马赛克战概念下作战模块应急重构自主决策

向南 豆亚杰 姜江 杨克巍 谭跃进

在日新月异的战场环境中,传统的信息化作战样式有以下3个缺陷:高能力的作战系统数量稀少且过于昂贵,研发和维修成本高;低效的采办流程使得研发周期过长,新产出的装备不能适应日新月异的战场需求;过度依赖于脆弱的集中式指挥控制结构,关键作战节点很容易受到打击从而导致整个作战网络的崩溃,为了适应未来战略环境的需求,准确洞悉战场优势原理,可以借鉴美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)在2019年9月提出的“马赛克战”的概念.

马赛克战是集成低成本、低复杂度的作战模块的高弹性网络,利用动态、协调和具有高度自适应性的可组合力量,使整个系统更具生存能力,从而将作战网络上任何单个节点的关键目标值降至最低[1].当作战体系中的某个模块组合被敌方摧毁时,能自动快速反应,形成虽功能降级但仍能相互链接、适应战场情境和作战需求的作战体系.如图1所示,马赛克战体系可以分为3层,分别为特定作战任务需求层,可行的杀伤链层和可用的能力清单层,自上而下是以任务需求为主导的构建方式,自下而上是以能力清单为导向的构建方式,分别代表了不同的马赛克战体系构建方法.

对马赛克战的研究还处于初始阶段,李磊等提出马赛克战是决策中心战理念的辅助决策工具,需要辅以人工智能和自主决策系统实现[2];李强等就马赛克战的概念进行分析,从平行智能网信体系、体系层指挥对抗的“PREA循环”(即筹划(Planning)——准备(Readiness)——执行(Execution)——评估(Assessment))和基于情报博弈的认知域智能对抗这3个方面进行讨论和研究,对马赛克战进行了总结[3];张元涛等从马赛克战的概念、特征、对军事领域的影响等方面对马赛克战进行了阐述[4];李磊等着重研究了马赛克战的项目发展和作战威胁模式[5];雷子欣等则研究了马赛克战所需的关键技术,例如复杂适应性系统组合和设计环境、体系综合技术和试验、分布式作战管理和对抗环境中的弹性同步规划和评估等[6].以上的研究内容主要停留在对马赛克战的基本内涵和特征的分析,目前国内的研究很少涉及到对马赛克战的特定作战模式的研究,依然在按照传统的OODA(观察(Observation)——判断(Orientation)——决策(Decision)——执行(Action))方法进行分析,例如邓大松等将马赛克战的理念融入到国土防空作战中,并根据OODA 进行功能要素分解[7].

图1 马赛克战体系分层示意图Fig.1 Layered schematic diagram of mosaic warfare

针对以上对文献的分析和研究,提出一种基于PREA循环的马赛克作战模板应急重构的自主决策方法,结合犹豫模糊理论和应急决策理论,研究了在紧急情况下的马赛克战的作战模块通过评估进行排序的方法,并通过实验证明了该方法的可行性和有效性.

1 马赛克战体系模块应急重构概念

马赛克战体系中的杀伤链是由很多具有不同功能的大量、小型、廉价、多样的模块组成的,可形象地表述为“马赛克”中的许多小块,也是马赛克战体系中执行作战任务的可分解最小单元,由于这些作战模块分散部署,处于不同的物理位置,给作战带来了很多新的变化,在进攻性作战中,类似小型无人机集群的分布式,可以凭借数量众多、反应迅速、替补量足的绝对优势进行作战;在防御性作战中,马赛克体系作战模块分布稀疏,各模块价值较小,替代模块众多,可有效地减少相对损伤,因此,在战斗过程中,一旦杀伤链中的某个作战模块遭到破坏,应该立即选择其余模块进行替补,以便构成新的杀伤链进行打击,如图2所示,当杀伤链1的两个模块被破坏时,很快马赛克体系就能对替补模块进行评估和排序,并构成新的杀伤链完成任务.

图2 马赛克战体系中的模块重构Fig.2 Module reconstruction in mosaic warfare system

马赛克战体系中的模块应急重构方法属于应急决策的领域.应急决策是指在事件发生时,指挥人员对具有环境复杂性、时间紧迫性和决策信息模糊性的情况进行指挥决策[8],在马赛克战体系中,应急决策方法可以在体系层的指挥对抗划分成PREA[9]4个阶段的循环:

1)筹划(Planning):在战争开始前需要对马赛克战作出充足的预案,即对可能发生的情况的总结.

2)准备(Readiness):为了能够应对杀伤链被破坏的情况,在战斗开始前需要根据既定的作战指标体系对各模块进行评估,以便在战场中快速反应构成新的杀伤链.

3)执行(Execution):一旦马赛克战体系中的作战模块被破坏,指挥员需根据“准备”步骤中的模块评估结果快速反应,对模块重构进行决策,构成新的杀伤链维持作战体系的稳定性.

4)评估(Assessment):指挥人员需要对模块重构的结果进行评估,以判断该决策对马赛克战体系的有效性.

2 作战模块评估指标体系构建

马赛克战模块评估指标体系是进行马赛克战体系PREA循环的关键环节,建立科学、系统、易测的评估指标体系是指挥人员能力发挥的重要因素[10].由于作战意图和作战环境的不同,评估指标体系的建立各有不同,现以无人机集群马赛克协同作战体系为例,可从以下4个方面对无人机集群作战模块进行评估[11]:预警探测能力、情报处理能力、辅助决策能力和协同作战能力,并在此基础上进行进一步划分,指标体系构建如图3所示.

图3 马赛克战体系下无人机集群作战模块评估指标Fig.3 Evaluation attributes of UAV swarm combat module under mosaic warfare system

在实际的评价过程中,底层指标是构成专家对上一级指标评判的标准之一.例如,专家综合考虑无人机集群作战模块的目标检测能力、目标跟踪能力和目标定位能力,最终得出上一级指标无人机集群作战模块预警探测能力的评价值,以下是对无人机群4个指标的解释:

1)预警探测能力,该能力主要面向单无人机节点的预警探测效能评估,战场侦察和敌情预警是无人机集群的作战任务之一,是无人机集群节点所必须具备的基础性能力,在作战过程中,无人机集群往往需要利用其空中优势和速度优势对任务区域执行侦察监视、电子干扰、通信中继等任务,以保障作战活动的顺利实施,因此要求对目标进行检测、定位和跟踪.

2)情报处理能力,新时代全域作战的特点就是利用无人机集群平台发射或部署无人机,实现数据共享、飞行控制、态势感知和智能决策,使之灵活应对战场突发情况,为了保证情报和数据的顺利传输,无人机集群模块不可缺少的是传输能力和计算能力.

3)辅助决策能力,在实际作战环境中,并不是每时每刻都能保证指挥部与无人机集群之间良好的信息传输,因此无人机在接收海量的战场态势信息后,首先需要在无人机集群中进行态势共享.其次,对于共享的信息,无人机应该对其进行计算和学习,以便及时应对瞬息万变的战场环境.

4)协同作战能力,在新型智能协同联合作战中,为了战场的生存率和使用的经济性,运用大量经济成本相对较低的无人机携带大量各种类型的作战任务模块,组成前沿作战编队,因此在面临地方打击时,无人机集群模块需要进行快速重组成新的作战链,保证其作战模块的抗毁性.

3 基于犹豫模糊理论的作战模块评估模型

在对马赛克战作战模块的实际评估过程中,由于决策者本身认知的不完全性和对知识掌握的不确定性,使用精确的数值描述对作战模块的评价必定会丢失决策者的一部分真实意图,从而导致评估结果并不一定是决策者立场上的最优结果,针对多属性决策中的不确定性,西班牙学者Torra 于2009年提出了犹豫模糊集的概念[12],犹豫模糊集作为模糊集的一种最新拓展,其基本组成为犹豫模糊元素,每个犹豫模糊元素是由若干个可能的数值构成的集合.因此,犹豫模糊集比精确的数值评价更能够全面细致地刻画决策者的犹豫信息.

3.1 犹豫模糊集理论

定义1[13],设X是固定集,则犹豫集是X的每个元素映射到[0,1]子集的函数,其数学表达式为:

其中,hA(x)是[0,1]中一些数值的集合,称h=hA(x)为犹豫模糊元素.

定义2[13],设h为犹豫模糊元素,则h的得分为:

其中,lh为h中元素的个数.h的偏差度可以定义为14]

其中,s(h)的定义类似统计学中的平均值,则类似方差,反映了犹豫模糊元素h中所有数值与它们的平均值之间的偏差度.

定义3[14],设h1和h2为两个犹豫模糊元素,s(h1)和s(h2)为h1和h2的得分值,(h1)和分别为h1和h2的偏差度,则犹豫模糊的比较原则为:

1)若s(h1)

2)若s(h1)=s(h2),则:

定义4[15],设A={h1,h2,···,hn}是一个n维犹豫模糊元素的集合,则犹豫模糊加权平均(HFWA)算子是一个映射Θn→Θ,其形式为:

其中,w=(w1,w2,···,wn)T是hi(i=1,2,···,n)的权重向量,wi∈[0,1],i=1,2,···,n,且

定义5[15],对任意两个具有相同长度lh的犹豫模糊元素h1和h2,h1=h2当且仅当对任意i=1,2,···,lh,有其中σ:(1,2,···,lh)→(1,2,···,lh)为一个扰动,满足条件:hσ(i)≤hσ(i+1),则h1和h2之间的距离测度的公式为:

当h中元素个数不等时,应扩展元素较少的一个,直至它们具有相同的元素个数,按照乐观原则,向h中补充最大值;而按照悲观原则,则应向h中补充最小值.例如,h1={0.1 0.2 0.4},h2={0.5 0.7},按照乐观原则对h2进行扩充,扩充后的结果为h2={0.5 0.7 0.7}.

3.2 专家评估矩阵

在犹豫模糊决策中,专家对各作战模块(方案)的评价是由犹豫模糊元素构成的矩阵,假设一共有Ei(i=1,2,···,e)个专家,专家权重相等,互相之间不存在相互影响并保持绝对的理智,现有pi(i=1,2,···,m)个作战模块在战前的准备工作中需要进行评估,评估指标为xj(j=1,2,···,n),各专家对于各作战模块的指标体系进行评价,最终形成了犹豫模糊评价矩阵如下:

其中,犹豫模糊元素hij表示决策者对第i个作战模块的第j个指标xj的评估值.

3.3 指标权重的确定

指标权重的确定在多属性决策问题中扮演着很重要的角色,Wang 提出最大偏差法,用于确定由数值信息表示的多属性决策问题的属性权重[16],该方法的核心是有较大偏差值的指标应当被赋予较大的权重,而具有较小偏差值的指标应当被赋予较小的权重,Xu 等在最大偏差法的基础上构建了优化模型,用以确定犹豫模糊环境下的指标权重[17].

在式(5)的基础上,对于指标xj,作战模块pi相对于其他所有模块的偏差可以表示为:

根据定义5,d(hij,hkj)=表示犹豫模糊元素hij和hkj之间的距离,令

则dj表示对于指标xj所有作战模块相对于其他模块的总偏差值.为了使所有指标的偏差值最大化,构建非线性规划模型:

求解得:

将wj标准化,即可得作战模块的指标权重为

3.4 作战模块偏好排序

求出作战模块的评估指标体系权重之后,可以根据定义4 对各作战模块的指标进行犹豫模糊加权平均算子集成,由式(3)和式(5)可得,作战模块pi经过犹豫模糊加权平均算子集成之后的结果为:

根据式(1)和式(2)可以计算出各作战模块集成之后的得分和偏差度:

根据得分和偏差度可以对各作战模块进行偏好排序,以决定最终的替补作战模块.

4 作战模块重构应急决策示例

无人机集群作战是顺应战争发展的一种颠覆式的低成本作战模式,无人机集群的灵感源自于自然界中鱼群、鸟群、蜂群等低等群居生物的集群行为,个体仅依靠局部感知作用和简单的通信规则自主决定其运动状态,并且从简单的局部规则涌现出协同的整体行为[18],无人机集群作战是指依靠大量低成本、速度快、适应能力强、易于携带和投射的无人机形成规模优势,从而取得战争的主动权,这种作战效能高、作战灵活性强、作战成本可控且不易泄密的作战模式符合马赛克战的核心思想,因此作为典型案例进行研究.

假设在无人机集群马赛克战体系中,现有4个无人机集群作战模块pi(i=1,2,3,4)可作为替补作战模块,有4位专家Ei(i=1,2,3,4)需要在PREA循环的准备工作中对各无人机集群作战模块进行评估,评估的指标分别为:预警探测能力x1、情报处理能力x2、辅助决策能力x3和协同作战能力x4,现4位专家给出了初始的犹豫模糊评价矩阵H以及根据乐观原则进行填充之后的犹豫模糊评价矩阵H′:

其中,犹豫模糊元素hij表示决策者对第i个作战模块的第j个指标xj的犹豫模糊评估值,例如h41={0.4,0.71}表示决策者对第4个作战模块p4的预警探测能力指标x1的犹豫模糊评估值为{0.4,0.71}.

因此,根据Xu 等提出的最大偏差法求解指标权重的模型,由式(9)可得预警探测能力x1、情报处理能力x2、辅助决策能力x3和协同作战能力x4的权重为:

根据式(10),对各作战模块进行犹豫模糊加权平均算子集成,以p1为例,集成过程为:

同理可得:

各作战模块的得分以及偏差度如表1所示.

表1 无人机集群作战模块得分及偏差度Table1 UAV swarm combat module score and deviation

因此,在无人机集群马赛克战体系中,专家已经通过犹豫模糊决策给出了模块的偏好排序,即p2≻p3≻p4≻p1,优先进行杀伤链替补的无人机集群作战模块为模块2.

5 结论

马赛克战是一种为了应对传统作战中针对关键节点进行打击思想而产生新型作战方式,能有效提高海陆空网络等各个领域多域作战效能,推动新型、低成本无人系统的发展,适应威胁变化,降低损耗影响,极大地颠覆了传统作战理念,马赛克战体系中作战模块应急重构自主决策方法解决了PREA循环中的准备工作的内容,削弱了过于集中的单点依赖的传统作战样式,有效辅助指挥人员在杀伤链被破坏的情况下能够依据该方法进行模块重构,尽可能减少系统损伤,犹豫模糊理论解决了指挥决策人员在对作战模块评估时的犹豫性和模糊性,使得模块重构的偏好排序更为精确.

未来对马赛克战的研究必然倾向于人工智能和物联网技术,马赛克战体系的构成也不再是单纯的杀伤链,而是具有复杂体系特征和高鲁棒性的“杀伤网”,并且开发一种更为智能的辅助决策技术,使得各作战模块集成人工智能和辅助决策的功能,在杀伤网遭到破坏时能够自主进行重构,减少了人工参与,反应也将更为迅速,能够在战场上取得更大优势.