版社，2013:186．

[4] 耿卫东，朱小宁.基于信息系统的体系作战基本问题研究[J].中国军事科学，2011(1)：7-12．

[5] 任连生．基于信息系统的体系作战能力概论[M]．北京：军事科学出版社，2009:36．

[6] 韩毅.军事思维的新视角:基于复杂适应系统对军事运动规律的考察[J].中国军事科学，2011(1)：62-68.

[7] 罗小明，何榕，朱延雷.装备作战试验设计与评估基本理论研究[J]．装甲兵工程学院学报，2014，28(6)：1-7．

[8] 王凯，赵定海，闫耀东．武器装备作战试验[M]．北京：国防工业出版社，2012:8-10．

[9] 王满玉，蔺美青，高玉良．基于算子的武器装备作战效能评估柔性建模方法与应用[M]．北京：国防工业出版社，2012．

[10] 刘兴，蓝羽石．网络中心化联合作战体系作战能力及其计算[M].北京：国防工业出版社，2013:12-15．

[11] 曹裕华，周雯雯，高化猛．武器装备作战试验内容设计研究[J]．装备学院学报，2014，25(4)：112-117．

[12] 张国宁，李春立．基于复杂性科学的作战指挥效能评估若干问题研究[J]．中国军事科学，2013(2)：96-103，110．

[13] 罗鹏程，周经伦，金光．武器装备体系作战效能与作战能力评估分析方法[M]．北京：国防工业出版社，2014:82-83．

[14] 李志猛，徐培德，冉承新,等．武器系统效能评估理论及应用[M]．北京：国防工业出版社，2013．

[15] 胡晓峰，杨镜宇，司光亚,等．战争复杂系统仿真分析与实验[M]．北京：国防大学出版社，2008:205-238．

(责任编辑:王生凤)

Evaluation of Contribution for Equipment Operational Test System Based on Complex Adaptive System

LUO Xiao-ming1, ZHU Yan-lei2, HE Rong2

(1. Department of Space and Command, Academy of Equipment, Beijing 101416, China;2. Brigade of Postgraduate Management, Academy of Equipment, Beijing 101416, China)

Research on evaluation of contribution for equipment operational test system based on Complex Adaptive System(CAS)provides a new perspective for innovating thought of equipment test, and is also a necessary requirement for theoretical innovation and practical application of equipment test. With the system operational view based on CAS, this paper explores the basic concept of equipment operational test system contribution, discusses the main content and adaptability of test for equipment operational test system contribution, studies the evaluation methods of equipment operational test system contribution based on improved ADC, exploratory analysis and Agent simulation modeling. It provides reference or guidance for test and evaluation for equipment operational test system contribution.

equipment operational test; system contribution; Complex Adaptive System (CAS); emergent properties

1672-1497(2015)02-0001-06

2014-11-26

军队科研计划项目

罗小明(1966-)，男，教授，博士。

E252

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.02.001